5-恒力破坏

out金属材料失效分析河海大学力学与材料学院硕士课程第4讲恒力破坏（Failureanalysisofmetallicmaterials）out2材料在机械力(外加应力、内部残余应力或其他应力)的作用下将发生形状和尺寸变化。材料所受应力形式固定,则为恒力破坏。固定机械应力作用下，各种材料经历着不同的变形阶段，各阶段的变形机制也不相同。OA:弹性变形ABC:屈服CDE:塑性变形E:断裂σp：比例极限σe：弹性极限σs：屈服极限，屈服强度σb：强度极限，抗拉强度out3结合应力（σc）：材料内部原子之间的键合力屈服应力（σS）:推动晶内位错造成材料塑性变形所需的应力断裂应力（σb）:材料宏观断裂的应力塑性材料：断裂前产生较大塑性变形的材料,如低碳钢脆性材料：断裂前塑性变形很小的材料，如铸铁、石料out4延伸率(Percentelongation)1100%LLL截面收缩率(Percentreductioninarea)1100%AAAδ与ψ表征材料破坏后的塑性变形程度。δ与试件的原始尺寸L/d有关；ψ与试件的原始尺寸无关。塑性材料脆性材料5%5%在工程中按δ区分塑性材料和脆性材料L1A1注意：材料拉断后经过卸载得到残余应变εp应变实质就是延伸率δ长试件out5其他恒力破坏方式压缩弯曲扭转磨损σb是衡量脆性材料强度的唯一指标。out6第四讲恒力破坏第一节弹性变形与理论强度第二节延性破坏机制第三节脆性破坏机制第四节恒力破坏断口的微观特征第五节恒力破坏断口的宏观特征第六节小结out7§1弹性变形与理论强度原子键合力与原子间距离的关系（原子稳定位置，最低位能状态）弹簧模型弹性阶段原子键结强度：材料的弹性系数（杨氏模量）代表材料抵抗弹性变形的能力out8常见工程材料的杨氏模量弹性系数（杨氏模量）代表材料抵抗弹性变形的能力，E小则弹性高。out9镗床的镗杆的过量弹性变形会降低被加工零件的精度甚至造成废品；齿轮轴的过量弹性变形会影响齿轮的正常啮合，加速磨损，增加噪声；弹簧的过量弹性变形会影响其减振和储能驱动作用。零件在受力时抵抗弹性变形的能力称为零件的刚度。out10多数零件在使用过程中都处于弹性变形状态，不允许产生塑性变形。过量塑性变形多数工程材料为弹塑性材料，弹性变形和塑性变形间无明显的分界点。out11理想晶体的断裂模式（当原子间伸长距离x＞r-rD,F=σth，即理论抗拉强度）一般金属的实际抗拉强度仅为理论抗拉强度的10-4。out12一般材料中都存在位错，经由位错运动致使材料在较低应力下发生变形称塑性变形。§2延性破坏机制A.经由刃位错移动形成材料的塑性变形经位错移动，仅需将原子键一个个依次打断，同一次将所有原子打断所需应力大为减小。out13B.经由螺位错移动形成材料的塑性变形混合位错在本质上为刃位错与螺旋位错的组合，因此其对材料变形的作用为刃位错与螺旋位错的直接加成。out14C.塑性变形与延性破坏由于位错运动，材料在远低于其理论强度的应力作用下，产生永久变形，即为塑性变形；若材料在完全断裂前，先经历大量的塑性变形，即成为“延性破坏”。位错的滑动将发生在所有晶粒内与拉伸应力轴最接近45°的滑动平面上，而其平均滑动路径与拉伸应力轴成45°夹角。驱动位错滑动的总剪切应力应就所有晶粒加以平均，此修正值为Taylor因数，其值约为1.5.out15脆性材料的屈服强度是唯一的强度指标！out16out17out18D.缩颈（不稳定的塑性变形）即外加载荷没有增加（甚至减少）的情况下，材料仍进行塑性变形的现象。对于理想的塑性变形（没有应变强化作用），缩颈在屈服点即开始；但实际金属的应变强化现象抵消了截面积减小所造成的局部应力提高，而使缩颈现象延后发生。缩颈条件的起始点：out19§3脆性破坏机制当位错不易滑动时，材料即以脆性破坏方式直接打断其原子键连方式而实现。致使材料倾向于脆性破坏的情况：结晶构造不利于位错滑动多轴向应力高应变速率低温•HCP材料具有极强的脆断倾向•FCC金属中位错易于滑动或横跨滑动,很少有脆断(在腐蚀力作用下较可能)→低温管路或液态气体容器大都以A组织Cr-Ni钢或Cu制作.•BCC虽然滑移系多,但所有滑移面不如FCC排列紧密,需要较大应力才能使位错滑动,且极少或几乎不发生横跨滑动,亦倾向脆性破坏.out20位错受到来自四面八方应力,很难顺利沿着其最大剪应力方向进行,即位错滑动受阻碍,因而倾向脆性破坏.当材料变形速率过快,位错来不及产生滑动,因而倾向脆性破坏.位错的滑动是由部分晶格原子移动造成的。低温状态晶格原子的运动受到阻碍,亦即位错运动受到限制,因而倾向脆性破坏.较佳滑移系、单轴向应力(光滑表面)、低应力状态及较高温度可使材料倾向延性破坏一般工程上的多晶材料,即便位错滑动有利(晶内具有延性破坏特征),若晶界存在偏析、析出相、晶界面熔融等,材料一旦受到外力,将会沿着晶界发生断裂,即沿晶脆断(高温居多).高温破坏应从晶界鉴定着手!out21韧-脆转变温度温度提高时,材料断裂强度变化不大,但屈服强度因位错较易滑动而降低.材料脆性破坏倾向增加。温度效应out22晶粒尺寸对σS–σb–TK的影响细晶强化韧-脆转变温度↓其余强化措施(加工硬化、析出强化、弥散强化、M强化等均导致材料的脆化,而细晶强化可同时改善延展性。晶界是裂纹扩展的阻力；晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。细化晶粒提高韧性的原因?out23晶粒细化效应在晶界脆化情况下是不成立的。当材料晶界存在有害效应,屈服强度不变,而断裂强度会大幅下降,材料韧-脆转变温度升高,材料脆性破坏倾向增加.间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度提高。(偏聚于位借线附近形成柯氏气团，致使σs升高，脆性增大)置换型溶质元素(Ni、Mn例外)一般也降低高阶能，提高韧脆转变温度，但这种影响较间隙溶质原子小得多。杂质元素S、P、Pb、Sn、As等使钢的韧性下降。这是由于它们偏聚于晶界，降低晶界表面能，产生沿晶脆性断裂，同时降低脆断应力所致。化学成分对TK的影响out24如何测定韧-脆转变温度？根据系列冲击试验(低温冲击试验)可获得AK与温度的关系曲线，据此确定材料的韧脆转变温度，以供选材参考或抗脆断设计。用于冲断试样的冲击功AK可表示材料的变脆倾向，但不能真正反映材料的韧脆程度。因为AK并非完全被试样的变形和断裂过程所吸收（一部分功消耗于空气阻力、机身振动、冲断试样的飞出等。由于AK对材料成分、内部组织变化十分敏感，而且一次冲击弯曲试验方法简便易行，故仍被广泛采用。能量判据out25国家标准规定冲击弯曲试验用标准试样分别为夏比(charpy)U型缺口试样和夏比V型缺口试样，两种试样的形状及尺寸如图所示。所测得的冲击吸收功分别记为AKU和AKV。测量陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材料的冲击吸收功时，常采用10mm×l0mm×10mm的无缺口冲击试样。标准试样out26(1)低于某温度材料吸收的AK基本不随温度而变化，形成一平台，称“低阶能”，对应温（NDT)，称无塑性或零塑性转变温度。NDT以下断口由100％结晶区(解理区)组成。(2)高于某温度材料吸收的能量也基本不变，形成一个上平台，称“高阶能”，对应温度记为FTP。高于FTP的断裂，将得到100％的纤维状断口。(3)低阶能和高阶能平均值对应的温度定义为FTE。韧脆转变温度Tk反映了温度对韧脆性的影响，是从韧性角度选材的重要依据之一，可用于抗脆断设计．机件最低使用温度应＞Tk，应有一定的韧性温度储备Δ（Δ=T-Tk，T0为材料使用温度），Δ值常取20～60℃。对于受冲击负荷的重要机件Δ值取上限；不受冲击载荷作用的非重要机件Δ值取下限．out27如同拉伸试验一样，冲击试样断口也有纤维区、放射区(结晶区)和剪切唇几部分，但在不同试验温度下，3个区之间的相对面积是不同的。温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增大，材料由韧变脆。断口形貌判据通常取结晶区面积占整个断口面积50％时的温度为TK，并记为50％FATT(fractureappearancetransitiontemperature)或FATT50、t50。50％FATT反映了裂纹扩展变化特征，可以定性地评定材料在裂纹扩展过程中吸收能量的能力。实验发现，50％FATT与断裂韧度KIc开始急速降低的温度有较好的对应关系，故得到广泛应用．但此方法需要目测评定各区所占面积，受人为影响较大．out28系列冲击实验证明：BCC金属及合金或某些HCP晶体金属及合金，尤其是工程上常用的中、低强度结构钢，当试验温度低于韧脆转变温度时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状。FCC金属及合金一般没有低温脆性现象，但在20-42K极低温度下奥氏体钢及铝合金有冷脆性。高强度钢及超高强度钢在很宽温度范围内冲击吸收功均较低，故韧脆转变不明显。out294.1脆性破坏(Cbs)§4恒力破坏断口的微观特征沿晶脆性破坏断口形貌实例:钢的回火脆性(晶界有害元素偏析)典型的解理破坏形貌穿晶脆性破坏一些脆化因素(低温、BCC或HCP结构)导致晶粒内部晶格键结合力较弱,外加应力未推动位错滑动而先引发晶格原子沿特定结晶面断裂.out30解理破裂的河流花样与形成机制每个穿晶破裂晶粒内可见到河流花样.初始解理面随机形成,同一结晶方位(解理面)的解理位置可有不同落差,随破裂进行不同落差的解理面形成阶梯,延伸的阶梯顺着破裂方向呈现类似河流走向(支流汇成大河),由河流条纹走向可判断材料破裂的进展方向.(上图由右向左即为材料破裂的传播方向)out31集成电路的晶片脆性破坏呈现解理及河流花样破坏由IC线路正面向背面进行.out32舌状突起是解理进展过程因材料局部发生孪晶变形造成的。材料解理的方向与舌状物的掀起方向一致,亦即破裂的方向是由舌状物掀起尖端向前进展。out334.2延性破坏(sbC)延性破坏机制----微小裂缝的形成材料发生屈服后出现加工硬化现象,位错缠绕导致后续滑动位错的堆积,造成应力集中,局部区域累积的应力超过晶格键结力而使材料发生局部破裂,应力集中消失故而产生微小局部裂缝。外加应力使微小裂缝间材料继续以延性材质变形方式拉长,最后整体窝坑状断裂,窝坑底部为先前的微小裂缝位置.out34延性破坏机制-----窝坑的形成微小裂缝的来源还包括:①大量刃位错堆积,下方自然形成裂缝;②材料内部夹杂物在外加应力下也会形成微小裂缝.纯铜拉伸破断的窝坑状特征环形条纹为位错滑移线out35不同的应力形式会使韧窝外观有所差异.扭转/弯曲→拉长韧窝正向拉伸→等轴韧窝out364.3准解理破坏(sCb)介于延性破坏与脆性破坏之间的特殊破坏形式,晶格键合力不是很大,外力作用下先发生塑性变形。经历位错缠结、加工硬化、位错堆积及应力集中等过程,形成微裂缝后会扩展到较大范围,扩展期间材料破坏呈现局部解理特征.随裂缝传播,累积应力逐渐衰减,解理区之间的材料接着以延性变形的方式被拉长直到完全破断.破坏特征为许多包含河流条纹的脆性破坏解理区,而解理区边延有韧性撕裂的形貌→玫瑰花瓣特征out37准解理破坏的玫瑰花瓣特征out385.1脆性破坏的宏观特征§5恒力破坏断口的宏观特征材料直接由弹性变形转入破断,其宏观特征较单纯,破断区无明显缩颈。无论沿晶脆断的裸露晶粒或穿晶断裂的解理面均容易反射光线,因此断口呈现光亮状.平板厚试样脆性破坏出现人字形特征灰铸铁试样拉断后的断口out39根部，屈服变形微小，延伸、断口收缩均不明显，断面平齐，属于典型脆性断裂out405.2延性破坏宏观特征出现明显缩颈及破断面阴暗状.由于完全断裂前经历很长塑性变形,其宏观特征较复杂,且随材质、环境及应力形式而异.out41A.杯锥状破裂常见于一般钢铁、黄铜及铝合金。孔洞平板理论塑性变形形成的缩颈区应力提高而产生大量微小空洞,聚集成裂缝并沿45°方向延伸至即将脱离缩