材料断口分析(前言、第一章)

1材料断口分析潘清林中南大学材料学院2断裂现象34567891011121314151617181920212223概述一、基本概念断裂：材料在特定条件（σ、T、介质）下分成两个或几个部分的现象。或具有有限面积的几何表面发生分离的过程。断口：断裂后的自由表面或横截面。断裂与断口的关系：1、断裂是裂纹萌生和扩展的过程；断口是裂纹所扫过的面积。2、断裂是动态的变化过程；断口是断裂的静态反映。24断口分析：对断口形貌（宏观、微观）进行分析研究的方法。或称为断口学（Fractography）。它是研究材料断口形貌、断裂原因与断裂机理之间关系的一门科学。断口忠实地记录了断裂的动态变化过程，如果对其形貌特征进行全面的分析研究，就可以了解断裂的全过程，这样就将一个复杂的动态问题——断裂，简化为用静态方法——断口分析来研究。25二、学习本门课程的目的与意义目的：①寻找断裂原因；②分析研究断裂机理；③提出有效的改进措施。意义：防止事故发生，减少损失；提出改进方法和预防措施，提高产品使用寿命。26三、主要内容1、金属断裂（类型、过程、机理、形貌特征、实例）2、断口分析方法和技术3、断裂失效分析具体分八章：1、金属的断裂（类型、断口三要素、过程、断裂强度）2、韧性断裂（滑移分离）3、解理断裂（准解理断裂）4、沿晶断裂5、环境断裂（SCC、氢脆、蠕变等）6、疲劳断裂7、工程实际断裂分析（材料加工、P/M）8、断口分析技术27四、教学方法、教材与参考书教学方法：讲授与自学相结合教材：崔约贤编著：《金属断口分析》，哈工大出版社，1998参考书：上交大，《金属断口分析》，国防工业出版社，1979哈宽富著，《断裂物理基础》，科学出版社，2000金属损伤图谱（AnAtlasofMetalsDamage)28第一章金属的断裂§1断裂分类§2断口三要素§3断裂过程§4断裂强度29§1断裂分类1、断裂性质塑性断裂：断裂前发生较大的塑性变形，断口呈暗灰色纤维状脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口为光亮的结晶状，较平整一般地：断面收缩率＜2-5%称之为脆断，这种材料称为脆性材料，反之成为韧性材料。脆断是一种突发性断裂，断裂前基本上不发生明显的塑性变形，没有明显的征兆，因而危害性很大。30脆断的特点：1、断裂时承受的工作应力很低，一般低于σ0.22、裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始3、T↓，脆断倾向↑4、断口平齐、光亮，且与正应力垂直，断口上常呈人字纹或放射性花样312、断裂路径沿晶断裂：裂纹萌生和发展是在晶界处发生的过程穿晶断裂：裂纹萌生和发展是在晶粒内部处发生的过程穿晶断裂可以是韧性的（微孔聚集型断裂），也可以是脆性的（解理断裂、穿晶应力腐蚀断裂）沿晶断裂多为脆断（氢脆断裂），少数为韧性断裂（高温蠕变断裂）323、断裂方式正断：断裂的宏观表面垂直于σmax方向，断口较平整。电子图象可能出现韧窝花样、河流花样切断：断裂宏观表面平行于τmax方向。断口宏观形貌为抛物线状的韧窝花样334、断裂机理韧窝断裂（dimplefracture)解理断裂（cleavagefracture)疲劳断裂（fatiguefracture)环境断裂（蠕变、SCC、氢脆）解理断裂：这是一种在正应力作用下所产生的穿晶断裂，通常断裂面是严格沿一定的晶面（解理面）而分离。bcc、hcp在低温、冲击载荷作用下常发生解理断裂注意：通常解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂34剪切断裂：在切应力作用下，沿滑移面滑移而造成的滑移面分离的断裂。它包括：滑断（纯剪切型断裂）——纯金属、单晶体金属。断口呈锋利楔形或刀尖形微孔聚集型断裂——大多数钢铁材料、有色金属材料355、其它应力状态：静载断裂（拉伸、剪切、扭转）动载断裂（冲击、疲劳）裂纹扩展速度：快速断裂（拉伸、冲击）缓慢断裂（疲劳）延迟断裂（SCC、氢脆）断裂能量：低能断裂（结晶学断裂）中能断裂高能断裂（非结晶学断裂）36§2断口三要素一、断口三要素的内容与特点光滑园柱形试样的拉伸变形过程：均匀变形——缩颈——断裂（杯锥状断口）cupandcone37断口三要素38三要素：纤维状区（fibrouszone）;放射状区（radialzone）;剪切唇区（shearlip）纤维区：位于断口中央，与外加应力垂直，呈粗糙的纤维状园环形花样；暗灰色，常可观察到显微空洞和锯齿状；其底部晶粒被拉长象纤维一样，为裂纹萌生区放射区：具有放射花样特征（脆断特征）放射线的发散或收敛方向为裂纹扩展方向纤维区与放射区交界线标志着裂纹由稳定扩展向快速扩展（失稳扩展的转化）剪切唇：表面较光滑，与拉应力方向呈45°切断区域，有金属光泽，呈灰色鹅毛状39二、断口三要素的分布类型①F、R、S②F、S——160℃光滑园柱拉伸试样断口③R、S——低合金钢在－160℃条件拉伸或冲击断口④S——纯剪切型断口或薄板拉伸断口40三、影响因素1、试验温度T↓，F↓S↓R↑2、试样尺寸t↑，F↓S↓R↑3、试样形状试样形状41四、断口三要素的应用根据断口三要素可以判断裂纹源的位置及宏观裂纹扩展方向裂纹源的确定：①利用纤维区，通常情况裂源位于纤维区的中心部位，因此找到纤维区的位置就找到了裂源的位置；②利用放射区形貌特征，一般情况下，放射条纹的收敛处为裂源位置；③根据剪切唇形貌特征来判断，通常情况下裂纹处无剪切唇形貌特征，而裂源在材料表面上萌生。42裂纹扩展方向的确定：①纤维区指向剪切唇②放射条纹的发散方向③板状样呈现人字纹（chevronpattern）其反方向为源扩展方向43§3、断裂过程裂纹形成裂纹扩展：亚稳扩展（亚临界扩展阶段）失稳扩展44裂纹形成的位错理论（裂纹形成模型或机制）1、位错塞积理论—stroh理论2、位错反应理论—cottrel理论3、位错墙侧移理论4、位错交滑移成核理论5、同号刃位错聚集成核理论45问题：①裂纹形成只与外加切应力有关，而与应力状态无关，与实际不符；②未考虑第二相粒子的影响。位错塞积理论—stroh理论46问题：未考虑材料中的第二相粒子，因它们的形状和分布影响断裂性质位错反应理论—cottrel理论47位错墙侧移理论48其它模型位错交滑移同号位错聚集49裂纹扩展两阶段：亚稳扩展：裂纹自形成而扩展至临界长度的过程特点：扩展速度慢，停止加载，裂纹停止扩展裂纹总是沿需要消耗扩展功最小的路径，条件不同，亚稳扩展方式、路径、速度也各不相同失稳扩展：裂纹自临界长度扩展至断裂特点：速度快，最大可达声速；扩展功小，消耗的能量小；危害性大，总是脆断50第四节断裂强度一、理论断裂强度σm1、定义：如果一个完整的晶体，在拉应力作用下，使材料沿某原子面发生分离，这时的σf就是理论断裂强度。断裂强度σf:指原子面发生分离时所需要的真应力大小。,Tf51当x很小时，sinx=x,则：其中:σm理论断裂强度x为原子偏离平衡位置的位移x＝a－a02sinmx假设原子间结合力随原子间距按正弦曲线变化，周期为λ，则:2、断裂强度计算2mx（1）0a52当x很小时，ε和σ之间仍符合虎克定律，则：0xEEa（2）由（1）、（2）式可得：02mEa（3）53222000222sincos2mmmxxdxdx当晶体材料在外力作用下，产生很小的变形，原子面就发生分离，这时分离过程所作的功，应等于形成两个新表面所需要的能量。形成单位裂纹表面外力所做的功应为σ－x曲线下所包围的面积。根据能量守恒：代入（3）式得：1/20mEa（4）2m理论断裂强度54一般固体材料11(~)510mE而实际材料的11(~)10100fm材料中存在原始裂纹、缺口、夹杂物等缺陷，造成局部应力集中，达到σm而断裂对于α-Feγ=2000erg/cm2E=2×1012达因/cm2a0=2.5×10-8cm代入（4）式：σm＝4×1011达因/cm2≈1/5Efm小2～3个数量级55二、Griffith缺口强度理论A.A.Griffith为了解决σm比σf值大2~3个数量级的问题，早在1920年就提出了缺口强度理论。1、Griffith理论的基本观点在试验之前，材料中原来就存在裂纹，由于裂纹存在将引起应力集中，裂纹尖端处的应力比平均应力高得多，当此处应力达到σm值时，裂纹将迅速扩展而断裂，因此断裂时的平均应力远小于理论强度值。56由图可知：当裂纹达到临界尺寸ac时，总能量变化达到极大值。根据求极值的方法，可求出带裂纹的断裂强度σc2、Griffith缺口强度σc的计算驱动力：裂纹形成时释放的弹性应变能Ue阻力：裂纹形成时新增的表面能W2214Waa222eaUaE此时物体中的总能量变化为224eauWUaE57令12()0duuda即22(4)0adaEda可得1/21/22()()cEEaaGriffith判据对于一定尺寸的裂纹，有一临界应力值σc当外加应力裂纹不能扩展cc裂纹迅速扩展，最终导致断裂58ca讨论：1.在脆性材料中，裂纹扩展所需的应力与裂纹半长的平方根成反比，裂纹越长，越容易失稳。2.如外加应力不变，而裂纹在物体服役时不断长大，则当裂纹长大到也达到失稳扩展的临界状态。22scEa593.比较σm和σc1/20()mEa1/2()cEa1/20mcaa由于裂纹长度aa0，因此σmσcGriffith公式的物理意义：裂纹尖端引起的应力集中相当于将外力放大倍，使局部地区达到σm而导致断裂。1/20aa603、Griffith理论优缺点：①Griffith公式只适用脆性材料，如玻璃，金刚石，超高强钢等，也就是只适用于那些裂纹尖端塑性变形功可以忽略的情况。②对于一些断裂前产生明显塑性变形的金属，为了采用Griffith判据，需修正1/22()pcEuaup为塑性变形功61③Griffith判据只是个必要条件，但它不是个充分条件，因为当裂纹满足能量条件时，裂纹尖端应力并不一定等于σm；④对于一些不存在原始裂纹的金属，Griffith公式无法解释实际σf低的原因。