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第五章断裂•5.1前言•断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一。•失效形式：如弹塑性失稳、磨损、腐蚀等。•断裂是材料的一种十分复杂的行为，在不同的力学、物理和化学环境下，会有不同的断裂形式。•研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构件在服役过程中的安全。1967年12月15日，美国西弗吉尼亚的PointPleasant桥倒塌，46人死亡；1980年3月27日，英国北海油田Kielland号钻井平台倾复；127人落水只救起89人；主要原因是由缺陷或裂纹导致的断裂。有缺陷怎么办？研究含缺陷材料的强度--断裂Fracture多次载荷作用下如何破坏？研究多次使用载荷作用下裂纹如何萌生、扩展。--疲劳Fatigue&Fracture缺陷从何而来？材料固有或使用中萌生、扩展--疲劳与断裂裂纹如何萌生？有裂纹是否发生破坏？构件能用多长时间？(寿命)断裂破坏的严重性1982年，美国众议院科学技术委员会委托商业部国家标准局(NBS)调查断裂破坏对美国经济的影响。提交报告:“美国断裂破坏的经济影响”SP647-1“数据资料和经济分析方法”SP647-2断裂使美国一年损失1190亿美元摘要发表于Int.J.ofFracture,Vol23,No.3,1983译文见力学进展，Vol15，No2，1985普及断裂的基本知识，可减少损失29%(345亿/年)。对策设计、制造人员了解断裂，主动采取改进措施，如设计；材料断裂韧性；冷、热加工质量等。利用现有研究成果，可再减少损失24%(285亿/年)。包括提高对缺陷影响、材料韧性、工作应力的预测能力；改进检查、使用、维护；建立力学性能数据库；改善设计方法更新标准规范等。剩余的47%，有待于进一步基础研究的突破。如裂纹起始、扩展的进一步基础研究；高强度、高韧性、无缺陷材料的研究等。7金属的断裂材料完全破断为两个部分以上的现象，叫断裂。（断裂使材料失去完整性）（机件三大失效形式之一）。断裂不仅出现在高应力和高应变条件下，也发生在低应力和无明显塑性变形条件下。一、断裂的基本类型1、根据断裂前塑性变形大小分类脆性断裂；韧性断裂2、根据断裂面的取向分类正断；切断3、根据裂纹扩展的途径分类穿晶断裂；沿晶断裂4、根据断裂机理分类解理断裂，微孔聚集型断裂；纯剪切断裂解理断裂、沿晶断裂和微孔聚合型的延性断裂，是指断裂的微观机制。穿晶断裂和沿晶断裂，是指裂纹扩展路线。正断和切断，是指引发断裂的缘因和断裂面的取向；•正断是由正应力引起的，断裂面与最大主应力方向垂直；•切断是由切应力引起的，断裂面在最大切应力作用面内，而与最大主应力方向呈450。•本章讨论在室温、单向加载时的金属的断裂，按脆性断裂和延性断裂分别进行论述，包括断裂过程与微观机制，断裂的基本理论以及韧—脆转化。微孔聚合型断口解理型断口晶间断裂晶内断裂以14MnMoNbB为例（图11）5.2脆性断裂脆性断裂的宏观特征，理论上讲，是断裂前不发生塑性变形，而裂纹的扩展速度往往很快，接近音速。脆性断裂前无明显的征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的后果。因此，防止脆断。162、脆性断裂（1）断裂特点断裂前基本不发生塑性变形，无明显前兆；断口与正应力垂直。（2）断口特征平齐光亮，常呈放射状或结晶状；人字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行。材料的韧性与脆性行为会随环境条件而改变。例如：T↓↓、脆性↑。一般是变形75%为韧性断裂。5.2.1解理断裂•脆性断裂的微观机制有解理断裂和晶间断裂。•解理断裂是材料在拉应力的作用下，由于原于间结合键遭到破坏，严格地沿一定的结晶学平面(即所谓“解理面”)劈开而造成的。•解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数的晶面。•解理断口的宏观形貌是较为平坦的、发亮的结晶状断面。•解理断口的微观形貌似应为一个平坦完整的晶面。但实际晶体总是有缺陷存在，如位错、第二相粒子等等。•解理断裂实际上不是沿单一的晶面，而是沿一族相互平行的晶面(均为解理面)解理而引起的。在不同高度上的平行解理面之间形成了所谓的解理台阶。在电子显微镜下，解理断口的特征是河流状花样，如图5-1所示。河流状花样是由解理台阶的侧面汇合而形成的。20解理断裂的微观断口特征电镜观察（1）河流状解理台阶，汇合台阶高度足够大形成河流状花样。裂纹跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面。解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。其方式为：解理裂纹与螺位错相交形成；通过二次解理成撕裂形成。212224晶界对解理断口的影响。（a）小角度倾斜晶界裂纹能越过晶界，“河流”可延续到相邻晶粒内。（b）扭转晶界（位向差大）裂纹不能直接穿过晶界，必须重新形核。裂纹将沿若干组新的相互平等的解理面扩展，形成新的“河流”。25（2）舌状花样解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌状凹坑或凸台。•解理台阶可认为是通过解理裂纹与螺旋位错交割而形成；也可认为通过二次解理或撕裂而形成。解理断裂的另一个微观特征是舌状花样；它类似于伸出来的小舌头，是解理裂纹沿孪晶界扩展而留下的舌状凸台成凹坑。•5.2.2准解理断裂•准解理断裂多在马氏体回火钢中出现。回火产物中细小的碳化物质点影响裂纹的产生和扩展。•准解理断裂时，其解理面除(001)面外，还有(110)、(112)等晶面。•解理小平面间有明显的撕裂棱。河流花样已不十分明显。撕裂棱的形成过程可用图5-8示意地说明，它是由一些单独形核的裂纹相互连接而形成的。29由于晶体内存在弥散硬质点，解理裂纹起源于晶内硬质处点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。准解理不是独立的断裂机制。是解理断裂的变种。•准解理的细节尚待研究，但已知它和解理断裂有如下的不同：•准解理裂纹常起源于晶内硬质点，向四周放射状地扩展，而解理裂纹则自晶界一侧向另一侧延伸；•准解理断口有许多撕裂棱；•准解理断口上局部区域出现韧窝，是解理与微孔聚合的混合型断裂。•准解理断裂的主要机制仍是解理，其宏观表现是脆性的。所以，常将准解理断裂归入脆性断裂。5.2.3沿晶断裂•沿晶断裂是裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。•裂纹扩展总是沿着消耗能量最小，即原子结合力最弱的区域进行的。一般情况下，晶界不会开裂。发生沿晶断裂，势必由于某种原因降低了晶界结合强度。•沿晶断裂的原因大致有：①晶界存在连续分布的脆性第二相，②微量有害杂质元素在晶界上偏聚，③由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。•钢的高温回火脆性是微量有害元素P,Sb,As,Sn等偏聚于晶界，降低了晶界原子间的结合力，从而大大降低了裂纹沿晶界扩展的抗力，导致沿晶断裂。图5-9沿晶断裂的断口形貌35穿晶断裂与沿晶断裂（微观）比较特点：穿晶断裂，裂纹穿过晶界。沿晶断裂，裂纹沿晶扩展。穿晶断裂，可以是韧性或脆性断裂；两者有时可混合发生。沿晶断裂，多数是脆性断裂。5.3理论断裂强度和脆断强度理论5.3.1理论断裂强度•晶体的理论强度应由原子间结合力决定，现估算如下：一完整晶体在拉应力作用下，会产生位移。原子间作用力与位移的关系如图。•曲线上的最高点代表晶体的最大结合力，即理论断裂强度。作为一级近似，该曲线可用正弦曲线表示•σ=σmsin(2πx/d)（5-1）•式中x为原子间位移,d为正弦曲线的波长。•如位移很小，则sin(2πx/d)=(2πx/d)，于是•σ=σm(2πx/d)（5-2）•根据虎克定律，在弹性状态下，•σ=Eε=Ex/a0(5-3)•式中E为弹性模量；ε为弹性应变；a。为原子间的平衡距离。合并式（5-2）和（5-3），消去x，得•σm=λE/2πa0(5-4)•另一方面，晶体脆性断裂时，形成两个新的表面，需要表面形成功2γ，其值应等于释放出的弹性应变能，可用图5-10中曲线下所包围的面积来计算得:•σm=（Eγ/a0）1/2(5—6)•这就是理想晶体解理断裂的理论断裂强度。可见，在E，a0一定时，σm与表面能γ有关，解理面往往是表面能最小的面，可由此式得到理解。•如用实际晶体的E，a。，γ值代入式(5-6)计算，例如铁，E=2×105Pa,a0=2.5×10-10m，γ=2J/m2,则σm＝4×104MPa≈E/5。•高强度钢，其强度只相当于E/100，相差20倍。•在实际晶体中必有某种缺陷,使其断裂强度降低。5.3.2格雷菲斯裂纹理论（Griffith）•Griffith在1921年提出了裂纹理论。•（1）出发点•材料中已存在裂纹；局部应力集•中；裂纹扩展（增加新的表面），系统弹性•（2）格雷菲斯模型a）单位厚度、无限宽薄板，仅施加一拉应力（平面应力）。•板内有一长度为2a，并垂直于应力的裂纹。•板材每单位体积的弹性能为σ2/2E。长度为2a的裂纹，则原来弹性拉紧的平板就要释放弹性能。根据弹性理论计算，释放出来的弹性能为Ue=-πσ2a2/E(5-7)•形成新表面所需的表面能为W=4aγ(5-8)•整个系统的能量变化为Ue+W=4aγ-πσ2a2/E（5-9）•系统能量随裂纹半长a的变化,如图•当裂纹增长到2ac后，若再增长，则系统的总能量下降。从能量观点来看，裂纹长度的继续增长将是自发过程。临界状态为:（Ue+W）/a=4γ-2πσ2a/E=0（5-10）•于是，裂纹失稳扩展的临界应力为:σc=(2Eγ/πa)1/2(5-11)•临界裂纹半长为ac=2Eγ/πσ2(5-12)•式(5-11)便是著名的Griffith公式。•σc是含裂纹板材的实际断裂强度，它与裂纹半长的平方根成反比;•对于—定裂纹长度a，外加应力达到σc时,裂纹即失稳扩展。承受拉伸应力σ时，板材中半裂纹长度也有一个临界值ac，当aac时，就会自动扩展。•而当a＜ac时，要使裂纹扩展须由外界提供能量，即增大外力。•Griffith公式和理论断裂强度公式比较σm=（Eγ/a0）1/2σc=(2Eγ/πa)1/2•在形式上两者是相同的。在研究裂纹扩展的动力和阻力时，基本概念都是基于能量的消长与变化。•Griffith认为，裂纹尖端局部区域的材料强度可达其理论强度值。•倘若由于应力集中的作用而使裂纹尖端的应力超过材料的理论强度值，则裂纹扩展，引起断裂。•根据弹性应力集中系数的计算,可以得到相似公式•Griffith公式适用于陶瓷、玻璃这类脆性材料。•Griffith-Orowan-Irwin公式•实际金属材料在纹尖端处发生塑性变形，需要塑性变形功Wp，Wp的数值往往比表面能大几个量级，是裂纹扩展需要克服的主要阻力。因而，需要修正为:σc=[E（2γ+Wp）/πa]1/2(5-17)•这就是Griffith-Orowan-Irwin公式。•需要强调的是，Griffith理论的前提是材料中已存在着裂纹，但不涉及裂纹来源。5.3.3脆性断裂的位错理论*•如果晶体原来并无裂纹，在应力作用下，能否形成裂纹，裂纹形成和扩展的机制，正应力和切应力在裂纹形成及扩展过程中的作用，以及断裂前是否会产生局部的塑性变形等问题，需要研究解决。•用位错运动、塞积和相互作用来解释裂纹的成核和扩展。5051材料断裂前总会产生一定的塑性变形。而塑性变形与位错运动有关。1、位错塞积理论位错塞积头处，应力集中，超过材料的强度极限，裂纹形成。该式与霍尔—培奇关系或同源；与格雷菲斯公式相同。21max)2/)((rdif52柯垂耳用能量分析法导出裂纹扩展的临界条件为：σnb=2γ晶粒细化，材料的脆性减小。第二相质点的平均自由程入越小，材料的强度↑。该理论的缺点，在上述应力状态，相邻晶粒中的位错源能够开动。2、位错反应理论位错反应，形成新的位错，能量降低，有利于裂纹形核。3、史密斯理论（脆性材料萌生裂纹）位错塞积，在脆性相内萌生裂纹。裂纹向塑性材料中扩展的力学条件实际上是弹塑性条件下，格雷菲斯公式53延性断裂断口特征（一）韧性断裂（宏观）1、韧性断裂；（1）断裂特点：断裂前产生明显宏观变形；过程缓慢；断裂面一般平行于最大切应力，并与主应力成45o角。（2）断口特征断口呈纤维状，灰暗色。杯——锥状。断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇纤维区：裂纹快速扩展。撕裂