第5章-材料的断裂

1第四章材料的断裂2金属的断裂机件的三种主要失效形式：磨损、腐蚀、断裂。其中断裂的危害最大。断裂：又可分为完全断裂和不完全断裂。完全断裂：在应力（或兼有热或介质）作用下，金属材料被分成两个或几个部分。不完全断裂：只是内部存在裂纹。研究金属断裂的宏、微观特征、断裂机理（裂纹的形成与扩展）、断裂的力学条件及影响断裂的内外因素，对于设计和材料工作者进行机件安全设计与选材十分必要。3一、断裂的类型一、断裂的类型：断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段。按照不同的分类方法，将断裂分为以下几种：1）按宏观塑性变形程度：韧性断裂、脆性断裂。2）按裂纹扩展途径：穿晶断裂、沿晶断裂。3）按断裂机理分类：纯剪切断裂、微孔聚集型、解理断裂。4）按断裂面取向分类：正断；切断。4（一）韧性断裂与脆性断裂51）韧性断裂光滑拉伸试样断面收缩率5%为脆断；5%为韧断。韧性与脆性随条件改变，韧性与脆性行为也将随之变化。1）韧性断裂：材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂。特点：1）断裂有一个缓慢撕裂过程，且消耗大量塑性变形能。2）断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45°角。3）断口呈纤维状，灰暗色。4）典型宏观断口特征呈杯锥状。如：中、低强度钢光滑圆柱试样在室温下的静载拉伸断裂。6杯锥状断口杯锥状断口：有纤维区、放射区、剪切唇（断口三要素）。影响这三个区比例的主要因素是材料强度和试验温度。一般地，材料强度提高，塑性降低，则放射区增大；试样尺寸加大，放射区增大明显，而纤维区变化不大。光滑圆形试样拉伸断口及示意图，断口的三要素：纤维区、放射区、剪切唇区7杯锥状断口形成过程光滑圆试样受拉伸力作用达到最大后，在局部产生缩颈；试样中心区应力状态由单向变为三向；难于塑性变形；导致夹杂物或第二相碎裂、或夹杂物与基体界面脱离而形成微孔。微孔不断长大、聚合就形成微裂纹。显微裂纹连接，扩展，就形成锯齿形的纤维区。纤维区所在平面(即裂纹扩展的宏观平面)垂直于拉伸应力方向。杯锥状断口形成示意图a）缩颈导致三向应力b）微孔形成C）微孔长大d）微孔连接形成锯齿状e）边缘剪切断裂8纤维区：裂纹扩展速率很慢，当裂纹达到临界尺寸后就快速扩展面形成放射区。放射区：裂纹快速、低能撕裂形成的，有放射线花样特征。放射线平行于裂纹扩展方向，垂直于裂纹前瑞(每一瞬间)的轮廓线，并收敛于裂纹源。撕裂时塑性变形量越大，则放射线越粗。9对几乎不产生塑性变形的极脆材料，放射线消失。温度降低或材料强度增加，因塑性低，放射线变细或消失。剪切唇：拉伸断裂的最后阶段形成锥杯状的剪切唇。剪切唇表面光滑，与拉伸轴呈450，是典型的切断型断裂。102）脆性断裂2）脆性断裂：材料断裂前基本不产生明显宏观塑性变形，无明显预兆，表现为突然发生的快速断裂，故具有很大危险性。特点：断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。矩形截面板状试样脆性断口可见“人字纹花样”。人字纹放射方向与裂纹扩展方向平行，其尖顶指向裂纹源。11（二）穿晶断裂与沿晶断裂（二）穿晶断裂与沿晶断裂：穿晶断裂：裂纹穿过晶内，可韧性断裂、也可脆性断裂。沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多为脆断，断口呈冰糖状。如应力腐蚀、氢脆、回火脆性、有些淬火裂纹、磨削裂纹等。12沿晶断裂原因：晶界上的一薄层连续或断续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性；或杂质元素向晶界偏聚等引起。沿晶断口形貌：当晶粒粗大时呈冰糖状；当晶粒细小时，断口呈细小颗粒状，断口颜色较纤维状断口明亮，但比纯解理脆性断口要灰暗些。13木材刨片机刀片，材料：6CrW2Si钢磨加工后，探伤发现表面出现裂纹，严重的经敲击即脆断成碎块。14（三）正断与切断（三）正断与切断（按断裂面取向或作用力方式）正断：断裂面垂直于最大正应力σmax；切断：沿最大切应力τmax方向断开、与最大正应力约呈450。注意：正断不一定就是脆断，也可有明显塑性变形。但切断是韧断，反过来韧断就不一定是切断。15（四）纯剪切与微孔聚集型断裂、解理断裂（四）纯剪切与微孔聚集型断裂、解理断裂：1）剪切断裂：金属材料在切应力作用下，沿滑移面滑移分离而造成的断裂。分为纯剪切断裂和微孔聚集型断裂。纯剪切断裂：(滑断)完全由滑移流变造成断裂，某些纯金属尤其是单晶体金属可产生。断口呈锋利的楔形（单晶体）或刀尖型（多晶体）。162）微孔聚集型断裂2）微孔聚集型断裂：（纯剪切断裂另一种形式）通过微孔形核、长大聚合而导致材料分离，是韧性断裂的普遍方式。宏观断口：常呈现暗灰色、纤维状，微观断口特征：则是断口上分布大量“韧窝”。韧性断口SEM微观形貌—韧窝17微孔聚集型断裂微孔形核：大多通过第二相(夹杂物)碎裂或与基体界面脱离，并在材料塑性变形到一定程度时产生的。微孔长大：随着塑性变形进行，大量位错进入微孔，使微孔逐渐长大。微孔聚合：微孔长大的同时，与相邻微孔间的基体横截面不断减小，这相当于微小拉伸试样的缩颈过程，随着微缩颈的断裂，使微孔连接(聚合)形成微裂纹。当与其他裂纹连接时就扩展并最后断裂。18微孔聚集型断裂（1）微孔形核和长大微孔聚集断裂过程：微孔成核、长大、聚合、断裂。微孔成核：大多通过第二相或夹杂物质点破裂，或第二相或夹杂物与基体界面脱离。是在断裂前塑性变形到一定程度时产生的。第二相质点处微孔成核原因：位错引起的应力集中；或在高应变条件下，第二相与基体塑性变形不协调而产生分离。19（2）微孔成核的位错模型（2）微孔成核的位错模型：a）位错运动遇到第二相时，将绕过并在其周围形成位错环。b）位错环在外加应力作用下，于第二相质点处堆积。c）位错环移向质点与基体界面，即沿滑移面分离而成微孔。微孔形核长大模型d、e）因微孔成核，后面位错所受排斥力大大下降，而被迅速推向微孔，并使位错源重新被激活，不断放出新位错。新位错连续进入微孔，使微孔长大。20f、g）若考虑位错可在不同滑移面上运动而堆积，则微孔可因一个或几个滑移面上位错运动而形成，并借其它滑移面上的位错向该微孔运动而使其长大。微孔形核长大模型微孔长大同时，相邻微孔间基体横截面积减小，在外力作用下，可借塑性流变产生缩颈（内缩须)而断裂，使微孔连接(聚合)形成微裂纹。微孔长大聚合示意图21随后，因裂纹尖端三向拉应力和集中塑变，又形成新的微孔。新微孔借内缩颈与裂纹连通，使裂纹向前扩展。如此不断进行下去直至最终断裂。微孔长大聚合示意图22（3）微孔产生力学条件古兰德（J.Gurland)和普拉特文(J.P1atesu)指出：微孔形成释放应变能须满足产生断裂新表面所需能量的原理，即第二相质点与基体界面脱离产生微孔力学条件为：121()()EKdK－第二相质点处的应力集中因素γ－裂纹表面能E－第二相质点和基体弹性模量加权平均值d－第二相质点的直径。上式表明：微孔聚集韧性断裂裂纹形成所需拉应力：与第二相质点尺寸d的平方根呈反比关系。23若考虑到质点周围材料塑性变形所消耗的功，则应为：121()()EKd11221()()()()sEVKdKVσs－第二相体积和形状一定时，基体屈服强度。V－第二相质点体积△V/V－质点周围材料变形体积与质点体积比，当质点形状一定时，其值近似为常数。试验证明：某些高强度淬火回火钢和球化的碳钢，在碳化物形状一定时，其抗拉强度与碳化物大小间也有类似关系。说明：微孔形成是韧性断裂的控制阶段，且赋予抗拉强度以新的物理概念。即抗拉强度相当于微孔开始形成时的应力。24（4）微孔聚集断裂的微观断口特征微孔聚集型断裂断口微观特征：韧窝微孔形核长大和聚合是韧性断裂主要过程。在断口上留下痕迹即为电镜下观察到的大小不等的圆形或椭圆形韧窝。韧窝－是韧性断裂的微观基本特征。铜材在拉伸断口特征－细小等轴韧窝25韧窝形状：视应力状态不同而异有三类：等轴韧窝、拉长韧窝和撕裂韧窝。1）等轴状韧窝：微孔在垂直于正应力的平面上各方向长大倾向相同。铜材在拉伸断口特征－细小等轴韧窝262）拉长韧窝：在扭转载荷或双向不等拉伸条件下，因切应力作用而形成。在匹配断口上韧窝拉长方向相反；（拉伸断口剪切唇部）3）撕裂韧窝：在拉、弯应力联合作用下，微孔在拉长、长大时同时被弯曲，形成两匹配断口上方向相反的撕裂韧窝。（三点弯曲、冲击韧断试样）27韧窝的大小(直径和深度)决定于：1）第二相质点的大小和密度。第二相密度增大或其间距减小，则韧窝尺寸减小。2）基体材料塑变能力和应变硬化指数。应变硬化指数越大，越难于发生内缩颈，故韧窝尺寸变小。3）外加应力的大小和状态。通过影响材料塑性变形能力，而间接影响韧窝深度。必须指出：微孔聚集断裂一定有韧窝存在，但在微观形态上出现韧窝，其宏观上不一定就是韧性断裂。因宏观为脆性断裂，但在局部区域内也能有塑性变形，从而显示出韧窝形态。只有微观断口存在大量韧窝时，宏观上才表现为韧性断裂。283）解理断裂2）解理断裂：金属材料在一定条件（如低温、高应变速率，或有三向拉应力状态）下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面（解理面）产生的穿晶断裂。解理断裂常见于:体心立方（bcc）和密排六方（hcp)金属中。解理面：一般是低指数面或表面能最低的晶面。晶体结构材料主要解理面次要解理面bcc（体心立方）Fe、W、Mo﹛001﹜﹛112﹜hcp（密排六方）Zn、Cd、Mg﹛0001﹜﹛-1100﹜﹛11-24﹜典型金属的单晶体的解理面29二、解理断裂（一）解理裂纹的形成和扩展：裂纹形成必与塑性变形有关，而塑变又是位错运动的反映。因此，裂纹形成与位错运动有关－提出裂纹形成位错理论。1)甄纳（G.Zener）-斯特罗（A.N.Stroh）位错塞积理论:该理论是甄纳（G.Zener）1948年提出，其模型如图。位错塞积形成裂纹在滑移面上切应力作用下，刃位错互相靠近，当切应力达到某一临界值时，塞积头处的位错互相挤紧、聚合而成为高nb、长为r的楔形裂纹（或空洞形位错）。301）位错塞积理论斯特罗（A.N.Stroh）指出：若塞积头处应力集中不能为塑性变形所松弛，则塞积头处最大拉应力σfmax能达到理论断裂强度σm，而形成裂纹。塞积头处的拉应力：在与滑移面方向呈θ=750时达最大。21max)2/)((rdif位错塞积形成裂纹210max)(aESa0－原子晶面间距,γs－表面能，E－弹性模量－滑移面上有效切应力ir－自位错塞积头到裂纹形成点距离理想晶体沿解理面断裂的理论断裂强度：311）位错塞积理论形成裂纹的力学条件：则形成裂纹所需的切应力：若r与晶面间距a0相当，且E=2G（1＋ν），则mfmax21021)()2/)((aErdSi)2(0daErSif位错塞积形成裂纹dGsif）＋（14以上所述解理裂纹形成，但并不意味会迅速扩展而断裂。321）位错塞积理论解理断裂过程三阶段：（1）塑性变形形成裂纹；（2）裂纹在同一晶粒内初期长大（3）裂纹越过晶界向相邻晶粒扩展。这与多晶体金属的塑性变形过程十分相似。331）位错塞积理论如图，裂纹底部边长即为切变位移nb，它是由τ－τi作用结果。当滑移带穿过直径为d的晶粒。则原来分布在滑移带上的弹性剪切位移为：snb2位错塞积形成裂纹idG柯垂耳用能量分析法推导出解理裂纹扩展的临界条件：即：裂纹扩展时外加正应力σ所作功必须等于产生裂纹新表面的表面能γs。341）位错塞积理论滑移带上切应力因出现塑性位移nb而被松驰，故弹性剪切位移应等于塑性位移nb，即dkGysc2idnbGsnb2代入2isdG（）12siykd（）因屈服时（τ＝τs）裂纹已形成，而τs又和晶粒直径间存在霍尔－派奇关系，即由此可推导出：位错塞积形成裂纹351）位错塞积理论上式中：σc－