第三章-第一部分-断裂分类及微观机制

第三章断裂与断裂韧性（第一部分）典型结构材料的拉伸曲线安全服役范围金属构件的失效模式塑性变形断裂——材料在外力作用下局部或整体相邻的两部分发生分离的现象。断裂导致构件的整体性、连续性遭到破坏，意味着构件功能的彻底丧失，因而是材料最严重的失效形式。关于断裂的危害很容易理解，其后果往往是灾难性的，如锅炉爆炸、桥梁破裂、火车运行中车轴断裂、飞机、轮船失事、导弹和运载火箭的失控爆炸等。断裂失效典型事例：•第二次世界大战期间，美国制造了近4000艘焊接轮船，包括60艘“海洋号”、3000多艘自由号、以及550余艘T2油船，到1958年底为止，严重断裂的有319艘。1943年1月，刚刚经过试航的美国T-2号油轮，停泊在纽约港，突然一声巨响，自行断裂为二。当时甲板的工作应力仅为70MPa，远低于材料的屈服极限。第二次世界大战时期，美国轮船Schenectady号停靠于太平洋西北码头时，船身完全断裂开。•20世纪50年代，美国北极星导弹固体发动机试验时发生的爆炸事故、法国核电站的压力容器、英国核电站的大型锅炉爆炸都造成了严重破坏与人员伤亡。•1954-1956，美国发生5起电站转子与叶轮的飞裂事故，加拿大发生了2起发电机护环的飞裂事故。•1965年12月17日，北海气田“海宝号”海洋钻机脆断事故，造成19人丧生。•20世纪70年代初辽阳化工厂压力容器爆破事故造成数十人伤亡。2011年7月15号，通车仅14年的杭州钱江三桥引桥坍塌。2011年7月19号，零点40分，一辆重达160吨的严重超载货车，通过北京市宝山寺白河桥时，造成桥梁塌毁。2011年7月14日上午8点50分左右，福建武夷山市的武夷山公馆大桥北端发生垮塌事故，牌号为闽H30953的一辆旅游大巴车坠入桥下，当场造成1人死亡，22人受伤2011年04月01日，1架隶属于美国西南航空公司的波音737-300型客机在飞行途中，机舱顶部突然“开天窗”，1.5米长的破洞导致机舱失压，随后飞机在美国亚利桑那州一军用机场成功迫降。除一名空乘人员因缺氧昏迷而受轻伤外，其他人安然无恙。1988年，Aloha航空公司的一架波音737飞机在太平洋上空飞行时，在没有任何预兆的情况下，机舱天棚洞开。•世界载人航天史上的悲剧——“挑战者”号航天飞机升空失事1986年1月28日，“挑战者”号第10次飞行中，升空73秒后起火爆炸。造成直接经济损失近20亿美元，7名航天员死亡，航天飞机飞行被迫中断近2年，直到1988年9月29日才恢复“发现号”的飞行。事故原因：“挑战者”号右侧助推火箭连接处的O形密封圈在火箭点火后破裂，燃烧火焰热流外逸，波及燃料箱，引起爆炸。断裂是工程事故中最严重的失效形式，严重影响整个系统的安全运行，会造成巨大的经济损失，产生灾难性的后果。因此，对断裂问题开展研究，确定断裂失效模式，分析断裂事故发生的原因，并进而提出有效预防措施，以避免类似事件的再度发生，对于工程应用具有非常重要的现实意义。断裂是材料在一定应力状态下所表现出的特定力学行为，断裂的发生既与构件的受力状态有关，又与制作构件材料的自身特性有关。•断裂力学——从力学角度出发，研究断裂发生的力学条件，进而建立断裂判据。•材料学——材料自身特性及组织结构•断裂物理——裂纹萌生和扩展机制及其影响因素§3-1断裂分类及断裂机制断裂失效是一个十分复杂的物理、化学和力学过程，即使是同一种材料，在不同的服役条件下会有不同的断裂失效形式。力学状态图示意一、断裂分类1、根据断裂时宏观变形量的大小划分•韧性断裂——断裂前材料发生明显的宏观塑性变形，又叫延性断裂或塑性断裂，比较容易引起人们的注意，如果及早采取相关措施，可以避免断裂危害的发生。危害性相对较小，即使发生破断，也不会产生大量碎片，危及周围的设备及人员。•脆性断裂——在断裂前几乎不产生明显的宏观塑性变形或塑性变形量极小，难以察觉，断裂突然发生，而且有时伴随产生大量碎片，其危害性极大，经常导致灾难性的后果。此种分类方法只具有相对意义：•同一种材料，条件改变（如应力、温度、环境等变化），其变形量也可能发生显著的变化；•在某些情况下，宏观范围内是脆性断裂，但在局部范围或微观范围内却存在着大量的塑性变形。因此，完全脆性断裂和完全韧性断裂是较少见的，通常情况下是兼备二者特征的混合型断裂。-30℃80℃•正断型断裂——由正应力引起的，断裂面取向与最大正应力方向垂直。•切断型断裂——由切应力引起的，断裂面平行于最大切应力或最大切应变方向，与最大主应力方向呈45º交角。正断可能是脆性的，也可能是韧性的，而切断一般总是韧性的。2、按照引起断裂的应力类型及断裂面与应力取向关系划分正断型断口切断型断口混合型断口单向拉伸断裂的几种断口形貌3、按照裂纹扩展路径进行分类（多晶体材料）•沿晶断裂——裂纹沿着晶界或相界扩展而引起的断裂•穿晶断裂——裂纹穿过晶粒或相的内部扩展而导致的断裂沿晶断裂通常是宏观脆性的，穿晶断裂则既可以是宏观塑性的，也可以是宏观脆性的。铝多晶体晶粒的三维结构镍基高温合金GH698的蠕变断口形貌4、从致断原因角度分类在工程实际中，构件的断裂行为与材料自身及外界条件密切相关，出于研究方便，更多的是从致断原因角度出发，将断裂失效划分为•疲劳断裂•蠕变断裂•应力腐蚀断裂•氢脆•腐蚀疲劳断裂等二、断裂的微观机制•解理断裂——材料在正应力的作用下，由于原子间键合遭到破坏而产生的一种穿晶断裂。•剪切断裂——金属材料在切应力的作用下，沿滑移面分离而造成的断裂现象。（1）解理断裂的特点材料以极快的速率沿着特定晶体学平面而产生的穿晶断裂，这种特定的晶体学平面称为解理面。解理面一般是表面能量最小的晶面，且往往是低指数的晶面。解理断裂常在体心立方和密排六方金属及合金中发生。ss解理面t滑移面t解理初裂纹起源于晶界、亚晶界或相界，并严格地沿一定的结晶学平面扩展，其断裂单元为一个晶粒尺寸，极少发现终止于晶粒内部的解理裂纹。低温、高的加载速率、应力集中及粗大晶粒均有利于解理断裂的发生。解理裂纹的扩展是由垂直作用于某一解理面上的拉应力所控制的。解理断口的宏观形貌是较为平坦、发亮的结晶状断面。对于实际多晶体金属材料而言，由于晶粒取向不同，导致解理断口上不同晶粒的解理面与断裂面之间存在着相对位向差异，如果把断口放在光照下旋转，则断面象存在许多小镜面似的闪闪发光，一般称这些反光的小平面为“小刻面”，根据这个宏观特征很容易判别解理断口。ss解理面解理断口的基本微观特征是台阶、河流花样、舌状花样等（a）（b）图6-5B2结构Fe3Al真空室温拉伸试样的断口形貌(a)单晶试样断口形貌，(b)多晶试样断口形貌从理论上说，一个理想完整晶体沿其解理面发生断裂时，断口应该是一个平坦的完整晶面，但由于存在缺陷，裂纹并不是沿着单一晶面解理，而是沿着一组平行的晶面解理，在不同高度上的平行解理面之间形成解理台阶。——通过次生解理或撕裂的方式形成台阶(a)解理台阶的形成方式（a）（b）（c）图6-6通过二次解理或撕裂方式形成解理台阶示意图1b2b2bAABBCCDDS——解理裂纹与螺位错相交割所形成的台阶解理台阶的形成过程示意图(a)裂纹AB向螺位错CD扩展，(b)裂纹与螺位错CD交割形成台阶(a)(b)许多小的解理台阶相汇合，把处于不同解理面上的裂纹联通起来，便形成了河流花样。图3-9解理裂纹扩展方向与河流方向河流的流向恰好与裂纹扩展方向一致。所以根据河流花样的流向，可判断解理裂纹在微区内的扩展方向。解理台阶在裂纹扩展过程中，要发生合并与消失，并伴随台阶高度的变化。解理台阶相互汇合示意图(a)异号台阶汇合(b)同号台阶汇合(a)(b)（b）河流花样河流花样是解理断裂的重要微观形貌特征。(c)舌状花样解理裂纹与孪晶交割产生，是孪晶在断口上的露头。图6-12舌状花样微观形貌TEM24000×解理断裂过程中无明显塑性变形，为脆性断裂，是穿晶断裂，不能简单地将解理断裂等同于脆性断裂，解理断裂指的是微观断裂机理，脆性断裂代表的是断裂过程中吸收能量的多少，或者是断裂前是否存在明显的宏观塑性变形。舌状花样的形成与解理裂纹沿形变孪晶与基体之间的界面扩展有关，是解理裂纹扩展遇到孪晶与基体的界面时裂纹改变走向后形成的。•微孔聚合性剪切断裂——在塑性变形过程中微孔形核、长大、聚合导致材料分离。•纯剪切断裂——由于纯滑移流变造成断裂锌单晶的滑移变形工程结构中所用的金属材料大多为多晶结构，材料中大都含有与基体性质不同的夹杂物或者第二相，在塑性变形过程中，由于变形协调能力的差异，在晶界、相界处极易萌生微裂纹，在应力集中的作用下，微裂纹尖端发生塑性变形，产生钝化形成微孔，断裂后形成微坑或韧窝。(2)剪切断裂的特点韧窝的形状取决于应力状态和断裂方式（a）（b）（c）图4-26三种应力作用下韧窝形成示意图（a）等轴韧窝；（b）剪切韧窝；（c）撕裂韧窝（a）（b）图6-16不同类型韧窝的扫描电子形貌（3500×）（a）等轴韧窝，（b）抛物线韧窝断口上观察到韧窝并不意味该材料发生了韧性断裂——韧窝的存在，只说明材料在局部微小区域内曾发生过剪切变形，变形可能只局限于断裂路径所经过的很小体积内，即断口两侧的微观区域内，至于在宏观区域内材料是否表现为有很大的塑性并不能由此而定。韧窝大小及深浅与第二相的数量、分布以及基体的塑性变形能力与加工硬化能力密切相关。如果第二相粒子大小均一、分布均匀，则形成韧窝的尺寸也较为均匀一致；反之，如果第二相粒子大小不一，则最终形成的韧窝尺寸也存在显著差别。图6-17微孔型沿晶断裂的断口形貌沿晶断裂的断口表面上虽然存在微观塑性变形所形成的韧窝，但是宏观表现仍然为脆性断裂。§3-2裂纹形核与扩展的物理模型1、解理裂纹形核的位错模型•位错塞积模型（Zener-Stroh）——在切应力作用下，滑移面上的刃型位错运动遇到障碍，产生塞积，在位错前端产生高的应力，诱发裂纹。ss(001)(101))110(]111[2ab]111[2abb=a[001]（a）（b）图3-17建立在位错反应基础上的（001）解理裂纹形成示意图•位错反应模型（Cottrell）——位于两个{110}面上的a/2[111]滑移位错在两面的交线处发生位错反应产生a[001]位错，大量的a[001]位错塞积导致微裂纹萌生。一、解理断裂的裂纹形核与扩展晶界/相界2、解理裂纹的扩展解理裂纹穿越晶界的方式示意图•解理裂纹的扩展必须满足一定的能量条件。——由于解理面一般是表面能较小的晶体学平面，因此，裂纹优先沿着解理面扩展。•多晶体材料中解理裂纹的扩展可分为在晶粒内扩展和穿越晶界向相邻晶粒内扩展。裂纹穿越晶界扩展是控制解理断裂过程的关键。二、微孔聚合型断裂的裂纹形核与扩展1、微孔聚合型断裂的裂纹形核（a）（b）（c）（d）——以第二相粒子界面最为常见•塞积位错在基体与第二相粒子界面处造成应力集中，当达到一定程度时，会导致界面开裂或第二相粒子碎裂，从而形成初始裂纹。•初始裂纹一旦形成，随后续位错不断加入，裂纹尺寸逐渐增大。•随着变形继续，裂纹尖端由于加工硬化而发生钝化，塑性变形逐渐向裂纹面上下区域发展，于是以第二相粒子为核心形成微孔。•由于位错可以在不同滑移面上运动和塞积，因此，微孔可因一个或几个滑移面上的位错运动而形成，并借其它滑移面上的位错向该微孔运动而长大。2、微孔聚合型断裂的裂纹长大——微孔形成后，依靠第二相粒子周围金属的塑性变形而长大。（a）（b）（c）微孔聚合型剪切断裂的微观形貌，SEM1000×在微孔聚合型断裂的过程中，基体金属的塑性变形都在不断进行，因此，基体金属的强度和塑性会影响微孔的形成、长大和连接。第二相质点或夹杂物是诱发微孔形成的重要因素，第二相质点的性质以及质点与基体间界面的结合状态会影响微孔的形成，质点的分布会决定微孔间距及微孔之间的连接，因此，基体金属和第二相质点的性质和状态是影响微孔聚合型断裂的重要组织因素。——在断口显微形貌中，可以看到微孔底部第二相粒子的存在，这是第二相粒子诱发微孔形成的标志。三、裂纹扩展的基本形式•临界状态与物体几何尺寸、裂纹形状、位置、加载方式和