04 材料的断裂

第四章材料的断裂§4.1断裂分类与宏观断口特征§4.2断裂强度§4.3脆性断裂§4.4韧性断裂§4.6缺口效应§4.7材料的低温脆性断裂是材料的一种十分复杂的行为，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，所以在不同的力学、物理和化学环境下，会有不同的断裂形式，如静载断裂、冲击断裂、冷脆断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、应力腐蚀断裂和氢脆断裂。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。机械和工程构件三种主要失效形式：磨损、腐蚀、断裂前言4.1断裂分类与宏观断口特征一、断裂(fracture)分类根据断裂前塑性变形大小分类：脆性断裂；韧性断裂根据裂纹扩展的途径分类：穿晶断裂；沿晶断裂根据断裂机理分类：解理断裂；微孔聚集型断裂；纯剪切断裂根据断裂面的取向分类：正断；切断实际断裂很复杂，常不是单一机制，而是多种机制的混合断裂。韧性断裂与脆性断裂韧性断裂：断裂前有明显宏观塑性变形，断裂是一个缓慢撕裂过程，裂纹扩展过程中，不断消耗能量；脆性断裂：断裂前不发生明显塑性变形，无明显征兆，危害性大。实际上，金属的脆性断裂与韧性断裂并无明显的界限，一般规定，断面收缩率小于5％者为脆性断裂，大于5％者，为韧性材料。穿晶断裂与沿晶断裂穿晶断裂：裂纹穿过晶内（韧断或脆断）沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展（多为脆断）沿晶断裂产生原因：晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物破坏了晶界的连续性；或杂质元素向晶界偏聚引起。⑴剪切断裂：在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂。纯剪切断裂：完全由滑移流变造成断裂（如纯金属尤其是单晶体）；微孔聚集型断裂：通过微孔形核、长大聚合而导致分离（如常用金属材料）⑵解理断裂：金属材料在一定条件下（如低温等），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——脆断。解理断裂常见于bcc和hcp金属中。解理面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面，如bcc金属的解理面为(100)。纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂正断：断口与最大正应力相垂直；切断：宏观断口的取向与最大切应力方向平行。注意：正断不一定就是脆性断裂，正断也可以有明显的塑性变形。而切断一定是韧性断裂。正断与切断二、断口的宏观特征宏观断口：肉眼或20倍以下的放大镜观察的断口；微观断口：用光学显微镜或扫描电镜观察的断口。宏观韧性断口（拉伸试样）材料断裂的实际情况往往比较复杂，宏观断裂形态不一定与微观断口特征完全相符。因此，宏观上的韧、脆断裂不能与微观上的韧、脆断裂机理混为一谈。宏观脆性断口纤维区：在试样的中心位置，裂纹首先在该区形成，该区颜色灰暗，表面有较大的起伏，裂纹在该区扩展时伴有较大的塑性变形，裂纹扩展也较慢；剪切唇：接近试样边缘时，应力状态改变了(平面应力状态)，最后沿着与拉力轴向成45°剪切断裂，表面光滑。放射区：表面较光亮平坦，有较细放射状条纹，裂纹在该区扩展较快；断口特征三要素：纤维区F、放射区R、剪切唇S杯锥状断口的形成：a.颈缩导致三向应力，塑变难以进行，颈部中心真应力S↑；b.试样中心部位夹杂等第二相粒子破碎或质点等与基体分离；c.微孔长大形成显微裂纹，早期显微裂纹端部有较大塑性变形；d.剪切变形带与横向裂纹在带内形成长大，与其他裂纹连接成锯齿状纤维区;e.边缘剪切断裂。放射区较大，材料的塑性低。脆性断口纤维区很小，几乎无剪切唇。塑性好的材料，纤维区和剪切唇占很大比例，甚至中间的放射区可以消失。影响断口三区域的形态、大小和相对位置与试样形状、尺寸和材料的性能、试验温度、加载速率和应力状态有关。试样塑性的好坏由三个区域的比例而定：板状试样4.2断裂强度一、晶体的理论断裂强度原子间距随应力的增加而增大，在某点处，应力克服了原子之间的作用力，达到一个最大值，这一最大值即为理论断裂强度σm。从原子间的结合力入手，当克服了原子间的结合力，材料断裂。式中E为弹性模量；a0为原子间的平衡距离。σ=σmsin(2πx/λ)σ=σm(2πx/λ)σ=Eε=Ex/a0σm=λE/2πa0如果在弹性状态下晶体被破坏，位移x很小，则根据虎克定律，在弹性状态下：作为一级近似，该曲线可用正弦曲线表示：式中x为原子间位移，λ为正弦曲线的波长。这就是理想晶体脆性（解理）断裂的理论断裂强度。可见，σm与表面能γs有关，解理面往往是表面能最小的面，可由此式得到理解。断裂发生过程中，必须提供足够的能量以形成两个新表面。如材料的单位表面能为γs，即外力作功消耗在断口形成上的能量至少等于2γs:σm=λE/2πa0120()smEa公式的应用：例：铁的E=2×105MPa，a0=2.5×10-10m，γs=1J/m2,则σm＝28.3GPa。120()smEa目前强度最高的钢材为4500MPa左右，即实际材料的断裂强度比其理论值低1~3个数量级。实际的材料不是完整的晶体，即基本假设不正确。实际的材料总会存在各种缺陷和裂纹等不连续的因素，缺陷引起的应力集中对断裂的影响是不容忽视的。晋代刘昼在《刘子·慎隙》中作了这样的归纳:“墙之崩隤，必因其隙；剑之毁折，皆由于璺（wen）。尺蚓穿堤，能漂一邑”。意思是说：墙的倒塌是因为有缝隙，剑的折断是因为有裂纹，小小的蚯蚓洞穿大堤，会使它崩溃、淹没城市。1）Griffith发现刚拉制玻璃棒的弯曲强度为6GPa；而在空气中放置几小时后强度下降为0.4GPa。其原因是由于大气腐蚀形成了表面裂纹。2)约飞等人用温水溶去氯化钠表面的缺陷，强度即由5MPa提高到1.6×103MPa，提高了300多倍。3)有人把石英玻璃纤维分割成几段不同的长度，测其强度时发现，长度为12cm时，强度为275MPa；长度为0.6cm时，强度可达760MPa。这是由于试件长，含有危险裂纹的机会增多。4)块体材料和晶须材料的强度FeCu冶金熔炼材料300MPa140MPa晶须35000MPa28000MPa试验证据：二、材料的实际断裂强度（Griffith理论）固体材料中裂纹的存在，导致其实际断裂强度与理论强度至少相差一个数量级。为了解决裂纹体的断裂强度问题，Griffith在1921年从能量平衡的观点出发，研究了陶瓷、玻璃等脆性材料的断裂问题。Griffith假定在实际材料中存在着裂纹，当条件应力还很低时，裂纹尖端的局部应力已达到很高的数值，从而使裂纹快速扩展，并导致脆性断裂。在此基础上提出了裂纹理论，后来逐渐成为脆性断裂的主要理论基础。设想有一单位厚度的无限宽薄板，对其施加一拉应力σ后将其两端固定，并与外界隔绝能源。Griffith裂纹模型形成新表面所需的表面能为：Ue=-πσ2a2/E割开一长度为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：W=4aγs板材每单位体积的弹性能为σ2/2E；整个系统的能量变化为:Ue+W=4aγs-πσ2a2/E（Ue+W）/a=4γs-2πσ2a/E=0由图可知，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，则临界状态为:裂纹失稳扩展的临界应力为:－Griffith公式σc是含裂纹板材的实际断裂强度，与裂纹尺寸的平方根成反比。系统能量随裂纹半长a的变化当裂纹长度a一定，σσc时，裂纹即失稳扩展。当承受拉伸应力σ一定时，则临界裂纹ac为：a2ac时，裂纹自动扩展，发生断裂；a＜2ac时，不会发生断裂。（将理论断裂强度公式中a0以πa/2代替即变成Griffith公式。）Griffith公式适用于陶瓷、玻璃、超高强度钢等脆性材料。对于厚板：Griffith理论的前提是材料中已存在着裂纹，但不涉及裂纹来源。对于不存在裂纹的金属，Griffith理论无法解释它们实际强度低的原因。后来人们根据这类金属断裂前存在塑性变形，提出位错塞积和反应理论，当裂纹扩展到Griffith裂纹长度时，就会发生断裂。对于塑性材料，由于在裂纹尖端处产生较大塑性变形，吸收大量的变形功，这部分变形功是裂纹扩展需要克服的主要阻力，所以Griffith公式修正为：式中，γp为单位面积裂纹表面吸收的塑性变形功，2γs＋γp称为有效表面能。一般γp比表面能大几个数量级。上式是塑性金属材料的断裂判据。－－－Griffith-Orowan-Irwin公式思考题：1、一薄板内有一条长3mm的裂纹，且a0=3*10-8mm，试求脆性断裂时的断裂应力σC（设σth=E/10=2*105MPa）。2、有一材料E=2*1011N/m2，γS=8N/m，试计算在7*107N/m2的拉力作用下，该材料的临界裂纹长度。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，要防止脆断。4.3脆性断裂脆性断裂的两种主要机理：解理断裂和沿晶断裂。对解理断裂：实验结果表明，尽管解理断裂是典型的脆性断裂，但解理裂纹的形成却与材料的塑性变形有关，而塑性变形是位错运动的结果，因此，为了探讨解理裂纹的产生，不少学者采用位错理论来解释解理裂纹形成机理。一、脆性断裂机理(1)甄纳－斯特罗(Zener-Stroh)理论（位错塞积理论）解理面滑移面70.5°甄纳和斯特罗认为，在切应力作用下，滑移面上的刃型位错运动遇到障碍（晶界或者第二相颗粒），产生位错塞积，当塞积头的应力集中不能通过塑性变形得到松弛时，塞积端点处的最大拉应力可以达到理论断裂强度而形成楔行裂纹。解理裂纹FCC滑移系多，塞积群少，应力集中不大，所以不易形成解理裂纹。解理裂纹形成机理：形成裂纹的有效切应力必须满足以下关系式：i裂纹扩展并导致解理断裂的条件是外加正应力σ达到临界应力σc：其中G为切变模量，Ky是Hall−Petch关系式中的钉扎常数。由上式可以看出，晶粒越小，断裂应力提高，材料脆性降低。（2）柯垂尔(Cottrell)理论(位错反应理论)在bcc晶体中，有两个相交的滑移面和(101)与解理面(001)相交，三面交线为[010]。现有位错群和相遇于[010]轴，并产生下列反应：不动位错(101)[111]2a[111]2a该位错反应是能量降低的过程，因而裂纹成核是自动进行的，但对fcc来说，也有类似的位错反应，但不是能量降低的过程，所以fcc没有这样的裂纹成核机理。[111][111][001]22aaa（3）史密斯(Smith)理论(脆性第二相开裂理论)碳化物开裂的力学条件：碳化物裂纹向铁素体中扩展的力学条件：12204()[](1)fccEcc0为碳化物厚度考虑显微组织不均匀造成的影响，史密斯提出低碳钢中因铁素体塑性变形导致晶界碳化物开裂形成解理裂纹的理论：铁素体中的位错源在切应力作用下开动，位错运动至晶界碳化物处受阻而形成塞积，在塞积头处拉应力作用下使碳化物开裂。二、脆性断裂的微观特征（1）解理断裂(cleavagefracture)解理断裂是穿晶的脆性断裂。由于多晶体的位向取向不一，解理断裂后形成许多无规则取向的晶粒大小为单位“小刻面”，在强光照射下出现金属闪光，宏观上常形容为“结晶状”断口。解理断裂的三个微观特征：解理台阶、河流花样、舌状花样。解理台阶河流花样解理断裂微观断口: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。其形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺型位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。解理台阶解理裂纹与螺型位错相交形成台阶河流花样是判断是否为解理断裂的重要微观依据。“河流”的流向与裂纹扩展方向一致，所以可根据“河流”流向确定在微观范围内解理裂纹的扩展方向，而按“河流”反方向去寻找断裂源。异号台阶相遇相互抵消，同号台阶相遇便汇合长大。当汇合台阶足够高时，便形成河流花样。河流花样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。舌状花样准解理与解理