第五章-材料的断裂

本章要点2线弹性条件下的断裂——断裂韧度断裂韧性的影响因素工程领域的应用材料的断裂简介断裂的类型与断裂机理断口特征与分析裂纹形核扩展过程断裂韧性断裂强度冲击韧性低温脆性1.材料的断裂3断裂的概述4固体材料在力的作用下分成若干部分的现象裂纹形核裂纹扩展断裂断裂的定义断裂的过程断裂的分类脆性断裂韧性断裂宏观塑性变形分类穿晶断裂沿晶断裂裂纹扩展途径分类解理断裂剪切断裂微观断裂机理分类断裂的类型5按宏观塑性变形程度脆性断裂韧性断裂基本不发生明显宏观塑性变形没有明显预兆，突然发生断口齐平光亮有明显宏观塑性变形裂纹扩展缓慢，消耗大量变形能断口呈灰暗色，纤维状主要区别断裂前所产生的应变大小以断面收缩率5%作为界限断裂的类型6按裂纹扩展途径沿晶断裂穿晶断裂裂纹沿晶界扩展晶界结合力较弱，有脆性第二相、夹杂物、晶界损伤等断口呈结晶状脆性断口共价键晶体较为常见裂纹沿晶内扩展可能是脆断，也可能是韧断离子键晶体较为常见断裂的类型7按微观断裂机理剪切断裂切应力下滑移面分离引起的断裂断口宏观形貌大多呈纤维状断口微观形貌分布着大量的韧窝机制——微孔形核、长大、聚合，最后断裂微孔来源——夹杂物、第二相质点、气孔、微裂纹韧性断裂通常是剪切断裂断裂的类型8按微观断裂机理解理断裂正应力下原子结合键断裂引起的穿晶断裂断口微观形貌有大量台阶汇成的河流花样机制——裂纹与螺型位错相交形成台阶其他机制——裂纹沿孪晶扩展形成舌状花样解理是脆性断裂的微观机理之一断裂的类型9按微观断裂机理解理断裂——河流花样同号台阶汇合长大异号台阶相互抵消河流方向与裂纹扩展方向一致准解理断裂起源于晶内硬质点河流纹不完全，局部有韧窝断裂的类型10几种断裂类型小结脆性断裂韧性断裂剪切断裂解理断裂宏观塑性变形微观断裂机理断口特征与分析11宏观断口观察断裂类型微观断口形貌分析确认断裂机理成分与夹杂分析辅助分析方法常见断口特征裂纹形核与扩展12*裂纹形核位错塞积理论位错反应理论脆性第二相开裂理论裂纹扩展2.断裂强度13断裂强度14理论断裂强度2/10=aEmγσ实际材料的断裂强度仅为理论的1/10~1/1000裂纹断裂强度15Griffith裂纹理论临界应力临界裂纹半长2/12=aEcπγσ22πσγEac=裂纹失稳扩展实际材料Orowan修正2/1)2(+=aWEcπγσ塑性变形功断裂强度16真实断裂强度应力σ/MPa应变ε/%0真应力应变曲线真实断裂强度Sk静力韧度a3.断裂韧性17韧性概述18韧性材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力韧度衡量材料韧性大小的力学性能指标定义分类静力韧度——静拉伸曲线下塑性变形和断裂功断裂韧度——断裂力学方法研究材料抵抗断裂的能力冲击韧度——切口和冲击条件下的断裂韧性静力韧度应力σ/MPa应变ε/%0DSakc222.02σ−=弹性能断裂韧性19断裂韧性概述断裂力学研究方法实际材料的断裂强度仅为理论的1/10~1/1000裂纹线弹性条件下的断裂韧性弹塑性条件下的断裂韧性裂纹长度与塑性区尺度的对比线弹性条件衡量指标和判据*弹塑性条件应力场强度因子与K判据裂纹扩展能量释放率与G判据J积分与J判据裂纹尖端张开位移线弹性条件下的断裂韧性20裂纹尖端的应力场裂纹扩展模式裂纹尖端应力场应力场强度因子aKIπσ=一般形式aYKIσ=线弹性条件下的断裂韧性21应力场强度因子aYKIσ=*不同形状因子)/πsec(πWaY=中心穿透裂纹0/πϕ=Y体内椭圆裂纹QY/π1.1=表面半椭圆裂纹线弹性条件下的断裂韧性22应力场强度因子临界应力场强度因子KIC裂纹失稳扩展的临界状态下断裂韧度ccaYKσ=Ic表征材料在平面应变状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力定义断裂K判据KIc越大，断裂裂纹尺寸或应力越大，越难断裂用KIc表征材料的力学性能指标脆性断裂的条件IcIKK≥线弹性条件下的断裂韧性23断裂韧度的测定试验方法与试样紧凑拉伸试验三点弯曲单边裂纹试验四点弯曲单边裂纹试验试验步骤加工试样，预制裂纹加载让裂纹扩展，测定载荷与裂纹张开位移测量裂纹长度，求断裂韧度线弹性条件下的断裂韧性24断裂韧度的测定试验仪器试验结果处理万能试验机（三点弯曲）临界载荷取∆V/V=5%条件下的应力裂纹长度取(a2+a3+a4)/3线弹性条件下的断裂韧性25*裂纹扩展能量释放率断裂G判据裂纹扩展能量释放率裂纹失稳扩展的力学条件IcIGG≥2222I1π)1(IKEEaGνσν−=−=断裂韧性的影响因素26化学成分和结构基体相晶粒尺寸夹杂和第二相的影响易发生塑性变形韧性断裂，断裂韧度高形变强化对断裂韧度有影响细化晶粒的合金元素提高强度和塑性，提高断裂韧度强固溶元素大大降低塑性，从而降低断裂韧度形成金属间化合物的元素因第二相引起断裂韧度降低增强键合强度的组元，都将提高断裂韧度断裂韧性的影响因素27显微组织温度应变速率不同组织和亚结构对断裂韧度有很大影响第二相弥散强化的材料断裂韧度较高热处理和压力加工对断裂韧度的影响也很大温度降低通常会降低断裂韧度——韧脆转变强度较高的材料，温度对断裂韧度的影响减弱增加应变速率会降低断裂韧度应变太快时，形变热量来不及传导，造成局部区域绝热状态引起温度升高，断裂韧度反而上升断裂韧性的应用28材料选择安全校核材料开发根据材料的断裂韧度计算结构的许用应力根据承载要求和可能的裂纹选择材料设计结构尺寸临界裂纹尺寸材料成分和组元设计——第二相材料组织和亚结构设计热处理工艺以及冶金质量控制结构承载应力材料断裂韧度比较实际裂纹尺寸安全性断裂韧性的应用（课堂作业）29例题1剩余强度aYKr/IC=σ例题2σ临界裂纹尺寸()2IC/σYKa=例题3断裂韧性的应用30习题1习题2σ0.2=1200MPa，KIC=115MPa·m1/2π甲钢：σ=1950MPa，KIC=45MPa·m1/2乙钢：σ=1560MPa，KIC=75MPa·m1/2*弹塑性条件下的断裂韧性31裂纹尖端张开位移CTODJ积分与J判据sIsIGEKVσσδπ4π422===2IC2ICIC1KEGJν−==断裂判据cδδ≥4.冲击韧性32切口强度33切口定义改变零件应力和应变的分布造成应力集中和应力多向性促使材料发生低应力脆断影响使零构件外形具有几何不连续性切口敏感性bbNNSRσσ/=NSR1，对切口不敏感，切口韧性材料NSR1，对切口敏感，是切口脆性材料切口强度34*应力集中与局部应力*应变集中与局部应变Hollomon方程npKεσ=切口强度35切口强度实验测定试件实验设备万能试验机（拉伸）切口强度2max/4nbNdPπσ=*切口强度估算切口强度只能定性判定材料的切口敏感度冲击韧性36冲击载荷的特点冲击韧性实验作用时间短冲击力F是一个变力用能量变化来衡量试件夏氏切口梅氏切口冲击韧性37冲击韧性实验实验原理实验设备实验结果——冲击吸收功EAAAGHGHAfpik∆+++=−=21不能真正反映材料的韧脆程度冲击韧性38冲击韧性定义NkvkvSA=α特点SN——缺口处截面积不能真正代表材料的韧脆程度缺口冲击韧性对材料内组织变化及外界温度很敏感冲击试验简单易行用途评定原材料冶金质量和热处理后的产品质量确定材料的冷脆倾向和韧脆转变温度，用于低温材料设计反应材料一次或少数次大能量冲击断裂的抗力建立冲击功和其他力学性能指标间的关系，代替复杂实验揭示材料的变脆倾向5.低温脆性（韧脆转变）39低温脆性401986年1月23日挑战者号事故低温脆性的危害低温脆性41低温脆性的危害低温脆性42材料的冷脆倾向T/℃冲击吸收功AK0奥氏体钢（韧）高强度钢（脆）低强度铁素体钢韧脆转变温度韧脆转变温度低温冲击试验材料韧性（抗脆断）的指标估计材料的最低使用温度材料尺寸和外界因素影响很大韧脆转变温度43韧脆转变温度测试方法基本方法将试样冷却到不同温度测定冲击功，观察断口形貌特征绘制冲击功和温度关系曲线，确定韧脆转变温度断口形貌法50%FATT结晶状断口面积50%韧脆转变温度44韧脆转变温度测试方法能量法韧脆转变温度FTTT/℃冲击吸收功AK0低阶能高阶能低于某一温度NDT时，冲击功基本不随温度变化，材料断裂前无塑性变形，断口100%结晶区组成（解理断口）——低阶能高于某一温度FTP，对应100%纤维状断口——高阶能高低阶能平均值FTE——韧脆转变温度低温脆性的影响因素45内在因素晶体结构外部因素化学成分晶粒尺寸金相组织试样外形尺寸加载速率阻碍裂纹扩展塞积的位错减少，降低应力集中杂质浓度减少，避免沿晶断裂晶界