材料力學(xué)論金屬的斷裂

1、工程材料力學(xué)期中作業(yè)班級(jí)成型2班姓名陶帥學(xué)號(hào)20113650論述金屬的斷裂一、基本介紹概念：金屬材料在外力作用下斷裂成兩部分的現(xiàn)象。磨損、腐蝕和斷裂是機(jī)件的三種主要失效形式，其中以斷裂的危害最大。在應(yīng)力作用下（有時(shí)還兼有熱及介的共同作用），金屬材料被分成兩個(gè)或幾個(gè)部分，稱為完全斷裂；內(nèi)部存在裂紋，則為不完全斷裂。實(shí)踐證明，大多數(shù)金屬材料的斷裂過(guò)程都包括裂紋形成與擴(kuò)展兩個(gè)階段。對(duì)于不同的斷裂類型，這兩個(gè)階段的機(jī)理與特征并不相同。二、斷裂的基本類型彈性變形-塑性變形一斷裂1,根據(jù)材料斷裂前產(chǎn)生的宏觀塑性變形量的大小來(lái)確定斷裂類型，可分為韌性斷裂和脆性斷裂。2,多晶體金屬斷裂時(shí)，按裂紋擴(kuò)展路徑可以分

2、為穿晶斷裂和沿晶斷裂。3,根據(jù)應(yīng)力類型可分為純剪切斷裂和微孔聚集型斷裂、解理斷裂。三、具體分析1, 韌性斷裂韌性斷裂是金屬材料斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂，這種斷裂有一個(gè)緩慢的撕裂過(guò)程，在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中不斷地消耗能量。韌性斷裂的斷裂面一般平行于最大切應(yīng)力并與主應(yīng)力成45。角。用肉眼或放大鏡觀察時(shí)，端口呈纖維狀，灰暗色。纖維狀是蘇醒變形過(guò)程中微裂紋不斷擴(kuò)展和相連造成的，灰暗色則是纖維斷口表面對(duì)光反射能力很弱所致。中、低強(qiáng)度鋼的光滑圓柱試樣在室溫下的靜拉伸斷裂是典型的韌性斷裂，其宏觀斷口呈杯錐形，由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三個(gè)區(qū)域組成，即所謂的斷口特征三要素。當(dāng)光滑圓柱拉伸試樣受拉伸力作用，在試

3、驗(yàn)力達(dá)到拉伸力-伸長(zhǎng)曲線最高點(diǎn)時(shí)，便在試樣局部區(qū)域產(chǎn)生縮頸，同時(shí)試樣的應(yīng)力狀態(tài)也由單向變?yōu)槿?，且中心軸向應(yīng)力最大。在中心三向拉應(yīng)力作用下，塑性變形難于進(jìn)行，致使試樣中心部分的夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)本身碎裂，或使夾雜物質(zhì)點(diǎn)與基體界面脫離而形成微孔。微孔不斷長(zhǎng)大和聚合就形成顯微裂紋。早期形成的顯微裂紋，其端部產(chǎn)生較大塑性變形，且集中于極窄的高變形帶內(nèi)。這些剪切變形帶從宏觀上看大致與徑向呈50o60o角。新的微孔就在變形帶內(nèi)成核、長(zhǎng)大和聚合，當(dāng)其與裂紋連接時(shí)，裂紋便向前擴(kuò)展了一段距離。這樣的過(guò)程重復(fù)進(jìn)行就形成鋸齒形的纖維區(qū)。纖維區(qū)所在的平面垂直于拉伸應(yīng)力方向韌性斷裂的裂口形成與發(fā)展過(guò)程產(chǎn)生細(xì)頸均勻拉伸

4、在三向拉應(yīng)力微孔長(zhǎng)大合并作用下產(chǎn)生微孔形成小裂口裂口沿垂直于拉伸沿max方向斷裂形成杯錐狀方向擴(kuò)展接近表面纖維區(qū)中裂紋擴(kuò)展是很慢的，當(dāng)其達(dá)到臨界尺寸后就快速擴(kuò)展而形成放射區(qū)。放射區(qū)是裂紋做快速低能量撕裂形成的。放射區(qū)有放射花樣特征。放射線平行于裂紋擴(kuò)展方向而垂直于裂紋前端的輪廓線，并逆指向裂紋源。撕裂時(shí)塑性變形量越大，則放射線越粗。對(duì)于幾乎不產(chǎn)生塑性變形的極脆材料，放射線消失。溫度降低或再聊強(qiáng)度增加，由于塑性降低，放射線由粗變細(xì)乃至消失。試樣拉伸斷裂的最后階段形成杯狀或錐狀的剪切唇。剪切唇的表面光滑，與拉伸軸呈45o斷口三區(qū)域的形態(tài)、大小和相對(duì)位置，因試樣形狀、尺寸和金屬材料的性能以及實(shí)驗(yàn)溫度

5、、加載速率和受力狀態(tài)不同而變化。一般說(shuō)來(lái)，材料強(qiáng)度提高，塑性降低，則放射區(qū)比例增大；試樣尺寸加大，放射區(qū)增大明顯，而纖維區(qū)變化不大。綜上韌性斷裂的特點(diǎn)有：裂口生成、發(fā)展均很慢，斷裂前能產(chǎn)生顯著的塑性變形。斷口粗糙，無(wú)光澤，呈暗灰色纖維狀。2, 脆性斷裂脆性斷裂是突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本沒有任何塑性變形，沒有明顯征兆，因而危害性極大。脆性斷裂的斷裂面一般與正應(yīng)力垂直，斷口平齊而光亮，呈放射狀或結(jié)晶狀。般規(guī)定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小通常脆性斷裂前也產(chǎn)生微量塑性變形于5%者為脆性斷裂；反之，大于5%者為韌性斷裂。綜上：脆性斷裂的特點(diǎn)有裂口生成、發(fā)展都很快。斷裂前沒有明顯的塑性變形。斷口平整，有金

6、屬光澤。3, 穿晶斷裂與沿晶斷裂穿晶斷裂的裂紋穿過(guò)晶內(nèi)河流狀、舌狀花紋沿晶斷裂的裂紋沿晶界擴(kuò)展冰糖狀、顆粒狀穿晶斷裂沿晶斷裂從宏觀上看，穿晶斷裂可以是韌性斷裂，也可以是脆性斷裂；而沿晶斷裂則大多數(shù)是脆性斷裂。沿晶斷裂是由晶界上的一薄層連續(xù)或不連續(xù)脆性第二相、夾雜物，破壞晶界的連續(xù)性所造成，也可能是雜質(zhì)元素向晶界偏聚引起的。應(yīng)力腐蝕、氫脆、回火脆性、淬火裂紋、磨削裂紋等大都是沿晶斷裂。穿晶斷裂和沿晶斷裂有時(shí)可以混合發(fā)生。4, 純剪切斷裂與微孔聚集型斷裂、解理斷裂剪切斷裂是金屬材料在切應(yīng)力作用下沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂，其中又分為滑斷（純剪切斷裂）和微孔聚集型斷裂。純金屬尤其是單晶體金屬

7、常產(chǎn)生純剪切斷裂，其斷口呈鋒利的契形或刀尖形。這是純粹由滑移流變所造成的斷裂。微孔聚集型斷裂是通過(guò)微孔形核、長(zhǎng)大聚合而導(dǎo)致材料分離的。解理斷裂是金屬材料在一定條件下，當(dāng)外加正應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學(xué)平面產(chǎn)生的穿晶斷裂，因與大理石斷裂類似，故稱此種晶體學(xué)平面為解理面。解理面一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶面。通常解理斷裂總是脆性斷裂，但有時(shí)在解理斷裂前也顯示一定的塑性變形。四、斷裂強(qiáng)度1,理論斷裂強(qiáng)度概念：將晶體的兩個(gè)原子面沿垂直于外力方向拉斷所需的應(yīng)力。作為一級(jí)近似，該曲線可用正弦曲線表示2x二msin九式中紀(jì)正弦曲線的波長(zhǎng)x原子間位移2x如果原子位移很小，則Sin一CJ當(dāng)原

8、子間位移很小時(shí)，根據(jù)胡克定律Exa。式中a0原子間平衡距離（晶格常數(shù)）彈性應(yīng)變合并上述二式，消去x得a=m2a。位面積的表面能為S晶體脆性斷裂時(shí)消耗的功用來(lái)供給形成兩個(gè)表面所需之表面能。設(shè)裂紋面上單形成單位裂紋表面外力所作的功，應(yīng)為。-x曲線下所包圍的面積，即U022x二m二msindx=-m這個(gè)功應(yīng)等于表面能,'s的兩倍（斷裂時(shí)形成兩個(gè)新表面），即1Eey仃_1-s兩式合并，消去入得m=-1a0J這就是理想晶體脆性（解理）斷裂的理論斷裂強(qiáng)度。由式可見，晶體彈性模量愈大、表面能愈大、原子間距愈小，即結(jié)合愈緊密，則理論斷裂強(qiáng)度就愈大。附：斷裂強(qiáng)度的裂紋理論（格雷菲斯裂紋理論）假設(shè)：在實(shí)際

9、晶體中存在各種缺陷（微裂口），在外力作用下，缺陷端部產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，在平均應(yīng)力未達(dá)到仃m時(shí)，缺陷處的應(yīng)力集中已超過(guò)*m,使裂口得以逐步發(fā)展，結(jié)果導(dǎo)致實(shí)際斷裂強(qiáng)度大為下降。格雷菲斯公式：c即為有裂紋物體的斷裂強(qiáng)度（實(shí)際斷裂強(qiáng)度）。其表明，在脆性材料中,裂紋擴(kuò)展所需之盈利二一c反比于裂紋半長(zhǎng)的平方根。格雷菲斯認(rèn)為，對(duì)于一定尺寸的裂口存在一個(gè)臨界應(yīng)力值;工當(dāng)（7仃。時(shí)，裂口不能擴(kuò)大當(dāng)仃c時(shí)，裂口迅速擴(kuò)大，導(dǎo)致斷裂格雷菲斯理論是根據(jù)熱力學(xué)原理得出斷裂發(fā)生的必要條件，但這并不意味著事實(shí)上一定要斷裂。裂紋自動(dòng)擴(kuò)展的充分條件是其尖端應(yīng)力要等于或大于理論斷裂強(qiáng)度°mo設(shè)材料中自然裂紋尖端曲率半徑

10、為p,根據(jù)彈性應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算式，在此條件下裂紋尖端的最大應(yīng)力為CJmax式中b名義拉應(yīng)力由式可見，仃max隨名義應(yīng)力增大而增大，當(dāng)max達(dá)到*m時(shí)，斷裂開始（裂紋擴(kuò)展）。此時(shí)max=°m,即2二i所以，斷裂時(shí)的名義斷裂應(yīng)力為1曰P、21- s4aa（），如果裂紋很尖，其尖端曲率半徑小到原子面見距離a0那樣的尺寸，則上式CJc為4a必須指出，格雷菲斯對(duì)長(zhǎng)為2a的中心穿透裂紋計(jì)算所得的斷裂應(yīng)力公式，對(duì)長(zhǎng)為a的表面半橢圓裂紋也是適用的，對(duì)于后一種裂紋，式中的a就是裂紋長(zhǎng)度。格雷菲斯只適用于脆性固體，如玻璃、金剛石等，也就是只適用于那些裂紋尖端塑性變形可以忽略的情況。格雷菲斯理論的前提是，

11、承認(rèn)時(shí)間金屬材料中已經(jīng)存在裂紋，不涉及裂紋的來(lái)源問(wèn)題。裂紋可能是原材料在冶煉中或工件在鑄、焊、熱處理等加工過(guò)程中產(chǎn)生的;也可能是材料在受載過(guò)程中因塑性變形誘發(fā)而產(chǎn)生的。該理論的不完善性：未能反映塑性變形在斷裂中的作用Griffith-Orowan修正公式：rvE-丫p:裂縫擴(kuò)展時(shí)單位面積所需的塑性功丫，丫可忽略不計(jì)五、裂口形核機(jī)理基本思想：位錯(cuò)理論在外力作用下，刃型位錯(cuò)的合并可構(gòu)成裂口的胚芽(&)幾種具體機(jī)理：1 .位錯(cuò)塞積機(jī)理產(chǎn)生極大的應(yīng)力集中,2 .位錯(cuò)反應(yīng)機(jī)理二位錯(cuò)發(fā)生反應(yīng)生成不易移動(dòng)的新位錯(cuò),使位錯(cuò)塞積，產(chǎn)生大的應(yīng)力集中，形成裂口3 .位錯(cuò)消毀機(jī)理在兩個(gè)滑移面間距h<10

12、個(gè)原子層的滑移面上，有著不同號(hào)的刃型位錯(cuò),在切應(yīng)力作用下，它們相遇、相消，產(chǎn)生孔穴，剩余的同號(hào)刃型位錯(cuò)進(jìn)入穴中,造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，形成裂口。在G舊I土I不同小.匚淪位刊小泊誼面玨£或裂口胚才的示童圖4 .位錯(cuò)墻側(cè)移機(jī)理由于位錯(cuò)墻一部分側(cè)移，使滑移面產(chǎn)生彎折，形成裂口X圖6-11位錯(cuò)墻側(cè)移使裂口成核結(jié)論：刃型位錯(cuò)合并、堆積一應(yīng)力集中一斷裂源一達(dá)到（TC條件-裂口擴(kuò)展-脆斷六、塑性加工中金屬的斷裂1,鍛粗時(shí)的側(cè)面開裂產(chǎn)生原因m區(qū)鼓形處受有環(huán)向拉應(yīng)力作用TC過(guò)高，晶界強(qiáng)度減弱，易沿晶界拉裂裂口，（T環(huán)，如圖（a）TC較低，穿晶切斷，沿。max斷裂裂口與0環(huán)成45°角，如圖b）,

13、2,鍛壓延伸時(shí)的內(nèi)部裂紋1）平錘頭鍛壓方坯時(shí)產(chǎn)生X形內(nèi)裂90°,金屬錯(cuò)動(dòng)方向改變產(chǎn)生原因a）鍛壓時(shí)，對(duì)角線方向金屬流動(dòng)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)每翻轉(zhuǎn)b）鑄造組織國(guó)6-12在假造十字"區(qū)金屬的漪動(dòng)方向（J）彼頭在W區(qū)壓靠照頭在B區(qū)壓非鋼錠中心及對(duì)角線是雜質(zhì)和缺陷聚集的地方，為薄弱環(huán)節(jié)有柱狀晶更易開裂1c）對(duì)角線方向&最大熱效應(yīng)大，溫升高，對(duì)角線處易過(guò)燒，導(dǎo)致開裂若中心薄弱，裂紋如圖c上若角部薄弱，裂紋如圖c下Hi2）平錘頭鍛壓圓錠時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)裂產(chǎn)生原因鍛壓圓錠時(shí)，相當(dāng)于壓縮厚件。假若沒有外端，則可自由地形成雙鼓形,但由于外端的拉齊作用，使工件中心產(chǎn)生附加拉應(yīng)力。(d)3當(dāng)翻轉(zhuǎn)90鍛成方

14、坯時(shí)，裂紋如圖（d）,十字形當(dāng)旋轉(zhuǎn)鍛造圓坯時(shí)，裂紋如圖（e）,放射狀3）鍛壓延伸及軋制時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)部裂紋產(chǎn)生原因當(dāng)l/h<0.5時(shí)，在斷面中心產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力4）鍛壓延伸及軋制時(shí)產(chǎn)生的角裂產(chǎn)生原因未及時(shí)倒棱，角部溫降大，產(chǎn)生拉伸熱應(yīng)力角部變形抗力大，延伸小，產(chǎn)生附加拉應(yīng)力七、金屬材料的脆化現(xiàn)象分兩類：（1）在一定溫度條件下出現(xiàn)的脆性，溫度條件改變后，脆性自行消失，或者在一定溫度條件下，經(jīng)一定時(shí)間后出現(xiàn)的脆性。這種情況下，金屬的組織變化不明顯。有冷脆性，熱脆性，紅脆性及回火脆性。（2）由于應(yīng)力的反復(fù)作用，介質(zhì)的浸蝕以在高溫下長(zhǎng)期工作后，金屬組織改變引起的脆化現(xiàn)象。這種脆性無(wú)法消除或要通過(guò)一定的

15、特殊方法消除。如苛性脆化，氫脆，熱疲勞，石墨化。（1）冷脆性：金屬材料在低溫下呈現(xiàn)的沖擊值明顯降低的現(xiàn)象。影響因素：化學(xué)成分：1）含碳量；2）鎰；3）銀；4）磷。（2）熱脆性：某些鋼材長(zhǎng)時(shí)間停留在400500c溫度區(qū)間再冷卻至室溫，其沖擊值有明顯下降。影響因素：1）化學(xué)成分含C量，銘鎰鋁磷等；2）保溫時(shí)間不同鋼產(chǎn)生熱脆性所需的保溫時(shí)間不同。3）熱處理：調(diào)質(zhì)處理可阻止熱脆性產(chǎn)生。（3）紅脆性：含S較多的鋼中，在800900c以上呈現(xiàn)較大脆性。S化物以網(wǎng)關(guān)分布在晶界上。消除方法：1）長(zhǎng)時(shí)間高溫退火，使網(wǎng)狀S化物變?yōu)榍驙睢?）加入鎰，硫化鎰以點(diǎn)狀，球狀存在于晶界上。（4）回火脆性：對(duì)于一般鋼回火可提

16、高沖擊韌性。但某些鋼在回火后，沖擊韌性反而降低?；鼗鸫嘈裕?）第一類回火脆性發(fā)生在合金結(jié)構(gòu)鋼中。但某些鋼在250400c回火后，沖擊韌性反而降低。實(shí)際遇到機(jī)會(huì)少。2）第二類回火脆性，在450600c長(zhǎng)時(shí)間回火或在更高溫度（600700C）回火后，出現(xiàn)常溫沖擊韌性下降。再次回火消除或加入鋁鴇防止。對(duì)于一般鋼回火可提高沖擊韌性。(5)苛性脆化：金屬材料的局部高應(yīng)力區(qū)與具有一定濃度的氫氧化鈉溶液相接觸而發(fā)生的電化學(xué)晶間腐蝕脆化現(xiàn)象稱為苛性脆化。材料在高應(yīng)力作用下，晶粒本體與晶界產(chǎn)生電位差，當(dāng)與具有一定濃度的氫氧化鋼溶液相接觸，晶界部位的鐵離子將進(jìn)入溶液中，與溶液中的氫氧根離子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。如果溶液中的氫氧化鈉濃度較高，溶液中的氫氧根負(fù)離子較多，促使晶界部位的鐵離子大量進(jìn)入溶液，