第6章金屬的斷裂過程

1、1金屬力學(xué)性能 第6章 金屬的斷裂過程金屬的斷裂過程 2本章內(nèi)容6.1 斷裂的分類6.2 金屬的延性斷裂6.3 解理斷裂6.4 準(zhǔn)解理斷裂6.5 沿晶斷裂6.6 斷裂的宏觀強(qiáng)度理論36.1 斷裂的分類 材料的失效：過量彈性變形；過量塑性變形；斷裂。以彈性零件和車軸為例。 材料完全破斷為兩個(gè)部分以上的現(xiàn)象，叫斷裂。（斷裂使材料失去完整性）（機(jī)件三大失效形式之一） 斷裂不僅出現(xiàn)在高應(yīng)力和高應(yīng)變條件下，也發(fā)生在低應(yīng)力和無明顯塑性變形條件下 應(yīng)力、溫度、加載方式、環(huán)境介質(zhì)等都影響斷裂行為 一次加載斷裂；疲勞斷裂；高溫蠕變斷裂；低溫脆性斷裂；應(yīng)力腐蝕斷裂4 斷裂的基本類型 1、根據(jù)斷裂前塑性變形大小分類

2、：脆性斷裂；韌性斷裂 2、根據(jù)斷裂面的取向分類：正斷；切斷 3、根據(jù)裂紋擴(kuò)展的途徑分類：穿晶斷裂；沿晶斷裂 4、根據(jù)斷裂機(jī)理分類：解理斷裂，微孔聚集型斷裂；純剪切斷裂5切離6 斷裂類型的劃分一般從兩個(gè)層次：一是宏觀斷裂特征，如脆性和韌性；二是微觀斷裂過程/機(jī)制舉例：SiCw/Al復(fù)合材料的斷裂分析宏觀脆性斷裂，斷裂應(yīng)變小于1但微觀上呈現(xiàn)微孔聚集型斷裂特征因此不能說微孔聚集型斷裂一定為韌性斷裂76.2 金屬的延性斷裂 純剪切斷裂（切離）一般發(fā)生在純金屬或較軟金屬中，如PbSn金屬中單晶體：?jiǎn)蜗祷疲鼗泼娣蛛x多晶體：多個(gè)滑移系同時(shí)開動(dòng)微孔聚集型斷裂過程中也會(huì)發(fā)生切離過程8 微孔聚集型斷裂及斷口

3、特征（1）斷裂特點(diǎn)：斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀變形；過程緩慢；中心斷裂面垂直于最大正應(yīng)力；邊緣斷裂面平行于最大切應(yīng)力，與主應(yīng)力成45度發(fā)生在低碳鋼、調(diào)質(zhì)或退火中碳鋼、時(shí)效鋁合金等杯錐9（2）斷口特征杯錐狀斷口三要素：纖維區(qū)、星芒區(qū)（放射區(qū)）、剪切唇纖維區(qū)：纖維狀，灰暗色：星芒區(qū)：裂紋快速擴(kuò)展。撕裂時(shí)塑性變形量大，放射線粗剪切唇：切斷。（3）危害：不及脆性斷裂斷裂前機(jī)件已變形失效杯錐a b c d10 微孔聚集型斷裂機(jī)理和微觀斷口特征 1、斷裂機(jī)理（1）微孔形核 點(diǎn)缺陷聚集；第二相質(zhì)點(diǎn)碎裂或脫落；位錯(cuò)引起的應(yīng)力集中，不均勻塑性形變。（2）微孔長(zhǎng)大 滑移面上的位錯(cuò)向微孔運(yùn)動(dòng)，使其長(zhǎng)大。（3）微孔聚合 應(yīng)力

4、集中處，裂紋向前推進(jìn)一定長(zhǎng)度。11 微孔形成方式1）第二相與基體的界面結(jié)合較弱時(shí)，通過界面脫粘在第二相/基體界面形成裂紋2）第二相與基體的界面結(jié)合較強(qiáng)時(shí)，通過變形協(xié)調(diào)位錯(cuò)產(chǎn)生3）第二相質(zhì)點(diǎn)的斷裂4）晶界處（往往由應(yīng)力集中導(dǎo)致）12 微孔擴(kuò)展和長(zhǎng)大過程1）在第二相界面處形成裂紋后，外加應(yīng)力作用下，裂紋首先沿著界面擴(kuò)展，形成圍繞第二相的圓環(huán)，形成微孔（紅）；2）拉應(yīng)力作用下，微孔沿應(yīng)力方向伸長(zhǎng)，形成橢圓形（藍(lán)）；133）隨著橢圓增大，質(zhì)點(diǎn)面上的承載面積減小，變形逐漸集中到質(zhì)點(diǎn)面上，在此處形成水平橢圓，得到頸縮區(qū)域（陰影線區(qū)域）4）陰影線區(qū)域類似于頸縮后拉伸試樣，發(fā)生切離斷裂，微孔聚合，形成宏觀斷裂

5、裂紋14 討論：“ 2）拉應(yīng)力作用下，微孔沿應(yīng)力方向伸長(zhǎng)，形成橢圓形”過程決定了韌窩的深淺；抑制頸縮的能力決定韌窩深淺！“4）陰影線區(qū)域發(fā)生切離斷裂，形成宏觀斷裂裂紋”過程發(fā)生材料的切離，盡管材料內(nèi)含有第二相，在此頸縮區(qū)域，沒有第二相的影響，類似于純金屬。因此基體金屬對(duì)斷裂過程的影響主要通過此過程實(shí)現(xiàn)；“4）過程”主要與微區(qū)切離過程，而與宏觀變形能力無關(guān)，因此宏觀脆性材料也有可能產(chǎn)生微孔聚集型斷裂特征。如金屬基復(fù)合材料。15 拉伸宏觀杯錐狀斷口的形成頸縮后，頸縮區(qū)域應(yīng)力集中，變成三向應(yīng)力狀態(tài)，且應(yīng)力在中心處最大微孔在中心處萌生微孔在拉應(yīng)力作用下從中心向邊緣長(zhǎng)大達(dá)到邊緣時(shí)，應(yīng)力變成平面應(yīng)力狀態(tài)，

6、裂紋沿45度方向長(zhǎng)大，形成杯錐狀斷口16微觀斷口特征 韌窩（等軸韌窩，橢圓形）形貌取決于應(yīng)力狀態(tài)（1）韌窩形狀（a）正應(yīng)力 微孔的平面，形成等軸韌窩； 拉伸試樣中心纖維區(qū)就是等軸韌窩。（b）拉長(zhǎng)韌窩 扭轉(zhuǎn)、或雙向不等應(yīng)力狀態(tài)；切應(yīng)力，形成 拉長(zhǎng)韌窩；（c）撕裂韌窩 拉、彎應(yīng)力狀態(tài)；17 （2）韌窩大小影響參數(shù) 基體材料的塑性變形能力和應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù) 第二相質(zhì)點(diǎn)的大小和密度。注意注意：微觀上出現(xiàn)韌窩，宏觀上不一定是韌性斷裂。181920216.3 解理斷裂（1）斷裂特點(diǎn) 斷裂前基本不發(fā)生塑性變形，無明顯前兆； 斷口與正應(yīng)力垂直，屬于正斷。 斷口平齊光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀；斷口由許多小晶面構(gòu)成；晶

7、面的大小與晶粒大小對(duì)應(yīng)。 解理面都是特定的晶體學(xué)平面，如bcc金屬中為001面，hcp金屬中為0001，前者是較密排面，后者為密排面 材料的韌性與脆性行為會(huì)隨環(huán)境條件而改變。 例如：T、脆性。如低碳鋼的低溫脆性。22（2）斷口微觀特征 解理面形成的每個(gè)小晶面都是穿晶斷裂形成的，在同一個(gè)晶粒內(nèi)裂紋沿同一晶面發(fā)展； 同一晶粒內(nèi)部，界面不是一個(gè)平坦表面，而是一系列晶面族，即位于不同高度的平行的晶面構(gòu)成 每個(gè)解理面上都能見到河流花樣，發(fā)源于晶界，中止于晶界 解理面附近的金屬中能見到顯著的塑性變形痕跡，塑性變形量可達(dá)1015。23（3）解理裂紋形成過程 裂紋形成基于以下事實(shí)：解理面附近的金屬中能見到顯著

8、的塑性變形痕跡，塑性變形量可達(dá)1015；解理面都是密排面或較密排面（這意味著這些面間距較大，晶面間結(jié)合力 較小，形成裂紋需要的能量較低）。 上述事實(shí)可能說明解理裂紋的形成是由于塑性變形引起的。即：材料斷裂前總會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形，而塑性變形與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。24行是滿足的，可以自發(fā)進(jìn)）在幾何上和能量上都因此反應(yīng)（）（）（能量上：12/311121112) 1 (0011112 11121112: ) 110( 1112: )011(2222222222221aaaaaaaaabab位錯(cuò)反應(yīng)理論 位錯(cuò)反應(yīng)，形成新的位錯(cuò)，能量降低，有利于裂紋形核。25 新形成的a001位錯(cuò)的可動(dòng)性？a001位錯(cuò)布氏

9、矢量從下向上，而在此方向上只有正應(yīng)力，沒有切應(yīng)力，因此a001位錯(cuò)是不可動(dòng)位錯(cuò)；后續(xù)位錯(cuò)反應(yīng)不斷進(jìn)行，在交叉點(diǎn)處形成位錯(cuò)26 解理裂紋形成的能量關(guān)系解理裂紋一旦形成，位錯(cuò)塞積群b1和b2將會(huì)消失，同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)新的表面，位錯(cuò)塞積群b1位錯(cuò)塞積群b2兩個(gè)新表面，反應(yīng)是：nb1+ nb2nb（ 形成的nb,能量是nb） 這部分彈性能轉(zhuǎn)變成兩個(gè)新表面的能量2 ： nb 227紋需要的臨界應(yīng)力就是金屬中產(chǎn)生解理裂）得到：）帶入（把（）式變成：，（中心在晶粒中點(diǎn)，如果形成的位錯(cuò)塞積群為位錯(cuò)塞積群長(zhǎng)度其中，ccidGbGbdGbdGbdLGbLGbLnnb42*2/113)3(*2/1n22/dL)2(2)

10、(2) 1 (228 對(duì) 討論：1）密排面的表面能最小，最容易產(chǎn)生解理裂紋；bcc金屬產(chǎn)生解理裂紋還需要滿足位錯(cuò)反應(yīng)的幾何條件，僅能在（001)次密排面產(chǎn)生G（單晶）2）d大，晶粒粗大，容易產(chǎn)生解理裂紋。因此細(xì)小晶粒能夠強(qiáng)化金屬，還能夠韌化金屬3）解理裂紋的形成離不開位錯(cuò)滑移。dGc429（4）解理裂紋擴(kuò)展過程 解理裂紋形成后，在晶粒A內(nèi)部擴(kuò)展只需要克服表面張力，而表面張力數(shù)值較小，因此可以迅速擴(kuò)展，達(dá)到晶界； 晶粒B的晶體取向與A不同，因此解理裂紋遇到晶界后停止擴(kuò)展，外加應(yīng)力進(jìn)一步增大，克服晶界阻力，裂紋才能穿越晶界。 穿越晶界過程滿足以下條件：B晶粒內(nèi)仍沿著解理面（001）擴(kuò)展；轉(zhuǎn)折的角度

11、盡量小30 在晶界處，B晶粒內(nèi)部的多個(gè)位置產(chǎn)生裂紋，裂紋都在（001）面內(nèi)形成，分別沿著（001）面擴(kuò)展31 穿越晶界后，上述不同高度的（001）面上有許多裂紋，當(dāng)這些面上的裂紋相遇時(shí)，中間夾著一層金屬 這層金屬受到很大的應(yīng)力作用，可以通過二次解理或者切離方式斷裂，從而造成裂紋匯合，從支流變成干流，形成河流花樣32解理斷裂的微觀斷口特征電鏡觀察解理斷裂的微觀斷口特征電鏡觀察（1）河流花樣 解理臺(tái)階，匯合臺(tái)階高度足夠大形成河流狀花樣。 裂紋跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面。 解理臺(tái)階是沿兩個(gè)高度不同的平行解理面上擴(kuò)展的解理裂紋相交時(shí)形成的。其方式為：切離斷裂或二次解理晶界33晶界對(duì)解理

12、斷口的影響晶界對(duì)解理斷口的影響 （a）小角度傾斜晶界 裂紋能越過晶界，“河流”可延續(xù)到相鄰晶 粒內(nèi)。 （b）扭轉(zhuǎn)晶界（位向差大） 裂紋不能直接穿過晶界，必須重新形核。 裂紋將沿若干組新的相互平等的解理面擴(kuò) 展，形成新的“河流”。34 解理斷裂強(qiáng)度A）一個(gè)完整的解理斷裂過程包含以下步驟：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)形成位錯(cuò)塞積（s）解理裂紋形成解理裂紋穿越晶界（ ）B）解理斷裂過程能否進(jìn)行取決于上述三個(gè)阻力中的最大阻力C）解理裂紋形成需要的應(yīng)力解理裂紋穿越晶界的應(yīng)力35 考慮溫度對(duì)s和b的影響TA321654Tccs36 考慮溫度對(duì)s和的影響4：塑性變形，無解理5 ：塑性變形，無解理6 ：塑性變形，無解理1 ：塑性變形，無解理2 ：塑性變形，無解理3 ：解理TA321654Tccs37 材料的低溫脆性核心在于溫度影響s和c舉例：低碳鋼的低溫脆性38解理斷口39406.4 沿晶斷裂1) 產(chǎn)生條件：晶界上有脆性第二相薄膜或雜質(zhì)元素偏聚。斷口上形成具有晶界刻面的冰糖狀形貌412)脆性第二相引起沿晶斷裂時(shí)，斷裂可以從第二相與基體界面開始，也可以通過第二相解理來進(jìn)行。此時(shí)晶界上可以見到網(wǎng)狀脆性第二相或第二相質(zhì)點(diǎn)；雜質(zhì)元素引起沿晶斷裂時(shí)，晶界光滑，看不到特殊的花樣。3)穿晶斷裂與沿晶斷裂（微觀） 特點(diǎn)：穿晶斷裂，裂紋穿過晶界。沿晶斷裂，裂紋沿晶