第一章材料在靜載下的力學(xué)行為(金屬的斷裂)

1、1.4 金屬材料的斷裂(dun li)過量彈性(tnxng)變形、過量塑性變形、磨損和斷裂是機(jī)件的主要失效形式，其中以斷裂的危害最大。在應(yīng)力作用下(有時(shí)還兼有溫度及介質(zhì)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(簡(jiǎn)稱斷裂)；內(nèi)部存在裂紋，則為不完全斷裂。共四十七頁本節(jié)研究金屬材料斷裂的宏觀特征、微觀特征、斷裂機(jī)理(裂紋是如何形成(xngchng)與擴(kuò)展的)、斷裂的力學(xué)條件及影響金屬斷裂的內(nèi)外因素。這些知識(shí)對(duì)于設(shè)計(jì)人員和材料工作者進(jìn)行機(jī)件安全設(shè)計(jì)與選材，分析機(jī)件斷裂失效事故都是十分必要的。 共四十七頁一、斷裂(dun li)的類型大多數(shù)金屬材料的斷裂過程都包括裂紋形成與擴(kuò)展兩個(gè)階段

2、。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?？梢砸罁?jù)不同的斷裂機(jī)理和特征對(duì)斷裂進(jìn)行分類。 1、韌性(rn xn)斷裂與脆性斷裂 2、穿晶斷裂與沿晶斷裂 3、純剪切斷裂與微孔聚集型斷裂、解理斷裂共四十七頁(一)韌性(rn xn)斷裂與脆性斷裂韌性斷裂 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)緩慢的撕裂過程，在裂紋擴(kuò)展過程中不斷地消耗(xioho)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)，斷口呈纖維狀，灰暗色。纖維狀是微裂紋擴(kuò)展時(shí)造成的灰暗色則是纖維斷口表面對(duì)光散射所致。共四十七頁斷口(dunku)特征三要素中、低強(qiáng)度鋼

3、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(fngsh)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。共四十七頁纖維區(qū)的形成(xngchng)過程當(dāng)光滑圓柱拉伸試樣局部區(qū)域產(chǎn)生縮頸時(shí)，縮頸處的應(yīng)力狀態(tài)由單向變?yōu)槿?，且中?zhngxn)軸向應(yīng)力最大，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)。這些剪切變形帶大致與徑向呈5060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

4、段距離。這樣的過程重復(fù)進(jìn)行就形成鋸齒形的纖維區(qū)。纖維區(qū)所在平面(即裂紋擴(kuò)展的宏觀平面)垂直于拉伸應(yīng)力方向。 共四十七頁放射(fngsh)區(qū)的形成過程纖維區(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)有放射線花樣特征。放射線平行于裂紋擴(kuò)展方向而垂直于裂紋前端(每一瞬間)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。溫度降低或材料強(qiáng)度(qingd)增加，由于塑性降低，放射線由粗變細(xì)乃至消失。 共四十七頁剪切唇的形成(xngchng)過程裂紋擴(kuò)展接近試樣(sh yn)邊緣時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)改變了（平面應(yīng)力狀態(tài)），最后沿著

5、與拉力軸向成40-50純剪切斷裂。表面粗糙發(fā)深灰色。共四十七頁三區(qū)之間關(guān)系(gun x)及影響因素放射區(qū)比例大，則材料的塑性低。反之塑性好的材料，必然表現(xiàn)為纖維區(qū)和剪切唇占很大比例，甚至中間的放射區(qū)可以消失。如果材料的硬度和強(qiáng)度很高，又處于低溫環(huán)境，圓形試樣的拉伸斷口上只有放射狀條紋，這些條紋匯聚(hu j)于一個(gè)中心，這個(gè)中心區(qū)域就是裂紋源。放射區(qū)表面越光滑，放射條紋越細(xì)，材料強(qiáng)度愈高。條紋甚至?xí)?。試樣尺寸加大，放射區(qū)比例增大明顯，而纖維區(qū)比例變化不大。 共四十七頁脆性斷裂脆性斷裂是突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，沒有(mi yu)明顯征兆，因而危害性很大。脆性斷裂的斷裂面一

6、般與正應(yīng)力垂直，斷口平齊而光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀。 共四十七頁區(qū)分(qfn)韌性斷裂和脆性斷裂通常，脆性斷裂前也產(chǎn)生微量塑性變形。一般規(guī)定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5(只有微量的均勻塑性變形)者為脆性斷裂。；斷面收縮率大于5者為韌性斷裂。金屬材料的韌性與脆性是根據(jù)一定(ydng)條件下的塑性變形量來規(guī)定的。條件改變，材料的韌性與脆性行為也將隨之變化。 共四十七頁板狀矩形拉伸試樣脆性斷口(dunku)中的放射線呈人字紋花樣。人字紋花樣的放射方向也與裂紋擴(kuò)展方向平行，但其尖頂指向裂紋源。共四十七頁實(shí)際宏觀(hnggun)斷口形貌共四十七頁穿晶斷裂(dun li)與沿晶斷裂(dun li)按裂紋

7、擴(kuò)展路徑分類：穿晶斷裂 和沿晶斷裂穿晶斷裂的裂紋在晶內(nèi)擴(kuò)展；沿晶斷裂的裂紋沿晶界擴(kuò)展。穿晶斷裂可以是韌性斷裂 ，也可以是脆性斷裂；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，破壞了晶界的連續(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(fsh)、氫脆、回火脆性、淬火裂紋、磨削裂紋等都是沿晶斷裂。 共四十七頁沿晶斷裂的斷口(dunku)形貌呈冰糖狀，有時(shí)也稱“萘狀斷口(dunku)”，上左圖為18CrNiWA鋼的冰糖狀斷口(dunku)。如晶粒很細(xì)小，則肉眼無法辨認(rèn)出冰糖狀形貌，此時(shí)斷口一般呈晶粒狀，顏色較纖維狀斷口明亮，但比純脆性斷口要灰暗些。

8、穿晶斷裂和沿晶斷裂有時(shí)可以混合發(fā)生。 共四十七頁剪切斷裂(dun li)與解理斷裂(dun li)(1)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常產(chǎn)生(chnshng)純剪切斷裂 單晶體金屬滑斷斷口呈鋒利的楔形 ；多晶體純金屬滑斷斷口呈刀尖形。共四十七頁微孔聚集型斷裂是通過微孔形核、長(zhǎng)大聚合而導(dǎo)致材料分離的。由于實(shí)際(shj)材料中常同時(shí)形成許多微孔，通過微孔長(zhǎng)大互相連接形成裂紋，裂紋在切應(yīng)力作用下擴(kuò)展而最終導(dǎo)致斷裂。常用金屬材料一般均產(chǎn)生這類性質(zhì)的斷裂，如低碳鋼室溫下的拉伸斷裂。共四十七頁(2)解理

9、(ji l)斷裂解理斷裂是金屬材料在一定條件下(如低溫)，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(chnshng)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。一般在體心立方、密排六方金屬中發(fā)生，而面心立方金屬只在特殊情況下才發(fā)生。解理面一般是低指數(shù)晶面或裸露后表面能最低的晶面。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，所以解理斷裂與脆性斷裂不是同義詞，解理斷裂指斷裂機(jī)理而言，脆性斷裂則指斷裂的宏觀性態(tài)。 共四十七頁正斷與切斷(qi dun)按斷裂面的取向分類若斷裂面取向垂直于最大正應(yīng)力，即為正斷型斷裂；斷裂面取向與最大切應(yīng)力方向一致而與最

10、大正應(yīng)力方向約成45者，即為切斷型斷裂。如拉伸(l shn)斷口上的剪切唇。 共四十七頁純正斷：（a）(b)斷口齊平，垂直于最大拉應(yīng)力方向，有很少量的均勻變形，鑄鐵，淬火+低溫回火高碳鋼。 純切斷：（e）塑性很好，試樣斷面可減細(xì)到近于一尖刀，然后沿最大切應(yīng)力方向斷開。如純Au,Al。斷前產(chǎn)生大量的均勻與非均勻塑性變形。屬完全韌性斷裂。 混合斷口：(c) (d) 都出現(xiàn)頸縮，只是程度不同，試樣中心先開裂，然后向外延伸，接近表面時(shí)，沿最大切應(yīng)力方向的斜面斷開，斷口形狀(xngzhun)如杯口狀，包含三個(gè)區(qū)域。屬韌性斷裂，但斷口包含韌性斷裂和脆性斷裂的特征。正斷不一定就是(jish)脆斷，也會(huì)有明顯

11、的（大于5 ）塑性變形。切斷是韌斷，但韌斷不一定是切斷。共四十七頁共四十七頁二、解理斷裂(dun li)機(jī)理由于解理斷裂是典型的脆性斷裂，而韌性斷裂多數(shù)是微孔聚集型斷裂，所以下面主要介紹這兩類斷裂的機(jī)理和斷裂的力學(xué)(l xu)條件。(一)解理裂紋的形成和擴(kuò)展觀察解理斷口發(fā)現(xiàn)，斷口附近仍然有少量塑性變形。事實(shí)上，絕對(duì)脆性斷裂是不存在的。裂紋最初的形成必然與塑性變形有關(guān)，而金屬材料的塑性變形是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的反映，因此裂紋形成可能與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有關(guān)，這就是裂紋形成的位錯(cuò)理論考慮問題的出發(fā)點(diǎn)。 1甄納斯特羅位錯(cuò)塞積理論 2柯垂耳位錯(cuò)反應(yīng)理論 共四十七頁1甄納斯特羅位錯(cuò)塞積理論(lln)在滑移面上的切應(yīng)力作用下

12、，刃型位錯(cuò)在晶界前受阻并互相靠近形成位錯(cuò)塞積,如果塞積頭處的應(yīng)力集中(jzhng)不能為塑性變形所松弛，當(dāng)切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí),塞積頭處的最大拉應(yīng)力能夠等于材料理論斷裂強(qiáng)度而形成高nb、長(zhǎng)為r的楔形裂紋。共四十七頁解理裂紋的形成，并不意味著裂紋將迅速擴(kuò)展而導(dǎo)致金屬材料完全斷裂?？麓苟媚芰?nngling)分析法推導(dǎo)出解理裂紋擴(kuò)展的臨界條件為 即為了產(chǎn)生解理斷裂(dun li)，裂紋擴(kuò)展時(shí)外加正應(yīng)力所作的功必須等于產(chǎn)生裂紋新表面的表面能。 共四十七頁 即表示直徑為d的晶粒中解理裂紋擴(kuò)展所需之應(yīng)力，或裂紋體的實(shí)際斷裂強(qiáng)度。也就是產(chǎn)生解理斷裂的判據(jù)(pn j)，可見，晶粒直徑d減小， 提高 共四

13、十七頁晶粒大小對(duì)斷裂(dun li)應(yīng)力的影響細(xì)化晶粒，斷裂應(yīng)力提高，材料的脆性減小。由圖可見，晶粒尺寸小于某一臨界值時(shí)，屈服應(yīng)力低于斷裂應(yīng)力，屈服先于斷裂產(chǎn)生(chnshng)；但晶粒尺寸大于該臨界值時(shí)，屈服應(yīng)力延長(zhǎng)線與斷裂應(yīng)力線重合，斷裂是脆性的。對(duì)于有第二相質(zhì)點(diǎn)的合金，d實(shí)際上代表質(zhì)點(diǎn)間距，d越小，則材料的斷裂應(yīng)力越高。 共四十七頁2柯垂耳位錯(cuò)反應(yīng)(fnyng)理論 兩相交滑移面上的位錯(cuò)在相交處發(fā)生位錯(cuò)反應(yīng)生成不動(dòng)位錯(cuò)，結(jié)果兩滑移面上的位錯(cuò)群就在該不動(dòng)位錯(cuò)附近(fjn)產(chǎn)生塞積。當(dāng)塞積位錯(cuò)較多時(shí)，其多余半原子面如同楔子一樣插入解理面中間形成寬度為nb的裂紋。位錯(cuò)反應(yīng)形成的解理裂紋的擴(kuò)展力

14、學(xué)條件與位錯(cuò)塞積形成的裂紋擴(kuò)展力學(xué)條件相同。 共四十七頁 上述兩種解理裂紋形成模型的共同之處在于：裂紋形核前均需有塑性變形；位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，在一定條件下便會(huì)形成裂紋。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，裂紋往往在晶界、亞晶界、孿晶交叉處出現(xiàn)，如bcc金屬在低溫和高應(yīng)變速率下，常因?qū)\晶與晶界或和其他孿晶相交(xingjio)導(dǎo)致較大位錯(cuò)塞積而形成解理裂紋。這與上述理論是相符的。 共四十七頁解理(ji l)斷口微觀形貌從理論上來說，多晶體的解理斷口應(yīng)該是由很多取向略有差別的光滑完整小平面組成，每一個(gè)小平面代表一個(gè)晶粒。實(shí)際上，這些小平面并不是一個(gè)單一的完整解理面，而是由一組平行的解理面所組成。兩個(gè)平行解理面之間相差一定高度，

15、交接處形成臺(tái)階(tiji)。臺(tái)階匯合會(huì)形成一種類似河流的花樣?！昂恿骰印笔墙饫頂嗔炎钪匾奶卣?，凡看到河流花樣就表明在這里發(fā)生了解理斷裂。共四十七頁河流花樣的走向可以(ky)判斷裂紋源的位置和裂紋擴(kuò)展方向，河流的上游(即支流發(fā)源處)是裂紋發(fā)源處，而河流的下游是裂紋擴(kuò)展的方向。由于解理斷裂是沿一組平行解理面解理的結(jié)果，而形成了臺(tái)階與河流，這樣就把本來沒有任何特征的解理斷裂賦予了斷口學(xué)特征，使它們成為判斷是否為解理斷裂的重要標(biāo)志。共四十七頁 解理斷裂(dun li)的另一微觀特征是存在舌狀花樣，因其在電子顯微鏡下的形貌類似于人舌而得名。它是由于解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展留下的舌頭狀凹坑或凸臺(tái)，故在匹配

16、斷口上“舌頭”為黑白對(duì)應(yīng)的。 共四十七頁準(zhǔn)解理(ji l)斷口在許多淬火回火鋼中，其回火產(chǎn)物中有彌散細(xì)小的碳化物質(zhì)點(diǎn)，它們影響裂紋的形成與擴(kuò)展。當(dāng)裂紋在晶粒內(nèi)擴(kuò)展時(shí)，難于嚴(yán)格地沿一定晶體學(xué)平面擴(kuò)展。斷裂路徑將與細(xì)小碳化物質(zhì)點(diǎn)有關(guān)。其微觀(wigun)形態(tài)特征，似解理河流但又非真正解理，故稱準(zhǔn)解理。共四十七頁準(zhǔn)解理(ji l)與解理(ji l)的共同點(diǎn)是：都是穿晶斷裂；有小解理(ji l)刻面；有臺(tái)階或撕裂棱及河流花樣。不同點(diǎn)是，準(zhǔn)解理小刻面不是晶體學(xué)解理面。真正解理裂紋常源于晶界，而準(zhǔn)解理裂紋則常源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)，形成從晶內(nèi)某點(diǎn)發(fā)源的放射狀河流花樣。準(zhǔn)解理不是一種獨(dú)立的斷裂機(jī)理，而是解理斷裂的變

17、種。共四十七頁三、微孔(wi kn)聚集斷裂機(jī)理 微孔是通過第二相(或夾雜物)質(zhì)點(diǎn)本身(bnshn)破裂，或第二相(或夾雜物)與基體界面脫離而形成的，它們是在金屬材料塑性變形進(jìn)行到一定程度時(shí)產(chǎn)生的。在第二相質(zhì)點(diǎn)處微孔形成的原因是：位錯(cuò)引起的應(yīng)力集中，或在高應(yīng)變條件下因第二相與基體塑性變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生分離。 在各個(gè)微孔長(zhǎng)大同時(shí)，幾個(gè)相鄰微孔之間的基體橫截面積不斷減小。因此，基體被微孔分割成無數(shù)個(gè)小單元，每一小單元可看成為一個(gè)小拉伸試樣。它們?cè)谕饬ψ饔孟?，可能借塑性流變方式產(chǎn)生縮頸(內(nèi)縮頸)而斷裂，使微孔連接(聚合)形成微裂紋。共四十七頁隨后，因在裂紋尖端附近存在三向拉應(yīng)力區(qū)和集中塑性變形區(qū)，在該

18、區(qū)又形成(xngchng)新的微孔。新的微孔借內(nèi)縮頸與裂紋連通，使裂紋向前推進(jìn)一定長(zhǎng)度，如此不斷進(jìn)行下去直至最終斷裂。微孔聚集韌性斷裂裂紋形成所需之拉應(yīng)力與第二相質(zhì)點(diǎn)尺寸的平方根呈反比關(guān)系。試驗(yàn)證明，對(duì)于某些高強(qiáng)度淬火回火鋼和球化的碳鋼，在碳化物形狀一定時(shí)，其抗拉強(qiáng)度與碳化物大小之間也有類似關(guān)系。 共四十七頁微孔聚集斷裂的微觀(wigun)斷口特征 微孔形成、長(zhǎng)大和聚合在斷口(dunku)上留下的痕跡，就是在電子顯微鏡下觀察到的大小不等的圓形或橢圓形韌窩。韌窩是微孔聚集斷裂的基本特征。 共四十七頁韌窩類型(lixng)由于實(shí)際應(yīng)力(yngl)狀態(tài)或加載方式的不同，韌窩可有三種類型 1、拉伸型的

19、等軸狀韌窩 2、剪切型的伸長(zhǎng)韌窩 3、拉伸撕裂的伸長(zhǎng)韌窩撕裂韌窩共四十七頁1、拉伸(l shn)型的等軸狀韌窩裂紋(li wn)擴(kuò)展方向垂直于最大主應(yīng)力max，max均勻分布于斷裂平面上拉伸時(shí)呈頸縮的試樣中心部分就顯示這種韌窩狀。 共四十七頁2、剪切型的伸長(zhǎng)(shn chn)韌窩在拉伸試樣的邊緣，由剪應(yīng)力切斷(qi dun)。韌窩很大如卵形，其上下斷面所顯示的韌窩方向是相反的。 共四十七頁3、拉伸(l shn)撕裂的伸長(zhǎng)韌窩表面有缺口的試樣或者裂紋試樣，其斷口(dunku)常顯示這種類型。這種類型的韌窩，韌窩小而淺，裂紋擴(kuò)展快，故在宏觀上常為脆斷，所以不要把微孔聚合型的微觀機(jī)制都?xì)w之為韌斷。

20、共四十七頁共四十七頁影響(yngxing)韌窩的因素韌窩的形狀取決于應(yīng)力狀態(tài)，而韌窩的大小和深淺取決于第二相的大小、數(shù)量、分布、基體的塑性變形能力、形變硬化能力以及外加應(yīng)力的大小和狀態(tài)。第二相質(zhì)點(diǎn)密度增大或其間距(jin j)減小，則微孔尺寸減小。應(yīng)變硬化指數(shù)值越大的材料，越難于發(fā)生內(nèi)縮頸，故韌窩尺寸變小。應(yīng)力大小和狀態(tài)的改變，實(shí)際上是通過影響材料塑性變形能力而間接影響韌窩深度的。在高的三向壓力之中，內(nèi)縮頸易于產(chǎn)生，故韌窩深度增加；相反，在多向拉伸應(yīng)力下或在缺口根部，韌窩則較淺。 共四十七頁必須指出，微孔聚集斷裂一定有韌窩存在，但在微觀形態(tài)上出現(xiàn)韌窩，其宏觀上不一定就是韌性斷裂。因?yàn)槿缜八觯?/p>

21、宏觀上為脆性斷裂，在局部區(qū)域內(nèi)也可能有塑性變形，從而顯示出韌窩形態(tài)。 用SEM觀察，韌窩中大多包含著一個(gè)(y )夾雜物或第二相，這證明微孔多萌生于夾雜物或第二相與基體的界面上。單相或純金屬在晶界或?qū)\晶帶處形成微孔。 共四十七頁實(shí)際構(gòu)件斷口的宏觀(hnggun)特征 上面主要介紹了在靜載荷作用下的幾種典型宏觀斷口，但實(shí)際機(jī)件受力狀態(tài)復(fù)雜，斷裂原因也多種多樣，因此宏觀斷口形貌也比較復(fù)雜。譬如在交變應(yīng)力作用下，會(huì)產(chǎn)生疲勞斷裂，宏觀斷口上常圍繞疲勞源區(qū)形成一些同心圓，稱為“貝紋線”，它是疲勞斷口的主要宏觀特征；由于(yuy)氫分子聚合而造成的氫脆，在宏觀斷口上出現(xiàn)雪片狀的“白點(diǎn)”。在觀察宏觀斷口時(shí)，必須首先尋找這些特征，以確定斷裂性質(zhì)。共四十七頁實(shí)際(shj)構(gòu)件斷口的宏觀特征觀察實(shí)際構(gòu)件的宏觀斷口，主要從以下幾方面入手：1觀察斷口是否存在放射花樣或人字紋。它表征裂紋在該區(qū)作不穩(wěn)定地、快速地?cái)U(kuò)展，沿著人字紋尖頂，可找到裂紋源位置，同時(shí)根據(jù)放射區(qū)與纖維區(qū)的相對(duì)比例，可大致估計(jì)(gj)斷裂性質(zhì)，放射區(qū)或人字紋區(qū)所占比例愈大，則脆性斷裂的可能愈大。2觀察斷口是否