金屬材料的斷裂和斷裂韌性課件

4金屬材料的斷裂和斷裂韌性現(xiàn)代設(shè)計(jì)與分析研究所何雪浤14金屬材料的斷裂和斷裂韌性現(xiàn)代設(shè)計(jì)與分析研究所14金屬材料的斷裂和斷裂韌性工程構(gòu)件的主要失效形式斷裂、彈塑性失穩(wěn)、磨損、腐蝕等斷裂的不同形式疲勞斷裂、蠕變斷裂、應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞斷裂等室溫環(huán)境下單向加載時(shí)的金屬斷裂斷裂類(lèi)型：脆性斷裂、韌性斷裂斷裂過(guò)程與微觀機(jī)制斷裂的基本理論

韌－脆轉(zhuǎn)化區(qū)分依據(jù)：斷裂前是否發(fā)生明顯的宏觀塑性變形；斷裂前是否明顯地吸收了能量24金屬材料的斷裂和斷裂韌性工程構(gòu)件的主要失效形式區(qū)分依據(jù)：4金屬材料的斷裂和斷裂韌性4.1脆性斷裂

4.2延性斷裂

4.3脆性—韌性轉(zhuǎn)變4.4線彈性條件下的斷裂韌性4.5影響斷裂韌性的因素4.6金屬的韌化4.7彈塑性條件下斷裂韌性的概述復(fù)習(xí)思考題34金屬材料的斷裂和斷裂韌性4.1脆性斷裂復(fù)習(xí)思考題34.1脆性斷裂脆性斷裂的宏觀特征斷裂前無(wú)明顯的塑性變形，吸收的能量很少，而裂紋的擴(kuò)展速度往往很快，幾近音速，故脆性斷裂前無(wú)明顯的征兆可尋，且斷裂是突然發(fā)生的，因而往往引起嚴(yán)重的后果。在工程應(yīng)用中，一般把Ψk<5％定為脆性斷裂，Ψk=5％定為準(zhǔn)脆性斷裂，Ψ

k

>5％定為韌性斷裂。材料處于脆性狀態(tài)還是韌狀態(tài)并不是固定不變的，往往因材質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)和環(huán)境等因素而相互轉(zhuǎn)化。常見(jiàn)的脆性斷裂有解理斷裂和晶間斷裂。44.1脆性斷裂脆性斷裂的宏觀特征44.1.1解理斷裂解理斷裂是材料在拉應(yīng)力的作用下，由于原子間結(jié)合鍵遭到破壞，嚴(yán)格地沿一定的結(jié)晶學(xué)平面（即所謂“解理面”）劈開(kāi)而造成的。解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指數(shù)的晶面。解理斷口的宏觀形貌是較為平坦的、發(fā)亮的結(jié)晶狀斷面。在電子顯微鏡下，解理斷口的特征是河流狀花樣。河流狀花樣是由解理臺(tái)階的側(cè)面匯合而形成的。“河流”的流向與裂紋擴(kuò)展方向一致。在通過(guò)扭曲晶界或大角度晶界時(shí)，由于相鄰晶粒內(nèi)解理面的位向差很大，裂紋在晶界受阻，裂紋尖端的高應(yīng)變能激發(fā)了在晶界另一側(cè)面的解理裂紋成核，即出現(xiàn)了新的河流花樣，而且往往數(shù)量大增。解理斷裂的另一個(gè)微觀特征是舌狀花樣，它是解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展而留下的舌狀凸臺(tái)或凹坑。54.1.1解理斷裂解理斷裂是材料在拉應(yīng)力的作用下，由于原子一些金屬的解理面6一些金屬的解理面6解理斷口的河流花樣（箭頭所指為擴(kuò)展方向）7解理斷口的河流花樣（箭頭所指為擴(kuò)展方向）7裂紋擴(kuò)展和河流方向8裂紋擴(kuò)展和河流方向8裂紋穿過(guò)大角度晶界的解理河流花樣9裂紋穿過(guò)大角度晶界的解理河流花樣9解理斷口的舌狀花樣10解理斷口的舌狀花樣104.1.2準(zhǔn)解理斷裂準(zhǔn)解理斷裂多在馬氏體回火鋼中出現(xiàn)，回火產(chǎn)物中細(xì)小的碳化物質(zhì)點(diǎn)影響裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。準(zhǔn)解理斷裂時(shí)，其解理面除（001）面外，還有（110）、（112）等晶面。準(zhǔn)解理斷裂的解理小平面間有明顯的撕裂棱。其微觀形貌中，出現(xiàn)大量短而彎曲的撕裂棱，河流花樣已不十分明顯。撕裂棱是由一些單獨(dú)形核的裂紋相互連接而形成的。114.1.2準(zhǔn)解理斷裂準(zhǔn)解理斷裂多在馬氏體回火鋼中出現(xiàn)，回火準(zhǔn)解理斷口12準(zhǔn)解理斷口12撕裂棱的形成過(guò)程示意圖13撕裂棱的形成過(guò)程示意圖13準(zhǔn)解理斷裂和解理斷裂的主要不同點(diǎn)準(zhǔn)解理裂紋常起源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)，向四周放射狀地?cái)U(kuò)展，而解理裂紋則自晶界一側(cè)向另一側(cè)延伸；準(zhǔn)解理斷口有許多撕裂棱；準(zhǔn)解理斷口上局部區(qū)域出現(xiàn)韌窩，是解理與微孔聚合的混合型斷裂。但準(zhǔn)解理斷裂的主要機(jī)制仍是解理。其宏觀表現(xiàn)是脆性的。所以，常將準(zhǔn)解理斷裂歸入脆性斷裂。14準(zhǔn)解理斷裂和解理斷裂的主要不同點(diǎn)準(zhǔn)解理裂紋常起源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)4.1.3沿晶斷裂沿晶斷裂是裂紋沿晶界擴(kuò)展的一種脆性斷裂。沿晶斷裂發(fā)生的主要原因晶界存在連續(xù)分布的脆性第二相；微量有害雜質(zhì)元素在晶界上偏聚；由于環(huán)境介質(zhì)的作用損害了晶界，如氫脆、應(yīng)力腐蝕、應(yīng)力和高溫的復(fù)合作用在晶界造成損傷。例：鋼的高溫回火脆性是微量有害元素P，Sb，As，Sn等偏聚于晶界，降低了晶界原子間的結(jié)合力，從而大大降低了裂紋沿晶界擴(kuò)展的抗力，導(dǎo)致沿晶斷裂。154.1.3沿晶斷裂沿晶斷裂是裂紋沿晶界擴(kuò)展的一種脆性斷裂沿晶斷裂斷口形貌16沿晶斷裂斷口形貌164.2.1延性斷裂特征及過(guò)程延性斷裂的微觀特征是韌窩形貌。在電子顯微鏡下，可以看到斷口由許多凹進(jìn)或凸出的微坑組成。在微坑中可以發(fā)現(xiàn)有第二相粒子。一般情況下，斷口具有韌窩形貌的構(gòu)件，其宏觀斷裂是韌性的，斷口的宏觀形貌大多呈纖維狀。延性斷裂的過(guò)程是：“微孔形核—微孔長(zhǎng)大——微孔聚合”三部曲。微孔聚合有三種不同的模式。韌窩的形狀因應(yīng)力狀態(tài)而異。如在正應(yīng)力作用下，韌窩是等軸形的；在扭載荷作用下，韌窩被拉長(zhǎng)為橢圓形。微觀上的延性斷裂（其特征為微孔聚合、韌窩形貌），往往與宏觀上的韌性斷裂（斷裂前有較大的宏觀塑性變形）相聯(lián)系，但并無(wú)嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。174.2.1延性斷裂特征及過(guò)程延性斷裂的微觀特征是韌窩形延性斷裂斷口形貌——韌窩18延性斷裂斷口形貌——韌窩18剪切裂紋一般沿滑移線發(fā)生.高強(qiáng)度鋼常發(fā)生這種模式的微孔聚合，其韌性較“正常的”微孔聚合模式要差。微孔聚合的三種形式（a）正常的微孔聚合；（b）快速剪切斷開(kāi)；（c）大片夾雜相連內(nèi)頸縮剪切裂紋夾雜微孔成核源：第二相粒子。在應(yīng)力作用下，基體和第二相粒子的界面脫開(kāi)，或第二相粒子本身開(kāi)裂，于是出現(xiàn)微孔。材料內(nèi)部本身存在著大片的夾雜，微孔通過(guò)脆弱的夾雜連成裂紋。這是不合格材料出現(xiàn)的一種缺陷19剪切裂紋一般沿滑移線發(fā)生.微孔聚合的三種形式（a）正常的微不同韌窩形式(a)等軸韌窩 (b)拋物線型韌窩 (c)拉長(zhǎng)型韌窩20不同韌窩形式(a)等軸韌窩 (b)拋物線型韌窩 4.2.2影響延性斷裂擴(kuò)展的因素1第二相粒子第二相粒子分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是夾雜物，如鋼中的MnS，它很脆，在不大的應(yīng)力作用下，這些夾雜物粒子便與基體脫開(kāi)，或本身裂開(kāi)而成為微孔；另一類(lèi)是強(qiáng)化相，如鋼中的彌散碳化物、鋁合金中的彌散強(qiáng)化相，它們本身比較堅(jiān)實(shí)，與基體結(jié)合也牢，是位錯(cuò)塞積引起的應(yīng)力集中，或在高應(yīng)變條件下，第二相與基體塑性變形不協(xié)調(diào)而萌生微孔的。隨第二相體積分?jǐn)?shù)的增加，鋼的韌性都下降，硫化物比碳化物的影響要明顯得多。2基體的形變強(qiáng)化基體的形變強(qiáng)化指數(shù)越大，則塑性變形后的強(qiáng)化越強(qiáng)烈，其結(jié)果是各處均勻的變形。微孔長(zhǎng)大后的聚合，將按正常模式進(jìn)行，韌性好；相反地，如果基體的形變強(qiáng)化指數(shù)小，則變形容易局部化，較易出現(xiàn)快速剪切裂開(kāi)。這種聚合模式韌性低。214.2.2影響延性斷裂擴(kuò)展的因素1第二相粒子21第二相對(duì)斷裂應(yīng)變的影響22第二相對(duì)斷裂應(yīng)變的影響224.3脆性—韌性轉(zhuǎn)變構(gòu)件或材料的韌性或脆性并不是固定不變的，除了材料本身的組織結(jié)構(gòu)有很大影響外，還取決于應(yīng)力狀態(tài)，溫度和加載速率等等。與其說(shuō)某一材料本質(zhì)是脆性的或韌性的，還不如說(shuō)該材料是處于脆性狀態(tài)或韌性狀態(tài)。234.3脆性—韌性轉(zhuǎn)變構(gòu)件或材料的韌性或脆性并不是固定不變4.3.1應(yīng)力狀態(tài)、柔度系數(shù)與破壞形式切應(yīng)力促進(jìn)塑性變形，對(duì)韌性有利；拉應(yīng)力促進(jìn)斷裂，不利于韌性。柔度系數(shù)（軟性系數(shù)）α值愈大，應(yīng)力狀態(tài)愈“柔”，愈易變形而較不易開(kāi)裂，即愈易處于韌性狀態(tài)。α值愈小，則相反，愈易傾向脆性斷裂244.3.1應(yīng)力狀態(tài)、柔度系數(shù)與破壞形式切應(yīng)力促進(jìn)塑性變形，某一材料的力學(xué)狀態(tài)圖正斷屈服切斷彈性變形區(qū)彈塑性變形區(qū)切斷正斷25某一材料的力學(xué)狀態(tài)圖正斷屈服切斷彈性變形區(qū)彈塑性變形區(qū)切斷4.3.2溫度和加載速率的影響溫度對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變影響顯著，這是由于溫度對(duì)正斷強(qiáng)度影響不大，而對(duì)屈服強(qiáng)度影響甚大。隨著溫度升高，斷裂應(yīng)力變化不大，而屈服強(qiáng)度變化很大，σc和σs交點(diǎn)就是韌—脆轉(zhuǎn)變溫度，低于此溫度是無(wú)屈服的斷裂，即脆斷；高于此溫度是韌斷。提高加載速率起著與溫度相反的作用。加載速率提高，容易激發(fā)解理斷裂，即使是微孔聚合的延性斷裂機(jī)理，微孔聚合的模式也只能是快速剪切裂開(kāi)，因而增加了脆性?xún)A向。264.3.2溫度和加載速率的影響溫度對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變影響顯著，這碳含量對(duì)鋼沖擊轉(zhuǎn)變溫度的影響27碳含量對(duì)鋼沖擊轉(zhuǎn)變溫度的影響27脆性韌性轉(zhuǎn)變示意圖28脆性韌性轉(zhuǎn)變示意圖284.3.3材料微觀結(jié)構(gòu)的影響（1）晶格類(lèi)型的影響面心立方晶格的金屬，一般不出現(xiàn)解理斷裂，也沒(méi)有韌—脆轉(zhuǎn)變溫度，其韌性可以維持到低溫。體心立方晶格的金屬，韌脆轉(zhuǎn)變受溫度及加載速率的影響很大，因?yàn)樵诘蜏睾透呒虞d速率下，它們易發(fā)生孿晶，也容易激發(fā)解理斷裂。（2）成分的影響

微量的氧、氮以及間隙原子溶于體心立方晶格中會(huì)阻礙滑移，促進(jìn)其脆性。鋼中含碳量增加，塑性抗力增加。合金元素的影響比較復(fù)雜。（3）晶粒大小的影響

晶粒細(xì)化既提高了材料的強(qiáng)度，又提高了它的塑性和韌性，還降低了韌脆轉(zhuǎn)變溫度。（4）第二相粒子的影響

細(xì)小的第二相粒子有利于降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。294.3.3材料微觀結(jié)構(gòu)的影響（1）晶格類(lèi)型的影響29合金元素對(duì)鋼沖擊韌性轉(zhuǎn)變溫度的影響30合金元素對(duì)鋼沖擊韌性轉(zhuǎn)變溫度的影響30斷裂力學(xué)和斷裂韌性為防止裂紋體的低應(yīng)力脆斷，不得不對(duì)其強(qiáng)度——斷裂抗力進(jìn)行研究，從而形成了斷裂力學(xué)這樣一個(gè)新學(xué)科。斷裂力學(xué)的研究?jī)?nèi)容包括裂紋尖端的應(yīng)力和應(yīng)變分析；建立新的斷裂判據(jù)；斷裂力學(xué)參量的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)定，其中包括材料的力學(xué)性能新指標(biāo)——斷裂韌性及其測(cè)定，斷裂機(jī)制和提高材料斷裂韌性的途徑等。斷裂力學(xué)用于構(gòu)件的安全性評(píng)估或斷裂控制設(shè)計(jì)，是對(duì)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的重大發(fā)展和補(bǔ)充，具有重大的工程應(yīng)用意義。斷裂力學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了從線彈性斷裂力學(xué)到彈塑性斷裂力學(xué)的階段。31斷裂力學(xué)和斷裂韌性為防止裂紋體的低應(yīng)力脆斷，不得不對(duì)其強(qiáng)度—4.4線彈性條件下的斷裂韌性4.4.1三種斷裂的類(lèi)型張開(kāi)型(I)滑開(kāi)型(Ⅱ)撕開(kāi)型(Ⅲ)324.4線彈性條件下的斷裂韌性4.4.1三種斷裂的類(lèi)型三種基本斷裂類(lèi)型的實(shí)例33三種基本斷裂類(lèi)型的實(shí)例33葉輪中的I型裂紋34葉輪中的I型裂紋34聯(lián)接螺栓中的II型裂紋35聯(lián)接螺栓中的II型裂紋354.4.2應(yīng)力強(qiáng)度因子KI和斷裂韌性KIc裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分析得裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的一般表達(dá)式：中心貫穿裂紋無(wú)限大板364.4.2應(yīng)力強(qiáng)度因子KI和斷裂韌性KIc裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變4.4.2應(yīng)力強(qiáng)度因子KI和斷裂韌性KIc應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值是材料本身的固有屬性

374.4.2應(yīng)力強(qiáng)度因子KI和斷裂韌性KIc應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力斷裂韌性隨板厚的變化38斷裂韌性隨板厚的變化38一些工程材料在常溫下的KIc值

39一些工程材料在常溫下的KIc值394.4.2應(yīng)力強(qiáng)度因子KI和斷裂韌性KIc脆性斷裂的K準(zhǔn)則:KI和KIc的物理意義KI：應(yīng)力強(qiáng)度因子，計(jì)算得到。KIc：斷裂韌性：材料抵抗脆性斷裂的能力。KIc的試驗(yàn)獲得平面應(yīng)變斷裂韌性404.4.2應(yīng)力強(qiáng)度因子KI和斷裂韌性KIc脆性斷裂的K準(zhǔn)則4.4.3裂紋擴(kuò)展的能量釋放率GI和斷裂韌性GIc

分析原理：能量法應(yīng)變能釋放率裂紋擴(kuò)展需要吸收的能量率擴(kuò)展穩(wěn)定臨界裂紋臨界條件：G準(zhǔn)則414.4.3裂紋擴(kuò)展的能量釋放率GI和斷裂韌性GIc分析原K與G的關(guān)系42K與G的關(guān)系42K準(zhǔn)則的工程應(yīng)用K準(zhǔn)則:臨界應(yīng)力臨界裂紋長(zhǎng)度43K準(zhǔn)則的工程應(yīng)用K準(zhǔn)則:臨界應(yīng)力臨界裂紋長(zhǎng)度43K準(zhǔn)則的工程應(yīng)用應(yīng)用場(chǎng)合：已知應(yīng)力，求臨界裂紋長(zhǎng)度；已知裂紋長(zhǎng)度，求臨界應(yīng)力（剩余強(qiáng)度）。應(yīng)用步驟：通過(guò)無(wú)損檢測(cè)，確定裂紋a的長(zhǎng)度及位置；對(duì)缺陷進(jìn)行分析，計(jì)算或查表得到應(yīng)力強(qiáng)度因子K的表達(dá)式；通過(guò)試驗(yàn)或查表，確定材料的平面應(yīng)變斷裂韌性KIc值；根據(jù)K準(zhǔn)則，進(jìn)行斷裂力學(xué)分析，確定臨界裂紋長(zhǎng)度ac或臨界應(yīng)力（剩余強(qiáng)度）值。44K準(zhǔn)則的工程應(yīng)用應(yīng)用場(chǎng)合：44工程應(yīng)用實(shí)例1950年，美國(guó)北極星導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體發(fā)生爆炸事件。已知?dú)んw材料為D6GC高強(qiáng)度鋼，，～，傳統(tǒng)檢驗(yàn)合格，水壓實(shí)驗(yàn)時(shí)爆炸，破壞應(yīng)力為。材料的斷裂韌性為～，試分析其低應(yīng)力脆斷的原因。45工程應(yīng)用實(shí)例1950年，美國(guó)北極星導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體發(fā)生爆炸事件工程應(yīng)用實(shí)例應(yīng)力分析周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力圖46工程應(yīng)用實(shí)例應(yīng)力分析周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力圖46工程應(yīng)用實(shí)例傳統(tǒng)強(qiáng)度分析未超過(guò)許用應(yīng)力，強(qiáng)度合格。斷裂分析臨界裂紋長(zhǎng)度0.36mm，易漏檢。改進(jìn)措施選用KIc較高的材料，提高臨界裂紋長(zhǎng)度，確保檢出率。47工程應(yīng)用實(shí)例傳統(tǒng)強(qiáng)度分析474.4.4平面應(yīng)變斷裂韌性的測(cè)定1.試樣及其制備用于測(cè)定KIc的標(biāo)準(zhǔn)試樣主要采用三點(diǎn)彎曲和緊湊拉伸試樣。為引發(fā)裂紋，可先用線切割加工寬度≤0.13mm的切口，然后用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)預(yù)制長(zhǎng)度>1.3mm的疲勞裂紋。疲勞預(yù)制中的Kmax應(yīng)小于0.6KIc，特別是在最終達(dá)到要求裂紋長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)盡量減小負(fù)荷，以保證裂紋有足夠的尖銳度。484.4.4平面應(yīng)變斷裂韌性的測(cè)定1.試樣及其制備48兩種典型的斷裂韌性試樣（a）三點(diǎn)彎曲 （b）緊湊拉伸49兩種典型的斷裂韌性試樣（a）三點(diǎn)彎曲 （b）緊湊拉伸44.4.4平面應(yīng)變斷裂韌性的測(cè)定2.測(cè)試設(shè)備和方法測(cè)試的裝置如圖所示。測(cè)試時(shí)，通過(guò)載荷傳感器和位移傳感器以及動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀和函數(shù)記錄儀，連續(xù)記錄負(fù)荷F和裂紋嘴張開(kāi)位移v，從而得到F—v曲線。由此曲線如果能定出臨界載荷Fc以及由斷口上測(cè)定的裂紋長(zhǎng)度a，代入確定的KIc計(jì)算公式，就可以求得材料的斷裂韌性KIc值。504.4.4平面應(yīng)變斷裂韌性的測(cè)定2.測(cè)試設(shè)備和方法50KIc測(cè)試裝置系統(tǒng)51KIc測(cè)試裝置系統(tǒng)514.5影響斷裂韌性的因素1.材料的組織和結(jié)構(gòu)

（1）晶粒尺寸

晶粒愈細(xì)，晶界所占比例愈大，裂紋尖端附近從產(chǎn)生一定尺寸的塑性區(qū)到裂紋擴(kuò)展所消耗的能量也愈大，因此KIc也愈高。一般說(shuō)來(lái)，細(xì)化晶粒是使強(qiáng)度和韌性同時(shí)提高的有效手段。

（2）夾雜和第二相鋼中的夾雜物，如硫化物、氧化物等往往偏析于晶界，導(dǎo)致晶界弱化，增大沿晶斷裂的傾向，而在晶內(nèi)分布的雜質(zhì)則常常起著缺陷源的作用。所有這些都使材料的KIc值下降。至于脆性第二相，如隨碳含量的增加，滲碳體增多，強(qiáng)度提高，但KIc值急劇下降。夾雜物和第二相的形狀對(duì)KIc值也有很大影響。回火脆性也是引起鋼的斷裂韌性大幅度下降的重要因素。524.5影響斷裂韌性的因素1.材料的組織和結(jié)構(gòu)524.5影響斷裂韌性的因素（3）組織結(jié)構(gòu)通過(guò)淬火、回火獲得回火馬氏體組織的綜合力學(xué)性能最好，即σs和KIc值都高。調(diào)整貝氏體的成分和工藝，使針狀鐵素體細(xì)化就可使其韌性提高。奧氏體的韌性比馬氏體高，所以在馬氏體基體上有少量殘余奧氏體，就相當(dāng)于存在韌性相，使材料斷裂韌性升高。534.5影響斷裂韌性的因素（3）組織結(jié)構(gòu)534.5影響斷裂韌性的因素2.溫度和加載速度隨著試驗(yàn)溫度的下降，材料塑性變形能力降低，相應(yīng)KIc值也有所下降。變形速度增大，影響材料塑性變形能力的發(fā)揮，促使材料的韌性下降。544.5影響斷裂韌性的因素2.溫度和加載速度54NiCrMoV鋼KIc隨溫度的變化55NiCrMoV鋼KIc隨溫度的變化55KIc與變形速度的關(guān)系56KIc與變形速度的關(guān)系564.6金屬的韌化1．提高冶金質(zhì)量2．控制鋼的成分和組織3．壓力加工4．熱處理574.6金屬的韌化1．提高冶金質(zhì)量57復(fù)習(xí)思考題解理斷裂的微觀形貌有哪些主要特征。脆性斷裂與解理斷裂是否等同。隨著結(jié)構(gòu)的大型化、設(shè)計(jì)應(yīng)力水平的提高、高強(qiáng)度材料的應(yīng)用、焊接工藝的普遍采用以及服役條件的嚴(yán)酷化，試說(shuō)明在傳統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)進(jìn)行斷裂力學(xué)設(shè)計(jì)的原因。如何正確認(rèn)識(shí)斷裂判據(jù)KI=KIc的含義。什么是材料的斷裂韌性？影響斷裂韌性有哪些主要因素？58復(fù)習(xí)思考題解理斷裂的微觀形貌有哪些主要特征。脆性斷裂與解理斷4金屬材料的斷裂和斷裂韌性現(xiàn)代設(shè)計(jì)與分析研究所何雪浤594金屬材料的斷裂和斷裂韌性現(xiàn)代設(shè)計(jì)與分析研究所14金屬材料的斷裂和斷裂韌性工程構(gòu)件的主要失效形式斷裂、彈塑性失穩(wěn)、磨損、腐蝕等斷裂的不同形式疲勞斷裂、蠕變斷裂、應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞斷裂等室溫環(huán)境下單向加載時(shí)的金屬斷裂斷裂類(lèi)型：脆性斷裂、韌性斷裂斷裂過(guò)程與微觀機(jī)制斷裂的基本理論

韌－脆轉(zhuǎn)化區(qū)分依據(jù)：斷裂前是否發(fā)生明顯的宏觀塑性變形；斷裂前是否明顯地吸收了能量604金屬材料的斷裂和斷裂韌性工程構(gòu)件的主要失效形式區(qū)分依據(jù)：4金屬材料的斷裂和斷裂韌性4.1脆性斷裂

4.2延性斷裂

4.3脆性—韌性轉(zhuǎn)變4.4線彈性條件下的斷裂韌性4.5影響斷裂韌性的因素4.6金屬的韌化4.7彈塑性條件下斷裂韌性的概述復(fù)習(xí)思考題614金屬材料的斷裂和斷裂韌性4.1脆性斷裂復(fù)習(xí)思考題34.1脆性斷裂脆性斷裂的宏觀特征斷裂前無(wú)明顯的塑性變形，吸收的能量很少，而裂紋的擴(kuò)展速度往往很快，幾近音速，故脆性斷裂前無(wú)明顯的征兆可尋，且斷裂是突然發(fā)生的，因而往往引起嚴(yán)重的后果。在工程應(yīng)用中，一般把Ψk<5％定為脆性斷裂，Ψk=5％定為準(zhǔn)脆性斷裂，Ψ

k

>5％定為韌性斷裂。材料處于脆性狀態(tài)還是韌狀態(tài)并不是固定不變的，往往因材質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)和環(huán)境等因素而相互轉(zhuǎn)化。常見(jiàn)的脆性斷裂有解理斷裂和晶間斷裂。624.1脆性斷裂脆性斷裂的宏觀特征44.1.1解理斷裂解理斷裂是材料在拉應(yīng)力的作用下，由于原子間結(jié)合鍵遭到破壞，嚴(yán)格地沿一定的結(jié)晶學(xué)平面（即所謂“解理面”）劈開(kāi)而造成的。解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指數(shù)的晶面。解理斷口的宏觀形貌是較為平坦的、發(fā)亮的結(jié)晶狀斷面。在電子顯微鏡下，解理斷口的特征是河流狀花樣。河流狀花樣是由解理臺(tái)階的側(cè)面匯合而形成的?！昂恿鳌钡牧飨蚺c裂紋擴(kuò)展方向一致。在通過(guò)扭曲晶界或大角度晶界時(shí)，由于相鄰晶粒內(nèi)解理面的位向差很大，裂紋在晶界受阻，裂紋尖端的高應(yīng)變能激發(fā)了在晶界另一側(cè)面的解理裂紋成核，即出現(xiàn)了新的河流花樣，而且往往數(shù)量大增。解理斷裂的另一個(gè)微觀特征是舌狀花樣，它是解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展而留下的舌狀凸臺(tái)或凹坑。634.1.1解理斷裂解理斷裂是材料在拉應(yīng)力的作用下，由于原子一些金屬的解理面64一些金屬的解理面6解理斷口的河流花樣（箭頭所指為擴(kuò)展方向）65解理斷口的河流花樣（箭頭所指為擴(kuò)展方向）7裂紋擴(kuò)展和河流方向66裂紋擴(kuò)展和河流方向8裂紋穿過(guò)大角度晶界的解理河流花樣67裂紋穿過(guò)大角度晶界的解理河流花樣9解理斷口的舌狀花樣68解理斷口的舌狀花樣104.1.2準(zhǔn)解理斷裂準(zhǔn)解理斷裂多在馬氏體回火鋼中出現(xiàn)，回火產(chǎn)物中細(xì)小的碳化物質(zhì)點(diǎn)影響裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。準(zhǔn)解理斷裂時(shí)，其解理面除（001）面外，還有（110）、（112）等晶面。準(zhǔn)解理斷裂的解理小平面間有明顯的撕裂棱。其微觀形貌中，出現(xiàn)大量短而彎曲的撕裂棱，河流花樣已不十分明顯。撕裂棱是由一些單獨(dú)形核的裂紋相互連接而形成的。694.1.2準(zhǔn)解理斷裂準(zhǔn)解理斷裂多在馬氏體回火鋼中出現(xiàn)，回火準(zhǔn)解理斷口70準(zhǔn)解理斷口12撕裂棱的形成過(guò)程示意圖71撕裂棱的形成過(guò)程示意圖13準(zhǔn)解理斷裂和解理斷裂的主要不同點(diǎn)準(zhǔn)解理裂紋常起源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)，向四周放射狀地?cái)U(kuò)展，而解理裂紋則自晶界一側(cè)向另一側(cè)延伸；準(zhǔn)解理斷口有許多撕裂棱；準(zhǔn)解理斷口上局部區(qū)域出現(xiàn)韌窩，是解理與微孔聚合的混合型斷裂。但準(zhǔn)解理斷裂的主要機(jī)制仍是解理。其宏觀表現(xiàn)是脆性的。所以，常將準(zhǔn)解理斷裂歸入脆性斷裂。72準(zhǔn)解理斷裂和解理斷裂的主要不同點(diǎn)準(zhǔn)解理裂紋常起源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)4.1.3沿晶斷裂沿晶斷裂是裂紋沿晶界擴(kuò)展的一種脆性斷裂。沿晶斷裂發(fā)生的主要原因晶界存在連續(xù)分布的脆性第二相；微量有害雜質(zhì)元素在晶界上偏聚；由于環(huán)境介質(zhì)的作用損害了晶界，如氫脆、應(yīng)力腐蝕、應(yīng)力和高溫的復(fù)合作用在晶界造成損傷。例：鋼的高溫回火脆性是微量有害元素P，Sb，As，Sn等偏聚于晶界，降低了晶界原子間的結(jié)合力，從而大大降低了裂紋沿晶界擴(kuò)展的抗力，導(dǎo)致沿晶斷裂。734.1.3沿晶斷裂沿晶斷裂是裂紋沿晶界擴(kuò)展的一種脆性斷裂沿晶斷裂斷口形貌74沿晶斷裂斷口形貌164.2.1延性斷裂特征及過(guò)程延性斷裂的微觀特征是韌窩形貌。在電子顯微鏡下，可以看到斷口由許多凹進(jìn)或凸出的微坑組成。在微坑中可以發(fā)現(xiàn)有第二相粒子。一般情況下，斷口具有韌窩形貌的構(gòu)件，其宏觀斷裂是韌性的，斷口的宏觀形貌大多呈纖維狀。延性斷裂的過(guò)程是：“微孔形核—微孔長(zhǎng)大——微孔聚合”三部曲。微孔聚合有三種不同的模式。韌窩的形狀因應(yīng)力狀態(tài)而異。如在正應(yīng)力作用下，韌窩是等軸形的；在扭載荷作用下，韌窩被拉長(zhǎng)為橢圓形。微觀上的延性斷裂（其特征為微孔聚合、韌窩形貌），往往與宏觀上的韌性斷裂（斷裂前有較大的宏觀塑性變形）相聯(lián)系，但并無(wú)嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。754.2.1延性斷裂特征及過(guò)程延性斷裂的微觀特征是韌窩形延性斷裂斷口形貌——韌窩76延性斷裂斷口形貌——韌窩18剪切裂紋一般沿滑移線發(fā)生.高強(qiáng)度鋼常發(fā)生這種模式的微孔聚合，其韌性較“正常的”微孔聚合模式要差。微孔聚合的三種形式（a）正常的微孔聚合；（b）快速剪切斷開(kāi)；（c）大片夾雜相連內(nèi)頸縮剪切裂紋夾雜微孔成核源：第二相粒子。在應(yīng)力作用下，基體和第二相粒子的界面脫開(kāi)，或第二相粒子本身開(kāi)裂，于是出現(xiàn)微孔。材料內(nèi)部本身存在著大片的夾雜，微孔通過(guò)脆弱的夾雜連成裂紋。這是不合格材料出現(xiàn)的一種缺陷77剪切裂紋一般沿滑移線發(fā)生.微孔聚合的三種形式（a）正常的微不同韌窩形式(a)等軸韌窩 (b)拋物線型韌窩 (c)拉長(zhǎng)型韌窩78不同韌窩形式(a)等軸韌窩 (b)拋物線型韌窩 4.2.2影響延性斷裂擴(kuò)展的因素1第二相粒子第二相粒子分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是夾雜物，如鋼中的MnS，它很脆，在不大的應(yīng)力作用下，這些夾雜物粒子便與基體脫開(kāi)，或本身裂開(kāi)而成為微孔；另一類(lèi)是強(qiáng)化相，如鋼中的彌散碳化物、鋁合金中的彌散強(qiáng)化相，它們本身比較堅(jiān)實(shí)，與基體結(jié)合也牢，是位錯(cuò)塞積引起的應(yīng)力集中，或在高應(yīng)變條件下，第二相與基體塑性變形不協(xié)調(diào)而萌生微孔的。隨第二相體積分?jǐn)?shù)的增加，鋼的韌性都下降，硫化物比碳化物的影響要明顯得多。2基體的形變強(qiáng)化基體的形變強(qiáng)化指數(shù)越大，則塑性變形后的強(qiáng)化越強(qiáng)烈，其結(jié)果是各處均勻的變形。微孔長(zhǎng)大后的聚合，將按正常模式進(jìn)行，韌性好；相反地，如果基體的形變強(qiáng)化指數(shù)小，則變形容易局部化，較易出現(xiàn)快速剪切裂開(kāi)。這種聚合模式韌性低。794.2.2影響延性斷裂擴(kuò)展的因素1第二相粒子21第二相對(duì)斷裂應(yīng)變的影響80第二相對(duì)斷裂應(yīng)變的影響224.3脆性—韌性轉(zhuǎn)變構(gòu)件或材料的韌性或脆性并不是固定不變的，除了材料本身的組織結(jié)構(gòu)有很大影響外，還取決于應(yīng)力狀態(tài)，溫度和加載速率等等。與其說(shuō)某一材料本質(zhì)是脆性的或韌性的，還不如說(shuō)該材料是處于脆性狀態(tài)或韌性狀態(tài)。814.3脆性—韌性轉(zhuǎn)變構(gòu)件或材料的韌性或脆性并不是固定不變4.3.1應(yīng)力狀態(tài)、柔度系數(shù)與破壞形式切應(yīng)力促進(jìn)塑性變形，對(duì)韌性有利；拉應(yīng)力促進(jìn)斷裂，不利于韌性。柔度系數(shù)（軟性系數(shù)）α值愈大，應(yīng)力狀態(tài)愈“柔”，愈易變形而較不易開(kāi)裂，即愈易處于韌性狀態(tài)。α值愈小，則相反，愈易傾向脆性斷裂824.3.1應(yīng)力狀態(tài)、柔度系數(shù)與破壞形式切應(yīng)力促進(jìn)塑性變形，某一材料的力學(xué)狀態(tài)圖正斷屈服切斷彈性變形區(qū)彈塑性變形區(qū)切斷正斷83某一材料的力學(xué)狀態(tài)圖正斷屈服切斷彈性變形區(qū)彈塑性變形區(qū)切斷4.3.2溫度和加載速率的影響溫度對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變影響顯著，這是由于溫度對(duì)正斷強(qiáng)度影響不大，而對(duì)屈服強(qiáng)度影響甚大。隨著溫度升高，斷裂應(yīng)力變化不大，而屈服強(qiáng)度變化很大，σc和σs交點(diǎn)就是韌—脆轉(zhuǎn)變溫度，低于此溫度是無(wú)屈服的斷裂，即脆斷；高于此溫度是韌斷。提高加載速率起著與溫度相反的作用。加載速率提高，容易激發(fā)解理斷裂，即使是微孔聚合的延性斷裂機(jī)理，微孔聚合的模式也只能是快速剪切裂開(kāi)，因而增加了脆性?xún)A向。844.3.2溫度和加載速率的影響溫度對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變影響顯著，這碳含量對(duì)鋼沖擊轉(zhuǎn)變溫度的影響85碳含量對(duì)鋼沖擊轉(zhuǎn)變溫度的影響27脆性韌性轉(zhuǎn)變示意圖86脆性韌性轉(zhuǎn)變示意圖284.3.3材料微觀結(jié)構(gòu)的影響（1）晶格類(lèi)型的影響面心立方晶格的金屬，一般不出現(xiàn)解理斷裂，也沒(méi)有韌—脆轉(zhuǎn)變溫度，其韌性可以維持到低溫。體心立方晶格的金屬，韌脆轉(zhuǎn)變受溫度及加載速率的影響很大，因?yàn)樵诘蜏睾透呒虞d速率下，它們易發(fā)生孿晶，也容易激發(fā)解理斷裂。（2）成分的影響

微量的氧、氮以及間隙原子溶于體心立方晶格中會(huì)阻礙滑移，促進(jìn)其脆性。鋼中含碳量增加，塑性抗力增加。合金元素的影響比較復(fù)雜。（3）晶粒大小的影響

晶粒細(xì)化既提高了材料的強(qiáng)度，又提高了它的塑性和韌性，還降低了韌脆轉(zhuǎn)變溫度。（4）第二相粒子的影響

細(xì)小的第二相粒子有利于降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。874.3.3材料微觀結(jié)構(gòu)的影響（1）晶格類(lèi)型的影響29合金元素對(duì)鋼沖擊韌性轉(zhuǎn)變溫度的影響88合金元素對(duì)鋼沖擊韌性轉(zhuǎn)變溫度的影響30斷裂力學(xué)和斷裂韌性為防止裂紋體的低應(yīng)力脆斷，不得不對(duì)其強(qiáng)度——斷裂抗力進(jìn)行研究，從而形成了斷裂力學(xué)這樣一個(gè)新學(xué)科。斷裂力學(xué)的研究?jī)?nèi)容包括裂紋尖端的應(yīng)力和應(yīng)變分析；建立新的斷裂判據(jù)；斷裂力學(xué)參量的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)定，其中包括材料的力學(xué)性能新指標(biāo)——斷裂韌性及其測(cè)定，斷裂機(jī)制和提高材料斷裂韌性的途徑等。斷裂力學(xué)用于構(gòu)件的安全性評(píng)估或斷裂控制設(shè)計(jì)，是對(duì)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的重大發(fā)展和補(bǔ)充，具有重大的工程應(yīng)用意義。斷裂力學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了從線彈性斷裂力學(xué)到彈塑性斷裂力學(xué)的階段。89斷裂力學(xué)和斷裂韌性為防止裂紋體的低應(yīng)力脆斷，不得不對(duì)其強(qiáng)度—4.4線彈性條件下的斷裂韌性4.4.1三種斷裂的類(lèi)型張開(kāi)型(I)滑開(kāi)型(Ⅱ)撕開(kāi)型(Ⅲ)904.4線彈性條件下的斷裂韌性4.4.1三種斷裂的類(lèi)型三種基本斷裂類(lèi)型的實(shí)例91三種基本斷裂類(lèi)型的實(shí)例33葉輪中的I型裂紋92葉輪中的I型裂紋34聯(lián)接螺栓中的II型裂紋93聯(lián)接螺栓中的II型裂紋354.4.2應(yīng)力強(qiáng)度因子KI和斷裂韌性KIc裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分析得裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的一般表達(dá)式：中心貫穿裂紋無(wú)限大板944.4.2應(yīng)力強(qiáng)度因子KI和斷裂韌性KIc裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變4.4.2應(yīng)力強(qiáng)度因子KI和斷裂韌性KIc應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值是材料本身的固有屬性

954.4.2應(yīng)力強(qiáng)度因子KI和斷裂韌性KIc應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力斷裂韌性隨板厚的變化96斷裂韌性隨板厚的變化38一些工程材料在常溫下的KIc值

97一些工程材料在常溫下的KIc值394.4.2應(yīng)力強(qiáng)度因子KI和斷裂韌性KIc脆性斷裂的K準(zhǔn)則:KI和KIc的物理意義KI：應(yīng)力強(qiáng)度因子，計(jì)算得到。KIc：斷裂韌性：材料抵抗脆性斷裂的能力。KIc的試驗(yàn)獲得平面應(yīng)變斷裂韌性984.4.2應(yīng)力強(qiáng)度因子KI和斷裂韌性KIc脆性斷裂的K準(zhǔn)則4.4.3裂紋擴(kuò)展的能量釋放率GI和斷裂韌性GIc

分析原理：能量法應(yīng)變能釋放率裂紋擴(kuò)展需要吸收的能量率擴(kuò)展穩(wěn)定臨界裂紋臨界條件：G準(zhǔn)則994.4.3裂紋擴(kuò)展的能量釋放率GI和斷裂韌性GIc分析原K與G的關(guān)系100K與G的關(guān)系42K準(zhǔn)則的工程應(yīng)用K準(zhǔn)則:臨界應(yīng)力臨界裂紋長(zhǎng)度101K準(zhǔn)則的工程應(yīng)用K準(zhǔn)則:臨界應(yīng)力臨界裂紋長(zhǎng)度43K準(zhǔn)則的工程應(yīng)用應(yīng)用場(chǎng)合：已知應(yīng)力，求臨界裂紋長(zhǎng)度；已知裂紋長(zhǎng)度，求臨界應(yīng)力（剩余強(qiáng)度）。應(yīng)用步驟：通過(guò)無(wú)損檢測(cè)，確定裂紋a的長(zhǎng)度及位置；對(duì)缺陷進(jìn)行分析，計(jì)算或查表得到應(yīng)力強(qiáng)度因子K的表達(dá)式；通過(guò)試驗(yàn)或查表，確定材料的平面應(yīng)變斷裂韌性KIc值；根據(jù)K準(zhǔn)則，進(jìn)行斷裂力學(xué)分析，確定臨界裂紋長(zhǎng)度ac或臨界應(yīng)力（剩余強(qiáng)度）值。102K準(zhǔn)則的工程應(yīng)用應(yīng)用場(chǎng)合：44工程應(yīng)用實(shí)例1950年，美國(guó)北極星導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體發(fā)生爆炸事件。已知?dú)んw材料為D6GC高強(qiáng)度鋼，，～，傳統(tǒng)檢驗(yàn)合格，水壓實(shí)驗(yàn)時(shí)爆炸，破壞應(yīng)力為。材料的斷裂韌性為～，試分析其低應(yīng)力脆斷的原因。103工程應(yīng)用實(shí)例1950年，美國(guó)北極星導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體發(fā)生爆炸事件工程應(yīng)用實(shí)例應(yīng)力分析周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力圖104工程應(yīng)用實(shí)例應(yīng)力分析周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力圖46工程應(yīng)用實(shí)例傳統(tǒng)強(qiáng)度分析未超過(guò)許用應(yīng)力，強(qiáng)度合格。斷裂分析臨界裂紋長(zhǎng)度0.36mm，易漏檢。改進(jìn)措施選用KIc較高的材料，提高臨界裂紋長(zhǎng)度，確保檢出率。105工程應(yīng)用實(shí)例傳統(tǒng)強(qiáng)度分析474.4.4平面應(yīng)變斷裂韌性的測(cè)定1.試樣及其制備用于測(cè)定KIc的標(biāo)準(zhǔn)試樣主要采用三點(diǎn)彎曲和緊湊拉伸試樣。為引發(fā)裂紋，可先用線切割加工寬度≤0