第一章 材料單向靜拉伸的力學(xué)性能3

第五節(jié)斷裂一斷裂的類(lèi)型及斷口特征

按照晶體材料斷裂前與斷裂過(guò)程中材料的宏觀塑性變形的程度

按照晶體材料斷裂時(shí)裂紋擴(kuò)展的途徑脆性斷裂韌性斷裂

穿晶斷裂沿晶（晶界）斷裂

按照微觀斷裂機(jī)理剪切斷裂解理斷裂正斷切斷依照作用力的性質(zhì)第五節(jié)斷裂1脆性斷裂與韌性斷裂

定義材料斷裂前及斷裂過(guò)程中產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂過(guò)程。韌性斷裂時(shí)一般裂紋擴(kuò)展過(guò)程較慢，而且消耗大量塑性變形能。

1.1韌性斷裂

斷口特征斷口用肉眼或放大鏡觀察時(shí)往往呈暗灰色、纖維狀。纖維狀是塑性變形過(guò)程中，眾多微細(xì)裂紋的不斷擴(kuò)展和相互連接造成的，而暗灰色則是纖維斷口表面對(duì)光的反射能力很弱所致。代表物質(zhì)—些塑性較好的金屬材料及高分子材料1脆性斷裂與韌性斷裂

定義材料斷裂前基本上不產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，沒(méi)有明顯的預(yù)兆，往往表現(xiàn)為突然發(fā)生的快速斷裂過(guò)程，因而具有很大的危險(xiǎn)性。

1.2脆性斷裂

斷口特征脆性斷裂的斷口，一般與正應(yīng)力垂直，宏觀上比較齊平光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀。

代表物質(zhì)淬火鋼；灰鑄件；陶瓷、玻璃等脆性材料第五節(jié)斷裂2穿晶斷裂與沿晶斷裂

圖1-25穿晶斷裂與沿晶斷裂示意圖

第五節(jié)斷裂2穿晶斷裂與沿晶斷裂

穿晶斷裂可以是韌性斷裂，也可以是脆性斷裂：而沿晶斷裂則多數(shù)為脆性斷裂。沿晶斷裂是晶界上的一薄層連續(xù)或不連續(xù)的脆性第二相、夾雜物等破壞了材料的連續(xù)性造成的，是晶界結(jié)合力較弱的一種表現(xiàn)。例如共價(jià)鍵陶瓷晶界較弱，斷裂方式主要是晶界斷裂。離子健晶體的斷裂往往具有以穿晶解理為主的特征。沿晶（晶界）斷裂的斷口形貌一般呈結(jié)晶狀。

第五節(jié)斷裂3剪切斷裂與解理斷裂

定義剪切斷裂是材料在切應(yīng)力作用下沿滑移面滑移分離而造成的斷裂。

3.1剪切斷裂

斷口特征純金屬尤其是單晶體金屬可產(chǎn)生純剪切斷裂，其斷口呈鋒利的楔形，如低碳鋼拉伸斷口上的剪切唇。大單晶體的純剪切斷口上，用肉眼便可觀察到很多直線狀的滑移痕跡。對(duì)于多晶體，由于晶粒間的相互約束，不可能沿單一滑移面滑動(dòng)，而是沿著相互交叉的滑移面滑動(dòng)，從而在宏觀斷口上呈現(xiàn)出“蛇形滑動(dòng)”花樣。隨著變形度的加劇，蛇形滑動(dòng)花樣平滑化，形成“漣波”花樣。變形再繼續(xù)增加，漣波花樣進(jìn)一步平滑化，而在斷口上留下無(wú)特征的平坦面，稱為“延伸區(qū)”。第五節(jié)斷裂剪切斷裂的另一種形式為微孔聚集型斷裂，微孔聚集型斷裂是材料韌性斷裂的普通方式。其斷口在宏觀上常呈現(xiàn)暗灰色、纖維狀，微觀斷口特征花樣則是斷口上分布大量“韌窩”。

圖1-26韌窩形貌

第五節(jié)斷裂

微孔聚集斷裂過(guò)程包括微孔形核、長(zhǎng)大、聚合直至斷裂。微孔的形核大多是通過(guò)第二相(夾雜物)碎裂或與基體界面脫離，并在材料塑性變形到一定程度時(shí)產(chǎn)生的[圖（a）]。隨著塑性變形的進(jìn)一步發(fā)展，大量位錯(cuò)進(jìn)入微孔，使微孔逐漸長(zhǎng)大[圖（b）]。微孔長(zhǎng)大的同時(shí)，與相鄰微孔間的基體橫截面不斷減小，這相當(dāng)于微小拉伸試樣的縮頸過(guò)程，隨著微縮頸的斷裂，使微孔連接（聚合）形成微裂紋[圖（c）]。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)，在該區(qū)又形成新的微孔。新的微孔借助內(nèi)縮預(yù)與裂紋連通，使裂紋向前推進(jìn)一步，如此不斷進(jìn)行下去直至最終斷裂，便形成通常見(jiàn)到的宏觀上呈纖維狀，微觀上為韌窩的斷口。圖1-27微孔長(zhǎng)大聚合示意圖第五節(jié)斷裂第五節(jié)斷裂

定義在正應(yīng)力作用下，由于原子間結(jié)合鍵的破壞引起的沿特定晶面發(fā)生的脆性穿晶斷裂稱為解理斷裂。

3.2解理斷裂

斷口特征解理斷裂的微觀斷口應(yīng)該是極平坦的鏡面。但是，實(shí)際的解理斷口是出許多大致相當(dāng)于晶粒大小的解理面集合而成的。這種大致以晶粒大小為單位的解理面稱為解理刻面。解理裂紋的擴(kuò)展往往是沿著晶面指數(shù)相同的一族相互平行，但位于“不同高度”的晶面進(jìn)行的。不同高度的解理面之間存在臺(tái)階，眾多臺(tái)階的匯合便形成河流花樣。解理臺(tái)階、河流花樣和舌狀花樣是解理斷口的基本微觀特征，如圖1-28所示。第五節(jié)斷裂

圖1-28河流花樣（a）船用鋼板（b）LiF晶體第五節(jié)斷裂

臺(tái)階主要由兩種方式形成：解理裂紋沿解理面擴(kuò)展時(shí)，與晶內(nèi)原先存在的螺位錯(cuò)相交，便產(chǎn)生一個(gè)高度為一柏氏矢量的臺(tái)階，如圖1-29所示；圖1-29解理裂紋與螺位錯(cuò)相交形成臺(tái)階

第五節(jié)斷裂

兩相互平行但處于不同高度上的解理裂紋，通過(guò)次生解理或撕裂的方式相互連接形成臺(tái)階，如圖1-30所示。圖1-30二次解理和撕裂形成臺(tái)階（a）次生解理（b）撕裂

同號(hào)臺(tái)階相遇便會(huì)合長(zhǎng)大，異號(hào)臺(tái)階相遇則相互抵消。當(dāng)匯合臺(tái)階足夠高時(shí)，便形成河流花樣。河流花樣是判斷是否為解理斷裂的重要微觀依據(jù)，“河流”的流向與裂紋的擴(kuò)展方向一致，根據(jù)流向便可確定微觀范圍內(nèi)解理裂紋的擴(kuò)展方同。在實(shí)際多晶體中存在有晶界與亞晶界，當(dāng)解理裂紋穿過(guò)小角度晶界時(shí)，將引起河流方向的偏移；穿越扭轉(zhuǎn)晶界和大角度晶界時(shí)，由于兩側(cè)解理面方同各異，以及晶界上的大量位錯(cuò)，裂紋不能直接簡(jiǎn)單穿越，需要重新形核，再沿著新組成的解理面擴(kuò)展，于是引起臺(tái)階與河流的激增。

圖1-31河流花樣形成示意圖第五節(jié)斷裂

當(dāng)解理裂紋高速擴(kuò)展，溫度較低時(shí)，在裂紋前端可能形成孿晶，裂紋沿孿晶與基體界面擴(kuò)展時(shí)常會(huì)形成“舌”狀花樣。

解理舌花樣形成示意圖第五節(jié)斷裂

3.3準(zhǔn)解理斷裂

準(zhǔn)解理斷裂常見(jiàn)于淬火回火鋼中，宏觀上屬脆性斷裂。由于回火后碳化物質(zhì)點(diǎn)的作用，當(dāng)裂紋往晶內(nèi)擴(kuò)展時(shí)，難以嚴(yán)格地沿一定晶面擴(kuò)展。其微觀形態(tài)特征，似解理河流但又非真正解理，故稱為準(zhǔn)解理。準(zhǔn)解理與解理的不同之處，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)解理裂紋則源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)，形成從晶內(nèi)某點(diǎn)發(fā)源的反射狀河流花樣。準(zhǔn)解理不是一種獨(dú)立的斷裂機(jī)理，而是解理斷裂的變種。第五節(jié)斷裂

4．高分子材料的斷裂高分子材枓的斷裂從宏觀上考慮與金屬材料相同，也可分為脆性斷裂和韌性斷裂兩大類(lèi)。玻璃態(tài)聚合物在玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg以下主要表現(xiàn)為脆性斷裂，聚合物單晶體可發(fā)生解理斷裂，也屬于脆性斷裂。而Tg溫度以上的玻璃態(tài)聚合物以及通常使用的半晶態(tài)聚合物斷裂時(shí)伴隨有較大塑性變形，屬于韌性斷裂。但是由于高分子材料的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其微觀斷裂機(jī)理又與金屬和陶瓷材料不同。

第五節(jié)斷裂

4．高分子材料的斷裂

對(duì)于無(wú)定型的玻璃態(tài)高分子聚合物材料，其斷裂過(guò)程是銀紋產(chǎn)生和發(fā)展的過(guò)程，如圖1-32所示。在韌性斷裂過(guò)程中，當(dāng)拉伸應(yīng)力增加到一定值時(shí)，銀紋會(huì)在材料中的一些弱結(jié)構(gòu)或缺陷處產(chǎn)生。隨變形的進(jìn)—步增大，銀紋中的空洞隨著纖維的斷裂可長(zhǎng)大形成微孔，微孔的擴(kuò)大和連接形成裂紋。另外，在銀紋中的一些雜質(zhì)處也可能形成微裂紋，微裂紋沿銀紋與基體材料界面擴(kuò)展，使連接銀紋兩側(cè)的纖維束斷裂造成微觀縮頸，微觀縮頸的斷裂便形成裂紋。裂紋的頂端存在著很高的應(yīng)力集中，又促使銀紋的形成，裂紋的擴(kuò)展過(guò)程就是銀紋區(qū)的產(chǎn)生、移動(dòng)的過(guò)程。這一道里與金屬材料的微孔聚集型斷裂機(jī)理有一定的相似之處。在較低溫度的脆性斷裂過(guò)程中，銀紋生成比較困難，整體試樣上很難檢查到銀紋，但在斷口上也有很薄的銀紋層，說(shuō)明無(wú)論韌性與脆性斷裂，在斷裂過(guò)程中裂紋頂端總伴隨有銀紋的形成。第五節(jié)斷裂圖1-32銀紋的形成及破壞示意圖第五節(jié)斷裂

半晶態(tài)的高分子材料是無(wú)定形區(qū)與晶體的兩相混合物。在Tg溫度以上，半晶態(tài)高分子材料具有韌性斷裂的特征。斷裂時(shí)已產(chǎn)生塑性變形的無(wú)定形區(qū)的微纖維束末端將形成空洞。隨著塑性變形的繼續(xù)進(jìn)行，在空洞或夾雜物旁邊的纖維束產(chǎn)生滑移運(yùn)動(dòng)，即可形成微裂紋。微裂紋即可通過(guò)切斷纖維，切斷纖維沿橫向（與微裂紋共面）生長(zhǎng)，也可能通過(guò)“拔出”一些纖維，從而與鄰近纖維末端空洞相連接的方式生長(zhǎng)。依據(jù)材料性質(zhì)，有些材料微裂紋生長(zhǎng)以切斷纖維為主，如尼龍6、尼龍66等；有些則以拔出纖維與相鄰纖維末端空洞連接為主，如聚乙烯等。

第五節(jié)斷裂

對(duì)晶態(tài)及半晶態(tài)的高分子材料，單晶體的斷裂取決于應(yīng)力與分子鏈的相對(duì)取向。聚合物單晶體是分子鏈折疊排列的薄層，分子鏈方向垂直于薄層表面。當(dāng)晶體受垂直于分子鏈方向的應(yīng)力作用時(shí)，晶體會(huì)發(fā)生滑移、孿生和馬氏體相變。在高應(yīng)變條件下，出現(xiàn)解理裂紋，裂紋沿分子鏈平行的方向擴(kuò)展，破壞范德瓦爾斯鍵形成解理斷裂。當(dāng)應(yīng)力與分子鏈平行時(shí)，裂紋要穿過(guò)分子鏈，切斷共價(jià)鍵。由于共價(jià)鍵強(qiáng)度很高，因此晶體在沿分子鏈方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度，不易斷裂。

第五節(jié)斷裂5斷口分析

材料斷裂的實(shí)際情況比較復(fù)雜，宏觀斷裂形態(tài)不一定與微觀斷裂口特征完全相符。宏觀上表現(xiàn)為韌性斷裂的斷口上局部區(qū)域也可能出現(xiàn)脆性解理的特征，而宏觀上表現(xiàn)為脆性斷裂的斷口上局部區(qū)域也可能出現(xiàn)韌窩花樣。因此，宏觀上的韌、脆斷裂不能與微觀上的韌、脆斷裂機(jī)理混為一談。但是，根據(jù)宏、微的斷口分析，可以真實(shí)了解材料斷裂時(shí)裂紋萌生及擴(kuò)展的起因、經(jīng)歷及方式，有助于對(duì)斷裂的原因、條件及影響因素作出正確判斷。第五節(jié)斷裂

中、低碳鋼光滑圓柱試樣在室溫下的拉伸斷裂樣品就是典型的韌性斷裂范例。掌握其宏、微觀斷口特征對(duì)機(jī)件斷裂失效分析具有重要的參考價(jià)值。此類(lèi)樣品的斷裂屬于韌性斷裂，斷口一般呈杯錐狀，由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇3個(gè)區(qū)域組成，如圖1-33所示。此即所謂的斷口特征三要素。

圖1-33拉伸斷口的3個(gè)區(qū)域示意圖第五節(jié)斷裂

顯微裂紋形成后其端部產(chǎn)生更大的塑性變形，新的微孔就在變形帶內(nèi)形核、長(zhǎng)大和聚合，當(dāng)其與已產(chǎn)生的裂紋連接時(shí)，裂紋便向前擴(kuò)展[圖l-34(d)]。這樣反復(fù)進(jìn)行的結(jié)果就形成纖維區(qū)[圖1—34(e)]。纖維區(qū)所在平面垂直于拉伸應(yīng)力方向，纖維區(qū)的微觀斷口特征為韌窩。圖1-34杯錐狀斷口形成示意圖

當(dāng)試樣的拉伸力達(dá)到力一伸長(zhǎng)曲線的最高點(diǎn)時(shí)，試樣局部區(qū)域出現(xiàn)縮頸，同時(shí)試樣縮頸部分中心的應(yīng)力狀態(tài)也由單向變?yōu)槿騕圖l-34(a)]，且中心軸向應(yīng)力最大，在三向應(yīng)力作用下，樣品中心部分的夾雜物或硬質(zhì)第二相質(zhì)點(diǎn)破裂或與基體界面脫離而形成微孔[圖1-34(b)]。微孔不斷長(zhǎng)大集合形成顯微裂紋[圖l-34(c)]。第五節(jié)斷裂

纖維區(qū)中裂紋擴(kuò)展速度較慢，并伴隨有更大的塑性變形。當(dāng)裂紋達(dá)到某一臨界尺寸后，產(chǎn)生更大的應(yīng)力集中，裂紋以低能量撕裂的方式快速擴(kuò)展，并形成放射區(qū)。放射區(qū)有放射狀花樣特征。放射線平行于裂紋擴(kuò)展方向而垂直于裂紋前端輪廓線，并逆指裂紋源。放射區(qū)的斷裂過(guò)程雖然與纖維區(qū)不同，但仍屬于韌性撕裂過(guò)程，微觀上可以看到撕裂韌窩，撕裂時(shí)塑性變形量越大，放射線越粗。對(duì)于幾乎不產(chǎn)生塑性變形的材料，放射線消失，微觀斷口上呈現(xiàn)解理特征。

第五節(jié)斷裂

試樣拉伸斷裂的最后階段形成杯狀或錐狀的剪切唇。剪切唇表面光滑，與拉伸軸呈45°，是典型的切斷型斷裂。其微觀特征可看到“鏈波”花樣。韌性斷裂的宏觀斷口一般都具有上述3個(gè)區(qū)域，而脆性斷口纖維區(qū)很小，剪切唇幾乎沒(méi)有。此3個(gè)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、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)明顯增大，而纖維區(qū)變化不大。實(shí)際上，金屬的脆性斷裂與韌性斷裂并無(wú)明顯的界限，一般脆性斷裂前也會(huì)產(chǎn)生微量塑性變形。因此，一般規(guī)定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5%者為脆性斷裂；大于5%

者為韌性斷裂。由此可見(jiàn)金屬的韌性與脆性是根據(jù)一定條件下的塑性變形量來(lái)決定的。第五節(jié)斷裂二、裂紋形核的位錯(cuò)模型

1．甄納-斯特羅(Zener-Stroch)理論（位錯(cuò)塞積理論）該理論是甄納1946年首先提出來(lái)的，其模型如圖1-35所示。在切應(yīng)力作用下刃型位錯(cuò)在障礙O處受阻而堆積。斯特羅認(rèn)為應(yīng)力集中充分大時(shí)，能使堆積附近原子間的結(jié)合力破壞而形成解理裂紋。最大應(yīng)力發(fā)生在70.5°處。圖1-35位錯(cuò)塞積形成裂紋模型

缺點(diǎn)大量位錯(cuò)塞積將產(chǎn)生很大的切應(yīng)力集中，使相鄰晶粒內(nèi)的位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)將應(yīng)力松弛，裂紋難以形成。再如單晶中很難設(shè)想存在位錯(cuò)塞積的有效障礙，而六方晶體中滑移面和解理面通常為同一平面，不易符合70.5°的要求。

第五節(jié)斷裂二、裂紋形核的位錯(cuò)模型

2．柯垂?fàn)?Cottrell)理論（位錯(cuò)反應(yīng)理論）在bcc晶體中，位錯(cuò)之間能夠反應(yīng)形成不動(dòng)位錯(cuò)。于是在此不動(dòng)位錯(cuò)后的幾個(gè)位錯(cuò)塞積便可形成微裂紋。如此反應(yīng)后的新位錯(cuò)具有較低的彈性能，反應(yīng)能自動(dòng)進(jìn)行，裂紋的形核是一個(gè)自發(fā)過(guò)程。fcc晶體雖有類(lèi)似反應(yīng)，但不是降低能量的過(guò)程，因而不存在這一形核機(jī)理。圖1-36位錯(cuò)反應(yīng)形成裂紋第五節(jié)斷裂二、裂紋形核的位錯(cuò)模型

3．史密斯(Smith)理論(脆性第二相開(kāi)裂理論)

史密斯提出了低碳鋼中因鐵素體塑性變形導(dǎo)致晶界碳化物開(kāi)裂形成解理裂紋的理論。鐵素體中的位錯(cuò)源在切應(yīng)力作用下開(kāi)動(dòng)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)至晶界碳化物處受阻而形成塞積，在塞積頭處拉應(yīng)力作用下使碳化物開(kāi)裂。圖1-37裂紋形成的Smith模型

考慮顯微組織不均勻造成的影響第五節(jié)斷裂三、斷裂強(qiáng)度1．理論斷裂強(qiáng)度材料強(qiáng)度是材料抵抗外力作用時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的一種性質(zhì)。決定材料強(qiáng)度的最基本的因素是分子、原子（離子）之間的結(jié)合力。在外加正應(yīng)力的作用下，將晶體中的兩個(gè)原子面沿垂直于外力方向拉斷所需的應(yīng)力稱為理論斷裂強(qiáng)度。

第五節(jié)斷裂圖1-38完整晶體拉斷示意圖圖1-39原子間作用力與原子位移的關(guān)系

理論斷裂強(qiáng)度可簡(jiǎn)單估算如下：設(shè)想圖l-38中被mn解理面分開(kāi)的兩半晶體，其解理面間距為a0，沿拉應(yīng)力方向發(fā)生相對(duì)位移x，當(dāng)位移很大時(shí)，位移和作用力的并不是線形關(guān)系。原子間的交互作用最初是隨x的增大而增大，達(dá)到一峰值σm后逐漸下降，如圖1-39所示。就是理論斷裂強(qiáng)度。第五節(jié)斷裂式中：γs單位面積的表面能;a0為原子間距理想晶體脆性（解理）斷裂的理論斷裂強(qiáng)度計(jì)算公式：第五節(jié)斷裂三、斷裂強(qiáng)度2．?dāng)嗔褟?qiáng)度的裂紋理論（格里菲斯裂紋理論)

為了解釋玻璃、陶瓷等脆性材料斷裂強(qiáng)度的理論值與實(shí)際值的巨大差異，格里菲斯(AGriffith)在1921年提出，實(shí)際材料中已經(jīng)存在裂紋，當(dāng)平均應(yīng)力還很低時(shí)，裂紋尖端的應(yīng)力集中已達(dá)到很高值（σm），從而使裂紋快速擴(kuò)展并導(dǎo)致脆性斷裂。他根據(jù)能量平衡原理計(jì)算出裂紋自動(dòng)擴(kuò)展時(shí)的應(yīng)力值，即計(jì)算了含裂紋體的強(qiáng)度。能量平衡原理指出，由于裂紋的存在，系統(tǒng)彈性能降低，若要保持系統(tǒng)總能量不變，裂紋釋放的彈性能必然要與因存在裂紋而增加的表面能平衡。如果彈性能的降低足以滿足表面能增加的需要，則裂紋的擴(kuò)展就成為系統(tǒng)能量降低的過(guò)程，因而裂紋就會(huì)自發(fā)擴(kuò)展引起脆性破壞。

第五節(jié)斷裂圖1-40格里菲斯裂紋模型

格里菲斯公式

對(duì)三維介質(zhì)中錢(qián)幣形裂紋進(jìn)行過(guò)更精確的計(jì)算，也得出類(lèi)似的結(jié)果

格里菲斯裂紋計(jì)算公式

第五節(jié)斷裂

格里菲斯公式已適用于脆性固體，如玻璃、無(wú)機(jī)晶體材料、超高強(qiáng)鋼等，對(duì)于許多工程結(jié)構(gòu)材料，如結(jié)構(gòu)鋼、高分子材料等，裂紋尖端會(huì)產(chǎn)生較大塑性變形，要消耗大量塑性變形功。因此，必須對(duì)格里菲斯公式進(jìn)行修正。奧羅萬(wàn)（E.Orowan）首先提出裂紋擴(kuò)展時(shí)，裂紋尖端由于應(yīng)力集中，局部區(qū)域內(nèi)會(huì)發(fā)生塑性變形。塑性變形消耗的能量成為裂紋擴(kuò)展所消耗能量的一部分，因此，表面能除了彈性表面能外，還應(yīng)包括裂紋尖端發(fā)生塑性變形所消耗的塑性功γp

。格里菲斯公式應(yīng)當(dāng)修正為第五節(jié)斷裂