材料物理性能2第一章第五节断裂.ppt

第五节、断裂,固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称为断裂。,材料物理性能-断裂,一、断裂的类型及断口特征,断裂的过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段。,材料物理性能-断裂,材料在静拉伸时的断口可呈现3种情况,断裂垂直于最大正应力者叫正断,沿着最大切应力方向断开的叫切断,中心部分大致为正断，两侧部分为切断，故为混合型断口,材料物理性能-断裂,1 韧性断裂与脆性断裂,韧性断裂是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大量塑性变形能。,1.1 韧性断裂,韧性断裂最显著的特征是伴有大量的塑性变形。,材料物理性能-断裂,摘要,在工程结构中,韧性断裂一般表现为过载断裂,即零件危险截面处所承受的实际应力超过了材料的屈服强度或强度极限而发生的断裂。,在正常情况下,机载零件的设计都将零件危险截面处的实际应力控制在材料的屈服强度以下,一般不会出现韧性断裂失效。但是,由于机械产品在经历设计、用材、加工制造、装配直至使用维修的全过程中,存在着众多环节和各种复杂因素,因而机械零件的韧性断裂失效至今仍难完全避免。,材料物理性能-断裂,韧性断裂的断口,往往呈暗灰色、纤维状。,塑性变形中众多微细纹的不断扩展和相互连接造成的。,暗灰色是纤维断口表面对光的反射能力很弱所致。,材料物理性能-断裂,金属零件韧性断裂失效分析,(1)断口宏观形貌粗糙,色泽灰暗,呈纤维状;边缘有与零件表面呈45的剪切唇;断口附近有明显的塑性变形,如残余扭角、挠曲、变粗、缩颈和鼓包等。,材料物理性能-断裂,韧性断裂原因分析与预防,金属零件韧性断裂的本质是零件危险截面处的实际应力超过材料的屈服强度所致。因此,下列因素之一均有可能引起金属零件韧性断裂失效。(1)零件所用材料强度不够。(2)零件所承受的实际载荷超过原设计要求。(3)零件在使用中出现了非正常载荷。(4)零件存在偶然的材质或加工缺陷而引起应力集中,使其不能承受正常载荷而导致韧性断裂失效。(5)零件存在不符合技术要求的铸造、锻造、焊接和热处理等热加工缺陷。,材料物理性能-断裂,脆性断裂是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显的预兆，突然快速的断裂，具有很大的危险性。,脆性断裂的断口，一般与正应力垂直，宏观上比较齐平光滑，呈放射状或结晶状。,1.2 脆性断裂,材料物理性能-断裂,易发生脆性断裂的几种材料,淬火钢,灰铸铁,陶瓷,玻璃,材料物理性能-断裂,脆性断裂的断口,一般与正应力垂直，比较齐平光亮，呈放射状或结晶状。,材料物理性能-断裂,脆性断裂的宏观特征,(1)断裂处很少或没有宏观塑性变形,碎块断口可以拼合复原。(2)断口平坦,无剪切唇,断口与应力方向垂直。(3)断裂起源于变截面,表面缺陷和内部缺陷等应力集中部位。(4)断面颜色有的较光亮,有的较灰暗。光亮断口是细瓷状,对着光线转动,可见到闪光的小刻面;灰暗断口有时呈粗糙状,有时呈现出粗大晶粒外形。(5)板材构件断口呈人字纹放射线,放射源为裂纹源,其放射方向为裂纹扩展方向。(6)脆性断裂的扩展速率极高,断裂过程在瞬间完成,有时伴有大响声。,材料物理性能-断裂,如果材料的硬度和强度很高，又处于低温环境，圆形样的拉伸断口断面上有许多放射状条纹，这些条纹汇聚于一个中心，这个中心区域就是裂纹源。断口表面越光滑，放射条纹越细，这是典型的脆断形貌。如为板状试样，断裂呈“人”字形花样，“人”字的尖端指向裂纹源(如上图)，这对于分析压力容器或构件的失效是有帮助的。,人字形花样,预防脆性断裂失效的措施,(1)设计上的措施 应保证工程构件的工作温度高于所用材料的脆性转变温度,避免出现低温脆断;结构设计应尽量避免三向应力的工作条件,减少应力集中。(2)制造工艺的措施 应正确制订和严格执行工艺规程,避免过热、过烧、回火脆、焊接裂纹及淬火裂纹;热加工后应及时回火,消除内应力,对电镀件应及时而严格地进行除氢处理。(3)使用上的措施 应严格遵守设计规定的使用条件,如使用环境温度不得低于规定温度;使用操作应平稳,尽量避免冲击载荷。,材料物理性能-断裂,2 穿晶断裂与沿晶断裂,材料物理性能-断裂,穿晶断裂和沿晶断裂的SEM图,穿晶断裂,沿晶断裂,材料物理性能-断裂,（1）剪切断裂,定义：剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。某些纯金属尤其是单晶体金属可产生纯剪切断裂。,断口呈锋利的楔形。,材料物理性能-断裂,3 剪切断裂与解理断裂,蛇形滑移花样,滑移分离的基本特征是:断面呈45角倾斜;断口附近有明显的塑性变形;滑移分离是在平面应力状态下进行的。,涟波花样,滑移分离断口形貌,滑移分离的主要微观特征是滑移线或滑移带、蛇形花样、涟波花样和延伸区。,材料物理性能-断裂,微孔聚集性断裂示意图,微孔形核,长大,聚合直至断裂,第二相破裂或与基体界面脱离，在材料塑性变形到一定程度时产生的,大量位错进入微孔，使微孔逐渐长大,微孔间的集体横截面不断减小，发生微缩颈断裂，使微孔连接，在该区有发生新的微孔，长大、连接,形成宏观上呈纤维状，微观上为韧窝的端口,材料物理性能-断裂,由三种应力状态产生的显微孔坑过程及韧 窝状示意图,b）切应力,(c)撕裂韧窝,a）垂直应力,c）撕裂,材料物理性能-断裂,(a)微孔聚集模型,(b)在第二相粒子处形核模型,韧窝形核及扩展模型,缩颈,微缩颈的断裂,材料物理性能-断裂,韧窝的描述,韧窝的形状 韧窝的形状主要取决于所受的应力状态,最基本的韧窝形状有等轴韧窝、撕裂韧窝和剪切韧窝三种。等轴韧窝是在正应力作用下形成的。在正应力的作用下,显微空洞周边均匀增长,断裂之后形成近似圆形的等轴韧窝。剪切韧窝是在切应力作用下形成的,通常出现在拉伸或冲击断口的剪切唇上,其形状呈抛物线形,匹配断面上抛物线的凸向相反。,材料物理性能-断裂,撕裂韧窝是在撕裂应力的作用下形成,常见于尖锐裂纹的前端及平面应变条件下低能撕裂断口上,也呈抛物线形,但在匹配断口上,撕裂韧窝不但形状相似,而且抛物线的凸向也相同。,材料物理性能-断裂,（2）解理断裂,定义：在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂称为解理断裂。,解理断裂的断口是极平坦的镜面。,具有解理的矿物,材料物理性能-断裂,解理断裂：沿特定界面发生的脆性断裂。解理断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成的。这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。在解理刻面内部只从一个解理面发生解理破坏实际上是很少的。在多数情况下，裂纹要跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面，从而在同一刻面内部出现了解理台阶和河流花样。,材料物理性能-断裂,解理台阶和河流花样,解理小刻面的微观形貌,A台阶 B河流花样,材料物理性能-断裂,舌状花样：解理舌是解理面上的典型特征之一,它的显微形貌为舌状。解理舌的形成与解理裂纹沿变形孪晶与基体之间的界面扩展有关。此种变形孪晶是当解理裂纹以很高的速度向前扩展时,在裂纹前端形成的。,舌状花样,材料物理性能-断裂,舌状花样,（3）准解理断裂,在许多淬火回火钢中，有弥散细小的碳化物质点，它们影响裂纹形成与扩展。当裂纹在晶粒内扩展时难于严格地沿一定晶体学平面扩展。断裂路径不再与晶粒位向有关，而主要与细小碳化物质点有关。微观形态特征，似解理河流但又非真正解理，故称准解理。准解理与解理的共同点：都是穿晶断裂；有小解理刻面；有台阶或撕裂棱及河流花样。不同点：准解理小刻面不是晶体学解理面。解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹则常源于晶内硬质点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。,材料物理性能-断裂,准解理裂纹形成机理示意图,准解理断面典型形貌,准解理面,准解理断裂是介于解理断裂和韧窝断裂之间的一种过渡断 裂形式。准解理的形成过程:首先在不同部位(如回火钢的第二相粒子处),同时产生许多解理裂纹核,然后按解理方式扩展成解理小刻面,最后以塑性方式撕裂,与相邻的解理小刻面相连,形成撕裂棱。,材料物理性能-断裂,准解理断口与解理断口的不同之处:,(1)准解理断裂起源于晶粒内部的空洞、夹杂物和第二相粒子,而不像解理断裂那样,断裂起源于晶粒边界或相界面上。,(2)裂纹传播的途径不同,准解理是由裂源向四周扩展,不连续,而且多是局部扩展。解理裂纹是由晶界向晶内扩展,表现河流走向。,材料物理性能-断裂,(3)准解理小平面的位向并不与基体(体心立方)的解理面100严格对应,相互并不存在确定的对应关系。,(4)在调质钢中准解理小刻面的尺寸要大得多,它相当于淬火前的原始奥氏体晶粒尺度。准解理断口宏观形貌比较平整。基本上无宏观塑性或宏观塑性变形较小,呈脆性特征。其形貌有河流花样、舌状花样及韧窝与撕裂棱等。,材料物理性能-断裂,4.高分子材料的断裂,无定型聚合物：裂纹的扩展过程就是银纹区的产生、移动的过程。,材料物理性能-断裂,（1）晶态高分子材料的断裂,单晶体的断裂取决于应力与分子链的相对取向。,晶体受垂直于分子链方向的应力作用,晶体受平行于分子链方向的应力作用,材料物理性能-断裂,（2）半晶态高分子材料的断裂,在Tg温度以上，半晶态高分子材料具有韧性断裂的特征。,断裂时已产生塑性变形的无定型区的微纤维束末端将形成空洞。,随着塑性变形的继续进行，在空洞或夹杂物旁边的微纤维束产生滑移运动形成微裂纹。,材料物理性能-断裂,5.断口分析,断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇,剪切唇（链波）,放射区（放射线）,纤维区（韧窝）,材料物理性能-断裂,对拉伸试样的宏观断口观察，可看出多数情况下有三个区域。第一个区域在试样的中心位置，叫做纤维区，裂纹首先在该区域形成，该区颜色灰暗，表面有较大的起伏，如山脊状，这表明裂纹在该区扩展时伴有较大的塑性变形，裂纹扩展也较慢；第二个区域为放射区，表面较光亮平坦，有较细的放射状条纹，裂纹在该区扩展较快；接近试样边缘时，应力状态改变了（平面应力状态变为切应力），最后沿着与拉力轴向成40-50剪切断裂，表面粗糙发深灰色。这称为第三个区域剪切唇。试样塑性的好坏，由这三个区域的比例而定。,断口分析描述,材料物理性能-断裂,杯锥状断口分析,在第二相质点形成微孔,微孔不断长大集合形成显微裂纹,新微孔形核、长大、聚合与原裂纹连接，裂纹向前扩展,裂纹的不断扩展形成纤维区（韧窝）,材料物理性能-断裂,断口分析特征,如放射区较大，则材料的塑性低，因为这个区域是裂纹快速扩展部分，伴随的塑性变形也小。反之对塑性好的材料，必然表现为纤维区和剪切唇占很大比例，甚至中间的放射区可以消失。,影响这三个区比例的主要因素是材料强度和试 验温度。,材料物理性能-断裂,脆性断裂与韧性断裂的界限,脆性断裂其收缩率小于5%。,韧性断裂其收缩率大于5%。,材料物理性能-断裂,材料物理性能-断裂,较典型的解理断口形貌如a所示，在解理断口上存在有许多台阶。在解理裂纹扩展过程中，台阶相互汇合形成河流花样，这是解理断裂的重要特征。准解理断口的形貌特征见图b，准解理断口与解理断口有所不同，其断口中有许多弯曲的撕裂棱，河流花样由点状裂纹源向四周放射。沿晶断口特征是晶粒表面形貌组成的冰糖状花样，见图c。韧窝断口的形貌如图d所示，在断口上分布着许多微坑，在一些微坑的底部可以观察到夹杂物或第二相粒子,二、裂纹的位错模型,自学甄纳-斯特罗模型（为错塞积理论）柯垂尔理论（为错反应理论）史密斯理论（脆性第二相开裂理论）,材料物理性能-断裂,三、理论断裂强度,1 理论断裂强度晶体的理论强度应由原子间结合力决定，现估算如下：一完整晶体在拉应力作用下，会产生位移。原子间作用力与位移的关系如图。,材料物理性能-断裂,曲线上的最高点代表晶体的最大结合力，即理论断裂强度。作为一级近似，该曲线可用正弦曲线表示=msin(2x/d)（1）式中x为原子间位移,d为正弦曲线的波长。如位移很小，则sin(2x/d)=(2x/d)，于是=m(2x/d)（2）根据虎克定律，在弹性状态下，=E=Ex/a0(3)式中E为弹性模量；为弹性应变；a。为原子间的平衡距离。合并式（2）和（3），消去x，得 m=E/2a0(4),材料物理性能-断裂,另一方面，晶体脆性断裂时，形成两个新的表面，需要表面形成功2，其值应等于释放出的弹性应变能，可用图1-39中曲线下所包围的面积来计算得:m=（E/a0）1/2(5)这就是理想晶体解理断裂的理论断裂强度。可见，在E，a0一定时，m与表面能有关，解理面往往是表面能最小的面，可由此式得到理解。,材料物理性能-断裂,如用实际晶体的E，a。，值代入式(5)计算，例如铁，E=2105 MPa,a0=2.510-10 m，=2 J/m2,则m4104 MPaE/5。高强度钢，其强度只相当于E/100，相差20倍。在实际晶体中必有某种缺陷,使其断裂强度降低。,材料物理性能-断裂,2Griffith理论,Griffith在1921年提出了裂纹理论。Griffith假定在实际材料中存在着裂纹，当名义应力还很低时，裂纹尖端的局部应力已达到很高的数值，从而使裂纹快速扩展，并导致脆性断裂。,材料物理性能-断裂,设想有一单位厚度的无限宽形板，对其施加一拉应力后，与外界隔绝能源（如上图）,格里菲斯裂纹模型,材料物理性能-断裂,板材每单位体积的弹性能为2/2E。长度为2a的裂纹，则原来弹性拉紧的平板就要释放弹性能。根据弹性理论计算，释放出来的弹性能为Ue=-2a2/E(7)形成新表面所需的表面能为W=4a(8)整个系统的能量变化为Ue+W=4a-2a2/E（9）系统能量随裂纹半长a的变化,如图,材料物理性能-断裂,当裂纹增长到2ac后，若再增长，则系统的总能量下降。从能量观点来看，裂纹长度的继续增长将是自发过程。临界状态为:（Ue+W）/a=4-22a/E=0（10）于是，裂纹失稳扩展的临界应力为:c=(2E/a)1/2(11)临界裂纹半长为ac=2E/2(12)式(11)便是著名的Griffith公式。c是含裂纹板材的实际断裂强度，它与裂纹半长的平方根成反比;,材料物理性能-断裂,对于定裂纹长度a，外加应力达到c时,裂纹即失稳扩展。承受拉伸应力时，板材中半裂纹长度也有一个临界值ac，当a ac时，就会自动扩展。而当aac时，要使裂纹扩展须由外界提供能量，即增大外力。Griffith公式和理论断裂强度公式比较 m=（E/a0）1/2 c=(2E/a)1/2在形式上两者是相同的。在研究裂纹扩展的动力和阻力时，基本概念都是基于能量的消长与变化。,材料物理性能-断裂,Griffith认为，裂纹尖端局部区域的材料强度可达其理论强度值。倘若由于应力集中的作用而使裂纹尖端的应力超过材料的理论强度值，则裂纹扩展，引起断裂。Griffith公式适用于陶瓷、玻璃这类脆性材料。,材料物理性能-断裂,Griffith-Orowan-Irwin公式实际金属材料在纹尖端处发生塑性变形，需要塑性变形功Wp，Wp的数值往往比表面能大几个量级，是裂纹扩展需要克服的主要阻力。因而，需要修正为:c=E（2+Wp）/a 1/2(5-17)这就是Griffith-Orowan-Irwin公式。需要强调的是，Griffith理论的前提是材料中已存在着裂纹，但不涉及裂纹来源。,材料物理性能-断裂,如果晶体原来并无裂纹，在应力作用下，能否形成裂纹，裂纹形成和扩展的机制，正应力和切应力在裂纹形成及扩展过程中的作用，以及断裂前是否会产生局部的塑性变形等问题，需要研究解决。用位错运动、塞积和相互作用来解释裂纹的成核和扩展。,5.5.3 脆性断裂的位错理论*,材料物理性能-断裂,5.5.4 微孔形核，长大与聚合,实际金属中总有第二相粒子存在，它们是微孔成核的源。第二相粒子分为两大类，一类是夹杂物，如钢中的硫化物，在不大的应力作用下便与基体脱开或本身裂开而形成微孔；另一类是强化相，如钢中的弥散的碳化物，合金中的弥散的强化相,它们本身比较坚实，与基体结合比较牢固，是位错塞积引起的应力集中或在高应变条件下，第二相与基体塑性变形不协调而萌生微孔的。,材料物理性能-断裂,5.5.4.1 微孔成核与长大的位错模型,材料物理性能-断裂,微孔成核并逐渐长大，有两种不同的聚合模式。一种是正常的聚合，即微孔长大后出现了“内颈缩”，使实际承载的面积减少而应力增加，起了“几何软化”作用。另一种聚合模式是裂纹尖端与微孔、或微孔与微孔之间产生了局部滑移，由于这种局部的应变量大，产生了快速剪切裂开。这种模式的微孔聚合速度快，消耗的能量也较少，所以塑性韧性差。,目前,快速剪切裂开的认识还不够深入，但知道应变强化指数低的材料容易产生剪切裂开。这是因为应变强化阻碍已滑移区的进一步滑移，使滑移均匀，不易产生局部的剪切变形。此外,多向拉应力促使材料处于脆性状态，也容易产生剪切断开。,材料物理性能-断裂,5.5.4.3 影响延性断裂的因素,(1)基体的形变强化，基体的形变强化指数越大，则塑性变形后的强化越强烈，哪里变形，哪里便强化，其结果是各处均匀的变形。相反地，如果基体的形变强化指数小，则变形容易局部化，较易出现快速剪切裂开。这种聚合模式塑性韧性低。（2）第二相粒子,钢的塑性下降；硫化物比碳化物的影响要明显得多。同时碳化物形状也对断裂应变有很大影响，球状的要比片状的好很多。,材料物理性能-断裂,5.6 脆性韧性转变,工程上总是希望构件在韧性状态下工作，避免危险的脆性断裂。航空航天事业，安全第一。构件或材料是韧性或脆性状态，取决材料本身的组织结构，还取决于应力状态，温度和加载速率等因素，并不是固定不变的，而是可以互相转化的。5.6.1 应力状态及其柔度系数由材料力学可知，任何复杂的应力状态都可以用切应力和正应力表示。,材料物理性能-断裂,切应力促进塑性变形，对塑性韧性有利；拉应力促进断裂，不利于塑性和韧性。最大切应力max=（1-3）与最大当量正应力Smax（Smax=1-（2+3）之比称为应力状态的柔度系数(亦叫软性系数)，即=max/Smax(5-21)值愈大，应力状态愈“柔”，愈易变形而较不易开裂，即愈易处于韧性状态。值愈小，则相反，愈易倾向脆性断裂。,材料物理性能-断裂,佛里德曼()力学状态图,材料物理性能-断裂,5.6.2 温度和加载速率的影响,表面能和弹性模量E是决定断裂强度的主要因素。温度对表面能和弹性模量E的影响不大，所以对断裂强度影响不大。温度对屈服强度影响很大，主要是因为温度有助于激活F-R位错源，有利于位错运动，使滑移易于进行。所以，普通碳钢在室温或高温下，断裂前有较大的塑性变形，是韧断。但低于某一温度，位错源激活受阻，难以产生塑性变形，断裂便可能变为脆性的了。,材料物理性能-断裂,材料物理性能-断裂,提高加载速率起着与温度相似的作用。加载速率提高，则相对形变速率增加，相对形变速率超过某一限度(如10-1s)会限制塑性变形发展，使塑性变形极不均匀，结果变形抗力提高了，并在局部高应力区形成裂纹。,材料物理性能-断裂,5.6.3 材料的微观结构的影响影响韧性-脆性转变的组织因素很多，也比较复杂，主要有：(1)晶格类型的影响面心立方晶格金属塑性、韧性好，体心立方和密排六方金属的塑性、韧性较差。面心立方晶格的金属，如铜、铝、奥氏体钢，一般不出现解理断裂而处于韧性状态，也没有韧-脆转变，其韧性可以维持到低温。体心立方晶格的金属，如铁、铬、钨和普通钢材，韧脆转变受温度及加载速率的影响很大，因为在低温和高加载速率下，它们易发生孪晶，也容易激发解理断裂。,材料物理性能-断裂,(2)成分的影响 钢中含碳量增加，塑性变形抗力增加，不仅冲击韧性降低，而且韧脆转变温度明显提高，转变的温度范围也加宽了。钢中的氧、氮、磷、硫、砷、锑和锡等杂质对韧性也是不利的。磷降低裂纹表面能，硅可限制交滑移，促进出现孪生，都起着提高韧-脆转变温度的不利作用。,材料物理性能-断裂,合金元素的影响比较复杂，镍、锰以固溶状态存在，降低韧脆转变温度，这可能与下列因素有关，提高了裂纹表面能；氮、碳等原子被吸收到Ni、Mn所造成的局部畸变区中去，减少了它们对位错运动的钉扎作用。在钢中形成化合物的合金元素，如铬、钼、钛等，是通过细化晶粒和形成第二相质点来响韧脆转变温度的，它和热处理后的组织密切相关。,材料物理性能-断裂,(3)晶粒大小的影响 晶粒细，滑移距离短，在障碍物前塞积的位错数目较少，相应的应力集中较小，而且由于相邻晶粒取向不同，裂纹越过晶界有转折，需要消耗更多的能量；晶界对裂纹扩展有阻碍作用，裂纹能否越过晶界，往往是产不产生失稳扩展的关键。晶粒越细，则晶界越多，阻碍作用越大。晶粒细化既提高了材料的强度，又提高了它的塑性和韧性。形变强化、固溶强化。弥散强化(沉淀强化)等方法，在提高材料强度的同时，总要降低一些塑性和韧性。,材料物理性能-断裂,利用试样或构件断口的二次电子像所显示的表面形貌特征，可以获得有关裂纹的起源、裂纹扩展的途径以及断裂方式等信息，根据断口的微观形貌特征可以分析裂纹萌生的原因、裂纹的扩展途径以及断裂机制。图实5-1是比较常见的金属断口形貌二次电子像。较典型的解理断口形貌如图实5-1a所示，在解理断口上存在有许多台阶。在解理裂纹扩展过程中，台阶相互汇合形成河流花样，这是解理断裂的重要特征。准解理断口的形貌特征见图实51b，准解理断口与解理断口有所不同，其断口中有许多弯曲的撕裂棱，河流花样由点状裂纹源向四周放射。沿晶断口特征是晶粒表面形貌组成的冰糖状花样，见图实51c。图51d显示的是韧窝断口的形貌，在断口上分布着许多微坑，在一些微坑的底部可以观察到夹杂物或第二相粒子。由图实71e可以看出，疲劳裂纹扩展区断口存在一系列大致相互平行、略有弯曲的条纹，称为疲劳条纹，这是疲劳断口在扩展区的主要形貌特征。图实51示出的具有不同形貌特征的断口，若按裂纹扩展途径分类，其中解理、准解理和韧窝型属于穿晶断裂，显然沿晶断口的裂纹扩展是沿晶粒表面进行的。,