材料物理性能断裂PPT学习教案

1、会计学1 材料物理性能断裂材料物理性能断裂PPT课件课件 断裂垂直于最大正应力者叫正断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 第1页/共68页 1.1 韧性断裂韧性断裂 韧性断裂最显著的特征是伴有大量的塑性变形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 第2页/共68页 在正常情况下在正常情况下,机载零件的设计都将零件危险截面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处的实际

2、应力控制在材料的屈服强度以下,一般不一般不 会出现韧性断裂失效。但是会出现韧性断裂失效。但是,由于机械产品在经历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设计、用材、加工制造、装配直至使用维修的全 过程中过程中,存在着众多环节和各种复杂因素存在着众多环节和各种复杂因素,因而机因而机 械零件的韧性断裂失效至今仍难完全避免。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 第3页/共68页 材料物理性能-断裂 第4页/共68页 材料物理性能-断裂 第5页/共68页 材料物理性能-断裂 第6页/共68页 脆性断裂的断口，一般与正应力垂直，宏脆性断裂的断口，一般与正应力垂

3、直，宏 观上比较齐平光滑，呈放射状或结晶状。观上比较齐平光滑，呈放射状或结晶状。 1.2 脆性断裂脆性断裂 材料物理性能-断裂 第7页/共68页 淬火钢淬火钢 灰铸铁灰铸铁 陶瓷陶瓷 玻璃玻璃 材料物理性能-断裂 第8页/共68页 材料物理性能-断裂 第9页/共68页 材料物理性能-断裂 第10页/共68页 如果材料的硬度和强度很高，又处于低温环境，圆形样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，放射条中心，这个中心区域就是裂纹源。断口

4、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，断裂呈纹越细，这是典型的脆断形貌。如为板状试样，断裂呈“人人 ”字形花样，字形花样，“人人”字的尖端指向裂纹源字的尖端指向裂纹源 (如上图如上图)，这对于，这对于 分析压力容器或构件的失效是有帮助的。分析压力容器或构件的失效是有帮助的。 第11页/共68页 材料物理性能-断裂 第12页/共68页 材料物理性能-断裂 第13页/共68页 穿晶断裂穿晶断裂沿晶断裂沿晶断裂 材料物理性能-断裂 第14页/共68页 断口呈锋利的楔形。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 第15页/共68页 蛇形滑移花样蛇形滑移花样

5、 n滑移分离的基本特征是滑移分离的基本特征是:断面呈断面呈45角倾斜角倾斜;断口附近有明断口附近有明 显的塑性变形显的塑性变形;滑移分离是在平面应力状态下进行的。滑移分离是在平面应力状态下进行的。 涟波花样涟波花样 n滑移分离的主要微观特征是滑移线或滑移带、蛇形花样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、涟波花样和延伸区 。 材料物理性能-断裂 第16页/共68页 微孔形核微孔形核 长大长大 聚合直至断裂聚合直至断裂 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

6、渐长大大量位错进入微孔，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 第17页/共68页 b）切应力）切应力 (c)撕裂韧窝撕裂韧窝 a）垂直应力）垂直应力 c）撕裂）撕裂 材料物理性能-断裂 第18页/共68页 (a) 微孔聚集模型微孔聚集模型 (b) 在第二相粒子处形核模型在第二相粒子处形核模型 缩颈缩颈 微缩颈的断裂微缩颈的断裂 材料物理性能-断

7、裂 第19页/共68页 材料物理性能-断裂 第20页/共68页 材料物理性能-断裂 第21页/共68页 解理断裂的断口是极平坦的镜面。解理断裂的断口是极平坦的镜面。 具有解理的矿物具有解理的矿物 材料物理性能-断裂 第22页/共68页 相互平行的而且位于不同高度的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解理面，从而在同一刻面内部出 现了解理台阶和河流花样。现了解理台阶和河流花样。 材料物理性能-断裂 第23页/共68页 解理小刻面的微观形貌解理小刻面的微观形貌 A台阶台阶 B河流花样河流花样 材料物理性能-断裂 第24页/共68页 n 舌状花样：舌状花样： 解理舌是解理面上的

8、典型特征之一解理舌是解理面上的典型特征之一,它的显微形它的显微形 貌为舌状。貌为舌状。 n 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 时时,在裂纹前端形成的。在裂纹前端形成的。 材料物理性能-断裂 舌状花样舌状花样 第25页/共68页 材料物理性能-断裂 第26页/共68页 准解理裂纹形成机理示意图准解理裂纹形成机理示意图 准解理断面典型形貌准解理断面典型形貌 n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准解理断裂是介于解

9、理断裂和韧窝断裂之间的一种过渡断 裂形式。裂形式。 n准解理的形成过程准解理的形成过程:首先在不同部位首先在不同部位(如回火钢的第二相粒如回火钢的第二相粒 子处子处),同时产生许多解理裂纹核同时产生许多解理裂纹核,然后按解理方式扩展成解理然后按解理方式扩展成解理 小刻面小刻面,最后以塑性方式撕裂最后以塑性方式撕裂,与相邻的解理小刻面相连与相邻的解理小刻面相连,形成形成 撕裂棱。撕裂棱。 材料物理性能-断裂 第27页/共68页 (2)裂纹传播的途径不同裂纹传播的途径不同,准解理是由裂源向四周准解理是由裂源向四周 扩展扩展,不连续不连续,而且多是局部扩展。解理裂纹是由而且多是局部扩展。解理裂纹是由

10、 晶界向晶内扩展晶界向晶内扩展,表现河流走向。表现河流走向。 材料物理性能-断裂 第28页/共68页 (4)在调质钢中准解理小刻面的尺寸要大得多在调质钢中准解理小刻面的尺寸要大得多,它它 相当于淬火前的原始奥氏体晶粒尺度。准解理断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 塑性变形较小塑性变形较小,呈脆性特征。其形貌有河流花样、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。舌状花样及韧窝与撕裂棱等。 材料物理性能-断裂 第29页/共68页 无定型聚合物：裂纹的扩展过程就是银纹区的产生无定型聚合物：

11、裂纹的扩展过程就是银纹区的产生 、移动的过程。、移动的过程。 材料物理性能-断裂 第30页/共68页 晶体受垂直于分子链方向的应力作用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晶体受平行于分子链方向的应力作用 材料物理性能-断裂 第31页/共68页 断裂时已产生塑性变形的无定型区的微纤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。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物旁边的微纤维束产生滑移运动形成微裂 纹。纹。 材料物理性能-断裂 第32页/共68页 n 断口特征

12、三要素：纤维区、放射区、剪切唇断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇 剪切唇剪切唇 （链波（链波 ） 放射区放射区 （放射（放射 线）线） 纤维区（韧窝）纤维区（韧窝） 材料物理性能-断裂 第33页/共68页 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。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，这表明裂纹在该区扩

13、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 轴向成轴向成40-50剪切断裂，表面粗糙发深灰色。这称为第三剪切断裂，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个区域剪切唇。试样塑性的好坏，由这三个区域的比例而定 。 材料物理性能-断裂 第34页/共68页

14、 在第二相质点形成微孔在第二相质点形成微孔 微孔不断长大集合形成显微裂纹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）裂纹的不断扩展形成纤维区（韧窝） 材料物理性能-断裂 第35页/共68页 n 影响这三个区比例的主要因素是材料强度和试影响这三个区比例的主要因素是材料强度和试 验温度。验温度。 材料物理性能-断裂 第36页/共68页 韧性断裂其收缩率大于韧性断裂其收缩率大于5%。 材料物理性能-断裂 第37页/共68页 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

15、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 第38页/共68页 材料物理性能-断裂 第39页/共68页 材料物理性能-断裂 第40页/共68页 材料物理性能-断裂 第41页/共68页 材料物理性能-断裂 第42页/共68页 如用实际晶体的如用实际晶体的

16、E，a。，。，值代入式值代入式(5)计算计算 ，例如铁，例如铁，E=2105 MPa,a0=2.510-10 m， =2 J/m2, 则则m4104 MPaE/5。 高强度钢，其强度只相当于高强度钢，其强度只相当于E/100，相差，相差20倍倍 。 在实际晶体中必有某种缺陷在实际晶体中必有某种缺陷,使其断裂强度降使其断裂强度降 低。低。 材料物理性能-断裂 第43页/共68页 材料物理性能-断裂 第44页/共68页 格里菲斯裂纹模型格里菲斯裂纹模型 材料物理性能-断裂 第45页/共68页 材料物理性能-断裂 第46页/共68页 材料物理性能-断裂 第47页/共68页 材料物理性能-断裂 第48

17、页/共68页 材料物理性能-断裂 第49页/共68页 Griffith-Orowan-IrwinGriffith-Orowan-Irwin公式公式 实际金属材料在纹尖端处发生塑性变形，需要塑性变形功实际金属材料在纹尖端处发生塑性变形，需要塑性变形功 WpWp，WpWp的数值往往比表面能大几个量级，是裂纹扩展需要克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，需要修正为服的主要阻力。因而，需要修正为: : c c=E=E（2+Wp2+Wp）/a /a 1/2 1/2 (5-17) (5-17) 这就是这就是Griffith-Orowan-IrwinGriffith-Orow

18、an-Irwin公式。公式。 需要强调的是，需要强调的是，GriffithGriffith理论的前提是材料中已存在着裂纹，理论的前提是材料中已存在着裂纹， 但不涉及裂纹来源。但不涉及裂纹来源。 材料物理性能-断裂 第50页/共68页 材料物理性能-断裂 第51页/共68页 材料物理性能-断裂 第52页/共68页 材料物理性能-断裂 第53页/共68页 第54页/共68页 目前目前, , 快速剪切裂开的认识还不够深入，但知道应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，使滑移为应

19、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。此外均匀，不易产生局部的剪切变形。此外, ,多向拉应多向拉应 力促使材料处于脆性状态，也容易产生剪切断开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 第55页/共68页 材料物理性能-断裂 第56页/共68页 材料物理性能-断裂 第57页/共68页 材料物理性能-断裂 第58页/共68页 0 0 三向不等 拉伸 2 s K sk = s 材料物理性能-断裂 第59页/共68页 材料物理性能-断裂 第60页/共68页 0 0 qs s c notch no notch Stress Temperature 材料物理性能-断裂 第61页/共68页 材料物理性能-断裂 第62页/共68页 材料物理性能-断裂 第63页/共68页 材料物理性能-断裂 第64页/共68页 合金元素的影响比较复杂，镍、锰以固溶状态存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，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；提高了裂纹表面能； 氮、碳等原子被吸收到氮、碳等原子被吸收到NiNi、MnMn所造成的局部畸变所造成的局部畸变 区中去，减少了它们对位错运动的钉扎作用