第1章 金属断裂

1、第一章第一章 金属材料的断裂过程（金属材料的断裂过程（4 4学时）学时）将晶体的两个原子面沿垂直将晶体的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的力于外力方向拉断所需的力th。 th：1）原子力的正弦化（近似） th2sinxx很小时， thth022sinxxxEEath02Eath02aE，。 2）能量平衡法求th与E关系 th与拉断外力做功W外关系 /2/2/2ththth0002thth0th0221sinsin22xxWdxdxdxaaEE 外=02thW Ea外02 1W 外00/100a E W外与表面能及E的关系能量平衡，通常，02/100Wa E外 th与E关系0th0022100

2、 210W EaEEaa外实际金属的断裂应力仅为理论实际金属的断裂应力仅为理论th值的值的1/101/1000。2. 实际断裂强度（格雷菲斯裂纹理论） 有裂纹，拉断（裂纹失稳扩展）看强度到底有什么变化。 条件：无限大板，单位厚度（面积为只乘长度） th大小：晶须大小差不多, 大块材料c1001000EE c与th差别原因：引出Griffith理论。 1）弹性体裂纹失稳扩展判据）弹性体裂纹失稳扩展判据无限大板无限大板拉紧再固定拉应力拉紧再固定拉应力，单位厚度，单位厚度主要研究有主要研究有2c长裂纹后强度情况长裂纹后强度情况 开长2c裂纹能量情况 a. 弹性能减少量（能量释放率）22e222 (1

3、) cEWcE平面应力平面应变b. 表面能增加Ws=(2c1)2=4c 裂纹扩展2c2c+2dca. 扩展单位面积释放能量（弹性能变化） WeWe+dWe 2c1(2c+2dc) 1 222e()22dWdccdcdcEEb. 形成单位新表面所需表面能WsWs+dWs2c1(2c+2dc) 1s(4)222dWdcdcdcc. 失稳条件（临界条件） es22dWdWdcdc2cEc 有裂纹强度解释 从上面的公式，若加力前有2c裂纹，这时加到应力c就断了。例：典型陶瓷材料，E=31011Pa，=1Jm-2，th= E/10= 31010Pa。有长度2c=2m裂纹，由上公式得c= 4108 Pa，

4、c比th低多了。2）塑性体塑性扩展条件）塑性体塑性扩展条件 临界条件：临界条件：p()cEc声热 实际金属中断裂前一定存在裂纹（或相当于裂纹），使断实际金属中断裂前一定存在裂纹（或相当于裂纹），使断裂强度显著下降。裂强度显著下降。 大量实验观察表明，显微裂纹总是在强烈塑变区产生，大量实验观察表明，显微裂纹总是在强烈塑变区产生，即裂纹形成与金属局部塑变有关，也就是与位错运动有关。即裂纹形成与金属局部塑变有关，也就是与位错运动有关。(解理裂纹解理裂纹) 当当fmax达到材料的理论断裂强度达到材料的理论断裂强度th时，则在时，则在th作用下将使作用下将使塞积群前端形成微裂纹。塞积群前端形成微裂纹。o

5、1/2max(70.5 )/ 2()()ifdr 以上所述主要涉及解理裂纹的形成，并不意味着由此形成以上所述主要涉及解理裂纹的形成，并不意味着由此形成的裂纹将迅速扩展而导致金属材料完全断裂。的裂纹将迅速扩展而导致金属材料完全断裂。i滑移面上有效切应力滑移面上有效切应力甄纳认为甄纳认为nb、长为、长为r的楔形裂纹（空洞形位错），斯特罗应力形成裂纹的楔形裂纹（空洞形位错），斯特罗应力形成裂纹 ： a) 塑性变形形成微裂纹；塑性变形形成微裂纹； b) 裂纹在同一个晶粒内初期长大；裂纹在同一个晶粒内初期长大； c) 裂纹越过晶界向相邻晶粒扩展。裂纹越过晶界向相邻晶粒扩展。a)b)c)(解理裂纹解理裂纹

6、) 在在-Fe (bcc)中：中： 滑移面滑移面(110)，滑移方向，滑移方向111。 右图中两个正交滑移面（右图中两个正交滑移面（101）与）与（101）相交于解理面（）相交于解理面（001）中的）中的010轴线。轴线。 若沿（若沿（101）和（）和（101）各有柏）各有柏氏矢量为氏矢量为a/2111和和a/2111的平行的平行位错列在交叉线上相遇，即可形成位错列在交叉线上相遇，即可形成新位错新位错a001，其反应式如下：，其反应式如下：因为反应后能量有所降低，故合成的新位错是稳定的，是因为反应后能量有所降低，故合成的新位错是稳定的，是不动位错。当塞积位错较多时，其多余的半原子排象楔子不动位

7、错。当塞积位错较多时，其多余的半原子排象楔子一样插入（一样插入（001）中，使之解理开裂，形成裂纹。）中，使之解理开裂，形成裂纹。(解理裂纹解理裂纹) 上述微裂纹形成模型都上述微裂纹形成模型都材料中的材料中的的的。这些。这些粒子的粒子的。粗碳化物粒子将促进。粗碳化物粒子将促进钢发生解理断裂，而含细碳化物粒子的钢却表现出较好的韧性。基于此钢发生解理断裂，而含细碳化物粒子的钢却表现出较好的韧性。基于此Smith提出了新的解理断模型。提出了新的解理断模型。晶晶界界碳碳化化物物c铁素体铁素体p晶粒直径晶粒直径 d裂纹裂纹碳化物边界形成裂纹的碳化物边界形成裂纹的Smith模型模型 根据根据Smith理论

8、，塞积头前端造成拉应力集中，此应力将使碳化物理论，塞积头前端造成拉应力集中，此应力将使碳化物开裂，其条件（此时开裂，其条件（此时=c）：）：212)1 (E4)(dpic 碳化物中形成裂纹后，要使裂纹扩展到相碳化物中形成裂纹后，要使裂纹扩展到相邻铁素体中，还需克服铁素体的表面能，令邻铁素体中，还需克服铁素体的表面能，令p为铁素体的比表面能与为铁素体的比表面能与c之和，则上式为：之和，则上式为：212)1 (E4)(dpic 若若分量处于上两式所确定的应力分量处于上两式所确定的应力 和和 之之间，则碳化物中形成裂纹后，尚需经过裂纹扩展阶段裂纹才间，则碳化物中形成裂纹后，尚需经过裂纹扩展阶段裂纹才

9、能通过相邻铁素体，这是一种裂纹扩展所控制的断裂。类似能通过相邻铁素体，这是一种裂纹扩展所控制的断裂。类似柯垂耳模型的推导，可得到裂纹扩展所控制的断裂判据：柯垂耳模型的推导，可得到裂纹扩展所控制的断裂判据： cc2120)1(E4cpf式中式中c0为碳化物片层厚度，为碳化物片层厚度， c0， m ，即该模型认为碳，即该模型认为碳化物厚度是控制断裂的主要化物厚度是控制断裂的主要组织参数。组织参数。 由上述几种裂纹形成模型可看出：裂纹一般均在有界面存在的地方，由上述几种裂纹形成模型可看出：裂纹一般均在有界面存在的地方，如晶界、相界、孪晶界等，因这些地方易造成位错塞积。实验结果也支如晶界、相界、孪晶界

10、等，因这些地方易造成位错塞积。实验结果也支持了这种观点。观察表明，裂纹经常都在晶界、亚晶界、孪晶界，孪晶持了这种观点。观察表明，裂纹经常都在晶界、亚晶界、孪晶界，孪晶交叉处，夹杂物或第二相与集体界面等地方首先形成。交叉处，夹杂物或第二相与集体界面等地方首先形成。 这些模型的基本出发点都是在切应力作用下，先使位错这些模型的基本出发点都是在切应力作用下，先使位错运动，然后由于不同原因而造成位错运动受阻，由塞积位错运动，然后由于不同原因而造成位错运动受阻，由塞积位错的弹性应力场的拉应力而造成开裂。的弹性应力场的拉应力而造成开裂。（脆性断裂）（包括裂纹形成及扩展）（脆性断裂）（包括裂纹形成及扩展） 微

11、观特征是平坦的镜面。微观特征是平坦的镜面。（解理断裂及解理面）（解理断裂及解理面） 金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速度沿一定的晶体学平面产生的穿晶断裂，是金属原以极快速度沿一定的晶体学平面产生的穿晶断裂，是金属原子正向分离，这个一定的晶体学平面称为解理面。子正向分离，这个一定的晶体学平面称为解理面。 一般都是低指数晶面或表面能最低的晶面。一般都是低指数晶面或表面能最低的晶面。例如：例如：-Fe滑移面为滑移面为 110；解理面为；解理面为001。 通常体心立方、密排六方、低温通常体心立方、密排六方、低温fcc也可。也可。

12、 解理断裂总是脆性断裂，有时解理前也有一定塑性，解解理断裂总是脆性断裂，有时解理前也有一定塑性，解理断裂是指断裂机理，脆性断裂是断裂宏观状态。理断裂是指断裂机理，脆性断裂是断裂宏观状态。 屈服（少量变形）屈服（少量变形）生成终止于晶界的初生裂纹生成终止于晶界的初生裂纹初初生裂纹越过晶界（如何越过？）生裂纹越过晶界（如何越过？）扩展扩展断裂。断裂。 初生裂纹按初生裂纹按（Zener-Stroh ）、）、Smith）、）、（Cottrell）理论机制生成。终止于晶）理论机制生成。终止于晶界，其断裂面没有花样（即刚开始无花样，若在在自己境界，其断裂面没有花样（即刚开始无花样，若在在自己境内扩展就有了

13、花样）。内扩展就有了花样）。 初生裂纹面与其相邻初生裂纹面与其相邻的一个晶粒相交于晶界，的一个晶粒相交于晶界，外力与此处产生巨大应力外力与此处产生巨大应力集中，使相邻晶粒不同高集中，使相邻晶粒不同高度的解理面开裂，形成平度的解理面开裂，形成平台，平台之间二次解理形台，平台之间二次解理形成台阶等（也可撕裂）。成台阶等（也可撕裂）。 与螺位错相交、二次解理、撕裂棱。与螺位错相交、二次解理、撕裂棱。 为解理为解理、花样、花样、花样。花样。间距小间距小间距大，可能间距大，可能有韧窝有韧窝 小角度倾斜晶界（有刃型位错组成的小角度倾斜晶界（有刃型位错组成的非扭转亚晶界），河流能越过晶界，延续非扭转亚晶界）

14、，河流能越过晶界，延续到相邻晶粒内。到相邻晶粒内。（走向稍变，花样变化不大）（走向稍变，花样变化不大） 大角度晶界（包括扭转亚晶界），裂大角度晶界（包括扭转亚晶界），裂纹不能穿过晶界，必须重新形核，裂纹沿纹不能穿过晶界，必须重新形核，裂纹沿若干组新的平行的解理面扩展，使台阶激若干组新的平行的解理面扩展，使台阶激增，形成大量河流。增，形成大量河流。（位错多，台阶激增）（位错多，台阶激增） 是由平行解理面台阶连接而成。即同是由平行解理面台阶连接而成。即同号台阶汇合成大台阶，大台阶汇合成河流。号台阶汇合成大台阶，大台阶汇合成河流。 解理裂纹沿孪晶界扩展留下舌头状凹台或凸台。解理裂纹沿孪晶界扩展留下舌

15、头状凹台或凸台。 另外：另外：还有准解理还有准解理（是解（是解理而非解理）。特点：断理而非解理）。特点：断裂路径不再与晶粒位相有裂路径不再与晶粒位相有关，不再沿一定的晶体学关，不再沿一定的晶体学平面，主要与细小碳化物平面，主要与细小碳化物质量有关。质量有关。（撕裂棱较多，往（撕裂棱较多，往往有一定的塑性）往有一定的塑性） 解理：一定晶体内平面准解理：不一定与解理的区别解理：晶界裂纹源准解理：第二相 塑性变形使第二相碎裂或第二相与基体界面脱离形成塑性变形使第二相碎裂或第二相与基体界面脱离形成微孔、微孔之间的基体塑性变形，产生内颈缩、然后断裂。微孔、微孔之间的基体塑性变形，产生内颈缩、然后断裂。

16、微孔成核微孔成核长大长大聚合直至断裂。聚合直至断裂。 位错环在第二相周围堆积，向界面运动位错环在第二相周围堆积，向界面运动造成界面分造成界面分离离形成微孔形成微孔位错重新激活位错重新激活微孔长大微孔长大各向方向长大各向方向长大截面减小截面减小缩颈缩颈形成微裂纹形成微裂纹裂纹尖端又形成新的微裂纹尖端又形成新的微孔孔新微孔借颈缩与裂纹连通新微孔借颈缩与裂纹连通使裂纹进一步长大。使裂纹进一步长大。 韧窝形状：视应力状态不同而异，等轴、拉长和撕裂韧韧窝形状：视应力状态不同而异，等轴、拉长和撕裂韧窝。窝。 韧窝大小（直径与深度）：决定于第二相质点的大小和韧窝大小（直径与深度）：决定于第二相质点的大小和密

17、度、基体材料的塑变能力和应变硬化指数、外加应力大小密度、基体材料的塑变能力和应变硬化指数、外加应力大小和状态。和状态。呈呈“冰糖状冰糖状”。 带有晶界刻面带有晶界刻面（即小平面）的所谓（即小平面）的所谓“冰糖块冰糖块”状形貌。状形貌。 焊接热影响区，高温蠕变；焊接热影响区，高温蠕变； 氢脆、应力腐蚀、回火脆氢脆、应力腐蚀、回火脆 铸造金属、焊接接头铸造金属、焊接接头晶界弱化。晶界弱化。沿沿晶界晶界分布分布脆性相薄膜，脆性相薄膜，很软的很软的相，低熔点合金或杂质向晶界富集相，低熔点合金或杂质向晶界富集，可产生，可产生 沿晶脆断。沿晶脆断。 没有裂纹的形成与扩张 韧断韧断断前产生明显宏观塑变。断前

18、产生明显宏观塑变。 特点：断口呈暗灰色，纤维状。特点：断口呈暗灰色，纤维状。 脆断脆断断前基本上不产生塑变。断前基本上不产生塑变。 特点：特点： 低应力脆断（工作应力材料的低应力脆断（工作应力材料的s）；）； 脆断源从内部的宏观缺陷处开始；脆断源从内部的宏观缺陷处开始； 温度温度脆断倾向脆断倾向； 断口平齐光亮，与正应力断口平齐光亮，与正应力，呈人字纹，呈人字纹 或放射花样，结晶状。或放射花样，结晶状。 通常脆断也产生微量塑变，一般规定光滑拉伸通常脆断也产生微量塑变，一般规定光滑拉伸5%为脆断。材料为脆断。材料韧、脆性根据断前塑变量恒量，实验条件改变，材料韧脆行为也改变。韧、脆性根据断前塑变量

19、恒量，实验条件改变，材料韧脆行为也改变。 穿晶断裂穿晶断裂裂纹穿过境内裂纹穿过境内 沿晶断裂沿晶断裂裂纹沿晶界扩展裂纹沿晶界扩展韧断韧断：大多数室温拉断：大多数室温拉断脆断脆断：低温下拉断：低温下拉断脆断脆断：夹杂或沉淀物在晶界处聚集：夹杂或沉淀物在晶界处聚集韧断韧断：高温下沿晶界流动发生塑变：高温下沿晶界流动发生塑变裂纹裂纹晶界晶界裂纹裂纹晶界晶界 解理断解理断正应力作用下所产生的穿晶断。正应力作用下所产生的穿晶断。 断裂面是严格沿一定的晶面（即解理面，一般是低断裂面是严格沿一定的晶面（即解理面，一般是低指数晶面或表面能最低的晶面）而分离。如体心、密排六方指数晶面或表面能最低的晶面）而分离。

20、如体心、密排六方金属与合金在低温、冲击下能使解理断发生。金属与合金在低温、冲击下能使解理断发生。 通常通常解理断是脆断，但脆断不一定是解理断。解理断是脆断，但脆断不一定是解理断。前者指断裂前者指断裂机理而言，后者则指断裂的宏观性态。机理而言，后者则指断裂的宏观性态。 剪切断剪切断切应力作用下沿滑移面滑移而造成滑移面分离切应力作用下沿滑移面滑移而造成滑移面分离 微孔聚集型微孔聚集型经微孔形核、长大互相连接导致断裂经微孔形核、长大互相连接导致断裂纯金属、单晶体常发生，断纯金属、单晶体常发生，断口呈口呈。高纯金属、多晶体完全韧断高纯金属、多晶体完全韧断呈呈。如。如Pb及其合金。及其合金。滑断（纯剪切

21、断）滑断（纯剪切断）晶内微孔聚集穿晶断晶内微孔聚集穿晶断低碳钢杯锥状断口低碳钢杯锥状断口沿晶微孔聚集沿晶断沿晶微孔聚集沿晶断高温蠕变高温蠕变正断正断断口取向与最大正应力断口取向与最大正应力，正断是由拉，正断是由拉应力或正应变所引起的应力或正应变所引起的断裂。常见于断裂。常见于和和较较的场合。的场合。正断抗力正断抗力 SmaxSot材料抵抗正断破坏的能力。材料抵抗正断破坏的能力。切断切断断口取向与最大断口取向与最大方向方向，与最大，与最大正应力呈正应力呈角。切断是由于切应力或且应变所引起的角。切断是由于切应力或且应变所引起的断裂。常发生于断裂。常发生于或或的情的情况，如拉伸断口的剪切唇。况，如拉

22、伸断口的剪切唇。 切断抗力切断抗力 tmaxtk材料抵抗切断破坏的能力。材料抵抗切断破坏的能力。静载断裂（拉伸断、扭转断、剪切断），静载断裂（拉伸断、扭转断、剪切断），冲击断裂，疲劳断裂；冲击断裂，疲劳断裂；低温冷脆断裂，高温蠕变断裂，应力腐低温冷脆断裂，高温蠕变断裂，应力腐蚀和氢脆断裂；蚀和氢脆断裂；磨损和接触疲劳为不完全断裂。磨损和接触疲劳为不完全断裂。是指零件断裂后的自然表面。是指零件断裂后的自然表面。由于金属材料中裂纹总是沿着阻力最小的路径扩展，由于金属材料中裂纹总是沿着阻力最小的路径扩展，故断口一般发生在材料性能最弱或应力最大处。故断口一般发生在材料性能最弱或应力最大处。零件断裂面的

23、轮廓线和粗糙度等特征，真实记录了有零件断裂面的轮廓线和粗糙度等特征，真实记录了有关断裂过程的许多珍贵资料。关断裂过程的许多珍贵资料。根据分析手段和观察范围，一般可分根据分析手段和观察范围，一般可分宏观和微观断口两大类。宏观和微观断口两大类。可查明断裂发生的原因，为推断断裂经可查明断裂发生的原因，为推断断裂经历的过程提供依据，进而可据此确定断裂性质及断裂机理，为改历的过程提供依据，进而可据此确定断裂性质及断裂机理，为改进设计、加工工艺及合理选材等指明方向。进设计、加工工艺及合理选材等指明方向。系指用肉眼、放大镜（单镜片放大镜常见倍率在系指用肉眼、放大镜（单镜片放大镜常见倍率在10 倍倍以下，双镜

24、片放大镜常见倍率在以下，双镜片放大镜常见倍率在20倍以下。如果倍率要求高，就需倍以下。如果倍率要求高，就需要用到显微镜了。）或低倍显微镜所观察到的断口形貌。在断裂事要用到显微镜了。）或低倍显微镜所观察到的断口形貌。在断裂事故分析中总是首先进行宏观断口分析。从宏观分析中大体可判断出故分析中总是首先进行宏观断口分析。从宏观分析中大体可判断出断裂的类型（韧断、脆断或是疲劳断？），也可大体找出裂纹源位断裂的类型（韧断、脆断或是疲劳断？），也可大体找出裂纹源位置和裂纹扩展路径，并粗略地找出破坏的原因。置和裂纹扩展路径，并粗略地找出破坏的原因。（通常指）用高倍电子显微镜所观察到的断口形貌。（通常指）用高倍

25、电子显微镜所观察到的断口形貌。缩颈导致缩颈导致三向应力三向应力形成形成夹杂或第夹杂或第二相碎裂二相碎裂形成微孔形成微孔微孔长大微孔长大聚集后成聚集后成显微裂纹显微裂纹显微裂纹显微裂纹在塑变形在塑变形成带扩展成带扩展交叉连接交叉连接成锯齿状成锯齿状边缘剪切边缘剪切断，其表断，其表面平滑与面平滑与拉应力方拉应力方向呈向呈45光滑圆柱拉伸试样的韧性断口，由光滑圆柱拉伸试样的韧性断口，由、和和三个区域组成。三个区域组成。 粗糙的纤维在断口中央，呈暗灰色。粗糙的纤维在断口中央，呈暗灰色。 缩颈中心有增大的三向应力，在缺陷处形成裂纹，连接长大，由很多切断缩颈中心有增大的三向应力，在缺陷处形成裂纹，连接长大

26、，由很多切断的小杯锥组成，每个小杯锥斜面与外力成的小杯锥组成，每个小杯锥斜面与外力成45。 该区所在平面宏观上该区所在平面宏观上拉伸应力方向，实质上在切应力作用下，由塑变过拉伸应力方向，实质上在切应力作用下，由塑变过程中微裂纹不断扩展和相互连接所造成。程中微裂纹不断扩展和相互连接所造成。 放射线平行于裂纹扩展方向。放射线平行于裂纹扩展方向。 放射花样是在裂纹达到临界尺寸后，作剪切型快速、低能量撕裂的结果。放射花样是在裂纹达到临界尺寸后，作剪切型快速、低能量撕裂的结果。 宏观塑变量是很小呈脆性断裂，但微观仍有很大塑变。宏观塑变量是很小呈脆性断裂，但微观仍有很大塑变。 材料越脆，放射线越细，甚者放射线消失。材料越脆，放射线越细，甚者放射线消失。 其表面平滑，与拉伸应力方向呈其表面平滑，与拉伸应力方向呈45。 按断裂力学观点，此区裂纹是在平面应力状态下的失稳扩展。按断裂力学观点，此区裂纹是在平面应力状态下的失稳扩展。 塑变量很大，属韧性断裂区。塑变量很大，属韧性断裂区。试样形状、尺寸、材料、温度、速度、受力状态变化时，断口三区域形态试样形状、尺寸、材