第一章材料在静载下的力学行为(金属的断裂)

1、1.4 金属材料的断裂(dun li)过量弹性(tnxng)变形、过量塑性变形、磨损和断裂是机件的主要失效形式，其中以断裂的危害最大。在应力作用下(有时还兼有温度及介质的共同作用)，金属材料被分成两个或几个部分，称为完全断裂(简称断裂)；内部存在裂纹，则为不完全断裂。共四十七页本节研究金属材料断裂的宏观特征、微观特征、断裂机理(裂纹是如何形成(xngchng)与扩展的)、断裂的力学条件及影响金属断裂的内外因素。这些知识对于设计人员和材料工作者进行机件安全设计与选材，分析机件断裂失效事故都是十分必要的。 共四十七页一、断裂(dun li)的类型大多数金属材料的断裂过程都包括裂纹形成与扩展两个阶段

2、。对于不同的断裂类型，这两个阶段的机理与特征并不相同。可以依据不同的断裂机理和特征对断裂进行分类。 1、韧性(rn xn)断裂与脆性断裂 2、穿晶断裂与沿晶断裂 3、纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂共四十七页(一)韧性(rn xn)断裂与脆性断裂韧性断裂 韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗(xioho)能量。韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45角。用肉眼或放大镜观察时，断口呈纤维状，灰暗色。纤维状是微裂纹扩展时造成的灰暗色则是纤维断口表面对光散射所致。共四十七页断口(dunku)特征三要素中、低强度钢

3、的光滑圆柱试样在室温下的静拉伸断裂是典型的韧性断裂，其宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射(fngsh)区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。共四十七页纤维区的形成(xngchng)过程当光滑圆柱拉伸试样局部区域产生缩颈时，缩颈处的应力状态由单向变为三向，且中心(zhngxn)轴向应力最大，致使试样中心部分的夹杂物或第二相质点本身碎裂，或使夹杂物质点与基体界面脱离而形成微孔。微孔不断长大和聚合就形成显微裂纹。早期形成的显微裂纹，其端部产生较大塑性变形，且集中于极窄的高变形带内。这些剪切变形带大致与径向呈5060角。新的微孔就在变形带内成核、长大和聚合，当其与裂纹连接时，裂纹便向前扩展了一

4、段距离。这样的过程重复进行就形成锯齿形的纤维区。纤维区所在平面(即裂纹扩展的宏观平面)垂直于拉伸应力方向。 共四十七页放射(fngsh)区的形成过程纤维区中裂纹扩展是很慢的，当其达到临界尺寸后就快速扩展而形成放射区。放射区有放射线花样特征。放射线平行于裂纹扩展方向而垂直于裂纹前端(每一瞬间)的轮廓线，并逆指向裂纹源。撕裂时塑性变形量越大，则放射线越粗。对于几乎不产生塑性变形的极脆材料，放射线消失。温度降低或材料强度(qingd)增加，由于塑性降低，放射线由粗变细乃至消失。 共四十七页剪切唇的形成(xngchng)过程裂纹扩展接近试样(sh yn)边缘时，应力状态改变了（平面应力状态），最后沿着

5、与拉力轴向成40-50纯剪切断裂。表面粗糙发深灰色。共四十七页三区之间关系(gun x)及影响因素放射区比例大，则材料的塑性低。反之塑性好的材料，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。如果材料的硬度和强度很高，又处于低温环境，圆形试样的拉伸断口上只有放射状条纹，这些条纹汇聚(hu j)于一个中心，这个中心区域就是裂纹源。放射区表面越光滑，放射条纹越细，材料强度愈高。条纹甚至会消失。试样尺寸加大，放射区比例增大明显，而纤维区比例变化不大。 共四十七页脆性断裂脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有(mi yu)明显征兆，因而危害性很大。脆性断裂的断裂面一

6、般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。 共四十七页区分(qfn)韧性断裂和脆性断裂通常，脆性断裂前也产生微量塑性变形。一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5(只有微量的均匀塑性变形)者为脆性断裂。；断面收缩率大于5者为韧性断裂。金属材料的韧性与脆性是根据一定(ydng)条件下的塑性变形量来规定的。条件改变，材料的韧性与脆性行为也将随之变化。 共四十七页板状矩形拉伸试样脆性断口(dunku)中的放射线呈人字纹花样。人字纹花样的放射方向也与裂纹扩展方向平行，但其尖顶指向裂纹源。共四十七页实际宏观(hnggun)断口形貌共四十七页穿晶断裂(dun li)与沿晶断裂(dun li)按裂纹

7、扩展路径分类：穿晶断裂 和沿晶断裂穿晶断裂的裂纹在晶内扩展；沿晶断裂的裂纹沿晶界扩展。穿晶断裂可以是韧性断裂 ，也可以是脆性断裂；沿晶断裂则大多数是脆性断裂。沿晶断裂是由晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。应力腐蚀(fsh)、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等都是沿晶断裂。 共四十七页沿晶断裂的断口(dunku)形貌呈冰糖状，有时也称“萘状断口(dunku)”，上左图为18CrNiWA钢的冰糖状断口(dunku)。如晶粒很细小，则肉眼无法辨认出冰糖状形貌，此时断口一般呈晶粒状，颜色较纤维状断口明亮，但比纯脆性断口要灰暗些。

8、穿晶断裂和沿晶断裂有时可以混合发生。 共四十七页剪切断裂(dun li)与解理断裂(dun li)(1)剪切断裂是金属材料在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，其中又分滑断(纯剪切断裂)和微孔聚集型断裂。纯金属尤其是单晶体金属常产生(chnshng)纯剪切断裂 单晶体金属滑断断口呈锋利的楔形 ；多晶体纯金属滑断断口呈刀尖形。共四十七页微孔聚集型断裂是通过微孔形核、长大聚合而导致材料分离的。由于实际(shj)材料中常同时形成许多微孔，通过微孔长大互相连接形成裂纹，裂纹在切应力作用下扩展而最终导致断裂。常用金属材料一般均产生这类性质的断裂，如低碳钢室温下的拉伸断裂。共四十七页(2)解理

9、(ji l)断裂解理断裂是金属材料在一定条件下(如低温)，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生(chnshng)的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。一般在体心立方、密排六方金属中发生，而面心立方金属只在特殊情况下才发生。解理面一般是低指数晶面或裸露后表面能最低的晶面。解理断裂总是脆性断裂，但有时在解理断裂前也显示一定的塑性变形，所以解理断裂与脆性断裂不是同义词，解理断裂指断裂机理而言，脆性断裂则指断裂的宏观性态。 共四十七页正断与切断(qi dun)按断裂面的取向分类若断裂面取向垂直于最大正应力，即为正断型断裂；断裂面取向与最大切应力方向一致而与最

10、大正应力方向约成45者，即为切断型断裂。如拉伸(l shn)断口上的剪切唇。 共四十七页纯正断：（a）(b)断口齐平，垂直于最大拉应力方向，有很少量的均匀变形，铸铁，淬火+低温回火高碳钢。 纯切断：（e）塑性很好，试样断面可减细到近于一尖刀，然后沿最大切应力方向断开。如纯Au,Al。断前产生大量的均匀与非均匀塑性变形。属完全韧性断裂。 混合断口：(c) (d) 都出现颈缩，只是程度不同，试样中心先开裂，然后向外延伸，接近表面时，沿最大切应力方向的斜面断开，断口形状(xngzhun)如杯口状，包含三个区域。属韧性断裂，但断口包含韧性断裂和脆性断裂的特征。正断不一定就是(jish)脆断，也会有明显

11、的（大于5 ）塑性变形。切断是韧断，但韧断不一定是切断。共四十七页共四十七页二、解理断裂(dun li)机理由于解理断裂是典型的脆性断裂，而韧性断裂多数是微孔聚集型断裂，所以下面主要介绍这两类断裂的机理和断裂的力学(l xu)条件。(一)解理裂纹的形成和扩展观察解理断口发现，断口附近仍然有少量塑性变形。事实上，绝对脆性断裂是不存在的。裂纹最初的形成必然与塑性变形有关，而金属材料的塑性变形是位错运动的反映，因此裂纹形成可能与位错运动有关，这就是裂纹形成的位错理论考虑问题的出发点。 1甄纳斯特罗位错塞积理论 2柯垂耳位错反应理论 共四十七页1甄纳斯特罗位错塞积理论(lln)在滑移面上的切应力作用下

12、，刃型位错在晶界前受阻并互相靠近形成位错塞积,如果塞积头处的应力集中(jzhng)不能为塑性变形所松弛，当切应力达到某一临界值时,塞积头处的最大拉应力能够等于材料理论断裂强度而形成高nb、长为r的楔形裂纹。共四十七页解理裂纹的形成，并不意味着裂纹将迅速扩展而导致金属材料完全断裂。柯垂耳用能量(nngling)分析法推导出解理裂纹扩展的临界条件为 即为了产生解理断裂(dun li)，裂纹扩展时外加正应力所作的功必须等于产生裂纹新表面的表面能。 共四十七页 即表示直径为d的晶粒中解理裂纹扩展所需之应力，或裂纹体的实际断裂强度。也就是产生解理断裂的判据(pn j)，可见，晶粒直径d减小， 提高 共四

13、十七页晶粒大小对断裂(dun li)应力的影响细化晶粒，断裂应力提高，材料的脆性减小。由图可见，晶粒尺寸小于某一临界值时，屈服应力低于断裂应力，屈服先于断裂产生(chnshng)；但晶粒尺寸大于该临界值时，屈服应力延长线与断裂应力线重合，断裂是脆性的。对于有第二相质点的合金，d实际上代表质点间距，d越小，则材料的断裂应力越高。 共四十七页2柯垂耳位错反应(fnyng)理论 两相交滑移面上的位错在相交处发生位错反应生成不动位错，结果两滑移面上的位错群就在该不动位错附近(fjn)产生塞积。当塞积位错较多时，其多余半原子面如同楔子一样插入解理面中间形成宽度为nb的裂纹。位错反应形成的解理裂纹的扩展力

14、学条件与位错塞积形成的裂纹扩展力学条件相同。 共四十七页 上述两种解理裂纹形成模型的共同之处在于：裂纹形核前均需有塑性变形；位错运动受阻，在一定条件下便会形成裂纹。实验证实，裂纹往往在晶界、亚晶界、孪晶交叉处出现，如bcc金属在低温和高应变速率下，常因孪晶与晶界或和其他孪晶相交(xingjio)导致较大位错塞积而形成解理裂纹。这与上述理论是相符的。 共四十七页解理(ji l)断口微观形貌从理论上来说，多晶体的解理断口应该是由很多取向略有差别的光滑完整小平面组成，每一个小平面代表一个晶粒。实际上，这些小平面并不是一个单一的完整解理面，而是由一组平行的解理面所组成。两个平行解理面之间相差一定高度，

15、交接处形成台阶(tiji)。台阶汇合会形成一种类似河流的花样。“河流花样”是解理断裂最重要的特征，凡看到河流花样就表明在这里发生了解理断裂。共四十七页河流花样的走向可以(ky)判断裂纹源的位置和裂纹扩展方向，河流的上游(即支流发源处)是裂纹发源处，而河流的下游是裂纹扩展的方向。由于解理断裂是沿一组平行解理面解理的结果，而形成了台阶与河流，这样就把本来没有任何特征的解理断裂赋予了断口学特征，使它们成为判断是否为解理断裂的重要标志。共四十七页 解理断裂(dun li)的另一微观特征是存在舌状花样，因其在电子显微镜下的形貌类似于人舌而得名。它是由于解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌头状凹坑或凸台，故在匹配

16、断口上“舌头”为黑白对应的。 共四十七页准解理(ji l)断口在许多淬火回火钢中，其回火产物中有弥散细小的碳化物质点，它们影响裂纹的形成与扩展。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。断裂路径将与细小碳化物质点有关。其微观(wigun)形态特征，似解理河流但又非真正解理，故称准解理。共四十七页准解理(ji l)与解理(ji l)的共同点是：都是穿晶断裂；有小解理(ji l)刻面；有台阶或撕裂棱及河流花样。不同点是，准解理小刻面不是晶体学解理面。真正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。准解理不是一种独立的断裂机理，而是解理断裂的变

17、种。共四十七页三、微孔(wi kn)聚集断裂机理 微孔是通过第二相(或夹杂物)质点本身(bnshn)破裂，或第二相(或夹杂物)与基体界面脱离而形成的，它们是在金属材料塑性变形进行到一定程度时产生的。在第二相质点处微孔形成的原因是：位错引起的应力集中，或在高应变条件下因第二相与基体塑性变形不协调而产生分离。 在各个微孔长大同时，几个相邻微孔之间的基体横截面积不断减小。因此，基体被微孔分割成无数个小单元，每一小单元可看成为一个小拉伸试样。它们在外力作用下，可能借塑性流变方式产生缩颈(内缩颈)而断裂，使微孔连接(聚合)形成微裂纹。共四十七页随后，因在裂纹尖端附近存在三向拉应力区和集中塑性变形区，在该

18、区又形成(xngchng)新的微孔。新的微孔借内缩颈与裂纹连通，使裂纹向前推进一定长度，如此不断进行下去直至最终断裂。微孔聚集韧性断裂裂纹形成所需之拉应力与第二相质点尺寸的平方根呈反比关系。试验证明，对于某些高强度淬火回火钢和球化的碳钢，在碳化物形状一定时，其抗拉强度与碳化物大小之间也有类似关系。 共四十七页微孔聚集断裂的微观(wigun)断口特征 微孔形成、长大和聚合在断口(dunku)上留下的痕迹，就是在电子显微镜下观察到的大小不等的圆形或椭圆形韧窝。韧窝是微孔聚集断裂的基本特征。 共四十七页韧窝类型(lixng)由于实际应力(yngl)状态或加载方式的不同，韧窝可有三种类型 1、拉伸型的

19、等轴状韧窝 2、剪切型的伸长韧窝 3、拉伸撕裂的伸长韧窝撕裂韧窝共四十七页1、拉伸(l shn)型的等轴状韧窝裂纹(li wn)扩展方向垂直于最大主应力max，max均匀分布于断裂平面上拉伸时呈颈缩的试样中心部分就显示这种韧窝状。 共四十七页2、剪切型的伸长(shn chn)韧窝在拉伸试样的边缘，由剪应力切断(qi dun)。韧窝很大如卵形，其上下断面所显示的韧窝方向是相反的。 共四十七页3、拉伸(l shn)撕裂的伸长韧窝表面有缺口的试样或者裂纹试样，其断口(dunku)常显示这种类型。这种类型的韧窝，韧窝小而浅，裂纹扩展快，故在宏观上常为脆断，所以不要把微孔聚合型的微观机制都归之为韧断。

20、共四十七页共四十七页影响(yngxing)韧窝的因素韧窝的形状取决于应力状态，而韧窝的大小和深浅取决于第二相的大小、数量、分布、基体的塑性变形能力、形变硬化能力以及外加应力的大小和状态。第二相质点密度增大或其间距(jin j)减小，则微孔尺寸减小。应变硬化指数值越大的材料，越难于发生内缩颈，故韧窝尺寸变小。应力大小和状态的改变，实际上是通过影响材料塑性变形能力而间接影响韧窝深度的。在高的三向压力之中，内缩颈易于产生，故韧窝深度增加；相反，在多向拉伸应力下或在缺口根部，韧窝则较浅。 共四十七页必须指出，微孔聚集断裂一定有韧窝存在，但在微观形态上出现韧窝，其宏观上不一定就是韧性断裂。因为如前所述，

21、宏观上为脆性断裂，在局部区域内也可能有塑性变形，从而显示出韧窝形态。 用SEM观察，韧窝中大多包含着一个(y )夹杂物或第二相，这证明微孔多萌生于夹杂物或第二相与基体的界面上。单相或纯金属在晶界或孪晶带处形成微孔。 共四十七页实际构件断口的宏观(hnggun)特征 上面主要介绍了在静载荷作用下的几种典型宏观断口，但实际机件受力状态复杂，断裂原因也多种多样，因此宏观断口形貌也比较复杂。譬如在交变应力作用下，会产生疲劳断裂，宏观断口上常围绕疲劳源区形成一些同心圆，称为“贝纹线”，它是疲劳断口的主要宏观特征；由于(yuy)氢分子聚合而造成的氢脆，在宏观断口上出现雪片状的“白点”。在观察宏观断口时，必须首先寻找这些特征，以确定断裂性质。共四十七页实际(shj)构件断口的宏观特征观察实际构件的宏观断口，主要从以下几方面入手：1观察断口是否存在放射花样或人字纹。它表征裂纹在该区作不稳定地、快速地扩展，沿着人字纹尖顶，可找到裂纹源位置，同时根据放射区与纤维区的相对比例，可大致估计(gj)断裂性质，放射区或人字纹区所占比例愈大，则脆性断裂的可能愈大。2观察断口是否