材料物理-金属的断裂

Chapter4

FractureofMetals

金属的断裂

cargoship货船问题的提出：构件失效、灾难性的后果

挤压制品的周期裂纹Plasticdeformation塑性成形

surface/internalcracksinworkingmaterials→integralfailure.

加工材料出现表面/内部裂纹→整体破断

Thishappensinrolling轧制,extrusion挤压,drawing拉拔,forging锻造andsoon.

Itwilllargelyreducetherateoffinishedproductsandproductionrate成品率/生产率↓.

Weconcernaboutfracturefortworeasons.Oneiscrack’sdestructiveeffect,theotheroneisthatfractureisrelatedtomaterial’sformability.(1)破坏；(2)成形性。Inthischapter,wewillanalyzethephysicalessenceandlawsoffracture.

断裂的物理本质/规律Definitionoffracture

Whenmetallicmaterialdeformationforereachitsplasticlimit,itwilldividecompletely.Thentheinteratomicforceisdamaged.

断裂－金属材料在变形超过其塑性极限—完全分开.原子间结合力遭受破坏。

relatedsubjects断裂力学

fracturemechanics-macroscopicStressfield应力场Strainfield应变场Fracturecriterion断裂判据断裂物理

fracturephysics-microscopic

Fracturemechanism断裂机制Microstructure组织

4.1Basictypesoffracture

断裂的基本类型Accordingtowhetherthemetalhasobviousplasticdeformationbeforefracture,itcanbesortedasfollowing:

根据断裂前金属是否有明显的塑性变形可分为brittlefracture脆性断裂ψ<5%ductilefracture韧性断裂

ψ>5%Accordingtotheorientationrelationshipbetweenfractureandactingforce按断裂面相对作用力的取向关系可分为normalfailure正断againsttoσ1shearingfailure剪断alongthedirectionofmaximumshear宏观断裂微观断裂正断与剪断的宏观与微观形式

Accordingtocracktrendinmicroscopicview

从微观上按照裂纹的走向可分为

transgranularfracture穿晶断裂/晶间~

intergranularfracture沿晶~grain晶粒

穿晶断裂沿晶断裂从晶体学特征上分：切变断裂、解理断裂从断口形貌上分：纤维状断口、结晶状断裂疲劳断裂、应力腐蚀断口裂纹穿过晶粒内部crackcrosstheinteriorofgrain穿晶脆性断裂

lowspeed,hightemperatureandstressconcentration.alongsomecrystalplane---cleavageplane解理面穿晶韧性断裂

micropore

coalescence微孔聚合

4.1.1解理断裂当应力达到某一临界值沿一特定结晶学方向发生的突然断裂宏观特征：断口平滑光亮、一般在体心、六方中易于出现。温度越低、应变速度越大易于出现。电镜下形貌为河流状花样准解理介于解理与韧性材料之间例：低碳钢发生解理断裂时，常沿铁素体『100』晶面发生。密排六方『0001』解理面：原子间距最大、原子结合键最弱的晶面。

4.1.2韧性断裂ductilefracture材料经明显的变形后发生的断裂称为韧性断裂。拉伸时以“颈缩”

necking为先导,当应变硬化strainhardening产生的强度增加不足以补偿截面积的减少时,产生集中变形,出现“细颈”。

细颈中心承受三向拉应力,显微空洞cavity首先在此形成,随后长大聚合成裂纹,最终在细颈边缘处,沿与拉伸轴45。方向被剪断,形成“杯锥”断口cupandconefracture

surface,

微观形态:韧窝dimple

原因：多起源于空洞cavity。单相金属singlephase←熔炼时混入夹杂物inclusion多相合金multi-phase←难变形第二相粒子second-phaseparticle。Charactersofductilefracture韧性断裂特点:

(1)断裂前发生较大塑性变形→高能量吸收过程.(2)裂纹产生nucleation→扩展propagation.→聚合coalescence.

生成新裂纹→多裂纹源

(3)裂纹扩展临界应力>裂纹形核应力→缓慢过程4.2脆性断裂

brittle fracture

材料塑性变形能力很低，裂纹尖端的应力集中不能因塑性变形而松弛。4.2.1理论断裂强度

theoreticalfracturestrength

完整晶体在正应力作用下沿某一晶面拉断的强度。

Underthepullingforce,theforcewhichcanhelptwoadjacentatomicplanesovercomeinteratomicbondingforce,andseparatethetwoatomicplanes.

两相邻原子面在拉力σ作用下，克服原子间键合力作用，使原子面分开的应力。完整晶体拉断示意图mn为断裂面的迹线；a表示原子面间距

原子间作用模型：原子间作用力与位移间的关系满足正弦规律

---将原子拉开所需的最大应力，即断裂理论强度。

原子间作用模型：原子间作用力与位移间的关系满足正弦规律

(1-1)---将原子拉开所需的最大应力，即断裂理论强度

(1-2)断裂后出现两个新的断裂面，表面能为2 晶体中的内聚力与原子间距的关系外力抵抗原子间结合力做的功=产生断裂新面的表面能

(1-3)

将替换由虎克定律

将(1-1)对x求导(1-4)

在正弦曲线初期

E(Young’smodulus)γa

10″dyn/cm2103erg/cm2 3×10-8c

实际金属强度铝合金～200－300MPa

低碳钢～400-500MPa 合金钢～1000MPa4.2.2Griffith裂纹理论

出发点: 材料中已存在裂纹crack

在裂纹尖端引起应力集中，在外加应力小于理论断裂强度时裂纹扩展，实际断裂强度大大降低。能量平衡裂纹 →

弹性能↓表面能↑

elasticenergysurfaceenergy

释放的弹性能 弹性能密度裂纹体积 基点: 材料中已存在裂纹crack

在一块大的平板上的穿透裂纹形成新表面的功U2能量变化U1+U2释放的弹性能U12Ck能量t裂纹生长时能量变化示意图

增加的表面能

—Griffith公式在正应力作用下只有弹性能的减少>表面能的增加→裂纹扩展

Griffith公式物理意义： 裂纹两端引起的应力集中，相当将外力放大了倍，使局部达到了理论断裂强度.比较理论断裂强度公式

修正modification:伴随一定的塑性变形,裂纹的形核和传播与局部塑性变密切相关.Orowan

考虑塑性变形能

P-断口表面附近的塑性应变能plasticstrainenergy

4.2.3.Cracknucleation裂纹形核

Therearegenerallynolargecracksinoriginalmaterials.Manyexperimentsshowthatcracksaregeneratedbyplasticdeformation.Anyheterogeneityinamaterialthatproducesastressconcentrationcannucleatecracks.Forexample,steps,striations,holes,andsoonactasstressraisersonapparentlyperfectsurface.Intheinteriorofthematerial,therecanexistvoids,airbubbles,second-phaseparticles,etc.Cracksnucleationwilloccuratthesedefects，wheretheconditionswouldbemostfavorable.

heterogeneity不均匀性striation条纹stressconcentration应力集中nucleation形核裂纹的形核

Mobiledislocationsmeetsomeobstacles,thenappearstressconcentration.Whenthestressbecomesgreaterthaninteratomicbondingforce,cracksnucleate,propagate,finallyleadtofracture.

运动的位错遇到了某种障碍,就产生了应力集中,应力大到可以破坏原子间的键合力时，裂纹开始形核，裂纹长大导致断裂。Nucleationmechanisms形核机制1).位错塞积dislocationpile-up

晶界:相界τ’=nτ

位错塞积引起裂口胚芽示意图2)位错反应 dislocationreaction

在两相交的滑移面上,由于位错反应发生了同号位错的聚合便产生了微裂纹。在体心立方b.c.c的(101)面上发生如下位错反应:

＋（111）＝a[001]

生成的新位错为不滑动刃型位错，其柏氏矢量⊥（001）解理面，形成了解理裂纹。(101)(101)(001)(1)(2)位错反应形成裂纹示意图(1)两个滑移带上位错的聚合；(2)形成裂口3)位错墙側移理论刃形位错垂直排列→位错墙→滑移面弯折→外力作用→晶体滑移→位错墙側移→滑移面上生成裂纹.

可说明密排六方hcp金属沿滑移面断裂的原因。位错墙侧移使裂口成核4)位错销毁理论

异号刃型位错→相对运动→彼此合并而消毁→孔隙→裂纹 4.2.4裂纹传播以塞积位错造成裂纹形核为例：能量关系：需要能量；新的表面能、塞积能提供能量：外力做功、弹性能释放临界应力：σc=2γ/nb设形成裂纹时的应力就是屈服应力滑移带的长度等于晶粒直径d

σc=2μγd-1/2/kDiscussion(a)(b)(c)FracturesurfaceUltimate

and

Fracture

StrengthsQ:比较脆性断裂＆韧性断裂时的抗拉强度＆断裂强度Forbrittlematerial,theultimateandfracturestrengthscoincide.Foraductilematerial,theultimatestrengthishigherthanthefracturestrength(ascomputedwithconventionalstressandstrainformulas).truestress拉拔细玻璃丝（0.5mm）

1600～6300MPa

在空气中静置几小时140～350MPa空气腐蚀→表面形成裂纹Corrosioninair→surfacecracks“尺寸效应”

sizee