金属的断裂学习

金属的断裂学习第1页/共64页货船cargoship问题的提出：构件失效、灾难性的后果第2页/共64页

挤压制品的周期裂纹塑性成形plasticdeformation加工材料出现表面/内部裂纹→整体破断surface/internalcracksinworkingmaterials→integralfailure.轧制rolling/挤压extrusion/拉拔drawing/锻造forging

成品率/生产率↓.rateoffinishedproductsandproductionrate第3页/共64页Weconcernaboutfracturefortworeasons.Oneisdestructiveeffectsofcracks,theotheroneisrelatedtoformabilityofmaterials.(1)破坏；(2)成形性。Inthischapter,wewillanalyzethephysicalessenceandlawsoffracture.

断裂的物理本质/规律第4页/共64页二十世纪初，材料的脆性断裂问题已经引起人们的注意。Griffith提出了著名的断裂理论，为断裂的研究奠定了基础。Griffith所使用的能量分析方法在后来得到了进一步的发展和应用。上世纪五十年代末，对均匀拉伸时无限宽板中裂纹附近的应力、应变和位移的分布进行了数学力学解析，获得了精确解，为断裂力学奠定了基础。扫描电镜在断口分析中的应用以及位错概念的引入，使得人们对断裂机理有了更为深入的认识。第5页/共64页Definitionoffracture

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。

Whenmetallicmaterialdeformationforereachitsplasticlimit,itwillseparatecompletely.Thentheinteratomicbondingisdamaged.

第6页/共64页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Microstructureevolution组织演变第7页/共64页

6.1断裂的基本类型

Basictypesoffracture

根据断裂前金属是否有明显的塑性变形可分为Accordingtowhetherthemetalhasobviousplasticdeformationbeforefracture,itcanbesortedasfollowing:

brittlefracture脆性断裂ψ<5%ductilefracture韧性断裂

ψ>5%第8页/共64页Brittle脆性BondruptureDiamond,silicates,alumina,mica,boron,carbidesandnitridesSemibrittle

韧/脆性Bondrupture,dislocationmobilityNaCl,ioniccrystals,hexagonalclosepackedmetals,majorityofbody-centeredcubicmetals,glassypolymersDuctile

materials

韧性

Dislocationmobility

Face-centeredcubicmetals,somebodycenteredcubicmetals第9页/共64页按断裂面相对作用力的取向关系可分为Accordingtotheorientationrelationshipbetweenfractureandactingforce正断normalfailureagainsttoσ1

剪断shearingfailurealongthedirectionofmaximumshear宏观断裂微观断裂正断与剪断的宏观与微观形式第10页/共64页从微观上按照裂纹的走向可分为

Accordingtocrackpathinmicroscopicview

transgranularfracture穿晶断裂/晶间~

intergranularfracture沿晶~grain晶粒

穿晶断裂沿晶断裂第11页/共64页多晶材料沿晶界发生的断裂

Fracturealonggrain-boundaryinpolycrystalmaterial

-沿晶韧性断裂－晶界弱化,出现韧窝dimple -沿晶脆性断裂intergranularprecipitatedbrittlecontinuousfilm－沿晶析出脆性连续膜第12页/共64页裂纹穿过晶粒内部crackcrosstheinteriorofgrain穿晶脆性断裂highspeed,lowtemperatureandstressconcentration.alongsomecrystalplane---cleavageplane解理面穿晶韧性断裂microporecoalescence微孔聚合

第13页/共64页6.2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。第14页/共64页6.2.1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。

Underthetensileforce,twoadjacentatomicplanesovercomeinteratomicbondingforce,andseparateintotwoatomicplanes.

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。第15页/共64页完整晶体拉断示意图mn为断裂面的迹线；a表示原子面间距第16页/共64页

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。

晶体中的内聚力与原子间距的关系第17页/共64页

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 第18页/共64页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)

在正弦曲线初期第19页/共64页

E(Young’smodulus)γa

1011dyn/cm2103erg/cm2 3×10-8cm

实际金属强度铝合金～200－300MPa

低碳钢～400-500MPa 合金钢～1000MPa第20页/共64页6.2.2Griffith裂纹理论

基点: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即可扩展，实际断裂强度大大降低。

第21页/共64页基点: 材料中已存在裂纹crack

在一块大的平板上的穿透裂纹第22页/共64页形成新表面的功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第23页/共64页能量平衡：裂纹的形成 →弹性能↓表面能↑

elasticenergy/surfaceenergy

释放的弹性能 弹性能密度×裂纹体积第24页/共64页在正应力作用下,只有弹性能的减少>表面能的增加→裂纹扩展

增加的表面能 第25页/共64页裂纹的临界尺寸

—Griffith公式第26页/共64页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

第27页/共64页修正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plasticstrainenergyP>>γ第28页/共64页知识扩展Griffith裂纹理论-Orowan修正金属材料的强度设计：以屈服强度为基础安全系数-许用应力脆断事故在屈服应力以下发生：只考虑屈服强度不能保证使用的安全→塑性/韧性延伸率/断面减缩率/冲击韧性

/缺口敏感性第29页/共64页冲击韧性指标的局限性：不能反映尺寸因素和缺口尖锐程度对材料韧性的影响；数值不像强度可直接用于具体设计；在某些情况下不能保证使用的安全。

失效与材料表面/内部缺陷相关：划痕/擦伤/夹杂物/气孔/焊接缺陷第30页/共64页断裂力学：建立于连续介质力学基础上，认为材料中有一定尺寸的类似于裂纹的缺陷存在。断裂韧性KⅠc/裂纹扩展的能量释放率G/

韧性较高：J积分第31页/共64页6.3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”为先导,当应变硬化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”。

neckingstrainhardening第32页/共64页细颈中心承受三向拉应力,显微空洞首先在此形成,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。

cavity/cupandconefracture

surface第33页/共64页微观形态:韧窝dimple

原因：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。第34页/共64页第二相粒子secondphaseparticlesCarbideNitrideOxideSulfideprecipitate

Inclusions

碳化物氮化物氧化物硫化物杂质

沉淀第35页/共64页韧性断裂的微观形貌应力状态stressstate→微观形貌microscopicmorphology(a)σ2=σ3

：等轴韧窝

equiaxialdimple(b)剪应力τ：抛物线形韧窝反向拉长parabolicdimple,inverseelongated(c)撕裂应力：抛物线状同向tearstress,parabolic 第36页/共64页韧性断裂特点:

Characteristicsofductilefracture

(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→缓慢过程第37页/共64页裂纹尖端的应力集中可通过塑性变形松弛-减缓/终止裂纹的扩展.塑性变形:裂纹的扩展/疗复-相反过程-是否发生断裂取决于两者的速度.疗复:回复/再结晶/固态相变/强静水压力第38页/共64页6.4裂纹的形核原始材料－无大裂纹裂纹由塑性变形产生塑性变形－应力集中－裂纹第39页/共64页Mobiledislocationsmeetsomeobstacles,thenstressconcentrationocurrs.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。第40页/共64页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第41页/共64页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:

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。第42页/共64页(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)形成裂口第43页/共64页解理断裂cleavage穿晶脆性断裂：在一定条件下（低温高速及应力集中），当应力达到一定值，快速沿一定的结晶面（解理面）而发生的断裂。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。第44页/共64页解理断裂趋势－韧性/脆性断裂？Thetendencyforacleavagefractureincreaseswithanincreaseinthestrainrateoradecreaseinthetesttemperatureofamaterial.

cleavagefracture解理断裂应变速率变形温度解理断裂

第45页/共64页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第46页/共64页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 第47页/共64页6.5影响断裂类型的因素

塑性脆性在一定条件下发生转变.

例:钨室温/脆性高温/塑性拉伸/脆性 静水压/塑性

影响转变的因素：变形温度deformationtemperature，变形速度deformationvelocity，应力状态stressstate，组织结构microstructure等.第48页/共64页

从韧性断裂到脆性断裂的转变温度称为脆性转变温度Tc

※韧-脆转变温度

Ductile-brittletransitiontemperature(DBTT)第49页/共64页韧脆转变温度第50页/共64页解释:

T对断裂应力σf/屈服强度σs影响不同T↓对σf影响不大,对σs影响显著T>Tc.σf>σsductileT<Tc.σf<σsbrittle

第51页/共64页

应变速率的影响

Effectofstainrate

έ↑,σs↑,σf

影响不大，因此存在一个临界变形速度έc

高于此值便产生脆性断裂。变形速度的提高相当于变形温度降低的效果。

第52页/共64页晶粒尺寸的影响Theductile-brittletransitiontemperatureofmaterialsissignificantlyaffectedbygrainsize.晶粒尺寸显著影响韧-脆转变温度

Thereductioningrainsizecausesareductionintheductile-to-brittletransitiontemperature.晶粒尺寸越小，Tc越低。

第53页/共64页⑵influencefactor影响因素应力状态stressstate

拉应力tensilestress↑Tc↑ 应变速率strainrate έ↑Tc↑化学成分/组织chemicalcomposition d↓Tc↓晶粒细化grainrefining

第54页/共64页Discussion(a)(b)(c)Fracturesurface第55页/共64页Ultimate

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,theultimatestrengthishigherthanthefracture