材料力学第一章(三) 材料的断裂

1第一章、材料在单向静拉伸载荷下的力学性能

——材料的断裂主讲人：刘桂武江苏大学材料学院

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gwliu76@电话料力学性能21、材料的断裂理论2、材料的断裂类型第一章（三）知识要点3一、基本概念（1）断裂（fracture）：物体在外力作用下产生裂纹以至断开的现象。（2）韧性断裂（

ductilefracture，延性断裂）：是材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂。如断口呈纤维状、灰暗色，断裂面平行于最大切应力，并与主应力成45o角。（3）脆性断裂（brittle

fracture）:突然发生的断裂，未发生较明显的塑性变形。断口平齐而光亮，断裂面与正应力垂直。4一、基本概念（4）穿晶断裂（transgranular

fracture）：裂纹穿过晶内。（5）沿晶断裂（intergranularfracture）：裂纹沿晶界扩展。（6）剪切断裂（剪断，shearfracture）：在切应力作用下沿滑移面（实际）分离而造成的滑移面分离断裂（滑断/纯剪切断裂（单晶）、微孔聚集型断裂（有孔材料））（7）解理断裂（cleavagefracture）：在一定条件下（如低温），当外加应力达到一定数值后，以极快速率（一般为脆性断裂）沿着一定晶体学平面（理论上）产生的穿晶断裂（与大理石断裂类似）。解理面一般是低指数晶面或表面能最低的界面。5一、基本概念（8）正断型断裂

（normal

fault）：断裂面取向垂直于最大正压力σmax方向。（9）切断型断裂（shear

fault

）：断裂面取向平行于最大切压力τmax方向，与最大正压力方向约成45oC。（10）理论断裂强度（

Theoreticalfracturestrength）：在外加正应力作用下，将晶体的两个原子面沿着垂直于外力方向拉断所需的应力6二、知识点7断裂类型及其特征类型概念/典型特征宏观形态韧性断裂（1）材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂。（2）韧性断裂断口呈纤维状、灰暗色。（3）断裂面平行于最大切应力，并与主应力成45o角。如中、低强度钢室温拉伸断裂，为典型的韧性断裂，其宏观断口成杯锥形（有颈缩现象），由纤维区、放射区和剪切唇三个区域。（4）韧性断裂的微观特征－韧窝脆性断裂（1）突然发生的断裂，未发生较明显的塑性变形。（2）脆性断裂断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。（3）断裂面与正应力垂直。（4）板状矩形拉伸试样断口:人字纹花样断裂机理穿晶断裂（1）裂纹穿过晶粒内部。（2）宏观上，穿晶断裂可以是韧性断裂（如韧脆转变温度以上的穿晶断裂），也可以是脆性断裂（如低温下穿晶解理断裂）。沿晶断裂（1）裂纹沿晶界扩展。（2）沿晶断裂则大多数是脆性断裂。（3）断口呈冰糖状，如细晶材料则呈晶粒状，颜色比纤维状断口明亮，比纯脆性断口灰暗。8断裂机理剪切断裂（1）在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂。（2）（纯金属、单晶）滑断/纯剪切断裂，断口呈楔形或刀尖型。（3）微孔聚集型断裂（含微孔材料），多为韧性断裂，如低碳钢的拉伸断裂（缩颈现象）。解理断裂（1）在一定条件下（如低温），当外加应力达到一定数值后，以极快速率沿着一定晶体学平面产生的穿晶断裂。（2）无明显塑性变形，为典型的脆性断裂（3）解理面一般是低指数晶面或表面能最低的界面。（4）微观特征：解理台阶、河流花样、舌状花样断裂面的取向或作用力方式正断型断裂（1）断裂面垂直于最大切压力

方向（2）如解理断裂切断型断裂（1）断裂面平行于最大切应力方向，与最大正应力方向约成45oC91、解理裂纹的形成与扩展

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。可以想像，裂纹形成必然与塑性变形有关（这对单晶体金属和多晶体金属都是正确的）。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。龙门石窟解理面裂纹形成——塑性变形——位错运动102、几种裂纹形成理论（1）甄纳-斯特罗（G.Zener-A.N.Stroh）位错塞积理论

G.Zener：在滑移面上的切应力作用下，刃型位错在晶界前受阻并互相靠近形成位错塞积。当切应力达到某一临界值时，塞积头处的位错互相挤紧聚合而成为一高为nb、长为r的楔形裂纹（或孔洞位错）。（核心思想：位错塞积形成解理裂纹）A.N.Stroh：如果塞积头处的应力集中不能为塑性变形所松弛，则塞积头处的最大拉应力σfmax能够等于理论断裂强度而形成裂纹。

解理断裂过程：通过塑性变形形成裂纹；裂纹在同一晶粒内初期长大；以及越过晶界向相邻晶粒扩展三个阶段。

解理裂纹扩展基本方式：（a）解理方式，裂纹扩展速度较快（脆性材料在低温下试验）（b）先在裂纹前沿（尖端）形成一些微裂纹或微孔，而后通过塑性撕裂方式互相联结，开始时裂纹扩展速度比较缓慢，但到达临界状态时也迅速扩展而产生脆性断裂

11

σc：裂纹长度相当于长度d的裂纹扩展时的临界应力，或断裂强度

G

：切变模量

γs：表面能d:晶粒直径ky：钉扎常数（位错被钉扎越强，ky越大，越容易出现解理断裂）裂纹解理断裂扩展临界条件（判据）：（对位错塞积和位错反应理论均适用）12（3）史密斯理论（碳化物开裂模型）

铁素体中的位错源在切应力作用下开动，位错运动至晶界碳化物处受阻而形成塞积，在塞积头处拉应力作用下使碳化物开裂。

（2）柯垂耳（A.H.Cottrell）位错反应理论：

该理论是A.H.Cottrell为解释晶内解理与bcc晶体中的解理而提出的。柯垂耳提出的位错反应是降低能量的过程，因而裂纹成核是自动进行的。两种解理裂纹形成模型共同点：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133、解理断裂微观断口形貌解理断裂是沿特定界面发生的脆性穿晶断裂，断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成，这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。在解理刻面内部只从一个解理面发生解理破坏实际上是很少的。多数情况下裂纹要跨越若干个相互平等的、而且位于不同高度的解理面，从而在同一刻面内部出现了解理台阶和河流花样。

解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交形成的，其形式方式：通过解理裂纹与螺型位错相交形成，或通过二次解理或撕裂形成。解理台阶、河流花样，还有舌状花样是解理断裂的基本微观特征。（1）解理断裂14解理台阶河流花样\舌状花样舌状花样解理台阶/河流花样15

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。断裂路径不再与晶粒位向有关，而主要与细小碳化物质点有关。其微观形态特征，似解理河流但又非真正解理，故称准解理

准