第四章-材料的断裂.

1、第四章材料断裂是工程部件的重要失效形式之一，它比磨损和腐蚀更危险。材料的任何断裂过程都包括裂纹形成和扩展两个阶段，裂纹的形成是材料塑性变形的结果。研究断裂特征、断裂机理、断裂力学条件及其影响因素对构件的安全设计、材料选择和失效分析具有重要意义。4.1理论断裂强度从宏观力学分析的角度来看，材料的强度有两个重要问题：第一，为什么完整晶体的理论断裂强度与实际材料的断裂强度有很大差异？第二，对于有初始缺陷(主要是裂纹体)的实际晶体，断裂时依赖什么参数，其断裂强度的含义是什么？由基于弹性形变的双原子模型给出的原子内结合力随原子间距的变化与沿某一晶面拉离晶体时纯弹性正断裂的理论断裂强度有关。可以看出，金属

2、晶体纯弹性正断裂的理论断裂强度由三个材料常数决定。纯铁的理论断裂强度为40000兆帕，经过一系列强化后，实际断裂强度也在2000兆帕左右。问题在哪里？钢的实际断裂强度比理论断裂强度小一个数量级以上。对于一般工程材料，实际断裂强度仅为理论断裂强度的1/1001/1000。只有几乎没有缺陷的细金属晶须和碳纤维的实际断裂强度才能接近它们的理论断裂强度。就实际材料而言，必然存在晶体缺陷，断裂问题本质上应该是有缺陷物体的断裂问题，可以认为是裂纹体的断裂问题。格里菲斯理论的出发点是：假设在实际材料中有一个裂纹(可以认为是裂纹体)。当名义应力很低时，裂纹尖端的局部应力达到很高的值(达到理论断裂强度)，这使得

3、裂纹迅速扩展并导致材料的脆性断裂。4.2裂纹体的断裂强度-格里菲斯准则，格里菲斯准则，如图所示，有一个单位厚度的无限大平板，它被均匀拉应力弹性拉伸，然后两端固定形成一个隔离系统。然后，在平板上打开一个垂直于拉伸应力的长度为2a的裂纹，平板中的总能量是：释放的弹性应变能；新裂纹表面形成所消耗的能量；那么系统的总能量是：用弹性理论计算。根据裂纹在临界不稳定状态下的能量平衡条件，裂纹体的断裂强度(即著名的格里菲斯准则)为：格里菲斯平板和其中裂纹的能量变化，格里菲斯公式解释。格里菲斯准则的意义在于它提出了一种新的脆性断裂准则。该公式表明，理想脆性材料中的裂纹不稳定性扩展(即断裂)是由远应力和裂纹长度的

4、平方根与材料常数的乘积控制的。对于给定的理想脆性材料，e和是常数值，格里菲斯给出了能量平衡意义下理想脆性断裂的必要条件。也就是格里菲斯断裂准则：当达到一个恒定的临界值时，裂纹不稳定扩展(断裂)发生。根据上述讨论，格里菲斯的理论分析仅限于完全脆性的情况，但事实上，大多数金属材料在断裂前和断裂过程中，裂纹尖端区域都会发生塑性变形，从而钝化裂纹尖端。因此，格里菲斯断裂准则应在实际金属材料中进行修正。格里菲斯理论提出30年后，奥罗万指出，在裂纹扩展之前，金属材料的尖端附近应该产生塑性区。因此，为裂纹扩展提供的能量不仅用于形成新表面所需的表面能，还用于在塑性区引起塑性变形所需的塑性功。因此，塑性功p和表

5、面能一起成为裂纹扩展的阻力。经奥罗万校正后，材料的断裂强度为：或、和t光滑拉伸试样的面积收缩率等于5%是可以限制的。根据断裂面的方向或不同的作用力方式，断裂可分为正常断裂和切割断裂。4.3材料的宏观断裂类型和力学状态图，典型断裂的宏观断裂(指不同断裂形式下)，1。宏观判断：横截面宏观上垂直于试样的轴向(加载方向)。然而，在微观水平上，它不一定是垂直于晶面的正常断裂(解理)。它可能是剪切断裂，形成凹痕。2.宏观切割：横截面与样品的轴向(加载方向)大致相同。韧性断裂的宏观断裂形态。一般来说，具有一定塑性的材料在拉伸试验中会有不同程度的颈缩，导致宏观切削或断裂与宏观正断裂混合。断裂可以被认为是韧性断

6、裂。断口(形貌)一般可由以下三部分组成：韧性断裂的宏观断口和纤维区：由于试样中心的应力在颈缩后最大，裂纹从试样中心开始。事实上，一些明显的微孔(微孔或微裂纹)首先出现在样品的中部，然后长大并聚集形成锯齿状的纤维断裂。它通常是三维的环形。2辐射区：环形纤维区发展到一定尺寸(临界裂纹尺寸)后，裂纹开始迅速扩展(不稳定扩展)并形成辐射区。宏观上呈阳性，但微观上不呈阳性(卵裂)。与纤维区不同，辐射区是裂纹达到临界尺寸后快速低能撕裂的结果。3剪切唇：在辐射区形成后，只有最外面的环形区域保留在样品的承载区域中，该区域最终被拉伸应力的切口应力切断以形成剪切唇。形成韧性断裂(杯锥状断裂)，当发生颈缩时，光滑圆

7、柱试样的应力状态由单向变为三向，中心区域的轴向应力最大。在中心三维拉应力的作用下，塑性变形难以进行，导致夹杂物或其中的第二相粒子破碎，或将夹杂物从基体界面分离形成微孔。微孔生长和聚合时会形成微裂纹。微裂纹的形成和扩展被重复以形成锯齿状纤维区域。裂纹达到临界尺寸后，迅速扩展，形成具有辐射图形特征的辐射带。辐射平行于裂纹扩展方向，垂直于裂纹前端的轮廓线(每时每刻)，并指向裂纹源。最后，它被拉伸应力的切口应力切割，以形成与拉伸轴成45角的杯形或锥形剪切唇。杯锥断裂形成示意图、脆性断裂宏观断裂形态、脆性断裂径向模式、脆性断裂人字形模式、圆柱形拉伸试样：断口垂直于正应力，断口平整光亮。横截面上的径向条纹

8、集中在一个中心，这个中心区域就是裂纹源。“人”字形辐射方向与裂纹扩展方向平行，但其顶点指向裂纹源。根据断裂前的塑性变形程度或断裂过程中吸收的能量，断裂可分为韧性断裂和脆性断裂。根据宏观断裂垂直于最大正应力或平行于最大剪应力，又可分为两种模式：正断裂和截止断裂。1宏观韧性断裂一般来说，典型光滑圆柱试样的宏观韧性断裂是杯形的。它由三部分组成：纤维区(裂纹产生)、辐射区(裂纹快速扩展)和剪切唇区(剪切断裂)。一般来说，韧性断裂是一种发展缓慢、耗能高的撕裂过程，是结构破坏的主要形式之一。宏观脆性断裂与韧性断裂相反，宏观脆性断裂是平坦而明亮的，垂直于主应力；它也由三部分组成：纤维区、辐射区和剪切唇，但辐

9、射区是主要部分，尤其是剪切唇几乎是不可见的，只占很小的比例当材料处于极度脆性状态(纯解理或沿晶断裂)时，辐射消失。如果晶粒粗糙，在解理断裂上可以看到许多强烈反射的小面。这些面本质上是晶粒内的解理面。解理断裂和晶间断裂是脆性断裂的重要形式。在工程中，脆性断裂是一种灾难性的失败。材料脆性或韧性的相关性工程材料的脆性是由内外因素共同决定的。内部因素：主要是材料的塑性和强度。比如纯铁和玻璃。前者具有优良的塑性和高强度，通常表现为韧性断裂；后者是脆性断裂，因为其塑性差和强度低。尤其是在撞击条件下。外部因素：主要是温度、加载速度和应力状态(加载方式)等。例如，对同一灰铸铁材料样品进行拉伸和硬度(相当于侧向

10、压力)试验，结果表明前者为脆性断裂，而后者只能压压痕而不能断裂。因此，工程材料的韧性或脆性是相对的，没有绝对的脆性或韧性材料。机械状态图，是将两种强度理论(最大剪应力理论和最大法向应力理论)、材料特性(抗剪强度、抗切割强度和正断裂强度)、加载模式(应力状态)、断裂类型和模式联系起来以表征材料机械特性的图表。如图所示，力学状态图按三个力学指标分为三个区域：弹性变形区、弹塑性变形区和断裂区。在单轴拉伸载荷下，韧性断裂处于正常模式。2.在扭转载荷下，切削型韧性断裂。3在三个方向的不等拉伸条件下(如缺口拉伸)，脆性断裂处于正常模式。因此，材料的断裂倾向可以用力学状态图来描述。材料的力学状态图、温度对力

11、学状态图的影响、温度和加载速率通常对材料有很大影响，但对总和影响不大。当温度降低和升高时，材料在单轴拉伸下从正常的韧性断裂转变为正常的脆性断裂。这种情况表明，当材料从室温到一定的低温时，会发生从韧性断裂到脆性断裂的转变，即冷脆转变。力学状态图是定性分析材料断裂的一种有效方法。温度对断裂图的影响，4.4根据裂纹扩展路径1，断裂、沿晶断裂和穿晶断裂的微观机理和形态特征，沿晶断裂(沿晶断裂):指沿晶界的裂纹扩展。断裂的基本特征：呈类冰糖状，表现出多晶颗粒的多面体特征(颗粒立体感强)。然而，当晶粒非常细时，类似晶体糖的特征不明显，并且它们通常可以是结晶的。断裂机制：通常是由于晶界上脆性凝聚相的存在、高

12、温下晶界的弱化或腐蚀环境下晶界的首次腐蚀而导致的脆化或晶界的弱化。穿晶断裂：指裂纹沿晶内(穿过晶粒)扩展。根据不同的微观断裂机制，穿晶断裂可以有不同的微观断裂形态特征，主要包括解理、微孔聚集、准解理等。一般来说，沿晶断裂主要是脆性断裂，而穿晶断裂可以是脆性断裂或韧性断裂。解理断裂和剪切断裂根据微观断裂机理1解理断裂是指在拉应力作用下沿某一晶面分离的断裂。分离的晶面称为解理面。解理断裂一般是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂，经过一定的塑性变形后也可能发生解理断裂，因此解理断裂和脆性断裂不能完全等同。解理面一般是低指数晶面，因为低指数晶面一般表面能低，理论断裂强度最低，优先断裂。一般来说，解理

13、断裂容易发生在身体-然而，在实际晶体中，由于缺陷的存在，断裂不是沿着单个晶面而是沿着一组平行晶面裂开，因此在不同高度的平行裂开面之间形成裂开台阶。从垂直剖面来看，台阶的会聚形成了所谓的河型，这是解理断层最重要的微观特征。2微孔聚合物剪切断裂剪切断裂一般是韧性断裂，可分为微孔聚合物剪切断裂和纯剪切断裂。后者主要出现在单晶或高纯度金属中。前者是常用的金属材料。微观特征：主要是酒窝。通常，在微断裂表面内的凹坑被仔细观察，并且观察到的凹坑仅仅是微腔的一半，但是在相应的断裂表面上必须有相应的凹坑，并且两个底部中的至少一个具有夹杂物颗粒。此外，韧窝可以在晶界、孪晶界和相界成核，并且在韧窝中可能没有第二相粒

14、子。在微孔聚合断裂(凹坑形成)过程中，在大多数情况下，钢中可以发现非金属夹杂物等非均相。因此，凹坑的形成与异质颗粒有关。当在外力作用下发生塑性变形时，非均质材料阻碍基体滑移，导致应力集中在非均质材料与基体滑移面的界面上。当应力集中达到非均质与基体的界面结合强度或非均质本身的强度时，它们之间的界面会断裂或非均质会断裂，从而形成裂纹(微孔)，并继续扩展。最后，夹杂物之间的基体金属将产生“内部颈缩”。当颈缩达到一定程度时，基体金属将被撕裂或剪切，空腔将被连接，从而形成凹坑。微孔成核、微孔生长和连接示意图，影响凹坑形成的因素，凹坑形成的位置、形状、大小和深度受多种因素影响，大致可归纳为三个方面。一是成

15、核粒子的大小和分布；二是材料的塑性变形能力，尤其是变形硬化能力；第三，外部因素(包括应力、应力状态、温度、变形速度等。)。凹坑的形状主要取决于应力状态或应力与横截面的相对取向。如图所示，当法向应力垂直于微孔平面时，微孔在该平面上的所有方向上具有相同的生长趋势，形成等轴韧窝(图一)；当剪切应力平行于微孔的横截面时，微孔在剪切应力的作用下被拉长，断裂时形成的韧窝必须是抛物线，相应横截面上的抛物线方向相反(图B)；当微孔受到不均匀拉伸或弯曲载荷的拉伸应力时，断口上也会形成细长的抛物线形凹坑，但相应断口上的抛物线方向相同，都指向裂纹源(图C)。3准解理：指解理和微孔聚合断裂的混合。微观特征：有放射状的河流图案和凹痕，在小平面之间有撕裂边。与解理的主要区别是：准解理断裂始于断裂面，逐渐长大，最后由撕裂边连接；然而，解理裂纹从断裂的一侧开始，向另一侧扩展，直至断裂。准解理是通过解理步骤和撕裂边将解理和微孔聚合混合在一起，它们之间没有明确的界限。注：微孔聚合的剪切断裂中必然存在韧窝，但在微观断裂面上存在韧窝，在宏观上不一定是韧性断裂。由于宏观脆性断裂在局部区域也会发生塑性变形，因此呈现出具有韧窝特征的微观断裂形态。因此，微孔聚合的剪切断裂和韧性断裂不能完全等同。综上所述，在断裂失效分