金属材料的断裂和断裂韧性.ppt

1、1,4 金属材料的断裂和断裂韧性,东南大学材料学院 张友法,机件主要失效形式,危害最大！,生活中,影响正常生活，甚至人身安全。,生产中,影响生产和安全。,重要产品,灾难！,6,4 金属材料的断裂和断裂韧性,断裂的不同形式 疲劳断裂、蠕变断裂、应力腐蚀或腐蚀断裂等 室温环境下单向加载时的金属断裂 断裂类型：脆性断裂、韧性断裂 断裂过程与微观机制 断裂的基本理论 韧脆转化,7,4 金属材料的断裂和断裂韧性,4.1 脆性断裂 4.2 韧性断裂 4.3 其它材料的断裂 4.4 线弹性条件下的断裂韧性 4.5 影响断裂韧性的因素 4.5 金属的韧化,复习思考题,断裂类型,韧断与脆断,韧断：断前及断时有明

2、显塑变，裂纹扩展耗能。断口：呈纤维状，灰暗色。断面收缩率5%。,断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇。,纤维区：试样中心，裂纹形成区，颜色灰暗，较粗糙，裂纹扩展时塑变大，扩展慢。 放射区：较光亮平坦，放射状条纹，裂纹扩展快。 剪切唇：试样边缘，应力状态改变，剪切断裂，表面粗糙，深灰色。,11,4.1 脆性断裂,断裂前无明显塑变，吸收能量少，裂纹扩展速度快，几近音速，后果严重。 断裂面与正应力垂直，断口平齐光亮，呈放射状或结晶状。 一般把k 5定为韧性断裂。 材料脆性还是韧性不固定，受材质、应力状态和环境影响。 脆断：解理断裂和沿晶/穿晶断裂。,12,4.1.1 解理断裂,拉应力作用下，原子间

3、结合键破坏，沿一定结晶学平面（即所谓“解理面”）劈开。 解理面：一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数晶面。 宏观解理断口：较为平坦、发亮的结晶状断面。 微观解理断口：由解理台阶的侧面汇合而形成河流花样。 “河流”的流向与裂纹扩展方向一致 。 原因一：通过扭曲晶界或大角度晶界，相邻晶粒内解理面位向差很大，裂纹在晶界受阻，裂纹尖端高应变激发晶界另一侧面裂纹成核。 原因二：裂纹不沿单一晶面发生，在跨越若干个相互平行的位于不同高度上的解理面处发生，在交界处形成台阶。 解理断裂的另一个微观特征：舌状花样，它是解理裂纹沿孪晶界扩展而留下的舌状凸台或凹坑。,13,BCC、HCP滑移系/滑移方向少，位错塞积

4、造成应力集中，裂纹易成核。 FCC金属滑移系多，不易产生。,14,解理断口的河流花样,河流花样形成示意图,河流花样为判断是否为解理断裂的重要微观依据。,16,裂纹穿过大角度晶界的解理河流花样,舌状花样：解理裂纹与孪晶相遇，沿孪晶与基体界面扩展形成，留下舌头状凹坑或凸台。,影响解理断裂的因素,外因：环境温度、加载速度、介质、应力大小等。 内因：晶体结构、显微组织。 温度低、加载速度快易产生解理断裂； BCC、HCP产生解理断裂； 氢在-Fe解理面处集聚，产生氢致解理断裂。,首先在许多不同部位同时产生许多解理裂纹核； 然后按解理方式扩展成解理小刻面； 最后以塑性方式撕裂，相邻的解理小刻面相连，形成

5、撕裂棱。 介于解理断裂和韧窝断裂之间一种过渡断裂形式。,4.1.2 准解理断裂,有撕裂棱，河流花样不明显,20,撕裂棱的形成过程示意图,21,准解理断裂和解理断裂的异同,同：穿晶断裂，脆性断裂，有小解理刻面、台阶。 断裂起源：准解理源于晶粒内部的空洞、夹杂物、第二相粒子 ，而解理则自晶界/相界一侧向另一侧延伸； 裂纹传播途径：准解理向四周放射状不连续扩展，与晶粒位向无关，与细小第二相有关，解理是由晶界向晶内扩展，形成河流花样； 解理位向：准解理小平面的位向与基体解理面之间无确定的对应关系，源头不清。 断口：准解理有撕裂棱，局部有韧窝，是解理与微孔聚合的混合型断裂，但主要机制仍是解理，宏观表现脆

6、性。,韧性或脆性,脆性,4.1.3 穿晶断裂与沿晶断裂,典型穿晶断裂形貌,典型沿晶断裂形貌,25,沿晶断裂原因,晶界存在连续分布的脆性第二相； 微量有害杂质元素在晶界上偏聚； 由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。 例：钢的高温回火脆性是微量有害元素P，Sb，As，Sn等偏聚于晶界，降低了晶界原子间的结合力，从而大大降低了裂纹沿晶界扩展的抗力，导致沿晶断裂。,沿晶断裂,穿晶断裂,宏观：纤维状 微观：大量韧窝，内含夹杂物或第二相，微孔萌生处。,4.2.1 韧性断裂-微孔聚集断裂,28,微孔聚集断裂机理：形核长大聚合,颈缩/位错引起应力集中，第二相碎裂

7、，或第二相与基体塑变不协调，分离形成微孔； 微孔长大，相邻微孔间基体截面积缩小，产生内颈缩； 微孔聚合成微裂纹，新微孔借内颈缩与裂纹连通，裂纹向前推进直至断裂。,29,剪切裂纹一般沿滑移线发生. 高强度钢常发生这种模式的微孔聚合，其韧性较“正常的”微孔聚合模式要差。,微孔聚合的三种形式,（a）正常的微孔聚合；（b）快速剪切断开；（c）大片夹杂相连,内颈缩,剪切裂纹,夹杂,微孔成核源：第二相粒子。 在应力作用下，基体和第二相粒子的界面脱开，或第二相粒子本身开裂，于是出现微孔。,材料内部本身存在着大片的夹杂，微孔通过脆弱的夹杂连成裂纹。 这是不合格材料出现的一种缺陷,正应力,扭转,应力集中,韧窝形

8、状取决于应力状态； 韧窝大小和深浅取决于第二相数量、分布及基体塑变能力。,陶瓷：几乎或完全不能发生滑移，无塑性。沿大间距密排结晶面发生解理破坏，断口光滑，无特征判定裂纹源。 玻璃：脆性断裂，裂纹源附近有光滑镜面区，其余为撕裂线，其汇集方向指向裂纹源。,陶瓷断口玻璃断口,4.3 其它材料的断裂-无机非金属,脆性：玻璃化转化温度以下的热塑性聚合物，热固性聚合物 塑性：玻璃化转变温度以上的热塑性聚合物，断前有大变形，甚至颈缩。纤维增强复合材料：断裂过程很复杂，与基体性质、纤维性质、基体与纤维间的结合强度有关。,SiC纤维增强Ti3Al金属间化合物拉伸试样断口,4.3 其它材料的断裂-聚合物和复合材料

9、,微孔聚合型断口,解理型断口,沿晶断裂,穿晶断裂,a沿晶脆断 b 穿晶/解理断裂 c 准解理断 d 微孔聚集,4.4 断裂力学与断裂韧度,断裂-低于许用应力,二战期间，美国五千艘自由轮货船有238艘完全断裂破坏。 19381942年间，欧洲四十多座桥梁倒塌； 1954年，美国两架彗星号喷气式飞机在地中海上空失事； 20世纪50年代，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体爆炸； 高压锅炉、石油、化工压力容器频发爆炸； 。,零部件实际断裂过程,材料有内部缺陷和加工或服役时形成裂纹,裂纹或缺陷附近应力集中，裂纹扩展,低于许用应力，构件突然断裂,低应力脆断总与裂纹相联系,断裂实验-三点弯曲,40,断裂力学和

10、断裂韧性,有裂纹的材料，内部应力分布改变，传统力学强度理论不适用。 断裂力学：研究裂纹体力学、断裂判据和断裂韧度，防止裂纹体低应力脆断。 研究内容：裂纹尖端的应力和应变分析；建立新的断裂判据；断裂力学参量的计算与实验测定，其中包括材料的力学性能新指标断裂韧性及其测定，断裂机制和提高材料断裂韧性的途径等。 断裂力学用于构件的安全性评估或断裂控制设计，是对静强度设计的重大发展和补充。,4.4.1 材料的断裂理论,c=(Es /a0)1/2 c=E /10,Xm,理论断裂强度：外加正应力，将晶体两原子面沿垂直外力方向拉断所需应力。,格里菲斯断裂理论,实际断裂强度理论计算值 金属至少低一个数量级，陶瓷

11、、玻璃更低。 原因：内部裂纹 The phenomenon of rupture and flow in solids, Philosophical Transactions, 1920（被引6533次，2011年为5581 ） 该文奠定了断裂力学的基石，使格氏名留千古，此时他才二十六岁。,断裂力学之父（1893-1963）,格里菲斯实验-含裂纹玻璃强度,uE释放速率s增长速率，u降低，裂纹自行扩展，对应极限裂纹尺寸2ac,从能量平衡出发获得裂纹扩展判据,断裂应力和裂纹尺寸关系 c=(2Es /a )1/2 断裂应力和裂纹尺寸的平方根成反比。 金属、高分子：塑性变形功p ，Orowan修正公式

12、： c=(2E(s + p)/a )1/2 p大约是s的1000倍 c=(2Ep /a )1/2,裂纹尖端曲率半径8a0/，尖端塑性变形大， p控制裂纹扩展，采用奥罗万修正。 =8a0/，为Griffith公式。 8a0/，用Griffith公式。,46,研究带有裂纹的线弹性体，假定裂纹尖端应力仍服从虎克定律。 玻璃和陶瓷：理想的弹性体 金属：裂纹尖端塑性区尺寸远小于裂纹长度。 GriffithOrowan：能量理论 Irwin：应力场强度因子理论,4.4.2线弹性条件下的断裂韧性,47,张开型(I),滑开型(),撕开型(),三种断裂的类型,48,三种基本断裂类型的实例,叶轮,联接螺栓,(1)

13、 裂纹尖端应力场,薄板,4.4.3 应力强度因子KI和断裂韧性KIc,应力分析 在裂纹延长线上，=0 拉应力分量最大；切应力分量为0； 裂纹最易沿X轴方向扩展。,51,应力分量决定于其位置(r, )，及 KI 某确定点，KI 直接决定应力场大小，KI 越大，各应力分量越大。 KI 反映应力场的强弱程度，称为应力场强度因子。,(2) 应力场强度因子 KI,通式：KI = Y a1/2,应力增大，KI逐渐增加。,受载裂纹体， KI 增加，当应力达到断裂强度，裂纹失稳，并开始扩展。临界或失稳状态时，KI记作KIC或KC。 KC 平面应力断裂韧度 KIC平面应变，I类裂纹时断裂韧度 断裂判据： KI

14、KIC 发生裂纹扩展，直至断裂,(3) 断裂韧度 KC 和 KIC,KI KC KIC 的区别,KI：应力场强度因子，受外界条件影响的裂纹尖端应力场强弱程度的力学度量，随外加应力、裂纹长度、裂纹形状类型、加载方式变化，与材料固有性能无关。 KC和KIC：材料阻止裂纹扩展的能力，是材料固有特性。,KC KIC 的区别,KIC 为 KC 随板厚增加而趋于的最低值，反映了最危险的平面应变断裂情况，反映了材料阻止裂纹扩展的能力。,55,应力强度因子KI和断裂韧性KIc,应力强度因子,应力强度因子的临界值,是材料本身的固有属性,56,一些工程材料在常温下的KIc值,57,应力强度因子KI和断裂韧性KIc

15、,脆性断裂的K准则:,KI和KIc的物理意义 KI ：应力强度因子，计算得到。 KIc ：断裂韧性：材料抵抗脆性断裂的能力。 KIc的试验获得 平面应变断裂韧性,58,4.4.3 裂纹扩展的能量释放率GI和断裂韧性GIc,分析原理：能量法,应变能释放率,裂纹扩展需要吸收的能量率,扩展,稳定,临界,裂纹临界条件：G准则,59,K与G的关系,60,K准则的工程应用,K准则:,临界应力,临界裂纹长度,61,K准则的工程应用,应用场合： 已知应力，求临界裂纹长度； 已知裂纹长度，求临界应力（剩余强度）。 应用步骤： 通过无损检测，确定裂纹a的长度及位置； 对缺陷进行分析，计算或查表得到应力强度因子K的

16、表达式； 通过试验或查表，确定材料的平面应变断裂韧性KIc值； 根据K准则，进行断裂力学分析，确定临界裂纹长度ac或临界应力（剩余强度）值。,62,工程应用实例,1950年，美国北极星导弹发动机壳体发生爆炸事件。已知壳体材料为D6GC高强度钢， ， ，传统检验合格，水压实验时爆炸，破坏应力为 。材料的断裂韧性为 ，试分析其低应力脆断的原因。,63,工程应用实例,应力分析,周向应力和轴向应力图,64,工程应用实例,传统强度分析 未超过许用应力，强度合格。 断裂分析 临界裂纹长度0.36mm，易漏检。 改进措施 选用KIc较高的材料，提高临界裂纹长度，确保检出率。,65,4.4.4 平面应变断裂韧

17、性的测定,1. 试样及其制备 用于测定KIc 的标准试样主要采用三点弯曲和紧凑拉伸试样。 为引发裂纹，可先用线切割加工宽度0.13mm的切口，然后用高频疲劳试验机预制长度1.3mm的疲劳裂纹。 疲劳预制中的Kmax应小于0.6KIc，特别是在最终达到要求裂纹长度时，应尽量减小负荷，以保证裂纹有足够的尖锐度。,66,两种典型的断裂韧性试样,（a）三点弯曲（b）紧凑拉伸,67,4.4.4 平面应变断裂韧性的测定,2. 测试设备和方法 测试的装置如图所示。测试时，通过载荷传感器和位移传感器以及动态电阻应变仪和函数记录仪，连续记录负荷F和裂纹嘴张开位移v，从而得到Fv曲线。由此曲线如果能定出临界载荷F

18、c以及由断口上测定的裂纹长度a，代入确定的KIc计算公式，就可以求得材料的断裂韧性KIc值。,68,KIc测试装置系统,69,4.5 影响断裂韧性的因素,1. 材料的组织和结构 （1）晶粒尺寸 晶粒愈细，晶界所占比例愈大，裂纹尖端附近从产生一定尺寸的塑性区到裂纹扩展所消耗的能量也愈大，因此KIc也愈高。一般说来，细化晶粒是使强度和韧性同时提高的有效手段。 （ 2 ）夹杂和第二相 钢中的夹杂物，如硫化物、氧化物等往往偏析于晶界，导致晶界弱化，增大沿晶断裂的倾向，而在晶内分布的杂质则常常起着缺陷源的作用。所有这些都使材料的KIc值下降。 至于脆性第二相，如随碳含量的增加，渗碳体增多，强度提高，但KIc 值急剧下降。 夹杂物和第二相的形状对KIc值也有很大影响 。 回火脆性也是引起钢的断裂韧性大幅度下降的重要因素。,70,4.5 影响断裂韧性的因素,（3）组织结构 通过淬火、回火获得回火马氏体组织的综合力学性能最好，即s和KIc值都高。 调整贝氏体的成分和工艺，使针状铁素体细化就可使其韧性提高。 奥氏体的韧性比马氏体高，所以在马氏体基体上有少量残余奥氏体，就相当于存在韧性相，使材料断裂韧性升高。,71,4.5 影响断裂韧性的因素,2. 温度和加载速度 随着试验温度的下降，材料塑性变形能力降低，相应KIc值也有所下降。 变形速度增大，影响材料塑性变形能