材料物理性能斷裂PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1 材料物理性能斷裂材料物理性能斷裂PPT課件課件 斷裂垂直于最大正應(yīng)力者叫正斷斷裂垂直于最大正應(yīng)力者叫正斷 沿著最大切應(yīng)力方向斷開的叫切斷沿著最大切應(yīng)力方向斷開的叫切斷 中心部分大致為正斷，兩側(cè)部分為切斷，故為混合型斷口中心部分大致為正斷，兩側(cè)部分為切斷，故為混合型斷口 材料物理性能-斷裂 第1頁/共68頁 1.1 韌性斷裂韌性斷裂 韌性斷裂最顯著的特征是伴有大量的塑性變形韌性斷裂最顯著的特征是伴有大量的塑性變形 。 材料物理性能-斷裂 第2頁/共68頁 在正常情況下在正常情況下,機(jī)載零件的設(shè)計都將零件危險截面機(jī)載零件的設(shè)計都將零件危險截面 處的實際應(yīng)力控制在材料的屈服強度以下處的實際

2、應(yīng)力控制在材料的屈服強度以下,一般不一般不 會出現(xiàn)韌性斷裂失效。但是會出現(xiàn)韌性斷裂失效。但是,由于機(jī)械產(chǎn)品在經(jīng)歷由于機(jī)械產(chǎn)品在經(jīng)歷 設(shè)計、用材、加工制造、裝配直至使用維修的全設(shè)計、用材、加工制造、裝配直至使用維修的全 過程中過程中,存在著眾多環(huán)節(jié)和各種復(fù)雜因素存在著眾多環(huán)節(jié)和各種復(fù)雜因素,因而機(jī)因而機(jī) 械零件的韌性斷裂失效至今仍難完全避免。械零件的韌性斷裂失效至今仍難完全避免。 材料物理性能-斷裂 第3頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第4頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第5頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第6頁/共68頁 脆性斷裂的斷口，一般與正應(yīng)力垂直，宏脆性斷裂的斷口，一般與正應(yīng)力垂

3、直，宏 觀上比較齊平光滑，呈放射狀或結(jié)晶狀。觀上比較齊平光滑，呈放射狀或結(jié)晶狀。 1.2 脆性斷裂脆性斷裂 材料物理性能-斷裂 第7頁/共68頁 淬火鋼淬火鋼 灰鑄鐵灰鑄鐵 陶瓷陶瓷 玻璃玻璃 材料物理性能-斷裂 第8頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第9頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第10頁/共68頁 如果材料的硬度和強度很高，又處于低溫環(huán)境，圓形樣如果材料的硬度和強度很高，又處于低溫環(huán)境，圓形樣 的拉伸斷口斷面上有許多放射狀條紋，這些條紋匯聚于一個的拉伸斷口斷面上有許多放射狀條紋，這些條紋匯聚于一個 中心，這個中心區(qū)域就是裂紋源。斷口表面越光滑，放射條中心，這個中心區(qū)域就是裂紋源。斷口

4、表面越光滑，放射條 紋越細(xì)，這是典型的脆斷形貌。如為板狀試樣，斷裂呈紋越細(xì)，這是典型的脆斷形貌。如為板狀試樣，斷裂呈“人人 ”字形花樣，字形花樣，“人人”字的尖端指向裂紋源字的尖端指向裂紋源 (如上圖如上圖)，這對于，這對于 分析壓力容器或構(gòu)件的失效是有幫助的。分析壓力容器或構(gòu)件的失效是有幫助的。 第11頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第12頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第13頁/共68頁 穿晶斷裂穿晶斷裂沿晶斷裂沿晶斷裂 材料物理性能-斷裂 第14頁/共68頁 斷口呈鋒利的楔形。斷口呈鋒利的楔形。 材料物理性能-斷裂 3 剪切斷裂與解理斷裂 第15頁/共68頁 蛇形滑移花樣蛇形滑移花樣

5、 n滑移分離的基本特征是滑移分離的基本特征是:斷面呈斷面呈45角傾斜角傾斜;斷口附近有明斷口附近有明 顯的塑性變形顯的塑性變形;滑移分離是在平面應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行的?；品蛛x是在平面應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行的。 漣波花樣漣波花樣 n滑移分離的主要微觀特征是滑移線或滑移帶、蛇形花樣滑移分離的主要微觀特征是滑移線或滑移帶、蛇形花樣 、漣波花樣和延伸區(qū)、漣波花樣和延伸區(qū) 。 材料物理性能-斷裂 第16頁/共68頁 微孔形核微孔形核 長大長大 聚合直至斷裂聚合直至斷裂 第二相破裂或與基體界面脫離，在材料塑性變形到一定程度時產(chǎn)生的第二相破裂或與基體界面脫離，在材料塑性變形到一定程度時產(chǎn)生的 大量位錯進(jìn)入微孔，使微孔逐

6、漸長大大量位錯進(jìn)入微孔，使微孔逐漸長大 微孔間的集體橫截面不斷減小，發(fā)生微縮頸斷裂，使微孔連接，在該區(qū)有發(fā)生新的微孔，長大、連接微孔間的集體橫截面不斷減小，發(fā)生微縮頸斷裂，使微孔連接，在該區(qū)有發(fā)生新的微孔，長大、連接 形成宏觀上呈纖維狀，微觀上為韌窩的端口形成宏觀上呈纖維狀，微觀上為韌窩的端口 材料物理性能-斷裂 第17頁/共68頁 b）切應(yīng)力）切應(yīng)力 (c)撕裂韌窩撕裂韌窩 a）垂直應(yīng)力）垂直應(yīng)力 c）撕裂）撕裂 材料物理性能-斷裂 第18頁/共68頁 (a) 微孔聚集模型微孔聚集模型 (b) 在第二相粒子處形核模型在第二相粒子處形核模型 縮頸縮頸 微縮頸的斷裂微縮頸的斷裂 材料物理性能-斷

7、裂 第19頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第20頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第21頁/共68頁 解理斷裂的斷口是極平坦的鏡面。解理斷裂的斷口是極平坦的鏡面。 具有解理的礦物具有解理的礦物 材料物理性能-斷裂 第22頁/共68頁 相互平行的而且位于不同高度的相互平行的而且位于不同高度的 解理面，從而在同一刻面內(nèi)部出解理面，從而在同一刻面內(nèi)部出 現(xiàn)了解理臺階和河流花樣。現(xiàn)了解理臺階和河流花樣。 材料物理性能-斷裂 第23頁/共68頁 解理小刻面的微觀形貌解理小刻面的微觀形貌 A臺階臺階 B河流花樣河流花樣 材料物理性能-斷裂 第24頁/共68頁 n 舌狀花樣：舌狀花樣： 解理舌是解理面上的

8、典型特征之一解理舌是解理面上的典型特征之一,它的顯微形它的顯微形 貌為舌狀。貌為舌狀。 n 解理舌的形成與解理裂紋沿變形孿晶與基體之間的界面擴(kuò)解理舌的形成與解理裂紋沿變形孿晶與基體之間的界面擴(kuò) 展有關(guān)。此種變形孿晶是當(dāng)解理裂紋以很高的速度向前擴(kuò)展展有關(guān)。此種變形孿晶是當(dāng)解理裂紋以很高的速度向前擴(kuò)展 時時,在裂紋前端形成的。在裂紋前端形成的。 材料物理性能-斷裂 舌狀花樣舌狀花樣 第25頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第26頁/共68頁 準(zhǔn)解理裂紋形成機(jī)理示意圖準(zhǔn)解理裂紋形成機(jī)理示意圖 準(zhǔn)解理斷面典型形貌準(zhǔn)解理斷面典型形貌 n準(zhǔn)解理斷裂是介于解理斷裂和韌窩斷裂之間的一種過渡斷準(zhǔn)解理斷裂是介于解

9、理斷裂和韌窩斷裂之間的一種過渡斷 裂形式。裂形式。 n準(zhǔn)解理的形成過程準(zhǔn)解理的形成過程:首先在不同部位首先在不同部位(如回火鋼的第二相粒如回火鋼的第二相粒 子處子處),同時產(chǎn)生許多解理裂紋核同時產(chǎn)生許多解理裂紋核,然后按解理方式擴(kuò)展成解理然后按解理方式擴(kuò)展成解理 小刻面小刻面,最后以塑性方式撕裂最后以塑性方式撕裂,與相鄰的解理小刻面相連與相鄰的解理小刻面相連,形成形成 撕裂棱。撕裂棱。 材料物理性能-斷裂 第27頁/共68頁 (2)裂紋傳播的途徑不同裂紋傳播的途徑不同,準(zhǔn)解理是由裂源向四周準(zhǔn)解理是由裂源向四周 擴(kuò)展擴(kuò)展,不連續(xù)不連續(xù),而且多是局部擴(kuò)展。解理裂紋是由而且多是局部擴(kuò)展。解理裂紋是由

10、 晶界向晶內(nèi)擴(kuò)展晶界向晶內(nèi)擴(kuò)展,表現(xiàn)河流走向。表現(xiàn)河流走向。 材料物理性能-斷裂 第28頁/共68頁 (4)在調(diào)質(zhì)鋼中準(zhǔn)解理小刻面的尺寸要大得多在調(diào)質(zhì)鋼中準(zhǔn)解理小刻面的尺寸要大得多,它它 相當(dāng)于淬火前的原始奧氏體晶粒尺度。準(zhǔn)解理斷相當(dāng)于淬火前的原始奧氏體晶粒尺度。準(zhǔn)解理斷 口宏觀形貌比較平整?；旧蠠o宏觀塑性或宏觀口宏觀形貌比較平整?；旧蠠o宏觀塑性或宏觀 塑性變形較小塑性變形較小,呈脆性特征。其形貌有河流花樣、呈脆性特征。其形貌有河流花樣、 舌狀花樣及韌窩與撕裂棱等。舌狀花樣及韌窩與撕裂棱等。 材料物理性能-斷裂 第29頁/共68頁 無定型聚合物：裂紋的擴(kuò)展過程就是銀紋區(qū)的產(chǎn)生無定型聚合物：

11、裂紋的擴(kuò)展過程就是銀紋區(qū)的產(chǎn)生 、移動的過程。、移動的過程。 材料物理性能-斷裂 第30頁/共68頁 晶體受垂直于分子鏈方向的應(yīng)力作用晶體受垂直于分子鏈方向的應(yīng)力作用 晶體受平行于分子鏈方向的應(yīng)力作用晶體受平行于分子鏈方向的應(yīng)力作用 材料物理性能-斷裂 第31頁/共68頁 斷裂時已產(chǎn)生塑性變形的無定型區(qū)的微纖斷裂時已產(chǎn)生塑性變形的無定型區(qū)的微纖 維束末端將形成空洞。維束末端將形成空洞。 隨著塑性變形的繼續(xù)進(jìn)行，在空洞或夾雜隨著塑性變形的繼續(xù)進(jìn)行，在空洞或夾雜 物旁邊的微纖維束產(chǎn)生滑移運動形成微裂物旁邊的微纖維束產(chǎn)生滑移運動形成微裂 紋。紋。 材料物理性能-斷裂 第32頁/共68頁 n 斷口特征

12、三要素：纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇斷口特征三要素：纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇 剪切唇剪切唇 （鏈波（鏈波 ） 放射區(qū)放射區(qū) （放射（放射 線）線） 纖維區(qū)（韌窩）纖維區(qū)（韌窩） 材料物理性能-斷裂 第33頁/共68頁 對拉伸試樣的宏觀斷口觀察，可看出多數(shù)情況下有三個區(qū)域?qū)煸嚇拥暮暧^斷口觀察，可看出多數(shù)情況下有三個區(qū)域 。第一個區(qū)域在試樣的中心位置，叫做纖維區(qū)，裂紋首先在。第一個區(qū)域在試樣的中心位置，叫做纖維區(qū)，裂紋首先在 該區(qū)域形成，該區(qū)顏色灰暗，表面有較大的起伏，如山脊?fàn)钤搮^(qū)域形成，該區(qū)顏色灰暗，表面有較大的起伏，如山脊?fàn)?，這表明裂紋在該區(qū)擴(kuò)展時伴有較大的塑性變形，裂紋擴(kuò)展，這表明裂紋在該區(qū)擴(kuò)

13、展時伴有較大的塑性變形，裂紋擴(kuò)展 也較慢；第二個區(qū)域為放射區(qū)，表面較光亮平坦，有較細(xì)的也較慢；第二個區(qū)域為放射區(qū)，表面較光亮平坦，有較細(xì)的 放射狀條紋，裂紋在該區(qū)擴(kuò)展較快；接近試樣邊緣時，應(yīng)力放射狀條紋，裂紋在該區(qū)擴(kuò)展較快；接近試樣邊緣時，應(yīng)力 狀態(tài)改變了（平面應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)榍袘?yīng)力），最后沿著與拉力狀態(tài)改變了（平面應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)榍袘?yīng)力），最后沿著與拉力 軸向成軸向成40-50剪切斷裂，表面粗糙發(fā)深灰色。這稱為第三剪切斷裂，表面粗糙發(fā)深灰色。這稱為第三 個區(qū)域剪切唇。試樣塑性的好壞，由這三個區(qū)域的比例而定個區(qū)域剪切唇。試樣塑性的好壞，由這三個區(qū)域的比例而定 。 材料物理性能-斷裂 第34頁/共68頁

14、 在第二相質(zhì)點形成微孔在第二相質(zhì)點形成微孔 微孔不斷長大集合形成顯微裂紋微孔不斷長大集合形成顯微裂紋 新微孔形核、長大、聚合與原裂紋連接，裂紋向前擴(kuò)展新微孔形核、長大、聚合與原裂紋連接，裂紋向前擴(kuò)展 裂紋的不斷擴(kuò)展形成纖維區(qū)（韌窩）裂紋的不斷擴(kuò)展形成纖維區(qū)（韌窩） 材料物理性能-斷裂 第35頁/共68頁 n 影響這三個區(qū)比例的主要因素是材料強度和試影響這三個區(qū)比例的主要因素是材料強度和試 驗溫度。驗溫度。 材料物理性能-斷裂 第36頁/共68頁 韌性斷裂其收縮率大于韌性斷裂其收縮率大于5%。 材料物理性能-斷裂 第37頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 較典型的解理斷口形貌如a 所示，在解理斷口

15、上存在 有許多臺階。在解理裂紋 擴(kuò)展過程中，臺階相互匯 合形成河流花樣，這是解 理斷裂的重要特征。 準(zhǔn)解理斷口的形貌特征見 圖b，準(zhǔn)解理斷口與解理斷 口有所不同，其斷口中有 許多彎曲的撕裂棱，河流 花樣由點狀裂紋源向四周 放射。 沿晶斷口特征是晶粒表面 形貌組成的冰糖狀花樣， 見圖c。 韌窩斷口的形貌如圖d所示 ，在斷口上分布著許多微 坑，在一些微坑的底部可 以觀察到夾雜物或第二相 粒子 第38頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第39頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第40頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第41頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第42頁/共68頁 如用實際晶體的如用實際晶體的

16、E，a。，。，值代入式值代入式(5)計算計算 ，例如鐵，例如鐵，E=2105 MPa,a0=2.510-10 m， =2 J/m2, 則則m4104 MPaE/5。 高強度鋼，其強度只相當(dāng)于高強度鋼，其強度只相當(dāng)于E/100，相差，相差20倍倍 。 在實際晶體中必有某種缺陷在實際晶體中必有某種缺陷,使其斷裂強度降使其斷裂強度降 低。低。 材料物理性能-斷裂 第43頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第44頁/共68頁 格里菲斯裂紋模型格里菲斯裂紋模型 材料物理性能-斷裂 第45頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第46頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第47頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第48

17、頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第49頁/共68頁 Griffith-Orowan-IrwinGriffith-Orowan-Irwin公式公式 實際金屬材料在紋尖端處發(fā)生塑性變形，需要塑性變形功實際金屬材料在紋尖端處發(fā)生塑性變形，需要塑性變形功 WpWp，WpWp的數(shù)值往往比表面能大幾個量級，是裂紋擴(kuò)展需要克的數(shù)值往往比表面能大幾個量級，是裂紋擴(kuò)展需要克 服的主要阻力。因而，需要修正為服的主要阻力。因而，需要修正為: : c c=E=E（2+Wp2+Wp）/a /a 1/2 1/2 (5-17) (5-17) 這就是這就是Griffith-Orowan-IrwinGriffith-Orow

18、an-Irwin公式。公式。 需要強調(diào)的是，需要強調(diào)的是，GriffithGriffith理論的前提是材料中已存在著裂紋，理論的前提是材料中已存在著裂紋， 但不涉及裂紋來源。但不涉及裂紋來源。 材料物理性能-斷裂 第50頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第51頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第52頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第53頁/共68頁 第54頁/共68頁 目前目前, , 快速剪切裂開的認(rèn)識還不夠深入，但知道應(yīng)快速剪切裂開的認(rèn)識還不夠深入，但知道應(yīng) 變強化指數(shù)低的材料容易產(chǎn)生剪切裂開。這是因變強化指數(shù)低的材料容易產(chǎn)生剪切裂開。這是因 為應(yīng)變強化阻礙已滑移區(qū)的進(jìn)一步滑移，使滑移為應(yīng)

19、變強化阻礙已滑移區(qū)的進(jìn)一步滑移，使滑移 均勻，不易產(chǎn)生局部的剪切變形。此外均勻，不易產(chǎn)生局部的剪切變形。此外, ,多向拉應(yīng)多向拉應(yīng) 力促使材料處于脆性狀態(tài)，也容易產(chǎn)生剪切斷開力促使材料處于脆性狀態(tài)，也容易產(chǎn)生剪切斷開 。 材料物理性能-斷裂 第55頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第56頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第57頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第58頁/共68頁 0 0 三向不等 拉伸 2 s K sk = s 材料物理性能-斷裂 第59頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第60頁/共68頁 0 0 qs s c notch no notch Stress Temperature 材料物理性能-斷裂 第61頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第62頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第63頁/共68頁 材料物理性能-斷裂 第64頁/共68頁 合金元素的影響比較復(fù)雜，鎳、錳以固溶狀態(tài)存合金元素的影響比較復(fù)雜，鎳、錳以固溶狀態(tài)存 在，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度，這可能與下列因素有關(guān)，在，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度，這可能與下列因素有關(guān)， 提高了裂紋表面能；提高了裂紋表面能； 氮、碳等原子被吸收到氮、碳等原子被吸收到NiNi、MnMn所造成的局部畸變所造成的局部畸變 區(qū)中去，減少了它們對位錯運動的釘扎作用