第三章-材料的斷裂課件

1、第三章材料的斷裂一、斷裂概述二、斷裂機理三、斷裂韌度斷裂 ：固體材料在力的作用下變形超過其塑性極限而呈現(xiàn)完全分開的狀態(tài)稱為斷裂材料受力時，原子相對位置發(fā)生了改變，當(dāng)局部變形量超過一定限度時，原于間結(jié)合力遭受破壞，使其出現(xiàn)了裂紋，裂紋經(jīng)過擴展而使金屬斷開。材料的斷裂是力對材料作用的最終結(jié)果，它意味著材料的徹底失效因材料斷裂與其他失效方式（如磨損、腐蝕等）相比危害性最大，可能出現(xiàn)災(zāi)難性的后果因此，研究材料斷裂的宏觀與微觀特征、斷裂機理、斷裂的力學(xué)條件，以及影響材料斷裂的各種因素不僅具有重要的科學(xué)意義，而且也有很大的實用價值一、斷裂概述現(xiàn)象：扁擔(dān)從彈性變形到塑性變形，再到斷裂 飛機發(fā)動機渦輪葉片從損

2、傷到斷裂斷裂遠比彈塑性失穩(wěn)、磨損、腐蝕等，更具有危險性! 金屬塑性的好壞表明了它抑制斷裂能力的高低。在塑性加工生產(chǎn)中，尤其對塑性較差的材料，斷裂常常是引起人們極為關(guān)注的問題。加工材料的表面和內(nèi)部的裂紋，以至整體性的破壞皆會使成品率和生產(chǎn)率大大降低。為此，有必要了解斷裂的物理本質(zhì)及其規(guī)律，有效地防止斷裂，盡可能地發(fā)揮金屬材料的潛在塑性。 斷裂是機械和工程構(gòu)件失效的主要形式之一。 其它失效形式：如彈塑性失穩(wěn)、磨損、腐蝕等。 斷裂是材料的一種十分復(fù)雜的行為，在不同的力 學(xué)、物理和化學(xué)環(huán)境下，會有不同的斷裂形式。 研究斷裂的主要目的：防止斷裂，以保證構(gòu)件在服役 過程中的安全。 1、斷裂的類型（一）、斷

3、裂分類 按照斷裂性態(tài)分：斷裂分為脆性斷裂與韌性斷裂； 按照裂紋擴展途徑分：穿晶斷裂和沿晶（晶界） 斷裂； 按照微觀斷裂機理分：解理斷裂、微孔聚合斷裂和 剪切斷裂； 按作用力的性質(zhì)分:正斷和切斷（二）關(guān)于各種斷裂 韌性斷裂與脆性斷裂 最常用，直接表明材料的韌、脆性。韌性斷裂：是材料斷裂前及斷裂過程中產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂過程韌性斷裂的特點：韌性斷裂時一般裂紋擴展過程較慢，而且要消耗大量塑性變形能韌性斷裂的斷口用肉眼或放大鏡觀察時，往往呈暗灰色、纖維狀纖維狀是變形過程中微裂紋不斷擴展和相互連接造成的，而灰暗色則是纖維斷口表面對光反射能力很弱所致。不易造成重大事故，易被人察覺 一些塑性較好的金屬

4、材料及高分子材料在室溫下的靜拉伸斷裂具有典型的韌性斷裂特征脆性斷裂：是材料斷裂前基本上不產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，沒有明顯預(yù)兆，往往表現(xiàn)為突然發(fā)生的快速斷裂過程脆性斷裂的特點：因為沒有明顯的預(yù)兆，所以脆性斷裂具有很大的危險性脆性斷裂的斷口一般與正應(yīng)力垂直，宏觀上比較齊平光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀裂紋擴展速度大，往往受到的應(yīng)力低于設(shè)計要求的許用應(yīng)力一般淬火鋼、灰鑄鐵、陶瓷、玻璃等脆性材料的斷裂過程的斷口常具有上述特征 穿晶斷裂與沿晶斷裂 穿晶斷裂可以是韌性斷裂，也可以是脆性斷裂。如常用金屬材料在常溫下發(fā)生韌性穿晶斷裂，低溫下發(fā)生脆性穿晶斷裂。 沿晶斷裂則多數(shù)為脆性斷裂沿晶斷裂是晶界上的一薄層連續(xù)或不

5、連續(xù)的脆性第二相、夾雜物等破壞了材料的連續(xù)性造成的，也可能是雜質(zhì)元素向晶界偏聚引起，是晶界結(jié)合力較弱的一種表現(xiàn)。應(yīng)力腐蝕、氫脆、回火脆性、淬火裂紋等都是沿晶斷裂。共價鍵陶瓷晶界較弱，斷裂方式主要是晶界斷裂離子鍵晶體的斷裂往往具有以穿晶解理為主的特征 剪切斷裂、微孔聚合斷裂與解理斷裂 剪切斷裂、微孔聚合斷裂與解理斷裂按不同的微觀斷裂方式，是材料斷裂的重要微觀機理 剪切斷裂： 剪切斷裂是材料在切應(yīng)力作用下沿滑移面滑移分離而造成的斷裂某些純金屬尤其是單晶體金屬可產(chǎn)生純剪切斷裂，其斷口呈鋒利的楔形，是充分發(fā)揮塑性的韌性斷裂，如低碳鋼拉伸斷口上的剪切唇。但實際工程材料中很少見。 微孔聚合型斷裂：剪切斷裂

6、的另一種形式為微孔聚集型斷裂，其斷口在宏觀上常呈現(xiàn)暗灰色、纖維狀，微觀斷口特征花樣則是斷口上分布大量“韌窩”。是通過微孔形核、長大、聚合而導(dǎo)致的斷裂，屬于比較典型的韌性斷裂，常用金屬材料大多屬于此類。 解理斷裂： 在正應(yīng)力作用下，由于原子間結(jié)合鍵的破壞而引起的沿特定晶體學(xué)平面發(fā)生分離而導(dǎo)致斷裂。類似大理石斷裂，故叫解理斷裂。這種晶面稱為解理面屬于典型的脆斷，多發(fā)生在陶瓷、玻璃以及低溫下的金屬中。脆性穿晶斷裂一般為解理斷裂解理裂紋的擴展往往是沿著晶面指數(shù)相同的一族相互平行，但位于“不同高度”的晶面進行的不同高度的解理面之間存在臺階，眾多臺階的匯合便形成河流花樣 正斷和切斷正斷：正應(yīng)力引起切斷：切

7、應(yīng)力引起正斷與剪斷的宏觀與微觀形式 2、斷裂強度（一）理論斷裂強度 理論斷裂強度是指完整晶體在正應(yīng)力作用下沿其一晶面拉斷的強度，如圖所示。 此強度就是兩相鄰原子面在拉應(yīng)力作用下克服原子間鍵合力作用，使原子面分開的應(yīng)力。材料的理論結(jié)合強度，應(yīng)從原子間的結(jié)合力入 手，只有克服了原子間的結(jié)合力，材料才能斷裂。原子間作用力隨原間距的變化曲線平衡位置原子間作用力最大達到破壞由外力抵抗原子間結(jié)合力所做的功等于產(chǎn)生斷裂新表面的表面能，可以求得理論斷裂強度為： 式中 a斷裂面間的原子間距； g表面能； E彈性模量。 理論斷裂強度只與彈性模量、表面能和晶格間距等材料常數(shù)有關(guān)對于鐵，可以估算理論斷裂強度mE/10

8、。目前強度最高的鋼材為4500MPa左右，即實際材料的斷裂強度比其理論值低13個數(shù)量級。只有毫無缺陷的晶須才能近似達到理論斷裂強度。原因：大多數(shù)材料都是在較低的應(yīng)力水平下首先發(fā)生塑性變形，最后因這種不可逆的損傷的積累而破壞，塑性較好的金屬就屬于這種。實際的材料不是完整的晶體，存在晶界、位錯、空穴等材料缺陷和擦傷、碰傷等加工缺陷。這些缺陷將在較低的應(yīng)力水平上發(fā)展成裂紋并長大，最終導(dǎo)致斷裂。而且缺陷會引起應(yīng)力集中，對斷裂的影響也是不容忽視的。金屬結(jié)晶是緊密的，并不是先天性地就含有裂紋。金屬中含有裂紋來自兩方面：一：在制造工藝過程中產(chǎn)生，如鍛壓和焊接等；二：在受力時由于塑性變形不均勻，當(dāng)變形受到阻礙

9、(如晶界、第二相等)產(chǎn)生了很大的應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中達到理論斷裂強度，而材料又不能通過塑性變形使應(yīng)力松弛，這樣便開始萌生裂紋。 為了解決裂紋體的斷裂強度問題，Griffith在1921年從能量平衡的觀點出發(fā)，首先研究了含裂紋的玻璃強度，提出了這樣的設(shè)想：由于材料中已有現(xiàn)成裂紋存在，在裂紋尖端會引起強大的應(yīng)力集中。在外加平均應(yīng)力小于理論斷裂強度時，裂紋尖端已達到理論斷裂強度，因而引起裂紋的急劇擴展，使實際斷裂強度大為降低。并得出斷裂應(yīng)力和裂紋尺寸的關(guān)系：c=(2E/a)1/2 c是含裂紋板材的實際斷裂強度，它與裂紋半長的平方根成反比格里菲斯公式（二）Griffith理論試驗證據(jù)：1）Griffi

10、th發(fā)現(xiàn)剛拉制玻璃棒的彎曲強度為6GPa；而在空氣中放置幾小時后強度下降為成0.4GPa。其原因是由于大氣腐蝕形成了表面裂紋。2) 有人把石英玻璃纖維分割成幾段不同的長度，測其強度時發(fā)現(xiàn)，長度為12cm時，強度為275MPa；長度為0.6cm時，強度可達760MPa。這是由于試件長，含有危險裂紋的機會就多。Griffith成功解釋了材料實際斷裂強度遠低于理論強度的原因，說明了脆性斷裂的本質(zhì)：微裂紋擴展，且與實驗相符。這一理論應(yīng)用于玻璃等脆性材料上取得了很大成功，但用于金屬和非晶體聚合物時遇到了新的問題。對金屬材料等韌性較好的材料，裂紋尖端的應(yīng)力集中一旦超過屈服強度，將會借微區(qū)塑性變形而使裂紋局

11、部應(yīng)力松弛下來。裂紋擴展功主要耗費在塑性變形（塑性變形功Wp，大約是表面能的1000倍）上，金屬和陶瓷的斷裂過程的主要區(qū)別也在這里。Griffith-Orowan-Irwin公式斷口分析是重要的分析手段。 宏觀斷口 : 用肉眼或放大鏡觀察到的斷口形貌3、斷口分析 微觀斷口: 借助于掃描電鏡或其它分析手段來研究 的斷口形貌韌斷前有明顯的頸縮，斷裂前有大量的塑性變形。上下斷口分別呈杯狀和錐狀，合稱為杯錐狀斷口。斷口上分三個典型的區(qū)域：纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇斷口三要素。纖維區(qū)F：位于斷口中央，呈粗糙的纖維狀。與拉力軸垂直，裂紋首先在該區(qū)域形成；顏色灰暗，表面有較大的起伏，如山脊狀，表明裂紋在該區(qū)擴展

12、時伴有較大的塑性變形，裂紋擴展也較慢；放射區(qū)R：緊挨著纖維區(qū)。表面較光亮平坦，有較細的放射狀條紋，放射線發(fā)散方向為裂紋擴展方向，裂紋在該區(qū)擴展較快，塑性變形量小，表現(xiàn)為脆性斷裂部分；剪切唇S：接近試樣邊緣。應(yīng)力狀態(tài)為平面應(yīng)力狀態(tài)，最后沿著與拉力軸向成40-50，裂紋失穩(wěn)擴展，塑性變形量較大，韌斷區(qū)。表面粗糙發(fā)深灰色。三區(qū)域的大小、形態(tài)隨試樣和實驗條件而變化。放射區(qū)較大，則材料的塑性低（該區(qū)是裂紋快速擴展部分，伴隨的塑性變形也?。?。塑性好的材料，必然表現(xiàn)為纖維區(qū)和剪切唇占很大比例，甚至中間的輻射區(qū)可以消失。脆性材料纖維區(qū)很小，剪切唇幾乎沒有。 塑性材料 脆性材料材料尺寸加大，放射區(qū)明顯增大，纖維

13、區(qū)變化不大；試樣表面存在缺口，各區(qū)比例變化，而且裂紋將在缺口處產(chǎn)生。 斷裂過程： 裂紋萌生：力的作用下，材料內(nèi)部斷裂 某些薄弱區(qū)域產(chǎn)生微小 裂紋，作為核心。 裂紋擴展：已形核的或者原先存在 的裂紋在力的作用下擴 張、長大的過程。 二、斷裂機理金屬發(fā)生斷裂，先要形成微裂紋。這些微裂紋主要來自兩個方面： 一是材料內(nèi)部原有的，如實際金屬材料內(nèi)部的氣孔、夾雜、微裂紋等缺陷； 二是在塑性變形過程中，由于位錯的運動和塞積等原因而使裂紋形核。隨著變形的發(fā)展導(dǎo)致裂紋不斷長大，當(dāng)裂紋長大到一定尺寸后，便失穩(wěn)擴展，直至最終斷裂。穩(wěn)態(tài)擴展：從微小裂紋擴展到臨界尺寸，較為緩慢 韌性較好的材料或承受的壓力的材料存 在較

14、長的穩(wěn)態(tài)擴展階段失穩(wěn)擴展：臨界尺寸的裂紋快速擴展到最終斷裂 脆性材料或者加載速度較快的材料穩(wěn)態(tài) 擴展階段較短，主要是失穩(wěn)擴展階段一、斷裂分類按照斷裂性態(tài)分：斷裂分為脆性斷裂與韌性斷裂；按照裂紋擴展途徑分：穿晶斷裂和沿晶（晶界） 斷裂；按照微觀斷裂機理分：解理斷裂、微孔聚合斷裂和 剪切斷裂；按作用力的性質(zhì)分:正斷和切斷1、韌斷 脆斷2、沿晶斷裂 大多是脆斷，晶界結(jié)合力 穿晶斷裂 可能是韌斷，可能是脆斷（解理斷裂）3、剪切斷裂 韌斷 微孔聚合型斷裂 韌斷 解理斷裂 脆斷4、正斷 切斷二、斷口分析斷口上分三個典型的區(qū)域：纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇斷口三要素。三區(qū)域的大小、形態(tài)隨試樣和實驗條件而變化。放射

15、區(qū)較大，則材料的塑性低（該區(qū)是裂紋快速擴展部分，伴隨的塑性變形也?。Ｋ苄院玫牟牧?，必然表現(xiàn)為纖維區(qū)和剪切唇占很大比例，甚至中間的輻射區(qū)可以消失。脆性材料纖維區(qū)很小，剪切唇幾乎沒有。 塑性材料 脆性材料脆性斷裂 韌性斷裂 1解理斷裂 2沿晶斷裂1變溫引起的韌-脆轉(zhuǎn)變 2環(huán)境引起的韌-脆轉(zhuǎn)變 3影響韌脆轉(zhuǎn)變的因素 脆性-韌性轉(zhuǎn)變 1韌性斷口 2微孔成核、長大和聚合 3影響韌性斷裂擴展的因素 3.2 斷裂過程及機制1、脆性斷裂脆性斷裂的宏觀特征：斷裂前沒有明顯的塑性變形，直接由彈性變形狀態(tài)過渡到斷裂，裂紋的擴展速度往往很快，接近音速。斷裂面和拉伸軸接近正交，斷口平齊。 根據(jù)斷裂前金屬是否呈現(xiàn)有明顯

16、的塑性變形，可將斷裂分為韌性斷裂與脆性斷裂兩大類。通常以單向拉伸時的斷面收縮率大于5%者為韌性斷裂，而小于5%者為脆性斷裂。脆性斷裂前無明顯的征兆可尋，且斷裂是突然發(fā)生的，往往引起嚴重的后果。因此，需要防止脆斷。在單晶體試樣中常表現(xiàn)為沿解理面的解理斷裂。 在多晶體試樣中則可能出現(xiàn)兩種情況： 一是裂紋沿解理面橫穿晶粒的穿晶斷裂，斷口可以看到解理亮面；若晶粒較粗，則可以看到許多強烈反光的小平面(或稱刻面)，這些小平面就是解理面或晶界面，可叫做晶狀斷口。 二是裂紋沿晶界的晶間斷裂，斷口呈顆粒狀。脆性斷裂的微觀機制：解理斷裂和沿晶斷裂（一）解理斷裂解理斷裂：材料在拉應(yīng)力的作用下，由于原于間結(jié)合鍵遭到破

17、壞，嚴格地沿一定的結(jié)晶學(xué)平面(即“解理面”)劈開的過程。通常，解理斷裂總是脆性斷裂，但有時在解理斷裂前也顯示一定的塑性變形，所以解理斷裂和脆性斷裂不是同義詞，前者指的是斷裂機理，后者則指斷裂的宏觀形貌。解理斷裂常見于體心立方和密排六方金屬中。當(dāng)處于低溫，或者應(yīng)變速率較高，或者是有三向拉應(yīng)力狀態(tài)，都能促使解理斷裂，在宏觀上表現(xiàn)為脆性斷裂。解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指數(shù)的晶面。解理斷裂中裂紋萌生理論都有一個共同點：在材料內(nèi)部存在強阻礙，阻止位錯滑移，造成不均勻塑性變形，從而導(dǎo)致高應(yīng)力集中并誘發(fā)微裂紋形核。位錯塞積理論 位錯反應(yīng)理論 （1）裂紋形核位錯塞積理論位錯在運動過程中，遇到了障

18、礙（如晶界、相界面等）而被塞積，在位錯塞積群前端就會引起應(yīng)力集中。塞積位錯越多，應(yīng)力集中程度越大。當(dāng)此應(yīng)力大于界面結(jié)合力或脆性第二相或夾雜物本身的結(jié)合力時，就會在界面或脆性相中形成裂紋核。位錯反應(yīng)理論在相交的滑移面上，由于位錯反應(yīng)發(fā)生了同號位錯的聚合，便形成了微裂紋。（2）裂紋擴展解理裂紋通過兩種基本方式擴展解理方式，速度很快。裂紋前端存在微裂紋或微孔，通過塑性撕裂方式互相連接，開始很慢，達到臨界狀態(tài)后迅速擴展。微觀上是韌性的，宏觀上是脆性的。（3）解理斷裂的形貌特征解理斷裂是沿特定晶面發(fā)生的脆性穿晶斷裂，所以解理斷口的宏觀形貌：較為平坦的、發(fā)亮的結(jié)晶狀斷面。解理斷裂實際上不是沿單一的晶面，而

19、是由許多大致相當(dāng)于晶粒大小的晶面(均為解理面)解理而引起的。因為各個晶粒取向不同，所以斷口呈現(xiàn)發(fā)光的結(jié)晶狀。在解理刻面內(nèi)部只從一個解理面發(fā)生解理破壞實際很少。多數(shù)情況下，裂紋要跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面，從而在不同高度上的平行解理面之間形成了所謂的解理臺階。河流花樣是解理臺階的一種標志。河流花樣和舌狀花樣是解理斷裂的兩種基本微觀特征。解理斷烈的微觀特征之一：河流狀花樣河流狀花樣是由解理臺階的側(cè)面匯合而形成的。斷裂過程中，臺階合并是一個逐步的過程。許多較小的支流到下游又匯合成較大的主流。所以河流的流向(一些支流的匯合方向)即為裂紋擴展方向，當(dāng)河流遇到大角晶界時，由于晶界兩側(cè)晶粒的

20、解理面取向不同，解理裂紋不能沿原始位向跨越晶界，而需重新形核，致使相鄰晶粒的河流花樣劇增。如果遇到小角晶界、亞晶界時，河流可連續(xù)穿過晶界，不發(fā)生激增。裂紋多萌生于晶界或亞晶界。解理斷裂的另一個微觀特征：舌狀花樣它是解理裂紋沿孿晶界擴展，越過孿晶后再在解理面擴展，形成舌狀凸臺。這種斷口形貌常見于馬氏體回火鋼中，或組織為貝氏體的鋼中，宏觀上屬于脆性斷裂。準解理斷裂：由于回火后碳化物質(zhì)點的作用，當(dāng)裂紋在晶內(nèi)擴展時，難以嚴格地沿一定晶面擴展其微觀形態(tài)特征，似解理河流但又非真正解理，故稱為準解理準解理與解理的不同點是：準解理小平面不是晶體學(xué)解理面真正解理裂紋常源于晶界，而準解理裂紋則常源于晶內(nèi)硬質(zhì)點，形

21、成從晶內(nèi)某點發(fā)源的放射狀河流花樣準解理不是一種獨立的斷裂機理，而是解理斷裂的變種（4）準解理斷裂與解理斷裂有相同的解理面，也有河流花樣。區(qū)別：1)主裂紋的走向不太清晰，河流花樣源已不十分明顯（主裂紋前方常產(chǎn)生許多二次裂紋，這些二次裂紋彼此連接或與主裂紋相連）2)在晶粒內(nèi)部有許多短而彎曲的撕裂棱。3)裂紋多萌生于晶粒內(nèi)部，裂紋的擴展從解理臺階逐漸過渡向撕裂棱。 準解理裂紋常起源于晶內(nèi)硬質(zhì)點，向四周放射狀地擴展（解理裂紋則自晶界一側(cè)向另一側(cè)延伸）；準解理斷口上局部區(qū)域出現(xiàn)韌窩，是解理與微孔聚合的混合型斷裂。準解理斷裂的主要機制仍是解理，其宏觀表現(xiàn)是脆性。 當(dāng)晶界成為組織中最薄弱的部位時，那么在解理

22、或滑移前就會發(fā)生晶界開裂，多數(shù)晶界開裂形成的微裂紋互相連接就導(dǎo)致了沿晶斷裂。沿晶斷裂是裂紋沿晶界擴展的一種脆性斷裂。（二）沿晶斷裂沿晶斷裂的斷口形貌沿晶斷裂特點：在斷面上可看到晶粒輪廓線或多邊體晶粒的截面圖，如圖示。沿晶斷裂成因：晶粒邊界的結(jié)合強度遠比晶內(nèi)要低，脆性裂紋就會擇優(yōu)在晶界形核，并沿晶界擴展。晶界存在連續(xù)分布的脆性第二相、夾雜物，破壞了晶界的連續(xù)性。如高碳鋼或鑄鐵，晶界上有網(wǎng)狀碳化物。 雜質(zhì)元素在晶界上偏聚，降低晶界結(jié)合強度。由于環(huán)境介質(zhì)的作用損害了晶界，如氫脆、應(yīng)力腐 蝕、應(yīng)力和高溫的復(fù)合作用在晶界造成損傷。 舉例：鋼的高溫回火脆性微量有害元素P,Sb,As,Sn等偏聚于晶界，降低

23、了晶界原子間的結(jié)合力，從而大大降低了裂紋沿晶界擴展的抗力，導(dǎo)致沿晶斷裂。沿晶（晶界）斷裂的斷口形貌一般呈冰糖狀，但如果晶粒很小，肉眼無法辨認出冰糖狀形貌，此時判斷端口一般呈結(jié)晶狀，顏色較明亮，但比純脆性斷口要灰暗點，因為他們沒有反光能力的小平面。2、韌性斷裂韌性斷裂在斷裂前金屬經(jīng)受了較大的塑性變形，其斷口呈纖維狀，灰暗無光。韌性斷裂主要是微孔聚合斷裂。如果是單晶體，可能是純剪切斷裂。 韌性斷裂的過程是： “微孔形核微孔長大微孔聚合”（一）韌性斷裂的過程（1）微孔成核實際金屬中總有第二相粒子存在，它們是微孔成核的源。很脆的夾雜物本身堅實，與基體結(jié)合牢固的強化相在不大的應(yīng)力作用下，夾雜物粒子便與基

24、體脫開，或本身裂開而成為微孔是位錯塞積引起的應(yīng)力集中或在高應(yīng)變條件下，第二相與基體塑性變形不協(xié)調(diào)而萌生微孔的。第二相粒子如鋼中的硫化物如鋼中的碳化物（2）微孔長大 位錯源不斷激發(fā)新的位錯，新的位錯并入微孔，微孔就不斷長大 若干位錯合并成微孔，圖 (d) 領(lǐng)先的位錯環(huán)向界面推進，圖(c) 位錯在質(zhì)點兩邊塞積起來，與質(zhì)點內(nèi)的鏡像力相平衡，圖 (b) 位錯線運動遇到第二相質(zhì)點時，在其周圍形成位錯環(huán)，圖 (a) 位錯長大模型（3）微孔聚合 裂紋尖端與微孔、微孔與微孔間產(chǎn)生局部滑移 局部變形量大，產(chǎn)生了快速剪切裂開。微孔聚合速度快，消耗的能量也較少，所以韌性差。 正常聚合 過程在較大應(yīng)力下，微孔繼續(xù)長大

25、，直至其邊緣連在一起，聚合成裂紋。 變形均勻的，速度較慢，消耗的能量較多，韌性較好?；w的形變強化指數(shù)越高，微孔長大直至聚合的過程越慢，韌性越好。 特點當(dāng)拉伸載荷達到最大值時，試樣發(fā)生頸縮。在頸縮區(qū)形成三向拉應(yīng)力狀態(tài)，且在試樣的心部軸向應(yīng)力最大。在三向應(yīng)力的作用下，使得試樣心部的夾雜物或第二相質(zhì)點破裂，或者夾雜物或第二相質(zhì)點與基體界面脫離結(jié)合而形成微孔。增大外力，微孔在縱向與橫向均長大；微孔不斷長大并發(fā)生聯(lián)接而形成大的中心空腔。最后，沿450方向切斷，形成杯錐狀斷口?？斩葱魏恕㈤L大并連接就導(dǎo)致韌斷，在斷口上就顯示出韌窩結(jié)構(gòu) 一般說來，韌窩斷口是韌斷的標志，但也有例外。例如A1-Fe-Mo以及含

26、SiC的A1合金，斷裂應(yīng)變很小，屬于脆斷，但微觀斷口由韌窩構(gòu)成。 （二）韌性斷口形貌杯錐狀斷口光滑圓柱拉伸試樣 放射區(qū) 纖維區(qū) 剪切唇 斷口宏觀特征韌性斷裂的微觀特征： 韌窩形貌 斷口由許多凹進或凸出的微坑組成。在微坑中可以發(fā)現(xiàn)有第二相粒子。 韌窩的形狀因應(yīng)力狀態(tài)而異：正應(yīng)力作用：韌窩是等軸形；扭轉(zhuǎn)載荷作用：韌窩被拉長為橢圓形由于孔洞主要是在夾雜顆粒處產(chǎn)生的，所以韌窩底部常殘留有夾雜物顆粒。韌窩的形狀取決于應(yīng)力狀態(tài)韌窩的大小和深淺取決于第二相的數(shù)量分布以及基體的塑性變形能力。第二相較少、均勻分布以及基體的塑性變形能力強，則韌窩大而深；基體的加工硬化能力很強，則得到大而淺的韌窩。 （三）影響韌性

27、斷裂的因素 第二相粒子隨第二相體積分數(shù)的增加，鋼的韌性都下降，硫化物比碳化物對鋼的塑性下降的的影響要明顯得多。同時碳化物形狀也對斷裂應(yīng)變有很大影響，球狀的要比片狀的好得多。 基體的形變強化基體的形變強化指數(shù)越大，塑性變形后的強化越強烈，變形更均勻。微孔長大后的聚合，將按正常模式進行，韌性好。相反地，如果基體的形變強化指數(shù)小，變形容易局部化，較易出現(xiàn)快速剪切裂開，韌性低。 （四）韌性斷裂的特點韌性斷裂前已發(fā)生了較大的塑性變形，斷裂時要消耗相當(dāng)多的能量，所以韌性斷裂是一種高能量的吸收過程；在小裂紋不斷擴大和聚合過程中，又有新裂紋不斷產(chǎn)生，所以韌性斷裂通常表現(xiàn)為多斷裂源；韌性斷裂的裂紋擴展的臨界應(yīng)力

28、大于裂紋形核的臨界應(yīng)力，所以韌性斷裂是個緩慢的撕裂過程；隨著變形的不斷進行裂紋不斷生成、擴展和集聚，變形一旦停止，裂紋的擴展也將隨著停止。工程上總是希望構(gòu)件在韌性狀態(tài)下工作，避免危險的脆性斷裂。構(gòu)件或材料是韌性或脆性狀態(tài)，取決于： 材料本身的組織結(jié)構(gòu) 應(yīng)力狀態(tài)、溫度、加載速率等因素 并不是固定不變而是可以互相轉(zhuǎn)化的3、脆性韌性轉(zhuǎn)變體心立方金屬及合金或某些密排六方晶體金屬及合金，尤其是工程上常用的中、低強度結(jié)構(gòu)鋼，當(dāng)試驗溫度低于某一溫度tc時，材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集變?yōu)榇┚Ы饫?，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀，這就是低溫脆性，又稱韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象轉(zhuǎn)變溫度tc稱

29、為韌脆轉(zhuǎn)變溫度或冷脆轉(zhuǎn)變溫度面心立方金屬及合金一般沒有低溫脆性現(xiàn)象系列沖擊試驗可以評定材料的低溫脆性（一）韌脆轉(zhuǎn)化現(xiàn)象沖擊試樣沖斷后，其斷口形貌如圖所示如同拉伸試驗一樣，沖擊試樣斷口也有纖維區(qū)、放射區(qū)（結(jié)晶區(qū)）和剪切唇幾部分。靠近根部的是腳跟形纖維狀區(qū)，它是開裂的起始區(qū)域；中間部位為結(jié)晶區(qū)，是裂紋快速擴展區(qū)，此區(qū)越大，脆性就越大；底部和邊緣為最后斷裂的剪切唇。在不同試驗溫度下，3個區(qū)之間的相對面積是不同的溫度越低，纖維面積越小，結(jié)晶區(qū)面積增大，材料由韌變脆。韌脆轉(zhuǎn)變溫度反映了溫度對韌脆性的影響，可以估計材料的最低使用溫度，與Ak，NSR等一樣，都是安全性指標。Tc可用于抗脆斷設(shè)計，但不能直接用

30、來設(shè)計計算機件的承載能力或截面尺寸。機件工作的最低溫度必須高于Tc，兩者相差越大越好。 需要測量Tc含錳1.39%的低碳鋼在-10010范圍內(nèi)的系列沖擊試驗結(jié)果（二）韌脆轉(zhuǎn)化溫度評價方法系列沖擊試驗結(jié)果表明溫度降低，沖擊值迅速下降。溫度到-25 時，沖擊值下降一半，處于韌性向脆性轉(zhuǎn)變的過渡狀態(tài)。溫度降到-60 時，沖擊值非常低，為完全的脆性狀態(tài)。但是不會發(fā)生突變，而是在一段時間范圍內(nèi)逐漸改變。有多種方法可以定義韌脆轉(zhuǎn)變溫度（1）當(dāng)?shù)陀谀骋粶囟炔牧衔盏臎_擊能量基本不隨溫度而變化，形成一平臺，該能量稱為“低階能”以低階能開始上升的溫度定義tc，并記為NDT，稱為無塑性或者零塑性轉(zhuǎn)變溫度。這是最嚴

31、格定義tc的方法。NDT以下，斷口由100%結(jié)晶區(qū)組成。（2）高于某一溫度材料吸收的能量也基本不變，形成一個上平臺，稱為“高階能”以高階能對應(yīng)的溫度為tc，記為 FTP 。這是最保守定義tc的方法。FTP以上，斷口為100%的纖維區(qū).（3）以低階能和高階能平均值對應(yīng)的溫度定義，并記為FTE（4）以Akv=20.3Nm對應(yīng)的溫度定義tc ，記為V15TT。這一規(guī)定主要針對船用鋼板，是根據(jù)大量實踐經(jīng)驗總結(jié)出來的。實踐表明，低碳鋼船用鋼板服役時，若沖擊韌度大于20.3Nm，或在V15TT以上溫度工作就不易發(fā)生脆性斷裂。溫度降低纖維區(qū)面積減小結(jié)晶區(qū)增大。（5）通常取結(jié)晶區(qū)面積占整個斷口面積50時的溫度

32、為tc ，并記為50FATT。50%FATT與斷裂韌度開始急劇降低的溫度有較好的對應(yīng)關(guān)系，所以應(yīng)用廣泛。(1)晶格類型晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對稱性越差，位錯運動時晶格阻力越高，且隨溫度變化越敏感，本質(zhì)上脆性越大。面心立方晶格金屬塑性、韌性好，如銅、鋁、奧氏體鋼，一般不出現(xiàn)解理斷裂而處于韌性狀態(tài)，也沒有韌-脆轉(zhuǎn)變，其韌性可以維持到低溫。為本質(zhì)韌性材料。體心立方晶格金屬，如鐵、鉻、鎢和普通鋼材，韌脆轉(zhuǎn)變受溫度及加載速率的影響很大，在低溫和高加載速率下，它們易發(fā)生孿晶，也容易激發(fā)解理斷裂。為本質(zhì)脆性材料。（三）材料低溫脆性的影響因素(2)成分間隙溶質(zhì)元素含量增加，高階能下降，韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高. 鋼中含碳量

33、增加，塑性變形抗力增加，不僅沖擊韌性降低，而且韌脆轉(zhuǎn)變溫度明顯提高，轉(zhuǎn)變的溫度范圍也加寬。(2)成分鋼中的氧、氮、磷、硫、砷、銻和錫等雜質(zhì)對韌性也不利。這是由于它們偏聚于晶界，降低晶界表面能，產(chǎn)生沿晶脆性斷裂，同時降低脆斷應(yīng)力所致。鎳、錳以固溶狀態(tài)存在，氮、碳等原子被吸收到Ni、Mn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，提高了裂紋表面能，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度；(3)晶粒大小 晶粒細，滑移距離短，在障礙物前塞積的位錯數(shù)目較少，相應(yīng)的應(yīng)力集中較小，而且由于相鄰晶粒取向不同，裂紋越過晶界有轉(zhuǎn)折，需要消耗更多的能量 晶粒細化提高了脆斷強度，有利于發(fā)生延性斷裂，降低韌-脆轉(zhuǎn)變溫度。研究表明

34、，不僅鐵素體晶粒大小與韌脆轉(zhuǎn)變溫度呈線性關(guān)系，而且馬氏體板條束寬度、上貝氏體鐵素體條束寬度、原始奧氏體晶粒尺寸和韌脆轉(zhuǎn)變溫度之間也呈線性關(guān)系。減小亞晶粒和腦狀結(jié)構(gòu)尺寸也能提高材料的韌性（4）顯微組織：鋼中碳化物及夾雜物等第二相對鋼的脆性的影響程度取決于第二相質(zhì)點的大小、形狀、分布、第二相性質(zhì)及其與基體的結(jié)合力等因素。一般第二相尺寸增加，材料的韌性下降。韌脆轉(zhuǎn)化溫度升高。第二相的形狀對材料脆性也有影響，球狀第二相材料的韌性較好。球化處理能改善鋼的韌性（5）加載速度的影響提高加載速率如同降低溫度，使材料脆性增大，韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高。 中、低強度鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度對加載速率比較敏感，而高強度鋼和超高強度

35、鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度則對加載速率的敏感性較小。3.3 非金屬材料的斷裂 自學(xué)三、斷裂韌度斷裂是工程上最危險的失效形式，尤其是脆性斷裂，無明顯征兆，常常引起災(zāi)難性的破壞事故。20世紀50年代，美國發(fā)射北極星導(dǎo)彈，其固體燃料發(fā)動機殼體采用了超高強度鋼，屈服強度達到1400MPa，按照傳統(tǒng)的強度設(shè)計和驗收時，各項性能指標符合要求，設(shè)計時的工作應(yīng)力遠低于屈服強度。但發(fā)射點火不久，就發(fā)生了爆炸。 傳統(tǒng)力學(xué)無法解釋。按傳統(tǒng)的強度設(shè)計方法，只要工作應(yīng)力小于需用應(yīng)力，就認為是安全的了。對塑性材料以屈服強度為標準 ：許用應(yīng)力= S/n n一般取2或更大。對脆性材料，以抗拉強度為標準：許用應(yīng)力= b/n n一般取6因

36、為傳統(tǒng)力學(xué)中把材料看成是均勻的，沒有缺陷沒有裂紋的理想固體，但是實際工程材料，在加工及使用過程中，都會產(chǎn)生宏觀缺陷乃至宏觀裂紋。低應(yīng)力脆斷總是與材料內(nèi)部含有一定尺寸的裂紋相聯(lián)系的。當(dāng)裂紋在給定作用力下擴展到一臨界尺寸時，就會產(chǎn)生破裂。特點：（a）突然性或不可預(yù)見性 （b）低于屈服力，發(fā)生斷裂 （c）由宏觀裂紋擴展引起 斷裂力學(xué)作為對經(jīng)典強度設(shè)計理論的補充，發(fā)展了新的斷裂力學(xué)設(shè)計方法。斷裂力學(xué)是假設(shè)存在固有裂紋，對裂紋體的不均勻分布應(yīng)力場進行分析，提出描述裂紋體應(yīng)力場強的力學(xué)參量和計算方法。從而建立裂紋幾何、材料本身抵抗裂紋擴展能力、裂紋擴展引起結(jié)構(gòu)破壞時的應(yīng)力水平等之間的關(guān)系。斷裂力學(xué)：研究裂

37、紋體的力學(xué)， 引入斷裂韌度。（一）裂紋擴展的基本形式張開型：拉應(yīng)力垂直作用于裂紋擴展面，裂紋沿作用力方向張開，沿裂紋面擴展。 最常見、最危險滑開型：切應(yīng)力平行作用于裂紋面，而且與裂紋線垂直，裂紋沿裂紋面平行滑開擴展，又稱前后剪切性裂紋。齒輪根部沿切線方向的裂紋、受剪力的鉚釘?shù)葘儆诖祟惽闆r。 撕開型：切應(yīng)力平行作用于裂紋面，而且與裂紋面平行，裂紋沿裂紋面撕開擴展，又稱橫向剪切型裂紋。受扭轉(zhuǎn)作用的構(gòu)件裂紋屬于此類。實際裂紋擴展并不局限于這三種形式，往往是它們的組合。在這些不同的裂紋擴展形式中，以張開型裂紋擴展最危險，容易引起脆性斷裂。因此，在研究裂紋體的脆斷時，總是以這種裂紋為對象。（二）應(yīng)力場強

38、度因子K和斷裂韌度KC前面分析缺口試樣的拉伸和彎曲時指出，缺口根部會出現(xiàn)兩向或三向應(yīng)力狀態(tài)，增加材料的脆性。對于型裂紋試樣，其裂紋尖端處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。力學(xué)指出，對于受拉應(yīng)力的裂紋體，沿裂紋線平面上y方向的應(yīng)力y與所研究點到裂紋尖端距離r有如下關(guān)系。r0，則y K應(yīng)力強度因子歐文等人對型裂紋尖端應(yīng)力進行分析，得出裂紋周圍的應(yīng)力場為距離裂紋尖端越近，各應(yīng)力分量越大。裂紋前端為復(fù)雜應(yīng)力，若直接建立裂紋擴展應(yīng)力判據(jù)，十分復(fù)雜。、r一定，則各應(yīng)力分量與K有關(guān)， K越大，則應(yīng)力場各應(yīng)力分量也越大。 K可以表示應(yīng)力場的強弱程度，即之前的應(yīng)力強度因子。K表示型裂紋，同理， K K分別表示為型和型裂紋的應(yīng)力

39、場強度因子。應(yīng)力強度因子K是取決于名義應(yīng)力和裂紋尺寸a的復(fù)合參量。當(dāng)應(yīng)力和裂紋尺寸a增大時，應(yīng)力強度因子也增大，各應(yīng)力分量也隨之增大。當(dāng)增加到臨界值c或者a增大到臨界值ac時， K達到某一臨界值，此時裂紋尖端前沿足夠大的范圍內(nèi)應(yīng)力達到了材料的解理斷裂應(yīng)力，裂紋便失穩(wěn)擴展導(dǎo)致材料斷裂。這個臨界應(yīng)力強度因子便稱為斷裂韌度KC 表征了材料抵抗斷裂的能力。Y裂紋形狀系數(shù)；a裂紋半長K和KC的區(qū)別K和KC是不同的量。 K是受外界條件影響的反映裂紋尖端應(yīng)力場強弱程度的力學(xué)度量。與外加應(yīng)力和裂紋長度有關(guān)。當(dāng)應(yīng)力和裂紋尺寸a增大時，應(yīng)力強度因子K也增大。但它與材料的固有性能無關(guān)。而 KC表征了材料阻止裂紋擴展

40、的能力，是材料本身的特性，只與材料成分、熱處理及加工工藝有關(guān)，而與裂紋本身大小、形狀及外應(yīng)力大小無關(guān)。（三）斷裂判據(jù)（書3.4.5）當(dāng)應(yīng)力場強度因子增大到臨界值KC時，裂紋就失穩(wěn)擴展，構(gòu)件發(fā)生斷裂。所以，裂紋失穩(wěn)擴展脆斷的斷裂判據(jù)可表達為：K= KC C 所以，要保證K KC或 KC,不會發(fā)生斷裂，這種情況叫做破損安全。（四） 斷裂韌性KIc的應(yīng)用斷裂判據(jù)可以直接用于工程設(shè)計中，為結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、安全校核等提供依據(jù)。（1） 確定構(gòu)件的安全性 材料的KIc是已知的，構(gòu)件的形狀一定，Y已知，構(gòu)件的受力也已知，只要通過超聲波探傷測出a，就可以求出K1，然后對KI和KIc進行比較， 若 KI KIc ， 構(gòu)件是安全的， 若 KI KIc ， 構(gòu)件是危險的（2）確定構(gòu)件的承載能力，即計算構(gòu)件的斷裂強度（c） 材料的K1c是已知的，通過超聲波探傷測出a