材料斷裂課件 第三章 工程材料的斷裂

第三章工程材料的斷裂

固體物質(zhì)在力的作用下分成若干部分的現(xiàn)象。斷裂是機械構(gòu)件三大失效形式之一。三大失效形式：斷裂磨損腐蝕3.1斷裂的類型一、從宏觀上分類：→失效分析，判斷受力情況，材料性質(zhì)1．根據(jù)宏觀塑性變形出現(xiàn)與否

類別宏觀塑性變形(微觀塑性變形是有的)吸收能量規(guī)定(拉伸)脆性斷裂無小塑性斷裂有大

≥5%2．根據(jù)斷裂面取向正斷：垂直于Smax或εmax方向發(fā)生斷裂，最終為正應力致裂。脆性斷裂、韌性斷裂?！矫鎽儬顟B(tài)切斷：沿最大切應力方向發(fā)生斷裂，最終為切應力致裂。韌性斷裂?！矫鎽顟B(tài)3．根據(jù)應力大小類別宏觀應力彈性變形塑性變形

歸類低應力斷裂<宏觀、微觀微觀（脆性）脆性斷裂高應力斷裂>宏觀宏觀（韌性、脆性）韌性斷裂脆性斷裂二、從微觀上分類——失效分析——斷裂機制按斷裂機制（擴展機制）分：穿晶斷裂：裂紋穿過晶粒內(nèi)部——脆性斷裂或韌性斷裂沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴展——多數(shù)屬脆性斷裂(少數(shù)韌性斷裂)

穿晶斷裂類型斷裂形貌：如冰糖塊狀、河流（骨狀）花樣、解理臺階+撕裂嶺、韌窩、蛇行滑移、漣波※宏觀，微觀上對斷裂分類，不能一一對應解理斷裂與脆性斷裂→以宏觀塑性變形為依據(jù)。塑性大，韌性高斷裂的不同微觀機制，可以是脆性斷裂，可以是韌性斷裂，取決于耗能大小，解理斷裂不一定是脆性斷裂。3.2斷裂過程包括裂紋的萌生和裂紋的擴展二個過程。1．裂紋的萌生裂紋有兩種類型：原始裂紋：已存在于材料中；在制造過程中產(chǎn)生的；萌生裂紋：加載后產(chǎn)生的；塑性變形或+原始缺陷（空洞夾雜，氣孔等）滑移誘導形核，提出一些位錯形核模型：位錯塞積、位錯反應（雙塞積）。2．裂紋的擴展有如下三種方式脆性材料：陶瓷材料、低溫下（冷脆溫度以下）金屬塑性材料：（拉伸） 低應力斷裂

斷裂性質(zhì) 高應力脆斷（無塑性變形）－脆性材料高應力韌斷（有塑性變形，亞臨界擴展）－韌性材料 低應力斷裂(疲勞和應力腐蝕---亞臨界擴展)

（裂紋→亞臨界擴展→失穩(wěn)擴展）－－－斷裂(2)原始裂紋C0

↑→C0→Cf失穩(wěn)（塑性變形強化）(3)原始裂紋C0 不增加,C0→Cf失穩(wěn)（亞臨界擴展）3．對斷裂本質(zhì)的認識斷裂過程（裂紋擴展）局限于裂紋尖端及其周圍很小體積范圍內(nèi)。相當于小體積成為試樣，原試樣其它部分成為加載系統(tǒng)，平面應力（試樣表面）；平面應變（后試樣內(nèi)部）(2)變形與斷裂是不可分割的，變形是斷裂的前驟，斷裂是變形最后階段和結(jié)果。

臨界狀態(tài)（σf,Cf）=K1c(1)原始裂紋C0 ↑→ C0不變失穩(wěn)3.3影響斷裂的因素切應力——位錯推動力——引起塑性變形(對變形和裂紋萌生、擴展均起作用)正應力：拉應力、壓應力，只有拉應力使裂紋擴展。工業(yè)設計中要求構(gòu)件處于韌性狀態(tài)，而不出現(xiàn)危險的脆性斷裂，材料是否處于脆性狀態(tài)不是絕對的，即不存在本質(zhì)上絕對塑性材料或絕對脆性材料。材料狀態(tài)取決于四個方面：材料本質(zhì) 主要因素應力狀態(tài) 加載方式，機件形狀溫度工況條件加荷速度影響斷裂類型主要因素：1．材料本質(zhì)：極限應力ts（屈服）tk（切斷）Sk（正斷）2．應力狀態(tài) 應力狀態(tài)軟化系數(shù)

松馳方式受力→位錯產(chǎn)生→運動應力集中形變；斷裂裂紋的萌生、擴展塑性變形和斷裂的位錯解釋：塑變：是位錯不斷增殖，并沿整個滑移面運動的過程；斷裂：是位錯不斷聚集和消失的過程。力學狀態(tài)圖（近似估計斷裂類型）從材料本質(zhì)（以拉伸為標準） 韌性材料；脆性材料應力狀態(tài)三區(qū)：α<ts/Sk脆斷，正斷；ts/Sk≤α<tk/Sk

韌斷、正斷；α≥tk/Sk韌斷、切斷溫度和加載速度對斷裂的影響

（Sk近似為常數(shù)）脆性↑應力狀態(tài)：降低。載荷類型→影響；構(gòu)件形狀→愈復雜，截面積變化愈劇烈在一定工況條件下選材：（避免脆性斷裂，使材料處于韌性狀態(tài)） 小采用一定塑性的調(diào)質(zhì)鋼 大用鑄鐵等低塑性材料綜合考慮合理選材。3.4應力集中應力集中產(chǎn)生位置：宏觀：截面改變、缺口處；微觀：裂紋處、晶界、夾雜、第二相處。應力集中產(chǎn)生結(jié)果：（1）改變應力分布，應力狀態(tài)，趨于脆化→降低。

單向拉伸，缺口處處于三向拉伸。(2)使脆性材料弱化、塑性材料強化：

客觀上，相對的，微觀上，塑性區(qū)強化，耗能。(3)有利于裂紋的萌生和擴展。

應力集中系數(shù)

(最大應力與平均應力比值)

無限大板，橢園孔（裂紋長度） （尖端曲率）Kt大小決定于裂紋長度及尖部程度促進材料脆化的因素：(1)內(nèi)因：脆化(2)外因：T↓↓↑→↑脆化 （(應力狀態(tài))↓）脆化

第四章斷裂力學基礎(chǔ)及其在工程中的應用

在實際機件設計中，考慮到缺口（或裂紋）的存在，形成多向應力狀態(tài)，用Kt估算應力集中程度，把復雜多向應力狀態(tài)換算成單向位伸下的等效應力或等效應變，然后按單向拉伸性能計算：即許用應力 n>1安全系數(shù) 設計強度條件：

該條件僅能保證機件不發(fā)生塑性變形及隨后的韌性斷裂，不能防止低應力下的脆性斷裂。為了防止脆性斷裂，附以δ、Ф、、Tk等塑韌性指標作為設計參考。不能計算，只能憑經(jīng)驗確定塑韌性指標，往往對于中、低強度下的中小件造成浪費；而對高強度或中、低強度下的大件往往不能完全保證避免脆性斷裂。原因傳統(tǒng)設計中只考慮了應力集中導致應力狀態(tài)的變化，即缺口或裂紋使應力提高的倍數(shù)，而未考慮應力狀態(tài)變化對變形和斷裂過程的影響（由于裂紋存在，斷裂應力降低）。而實際構(gòu)件或材料中存在裂紋，屬于非連續(xù)力學。斷裂力學解決了含有裂紋構(gòu)件受力分析和強度計算，避免了低應力脆斷。可分三種情況：應力集中不嚴重，較大，裂紋不擴展，無危害緩慢擴展，并伴隨明顯塑性變形韌性斷裂機械設計應力集中嚴重，較小——低應力脆性斷裂——斷裂力學4.1Griffith能量理論(顯微裂紋存在降低強度）無限大薄板（單位厚度），作用在均勻應力，使其彈性伸長，將兩端固定（無塑性變形）——適用于玻璃、陶瓷等脆性材料。

(1)由于裂紋存在，所釋放出彈性應變能 →裂紋擴展驅(qū)動力(2)形成裂紋，產(chǎn)生表面能W=4aΓ（T單位面積表面能）——擴展阻力。當u≧w裂紋將自動擴展（失穩(wěn)擴展）求得臨界值臨界應力具有裂紋的物體,實際強度低于理論強度臨界裂紋長度即，裂紋每擴展單位面積時，彈性系統(tǒng)所能提供的能量，等于裂紋擴展所需要能量。

G=為裂紋擴展時能量釋放率→裂紋擴展力可見：G與外加應力，試樣和裂紋形狀、尺寸有關(guān)。裂紋擴展準則：G<Gc裂紋穩(wěn)定

G≥Gc裂紋失穩(wěn)擴展以上講的是脆性材料。對于塑性材料：裂紋尖端產(chǎn)生塑性變形，裂紋擴展應變能釋放率（驅(qū)動力）不僅要滿足表面能還要支付裂紋尖端塑性變形功：即Gc=2(Γ+P)P裂紋擴展單位面積所需塑性變形功。由于P與裂紋尖端應力狀態(tài)密切相關(guān)，獲得Gc準確物理意義及測試值，必須對裂紋尖部進行應力分析。以上從能量角度得到裂紋擴展；不能顯示裂紋擴展具體過程。Irwin通過裂紋前沿應力應變分析得到應力應變近似式，其理論構(gòu)成線彈性斷裂力學基礎(chǔ)。4.2裂紋尖端應力場線彈性斷裂力學就是利用彈性力學理論，研究含有裂紋材料應力應變規(guī)律及裂紋擴展規(guī)律。認為：材料在脆斷前基本上是彈性變形、應力應變成線性關(guān)系；但實際上即使高強鋼，裂紋尖端也有小范圍屈服，可經(jīng)裂紋長度修正，轉(zhuǎn)變成線彈性問題。裂紋擴展方式有三種類型，I張開型，II滑開型，III撕開型張開型，I型是最常見，最危險裂紋擴展方式(一般以張開型為例)根據(jù)應力集中，在裂紋缺口附近形成不均勻應力分布，缺口頂端出現(xiàn)應力高峰，且隨離裂紋尖端距離增加，應力逐漸降低——定性規(guī)律。1957年Irwin研究受力裂紋體裂紋尖端附近應力應變分布情況，裂紋長度為2a，無限大平板，得到裂紋尖端附近一點（r,θ）的應力，位移：

要點：上式具有普遍意義：1.一個結(jié)構(gòu)中任何裂紋附近的應力分布是相似的，并且只依賴于r和θ，不同裂紋構(gòu)件的差別在于K1（應力強度因子）。2.r很小，裂紋尖端附近才成立（r→0）3.K↑

至Kc,σ

↑至σc→開裂K應力強度因子，表示裂紋尖端附近應力場強弱:

K=Yσa1/2Y裂紋形狀因子——取決于形狀、大小、裂紋形狀及尺寸，載荷類型Kc=Yσcac1/2Kc隨應力狀態(tài)變化而變。試樣厚度→增加平面應力→平面應變可見，在平面應變下的Kc值（即K1c）保持穩(wěn)定的最低值→作為判斷依據(jù)

脆性斷裂發(fā)生的判據(jù)：（計算）K1≥Kc（測試）

G與K關(guān)系

能量分析 應力場強度分析 平面應力平面應變4.3裂紋尖端塑性區(qū)在裂紋尖端存在應力奇異點。既使超高強度鋼，※①裂紋尖端總要有一定的屈服范圍；即塑性變形區(qū)?！谒苄詤^(qū)大小對裂紋擴展、能量消耗、路徑選擇有影響。塑性區(qū)大小 平面應力

平面應變當

平面應力 平面應變

③

平面應變下三向拉伸應力狀態(tài)對裂紋尖端塑性變形產(chǎn)生約束，塑性區(qū)為平面應力下1/6。實際塑性區(qū)大小要比以上分析要大，主要是由于塑性區(qū)應力松馳的結(jié)果。④應力松馳使塑性區(qū)擴大一倍。平面應力平面應變由于屈服，OG區(qū)內(nèi)超過的應力必須由鄰近的OG區(qū)域承擔，ABC面積=DBEF面積。計算結(jié)果和實測結(jié)果比較接近由于裂紋尖端塑性區(qū)的存在，實際線彈性應力場分布從ABC移至EF，如應按線彈性問題處理，可將塑性區(qū)出現(xiàn)看作相當于裂紋尺寸稍微增加。(5)有效裂紋尺寸為裂紋尺寸加上塑性區(qū)半徑。不論平面應力、平面應變，有效裂紋尖端正好位于x軸的塑性區(qū)中心，使K1增大。(6)Keff實際比Kapplied所施加的要大。

（平面應力）

（平面應變）上述修正，適用于塑性區(qū)很小情況下。有三種情況：無屈服 r<<2a 適用線彈性斷裂力學小屈服 r<2a 經(jīng)修正適用線彈性斷裂力學大范圍、 r>2a(同一數(shù)量級)適用于彈塑性斷裂的全面屈服屈服程度取決于，B（厚度）試樣尺寸和強度B↑塑性區(qū)↓↑塑性區(qū)↓一般B≥2.5為平面應變狀態(tài)→用于測K1c。4.4彈塑性下的斷裂韌性線彈性斷裂力學適用于線彈性斷裂或小范圍屈服斷裂，其指標K、G。研究彈塑性下斷裂韌性必要性：①實際要求：平面應力狀態(tài)下強度低；薄板等斷裂②K1c測試：用小試樣代替大試樣，避免浪費。

要求一個從線彈性到大范圍屈服以至全面屈服（裂紋尖端應力場復雜，無法精確計算），都始終適用的參數(shù)。單值決定裂紋尖端應力應變場強度，達到破壞時，該參數(shù)達到極值，可作為斷裂判據(jù)COD，J積分。4.4.1COD（裂紋張開位移）線彈性下應力變化快（敏感），彈塑性時，應力變化小，應變變化快（敏感），可用裂紋前（張開位移）來反映裂紋端部形變場強度，開裂時，達到一個與試樣尺寸無關(guān)的常數(shù)。斷裂準則 ≥COD在線彈性與小范圍屈服下，與K1c，G1c同樣作為斷裂判據(jù)，并與其有對應關(guān)系： 平面應力平面應變即當K1=K1cG1=G1c=在大范圍屈服下 已知（測出）已知外載允許裂紋尺寸a

4.4.2J積分（從能量角度）彈塑性下，外力P對試樣做功U，形變功U轉(zhuǎn)變?yōu)樵嚇訌椥詰兡芎退苄怨?，并對裂紋尖端應力應變場產(chǎn)生影響。形變功差率 彈性下 （用裂紋長度略異，形狀于尺寸完全相同二個試樣，單調(diào)加荷到相同位移，所需形變功差率）斷裂判據(jù) J≥J1c在線彈性下 J=G（裂紋擴展力）在彈塑性下

W應變能密度。T邊界條件決定的應力矢量U位移分量是一個圍繞裂紋尖端與積分路徑無關(guān)的線積分，積分值與路徑無關(guān)，避開求解彈塑性邊界值問題。J積分內(nèi)圍繞裂紋尖端口周圍地區(qū)應力、應變和位移場組成的線積分給出，J積分由場時度決定，反過來，J積分描述裂紋場的強度。J積分還可以通過外載對試樣所做的形變功來測得。第三、四章思考題1.闡述斷裂的類型分類、斷裂過程和擴展方式。2.影響構(gòu)件產(chǎn)生脆性斷裂和韌性斷裂的因素是什么？3.試分析應力集中系數(shù)Kt與應力強度因子KI的異同點。4.為什么會出現(xiàn)低應力脆斷，如何控制和避免。如何控制低應力脆斷。5.試分析解理斷裂、晶間斷裂與脆性斷裂的關(guān)系和區(qū)別。6.Griffith理論的基本思路和適用范圍。7.何謂能量釋放率GC。8.裂紋尖端強度因子KI、KII、KIII各表示什么？9.何謂平面應力狀態(tài)和平面應變狀態(tài)？工程中如何判斷工程構(gòu)件應力狀態(tài)。10.分析K1、K1C、KC關(guān)系；如何在工程中應用。11.工程常用斷裂韌度指標存哪些？分析它們的關(guān)系.12.論述裂紋尖端塑性區(qū)以作用以及尺寸和修正？第五章斷裂控制的轉(zhuǎn)變溫度方法5.1擺錘沖擊試驗簡單易行，成本低。重要性1．在科學研究及工程上應用廣泛，除HRC，作為參考和對比。2．用于冷脆轉(zhuǎn)變溫度的確定（控制溫度—斷裂方式測試方法）3．概念及應用上的模糊。應用最廣的是缺口試樣擺錘沖擊彎曲試驗:載荷大小 30kg·m(294J)，15kgm(147J),10kg·m(98J)沖擊試樣瞬間速度5~7m/s缺口增加材料脆化傾向從以下四方面：(1)

產(chǎn)生高的應力集中 (2)

產(chǎn)生多軸應力狀態(tài)(3)

產(chǎn)生高的局部應變硬化和裂紋(4)

引起高的應變率。開缺口的目的：造成應力集中和三軸應力狀態(tài)，使沖擊能量和塑性變形集中在缺口附近不大的體積內(nèi)，以及缺口處應變速率增大，可增加材料脆化趨勢。使材料韌、脆轉(zhuǎn)化溫度趨于室溫附近，使沖擊值對溫度更為敏感，有利于觀察。一、對沖擊韌性的誤解1．在沖擊韌性概念上認為：在沖擊試驗中①脆性是由沖擊引起的。

實際上光滑試樣在很高沖擊速度下，現(xiàn)為強度，塑性均提高。在常見機械中所受的載荷的速度范圍內(nèi)，沖擊因素本身造成的脆化是不大的。其脆化主要是由缺口導致的，因此，沖擊韌性——應稱為缺口韌性或沖擊缺口的韌性。導致結(jié)果：②

在工程上，對帶有沖擊載荷的性質(zhì)，片面要求材料過高的沖擊值。③實際系列沖擊試驗是集缺口，低溫，沖擊等三大脆化因素共同作用，與缺口，溫度相比，沖擊引起脆性傾向最小。

2．不同材料相同的沖擊值的物理意義上相差較大。沖擊試樣經(jīng)歷了彈性變形、塑性變形、裂紋萌生，裂紋擴展。AI+AII裂紋萌生功、AIII裂紋擴展功對于相同值可有以下三種情況：強度高、塑性低 (2)強度高，一定擴展抗力 (3)強度低，較大擴展抗力

3．對的要求上分兩種情況（1） 根據(jù)經(jīng)驗規(guī)定沖擊韌性下限值→<將可能導致斷裂。（2）控制材質(zhì)，工藝過程，質(zhì)量所提出→穩(wěn)定性，質(zhì)量控制。二、的應用1.反映材料對一次或少次較大能量沖擊破壞抗力。2.系列沖擊試驗，估價材料低溫脆化趨勢。3.用于控制材質(zhì)冶金質(zhì)量、熱加工藝過程及質(zhì)量和穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。作為鋼材驗收重要指標之一。

對材料的冶金質(zhì)量，包括缺陷，顯微組織差異特別敏感。4.科研中，新材料，新工藝，對比試驗。5.2材料的低溫脆性現(xiàn)象30%~40%的斷裂事故是由低溫造成的，即屬于低溫低應力脆斷（在以下）。低溫是相對的：中、低強度鋼，脆斷發(fā)生在低溫，0℃以下。 高強度鋼或脆性材料，脆斷發(fā)生在高溫，0℃以上。規(guī)律：1.體心立方或某些密排六方的金屬或合金有明顯的低溫冷脆性現(xiàn)象。而面心立方金屬及合金，一般沒有低溫脆性（即大范圍內(nèi)）。2.高強度鋼不存在脆性轉(zhuǎn)變溫度。高強度鋼在某一溫度下發(fā)生脆斷，在所有溫度下均可發(fā)生。3.中、高強度鋼防止脆斷基本原則，阻止裂紋萌生，一旦萌生會在彈性應力下失穩(wěn)擴展導致脆斷。5.3冷脆斷轉(zhuǎn)變溫度的確定1．冷脆轉(zhuǎn)變特征溫度TK韌脆轉(zhuǎn)變溫度通常根據(jù)能量、塑性變形、斷口形貌等隨溫度變化來定義TK。(1)V15TT沖擊功AK=20.3N·m時作為TK。15ft.b用于低碳鋼船用鋼板抗脆設計標準。(2)NDT無塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度。材料斷裂吸收能量不隨時間變化的低能區(qū)。<NDT100%解理區(qū)(3)FTP材料吸收能量不隨時的變化的高能區(qū)>FTP得到100%纖維狀斷口。(4)FTE低能階與高能階的平均值對應溫度。(5)FATT斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度。一般以脆斷面積占50%溫度為TK，記為FATT5015ft.b二、TK的測定1．落錘沖擊試驗測NDT要求開裂前無塑性變形（實際上微量塑性變形）→測NDT

2．NDT與FTEFTP有近似關(guān)系FTE=NDT+33℃；FTP=NDT+67℃（板厚≤50mm）FTE=NDT+72℃；FTP=NDT+94℃（板厚>75mm）三、斷裂分析圖綜合應力，缺陷和溫度之間關(guān)系分析開裂擴展和止裂條件，防止脆斷和選擇材料.主要用于壓力容器的防脆設計。※依據(jù)斷裂分析圖的設計原則：選材時，使材料的冷脆轉(zhuǎn)化溫度低于結(jié)構(gòu)的實際使用最低溫度，※局限性：1．①冷脆轉(zhuǎn)變溫度受試樣形狀、尺寸、缺口、應力狀態(tài)，加載速度等方面影響。②受缺陷尺寸影響，初始缺陷急劇降低，當脆斷。

沖擊試樣所得冷脆轉(zhuǎn)變溫度與實際構(gòu)件冷脆轉(zhuǎn)變溫度不同，只能說冷脆溫度低的材料，具有較低冷脆傾向→不能進行安全設計。2．從工程運用的觀點，用K1c進行完全設計，沒有必要去尋找冷脆轉(zhuǎn)化溫度，只要滿足K1<K1c即可保證脆斷。與斷裂力學方法相比，斷裂分析圖有些粗糙，往往偏于保守.但由于應用多年，積累了大量事實的經(jīng)驗，仍具有較高的實用價值，此外，斷裂力學在解決低強度材料脆斷問題上還尚需完善。第五章思考題1.增加材料脆化外界因素有哪些，并分析缺口如何導致脆化。2.對沖擊韌性容易產(chǎn)生的錯誤觀念有哪些？3.沖擊韌性應用如何？4.何謂V15TT、NDT、ETD、FTE、FATT，并畫圖示之。5.TK冷脆轉(zhuǎn)變溫度如何測定。6.試分析斷裂分析圖中應力缺陷、溫度與斷裂方式的關(guān)系。7.工程上如何防止低應力脆斷？斷裂分析圖方法局限性。

第六章環(huán)境加速開裂和冶金脆性6.1概述環(huán)境加速開裂的幾種類型：腐蝕開裂：應力腐蝕，活性介質(zhì)中，靜態(tài)、準靜態(tài)應力下的斷裂作為。腐蝕疲勞，活性介質(zhì)中，動態(tài)應力作用下的斷裂作為。

(2)氫破壞：由于溶入材料內(nèi)部的氫引起的材料脆性斷裂。

(3)接觸金屬脆化：與低熔點的液態(tài)或固態(tài)金屬長期接觸，金屬原子擴散入材料內(nèi)部產(chǎn)生脆性斷裂。6.2應力腐蝕定義：在拉應力和特定環(huán)境介質(zhì)作用下，經(jīng)過一定時間所產(chǎn)生的低應力脆斷現(xiàn)象。產(chǎn)生條件：(1)拉應力（外載或殘余應力）(2)特種介質(zhì)（合金與腐蝕環(huán)境的特殊配合）如低碳鋼的堿脆、硝脆，奧氏體不銹鋼的氯脆至今尚不能統(tǒng)一地確定什么材料，在什么典型介質(zhì)中產(chǎn)生或杜絕應力腐蝕斷裂。(3)合金或含雜質(zhì)金屬（純金屬無應力腐蝕）6.3應力腐蝕機理及斷裂特征應力腐蝕的基本類別：陽極敏感型應力腐蝕陰極敏感型應力腐蝕→氫脆型應力第I種機理：金屬進入溶液變?yōu)殛栯x子而被腐蝕，金屬離子進入腐蝕介質(zhì)而溶解為裂紋。裂紋從蝕坑處萌生，裂紋擴展速率取決于金屬的溶解速度。力的作用：a.破壞鈍化膜，成為不極化電極；b.應力集中使陽極電位降低，加速溶解。擴展途徑：穿晶，應力作用于局部微區(qū)產(chǎn)生滑移臺階使保護膜破壞，產(chǎn)生陽極溶解，形成穿晶。沿晶，晶界處受到浸蝕，力破壞保護膜，沿晶擴展。斷裂過程與斷口形貌與疲勞相近。存在亞臨界擴展和最終斷裂區(qū)→腐蝕、氧化，使之呈黑色，灰黑色。6.3應力腐蝕力學性能指標1．——類似于σ－1不發(fā)生應力腐蝕斷裂時的臨界應力。采用光滑試樣在應力和介質(zhì)共同作用下（斷裂時間）曲線。

局限性：實際構(gòu)件一般不可避免存在裂紋或類似裂紋的缺陷。因此，用光滑試樣測定不能反映實際構(gòu)件應力腐蝕抗力。2．KISCC和（da/dt）II，作為應力腐蝕指標——從斷裂力學角度，KISCC應力腐蝕裂紋擴展門檻值。K<KISCC長期處于腐蝕環(huán)境下，不開裂。KISCC<K<K1C亞臨界擴展最終斷裂，用（da/dt）II預測壽命。K＞K1C立刻斷裂（無介質(zhì)作用）

※

高強度合金鋼、鈦合金，K1SCC有確定極限值※

鋁合金、鈦合金，K1SCC沒有確定極限值3．應力腐蝕斷裂時間tT=ttr+tinc+ts（瞬態(tài)裂紋擴展時間、潛伏時間、穩(wěn)態(tài)裂紋擴展時間）

?tinc+ts隨著K增加，潛伏時間迅速減少；對KISCC附近測量KISCC，注意有較長的潛伏時間（類似于疲勞過載遲滯現(xiàn)象）否則得到較高的KISCC（不準確）6.4氫脆和氫脆型應力腐蝕一、氫脆機理：氫通過不同機制使金屬脆化(1)

氫蝕：氫與金屬中第二相作用產(chǎn)生高壓氣體，使晶界結(jié)合力減弱而脆化。

如碳鋼在高壓氫氣中，H與碳化物作用產(chǎn)生高壓CH4氣泡。(2)

白點：熔煉中過量氫隨T↓未擴散外逸而富集在位錯附近使晶格伸長，產(chǎn)生較大應力，足以使材料撕裂而形成白點。(3)

氫化物致脆：在純Ti，V，Zr，Nb及其合金中，易形成氫化物，使塑性韌性降低產(chǎn)生脆化。(4)

氫致延滯斷裂，高強度鋼或（）Ti合金中，固溶態(tài)的氫在低于屈服強度應力持續(xù)作用下經(jīng)一段孕育期，在三向拉應力區(qū)形成裂紋并擴展發(fā)生脆斷——常指的氫脆。二、氫脆型應力腐蝕——陰極類型應力腐蝕

當金屬表面和環(huán)境介質(zhì)接觸，由于陰極反應產(chǎn)生了原子態(tài)氫，如果結(jié)合成氫原子過程受到阻滯，一部分氫原子將溶解在金屬內(nèi)部，造成金屬脆性；在受力情況下，導致裂紋產(chǎn)生和擴展。斷裂包括三個階段：孕育期、穩(wěn)定擴展區(qū)、快速斷裂區(qū)。第六章思考題1.環(huán)境加速開裂的幾種類型。2.何謂應力腐蝕，產(chǎn)生的條件、機理。3.試述應力腐蝕力學性能指標。4.試述氫脆及氫脆型應力腐蝕及機理。5.金屬冶金脆性有哪幾種。何謂中子輻射脆性，如何消除。

第七章疲勞及疲勞裂紋的萌生與擴展7.1概況1．疲勞：材料在變動載荷下，經(jīng)過一段時間，發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象。斷裂失效中80%是由疲勞破壞引起的。原因：1）波動載荷普通存在(超載現(xiàn)象)；2）強度設計。2．疲勞失效特點：(循環(huán)應力下行為與靜載不同)——指高周疲勞(最早開始研究)。(1)失效應力低，(2)不論靜載下為韌斷還是脆斷，循環(huán)應力下均無明顯塑性變形的突然脆斷。(3)裂紋萌生于材料薄弱環(huán)節(jié)，材料構(gòu)件表面及本身缺陷敏感。(4)變形的高度局部性和不均勻性(經(jīng)彈、塑、斷三個階段)。宏觀局部3．疲勞研究歷史1858年whole第一個曲線。早期研究集中在高周疲勞破壞的宏觀規(guī)律上。疲勞機理通過金相顯微鏡發(fā)現(xiàn)滑移過程、滑移帶、擠入擠出。二十世紀五十年代，電子顯微鏡等先進測試手段出現(xiàn)，機理研究更深入。并引入位錯理論，成為疲勞微觀機理依據(jù)。六十年代，斷裂力學的應用，得到疲勞裂紋擴展規(guī)律。近幾十年，開始研究應變疲勞、、短裂紋擴展等。7.2疲勞的分類疲勞，直接由載荷波動造成的。最常見分類：高周疲勞（應力疲勞）和低周疲勞（應變疲勞）還受其它環(huán)境因素影響溫度

環(huán)境——腐蝕疲勞完整的疲勞曲線

從高周疲勞到低周疲勞過渡區(qū)，曲線不連續(xù)。試驗結(jié)果波動性：一般情況下，高周疲勞曲線。通常為50%破壞幾率。

P--N疲勞數(shù)據(jù)波動大，測一組試樣的統(tǒng)計平均值。高周疲勞與低周疲勞的差別：

（應力）f（頻率）Nf（壽命）變形高周疲勞低（<）高>106彈性應變?yōu)橹鲗У椭芷诟撸ń诨蚋哂冢┑?02-103塑性應變?yōu)橹鲗冒踩珘勖埃o限壽命）飛機零部件按有限壽命設計，如果按無限壽命設計量的無法起飛有限壽命疲勞設計方法，更合理，更經(jīng)濟7.3應變疲勞（低周疲勞）每一周期應力一應變曲線構(gòu)成閉合滯后曲線。

總應變彈性應變塑性應變在低周疲勞初期，由于交變應力作用（周期應變）對材料性能產(chǎn)生影響。經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)（壽命10-50%），形變抗力達到恒定數(shù)值，滯后回線穩(wěn)定不變，將不同應變幅度下滯后回線的頂點連在一起，得到周期應力——應變曲線。與單次拉伸應力應變曲線比較，可得到周期應變對材料性質(zhì)影響。退火金屬σb/σ0.2>1.4;——循環(huán)硬化循環(huán)穩(wěn)定冷加工金屬σb/σ0.2<1.2;——循環(huán)軟化σb/σ0.21.2~1.4形變強化系數(shù)n>0.1循環(huán)軟化形變強化系數(shù)n<0.1循環(huán)穩(wěn)定因此：在承受大應力疲勞時，應選用循環(huán)穩(wěn)定或循環(huán)硬化材料，否則，易出現(xiàn)變形失效。在低周或高周疲勞中材料選取是不同的。

高周低應力疲勞-N曲線

強度系數(shù)，b強度指數(shù)（負值）真實應力幅值壽命決定于循環(huán)應力選擇高強度材料。低周高應力疲勞曲線

C材料常數(shù)（負值）塑性應變幅疲勞延性系數(shù)壽命決定于循環(huán)應變選擇高塑性材料和循環(huán)應變系數(shù)高的材料。(滿足強度前提下)可見，材料疲勞性能的好壞不是絕對的，是相對一定應變范圍而定，低應變疲勞和高應變疲勞對材料強度和塑性有相反的要求。7.4疲勞裂紋萌生承受疲勞載荷構(gòu)件壽命Nf=Ni+Ns+Ne即：萌生壽命+擴展壽命（短裂紋+長裂紋）載荷越低Ni占比重越大。裂紋萌生尺寸按分辨能力來區(qū)分：-10-4mm電鏡下工程需要工程裂紋尺寸0.076mm，或0.1,0.5mm （疲勞裂紋萌生+早期擴展）萌生機理：局部周期滑移(表面晶粒不受約束易于滑移)→擠入擠出(滑移強烈之處)，晶界，孿晶界，夾雜物，第二相→應力集中(局部達到)→裂紋萌生7.5疲勞裂紋尖端塑性區(qū)從裂紋萌生（材料中產(chǎn)生微小局部分離）開始，交變載荷所產(chǎn)生變形就由整體轉(zhuǎn)移到裂紋尖端的局部地區(qū)——塑性區(qū)。塑性區(qū)大小形狀及其內(nèi)部和周圍應力場的組織、位錯等結(jié)構(gòu)變化，對疲勞過程產(chǎn)生重大影響。周期加載導致裂紋尖端塑性區(qū)特點：裂紋尖端存在兩個不同塑性區(qū)：最大應力對應的單調(diào)塑性區(qū)應力幅Δσ

對應反向塑性區(qū)

—反復承受拉抻和壓縮變形。平面應力—平面應變—

大約為(2)裂紋尖端存在殘余壓應力裂紋的閉合。7.6長裂紋的擴展規(guī)律196