材料力學(xué)第一章(三) 材料的斷裂

1第一章、材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能

——材料的斷裂主講人：劉桂武江蘇大學(xué)材料學(xué)院

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gwliu76@電話料力學(xué)性能21、材料的斷裂理論2、材料的斷裂類型第一章（三）知識要點(diǎn)3一、基本概念（1）斷裂（fracture）：物體在外力作用下產(chǎn)生裂紋以至斷開的現(xiàn)象。（2）韌性斷裂（

ductilefracture，延性斷裂）：是材料斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂。如斷口呈纖維狀、灰暗色，斷裂面平行于最大切應(yīng)力，并與主應(yīng)力成45o角。（3）脆性斷裂（brittle

fracture）:突然發(fā)生的斷裂，未發(fā)生較明顯的塑性變形。斷口平齊而光亮，斷裂面與正應(yīng)力垂直。4一、基本概念（4）穿晶斷裂（transgranular

fracture）：裂紋穿過晶內(nèi)。（5）沿晶斷裂（intergranularfracture）：裂紋沿晶界擴(kuò)展。（6）剪切斷裂（剪斷，shearfracture）：在切應(yīng)力作用下沿滑移面（實(shí)際）分離而造成的滑移面分離斷裂（滑斷/純剪切斷裂（單晶）、微孔聚集型斷裂（有孔材料））（7）解理斷裂（cleavagefracture）：在一定條件下（如低溫），當(dāng)外加應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后，以極快速率（一般為脆性斷裂）沿著一定晶體學(xué)平面（理論上）產(chǎn)生的穿晶斷裂（與大理石斷裂類似）。解理面一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的界面。5一、基本概念（8）正斷型斷裂

（normal

fault）：斷裂面取向垂直于最大正壓力σmax方向。（9）切斷型斷裂（shear

fault

）：斷裂面取向平行于最大切壓力τmax方向，與最大正壓力方向約成45oC。（10）理論斷裂強(qiáng)度（

Theoreticalfracturestrength）：在外加正應(yīng)力作用下，將晶體的兩個原子面沿著垂直于外力方向拉斷所需的應(yīng)力6二、知識點(diǎn)7斷裂類型及其特征類型概念/典型特征宏觀形態(tài)韌性斷裂（1）材料斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂。（2）韌性斷裂斷口呈纖維狀、灰暗色。（3）斷裂面平行于最大切應(yīng)力，并與主應(yīng)力成45o角。如中、低強(qiáng)度鋼室溫拉伸斷裂，為典型的韌性斷裂，其宏觀斷口成杯錐形（有頸縮現(xiàn)象），由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三個區(qū)域。（4）韌性斷裂的微觀特征－韌窩脆性斷裂（1）突然發(fā)生的斷裂，未發(fā)生較明顯的塑性變形。（2）脆性斷裂斷口平齊而光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀。（3）斷裂面與正應(yīng)力垂直。（4）板狀矩形拉伸試樣斷口:人字紋花樣斷裂機(jī)理穿晶斷裂（1）裂紋穿過晶粒內(nèi)部。（2）宏觀上，穿晶斷裂可以是韌性斷裂（如韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上的穿晶斷裂），也可以是脆性斷裂（如低溫下穿晶解理斷裂）。沿晶斷裂（1）裂紋沿晶界擴(kuò)展。（2）沿晶斷裂則大多數(shù)是脆性斷裂。（3）斷口呈冰糖狀，如細(xì)晶材料則呈晶粒狀，顏色比纖維狀斷口明亮，比純脆性斷口灰暗。8斷裂機(jī)理剪切斷裂（1）在切應(yīng)力作用下沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂。（2）（純金屬、單晶）滑斷/純剪切斷裂，斷口呈楔形或刀尖型。（3）微孔聚集型斷裂（含微孔材料），多為韌性斷裂，如低碳鋼的拉伸斷裂（縮頸現(xiàn)象）。解理斷裂（1）在一定條件下（如低溫），當(dāng)外加應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后，以極快速率沿著一定晶體學(xué)平面產(chǎn)生的穿晶斷裂。（2）無明顯塑性變形，為典型的脆性斷裂（3）解理面一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的界面。（4）微觀特征：解理臺階、河流花樣、舌狀花樣斷裂面的取向或作用力方式正斷型斷裂（1）斷裂面垂直于最大切壓力

方向（2）如解理斷裂切斷型斷裂（1）斷裂面平行于最大切應(yīng)力方向，與最大正應(yīng)力方向約成45oC91、解理裂紋的形成與擴(kuò)展

觀察解理斷口發(fā)現(xiàn)，斷口附近仍然有少量塑性變形。事實(shí)上，絕對脆性斷裂是不存在的?？梢韵胂?，裂紋形成必然與塑性變形有關(guān)（這對單晶體金屬和多晶體金屬都是正確的）。而金屬材料的塑性變形是位錯運(yùn)動的反映，因此裂紋形成可能與位錯運(yùn)動有關(guān)，這就是裂紋形成的位錯理論考慮問題的出發(fā)點(diǎn)。龍門石窟解理面裂紋形成——塑性變形——位錯運(yùn)動102、幾種裂紋形成理論（1）甄納-斯特羅（G.Zener-A.N.Stroh）位錯塞積理論

G.Zener：在滑移面上的切應(yīng)力作用下，刃型位錯在晶界前受阻并互相靠近形成位錯塞積。當(dāng)切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時，塞積頭處的位錯互相擠緊聚合而成為一高為nb、長為r的楔形裂紋（或孔洞位錯）。（核心思想：位錯塞積形成解理裂紋）A.N.Stroh：如果塞積頭處的應(yīng)力集中不能為塑性變形所松弛，則塞積頭處的最大拉應(yīng)力σfmax能夠等于理論斷裂強(qiáng)度而形成裂紋。

解理斷裂過程：通過塑性變形形成裂紋；裂紋在同一晶粒內(nèi)初期長大；以及越過晶界向相鄰晶粒擴(kuò)展三個階段。

解理裂紋擴(kuò)展基本方式：（a）解理方式，裂紋擴(kuò)展速度較快（脆性材料在低溫下試驗(yàn)）（b）先在裂紋前沿（尖端）形成一些微裂紋或微孔，而后通過塑性撕裂方式互相聯(lián)結(jié)，開始時裂紋擴(kuò)展速度比較緩慢，但到達(dá)臨界狀態(tài)時也迅速擴(kuò)展而產(chǎn)生脆性斷裂

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σc：裂紋長度相當(dāng)于長度d的裂紋擴(kuò)展時的臨界應(yīng)力，或斷裂強(qiáng)度

G

：切變模量

γs：表面能d:晶粒直徑ky：釘扎常數(shù)（位錯被釘扎越強(qiáng)，ky越大，越容易出現(xiàn)解理斷裂）裂紋解理斷裂擴(kuò)展臨界條件（判據(jù)）：（對位錯塞積和位錯反應(yīng)理論均適用）12（3）史密斯理論（碳化物開裂模型）

鐵素體中的位錯源在切應(yīng)力作用下開動，位錯運(yùn)動至晶界碳化物處受阻而形成塞積，在塞積頭處拉應(yīng)力作用下使碳化物開裂。

（2）柯垂耳（A.H.Cottrell）位錯反應(yīng)理論：

該理論是A.H.Cottrell為解釋晶內(nèi)解理與bcc晶體中的解理而提出的。柯垂耳提出的位錯反應(yīng)是降低能量的過程，因而裂紋成核是自動進(jìn)行的。兩種解理裂紋形成模型共同點(diǎn)：裂紋形核前均需有塑性變形，位錯運(yùn)動受阻，在一定條件下便會形成裂紋133、解理斷裂微觀斷口形貌解理斷裂是沿特定界面發(fā)生的脆性穿晶斷裂，斷裂斷口是由許多大致相當(dāng)于晶粒大小的解理面集合而成，這種大致以晶粒大小為單位的解理面稱為解理刻面。在解理刻面內(nèi)部只從一個解理面發(fā)生解理破壞實(shí)際上是很少的。多數(shù)情況下裂紋要跨越若干個相互平等的、而且位于不同高度的解理面，從而在同一刻面內(nèi)部出現(xiàn)了解理臺階和河流花樣。

解理臺階是沿兩個高度不同的平行解理面上擴(kuò)展的解理裂紋相交形成的，其形式方式：通過解理裂紋與螺型位錯相交形成，或通過二次解理或撕裂形成。解理臺階、河流花樣，還有舌狀花樣是解理斷裂的基本微觀特征。（1）解理斷裂14解理臺階河流花樣\舌狀花樣舌狀花樣解理臺階/河流花樣15

當(dāng)裂紋在晶粒內(nèi)擴(kuò)展時，難于嚴(yán)格地沿一定晶體學(xué)平面擴(kuò)展。斷裂路徑不再與晶粒位向有關(guān)，而主要與細(xì)小碳化物質(zhì)點(diǎn)有關(guān)。其微觀形態(tài)特征，似解理河流但又非真正解理，故稱準(zhǔn)解理

準(zhǔn)