04 材料的断裂.ppt

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1、第四章材料的断裂§4.1断裂分类与宏观断口特征§4.2断裂强度§4.3脆性断裂§4.4韧性断裂§4.6缺口效应§4.7材料的低温脆性断裂是材料的一种十分复杂的行为，不仅出现在高应力和高应变条件下，也发生在低应力和无明显塑性变形条件下，所以在不同的力学、物理和化学环境下，会有不同的断裂形式，如静载断裂、冲击断裂、冷脆断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、应力腐蚀断裂和氢脆断裂。研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构件在服役过程中的安全。机械和工程构件三种主要失效形式：磨损、腐蚀、断裂前言4.1断裂分类与宏观断口特征一、断裂(fracture)分类根据断裂前塑性变形大小分类：脆性断裂；韧性断裂根据裂纹扩展的途

2、径分类：穿晶断裂；沿晶断裂根据断裂机理分类：解理断裂；微孔聚集型断裂；纯剪切断裂根据断裂面的取向分类：正断；切断实际断裂很复杂，常不是单一机制，而是多种机制的混合断裂。韧性断裂与脆性断裂韧性断裂：断裂前有明显宏观塑性变形，断裂是一个缓慢撕裂过程，裂纹扩展过程中，不断消耗能量；脆性断裂：断裂前不发生明显塑性变形，无明显征兆，危害性大。实际上，金属的脆性断裂与韧性断裂并无明显的界限，一般规定，断面收缩率小于5％者为脆性断裂，大于5％者，为韧性材料。穿晶断裂与沿晶断裂穿晶断裂：裂纹穿过晶内（韧断或脆断）沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展（多为脆断）沿晶断裂产生原因：晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物

3、破坏了晶界的连续性；或杂质元素向晶界偏聚引起。⑴剪切断裂：在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂。纯剪切断裂：完全由滑移流变造成断裂（如纯金属尤其是单晶体）；微孔聚集型断裂：通过微孔形核、长大聚合而导致分离（如常用金属材料）⑵解理断裂：金属材料在一定条件下（如低温等），当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面（解理面）产生的穿晶断裂——脆断。解理断裂常见于bcc和hcp金属中。解理面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面，如bcc金属的解理面为(100)。纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂正断：断口与最大正应力相垂直；切断：宏观断口的取向与最大切应力方向平行。注意：正断不

4、一定就是脆性断裂，正断也可以有明显的塑性变形。而切断一定是韧性断裂。正断与切断二、断口的宏观特征宏观断口：肉眼或20倍以下的放大镜观察的断口；微观断口：用光学显微镜或扫描电镜观察的断口。宏观韧性断口（拉伸试样）材料断裂的实际情况往往比较复杂，宏观断裂形态不一定与微观断口特征完全相符。因此，宏观上的韧、脆断裂不能与微观上的韧、脆断裂机理混为一谈。宏观脆性断口杯锥状断口纤维区：在试样的中心位置，裂纹首先在该区形成，该区颜色灰暗，表面有较大的起伏，裂纹在该区扩展时伴有较大的塑性变形，裂纹扩展也较慢；剪切唇：接近试样边缘时，应力状态改变了(平面应力状态)，最后沿着与拉力轴向成45°剪切断裂，表面光滑。

5、放射区：表面较光亮平坦，有较细放射状条纹，裂纹在该区扩展较快；断口特征三要素：纤维区F、放射区R、剪切唇S杯锥状断口的形成：a.颈缩导致三向应力，塑变难以进行，颈部中心真应力S↑；b.试样中心部位夹杂等第二相粒子破碎或质点等与基体分离；c.微孔长大形成显微裂纹，早期显微裂纹端部有较大塑性变形；d.剪切变形带与横向裂纹在带内形成长大，与其他裂纹连接成锯齿状纤维区;e.边缘剪切断裂。放射区较大，材料的塑性低。脆性断口纤维区很小，几乎无剪切唇。塑性好的材料，纤维区和剪切唇占很大比例，甚至中间的放射区可以消失。影响断口三区域的形态、大小和相对位置与试样形状、尺寸和材料的性能、试验温度、加载速率和应力状

6、态有关。试样塑性的好坏由三个区域的比例而定：板状试样4.2断裂强度一、晶体的理论断裂强度原子间距随应力的增加而增大，在某点处，应力克服了原子之间的作用力，达到一个最大值，这一最大值即为理论断裂强度σm。从原子间的结合力入手，当克服了原子间的结合力，材料断裂。式中E为弹性模量；a0为原子间的平衡距离。σ=σmsin(2πx/λ)σ=σm(2πx/λ)σ=Eε=Ex/a0σm=λE/2πa0如果在弹性状态下晶体被破坏，位移x很小，则根据虎克定律，在弹性状态下：作为一级近似，该曲线可用正弦曲线表示：式中x为原子间位移，λ为正弦曲线的波长。这就是理想晶体脆性（解理）断裂的理论断裂强度。可见，σm与表面

7、能γs有关，解理面往往是表面能最小的面，可由此式得到理解。断裂发生过程中，必须提供足够的能量以形成两个新表面。如材料的单位表面能为γs，即外力作功消耗在断口形成上的能量至少等于2γs:σm=λE/2πa0公式的应用：例：铁的E=2×105MPa，a0=2.5×10-10m，γs=1J/m2,则σm＝28.3GPa。目前强度最高的钢材为4500MPa左右，即实际材料的断裂强度比其理论值低1~3个数量