金属的断裂课件.ppt

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1、第六章金属的断裂1材料的失效：过量弹性变形；过量塑性变形；断裂等材料完全破断为两个部分以上的现象，叫断裂。（断裂使材料失去完整性）（机件三大失效形式之一）断裂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应力、温度、加载方式、环境介质等都影响断裂行为一次加载断裂；疲劳断裂；高温蠕变断裂；低温脆性断裂；应力腐蚀断裂研究方法6.1引言2断裂的基本类型1、根据断裂前塑性变形大小分类：脆性断裂；韧性断裂2、根据断裂面的取向分类：正断；切断3、根据裂纹扩展的途径分类：穿晶断裂；沿晶断裂4、根据断裂机理分类：解理断裂，微孔聚集型断裂

2、；纯剪切断裂6.2金属断裂的的类型及特征34断裂类型的划分一般从两个层次：一是宏观断裂特征，如脆性和韧性；二是微观断裂过程/机制举例：SiC/Al复合材料的断裂分析宏观脆性断裂，断裂应变小于1％但微观上呈现微孔聚集型断裂特征因此不能说微孔聚集型断裂一定为韧性断裂56.3金属材料的韧性断裂一、断裂及断口特征（1）断裂特点：断裂前产生明显宏观变形；过程缓慢；中心断裂面垂直于最大正应力；边缘断裂面平行于最大切应力，与主应力成45度发生在低碳钢、调质或退火中碳钢、时效铝合金等杯锥6（2）宏观断口特征杯——锥状断口三要素：纤维区、星芒区（放射区）、剪切

3、唇纤维区：纤维状，灰暗色：星芒区：裂纹快速扩展。撕裂时塑性变形量大，放射线粗剪切唇：切断。（3）危害：不及脆性断裂断裂前机件已变形失效杯锥7（4）韧性断裂过程8（1）韧窝形状（a）正应力⊥微孔的平面，形成等轴韧窝；拉伸试样中心纤维区就是等轴韧窝。（b）拉长韧窝扭转、或双向不等应力状态；切应力，形成拉长韧窝；（c）撕裂韧窝拉、弯应力状态；（5）微观断口形貌-韧窝（2）韧窝大小影响参数基体材料的塑性变形能力和应变强化指数第二相质点的大小和密度。91011二、微孔聚集型断裂机理和微观断口特征1、断裂机理（1）微孔形核点缺陷聚集；第二相质点

4、碎裂或脱落；位错引起的应力集中，不均匀塑性形变。（2）微孔长大滑移面上的位错向微孔运动，使其长大。（3）微孔聚合应力集中处，裂纹向前推进一定长度。12微孔形成方式1）第二相与基体的界面结合较弱时，通过界面脱粘在第二相/基体界面形成裂纹2）第二相与基体的界面结合较强时，通过变形协调位错产生3）第二相质点的断裂4）晶界处（往往由应力集中导致）13微孔扩展和长大过程1）在第二相界面处形成裂纹后，外加应力作用下，裂纹首先沿着界面扩展，形成围绕第二相的圆环，形成微孔（红）；2）拉应力作用下，微孔沿应力方向伸长，形成椭圆形（蓝）；143）随着椭圆增大

5、，质点面上的承载面积减小，变形逐渐集中到质点面上，在此处形成水平椭圆，得到颈缩区域（阴影线区域）4）阴影线区域类似于颈缩后拉伸试样，发生切离断裂，微孔聚合，形成宏观断裂裂纹15讨论：“2）拉应力作用下，微孔沿应力方向伸长，形成椭圆形”过程决定了韧窝的深浅；抑制颈缩的能力决定韧窝深浅！“4）阴影线区域发生切离断裂，形成宏观断裂裂纹”过程发生材料的切离，尽管材料内含有第二相，在此颈缩区域，没有第二相的影响，类似于纯金属。因此基体金属对断裂过程的影响主要通过此过程实现；“4）过程”主要与微区切离过程有关，而与宏观变形能力无关，因此宏观脆性材料也有可

6、能产生微孔聚集型断裂特征。如金属基复合材料。16三、影响韧性断裂的因素1第二相2基体176.4金属的脆性断裂一、解离断裂（1）断裂特点断裂前基本不发生塑性变形，无明显前兆；断口与正应力垂直，属于正断。断口平齐光亮，常呈放射状或结晶状；断口由许多小晶面构成；晶面的大小与晶粒大小对应。解理面都是特定的晶体学平面，如bcc金属中为{001}面，hcp金属中为{0001}，前者是较密排面，后者为密排面材料的韧性与脆性行为会随环境条件而改变。例如：T↓↓、脆性↑。如低碳钢的低温脆性。18（2）断口微观特征解理面形成的每个小晶面都是穿晶断裂形成的，在

7、同一个晶粒内裂纹沿同一晶面发展；同一晶粒内部，界面不是一个平坦表面，而是一系列晶面族，即位于不同高度的平行的晶面构成每个解理面上都能见到河流花样，发源于晶界，中止于晶界解理面附近的金属中能见到显著的塑性变形痕迹，塑性变形量可达10％～15％。1920（3）解理裂纹形成过程裂纹形成基于以下事实：解理面附近的金属中能见到显著的塑性变形痕迹，塑性变形量可达10％～15％；解理面都是密排面或较密排面（这意味着这些面间距较大，晶面间结合力较小，形成裂纹需要的能量较低）。上述事实可能说明解理裂纹的形成是由于塑性变形引起的。即：材料断裂前总会产生一定的塑性

8、变形，而塑性变形与位错运动有关。21（4）解理裂纹扩展过程解理裂纹形成后，在晶粒A内部扩展只需要克服表面张力，而表面张力数值较小，因此可以迅速扩展，达到晶界；晶粒B