断裂类型及物理本质

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1、金属塑性变形理论Theoryofmetalplasticdeformation第十一讲LessonEleven张贵杰ZhangGuijieTel：0315-2592155E-Mail：zhguijie@vip.sina.com河北理工大学金属材料与加工工程系DepartmentofMetalMaterialandProcessEngineeringHebeiPolytechnicUniversity,Tangshan063009第六章金属的断裂主要内容MainContent断裂的基本类型及物理本质影响断裂类型的因素塑性加工中的各种断裂现象分析7/14/202126.1断裂的基

2、本类型及物理本质断裂的概念断裂的基本类型脆性断裂韧性断裂7/14/202136.1.1断裂的概念金属的断裂是指金属材料在变形超过其塑性极限而呈现完全分开的状态。材料受力时，原子相对位置发生了改变，当局部变形量超过一定限度时，原于间结合力遭受破坏，使其出现了裂纹，裂纹经过扩展而使金属断开。7/14/20214现象：扁担从弹性变形到塑性变形，再到断裂飞机发动机涡轮叶片从损伤到断裂断裂远比弹塑性失稳、磨损、腐蚀等，更具有危险性!7/14/20215压力加工制品的断裂形式7/14/202167/14/20217金属塑性的好坏表明了它抑制断裂能力的高低。在塑性加工生产中，尤其对塑性较差

3、的材料，断裂常常是引起人们极为关注的问题。加工材料的表面和内部的裂纹，以至整体性的破坏皆会使成品率和生产率大大降低。为此，有必要了解断裂的物理本质及其规律，有效地防止断裂，尽可能地发挥金属材料的潜在塑性。7/14/202186.1.2断裂的基本类型按服役条件分类按断裂应变分类按断裂面取向分类按断口形貌分类按断裂路径分类（1）过载断裂（2）疲劳断裂（3）蠕变断裂（4）环境断裂（1）韧性断裂（2）脆性断裂（1）正断（2）切断（1)沿晶断裂（2)解理断裂（3)微孔聚集型断裂（4)准解理断裂（5)纯剪切断裂（1）沿晶断裂（2）穿晶断裂7/14/20219正断与剪断的宏观与微观形式7/

4、14/2021107/14/202111晶间断裂a）和穿晶断裂b）7/14/202112断裂机理脆性断裂韧性断裂1．脆性断口2．理论断裂强度3．Griffith裂纹生长理论4．脆性断裂的位错理论1．变温引起的韧-脆转变2．环境引起的韧-脆转变3．影响韧脆转变的因素脆性-韧性转变1．韧性断口2．微孔成核、长大和聚合3．影响韧性断裂扩展的因素7/14/2021136.1.3脆性断裂根据断裂前金属是否呈现有明显的塑性变形，可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂两大类。通常以单向拉伸时的断面收缩率大于5%者为韧性断裂，而小于5%者为脆性断裂。脆性断裂在断面外观上没有明显的塑性变形迹象，直接由

5、弹性变形状态过渡到断裂，断裂面和拉伸轴接近正交，断口平齐。7/14/202114在单晶体试样中常表现为沿解理面的解理断裂。在多晶体试样中则可能出现两种情况：一是裂纹沿解理面横穿晶粒的穿晶断裂，断口可以看到解理亮面；若晶粒较粗，则可以看到许多强烈反光的小平面(或称刻面)，这些小平面就是解理面或晶界面，可叫做晶状断口。二是裂纹沿晶界的晶间断裂，断口呈颗粒状。资料：所谓解理面，一般都是晶面指数比较低的晶面，如体心立方的（100）面。7/14/202115解理断裂成因：原子间结合键遭到破坏，沿表面能最小、低指数的晶面（解理面）劈开而成。解理断裂特点：（1）断口呈河流，扇形或羽毛状花样

6、，如图示螺型位错穿过解理面，遇到第二个螺位错，产生台阶。（2）舌状花样，如图示解理裂纹与孪晶相遇时，便沿孪晶面发生局部二次解理，二次解理面与主解理面之间的连接部分断裂，形成舌状花样7/14/202116沿晶断裂特点：在断面上可看到晶粒轮廓线或多边体晶粒的截面图，如图示。有时仍可看到河流或扇形花样。沿晶断裂成因：晶粒边界的结合强度远比晶内要低，脆性裂纹就会择优在晶界形核，并沿晶界扩展。①晶界存在连续分布的脆性第二相②微量有害杂质元素在晶界上偏聚③由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。7/14/202117理论断裂强度理论断裂强度是指

7、完整晶体在正应力作用下沿其一晶面拉断的强度。如图所示，此强度就是两相邻原子面在拉应力s作用下克服原子间键合力作用，使原子面分开的应力。7/14/202118由外力抵抗原子间结合力所做的功等于产生断裂新表面的表面能，可以求得理论断裂强度为：式中a——断裂面间的原子间距；g——表面能；E——弹性模量。7/14/202119对于铁，可以估算理论断裂强度sm≈E/10。这个数值是很高的，实际的断裂强度比这个值低很多，只是它的1/100~1/1000。只有毫无缺陷的晶须才能近似达到理论断裂强度。这一悬殊差别的存在