金属材料的断裂和断裂韧性

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1、4金属材料的断裂和断裂韧性现代设计与分析研究所何雪浤14金属材料的断裂和断裂韧性工程构件的主要失效形式断裂、弹塑性失稳、磨损、腐蚀等断裂的不同形式疲劳断裂、蠕变断裂、应力腐蚀或腐蚀疲劳断裂等室温环境下单向加载时的金属断裂断裂类型：脆性断裂、韧性断裂断裂过程与微观机制断裂的基本理论韧－脆转化区分依据：断裂前是否发生明显的宏观塑性变形；断裂前是否明显地吸收了能量24金属材料的断裂和断裂韧性4.1脆性断裂4.2延性断裂4.3脆性—韧性转变4.4线弹性条件下的断裂韧性4.5影响断裂韧性的因素4.6金属的韧化4.7弹塑性条件下

2、断裂韧性的概述复习思考题34.1脆性断裂脆性断裂的宏观特征断裂前无明显的塑性变形，吸收的能量很少，而裂纹的扩展速度往往很快，几近音速，故脆性断裂前无明显的征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的后果。在工程应用中，一般把Ψk<5％定为脆性断裂，Ψk=5％定为准脆性断裂，Ψk>5％定为韧性断裂。材料处于脆性状态还是韧状态并不是固定不变的，往往因材质、应力状态和环境等因素而相互转化。常见的脆性断裂有解理断裂和晶间断裂。44.1.1解理断裂解理断裂是材料在拉应力的作用下，由于原子间结合键遭到破坏，严格地沿一定的结晶

3、学平面（即所谓“解理面”）劈开而造成的。解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数的晶面。解理断口的宏观形貌是较为平坦的、发亮的结晶状断面。在电子显微镜下，解理断口的特征是河流状花样。河流状花样是由解理台阶的侧面汇合而形成的。“河流”的流向与裂纹扩展方向一致。在通过扭曲晶界或大角度晶界时，由于相邻晶粒内解理面的位向差很大，裂纹在晶界受阻，裂纹尖端的高应变能激发了在晶界另一侧面的解理裂纹成核，即出现了新的河流花样，而且往往数量大增。解理断裂的另一个微观特征是舌状花样，它是解理裂纹沿孪晶界扩展而留下的舌状凸台或凹坑。5

4、一些金属的解理面6解理断口的河流花样（箭头所指为扩展方向）7裂纹扩展和河流方向8裂纹穿过大角度晶界的解理河流花样9解理断口的舌状花样104.1.2准解理断裂准解理断裂多在马氏体回火钢中出现，回火产物中细小的碳化物质点影响裂纹的产生和扩展。准解理断裂时，其解理面除（001）面外，还有（110）、（112）等晶面。准解理断裂的解理小平面间有明显的撕裂棱。其微观形貌中，出现大量短而弯曲的撕裂棱，河流花样已不十分明显。撕裂棱是由一些单独形核的裂纹相互连接而形成的。11准解理断口12撕裂棱的形成过程示意图13准解理断裂和解理断

5、裂的主要不同点准解理裂纹常起源于晶内硬质点，向四周放射状地扩展，而解理裂纹则自晶界一侧向另一侧延伸；准解理断口有许多撕裂棱；准解理断口上局部区域出现韧窝，是解理与微孔聚合的混合型断裂。但准解理断裂的主要机制仍是解理。其宏观表现是脆性的。所以，常将准解理断裂归入脆性断裂。144.1.3沿晶断裂沿晶断裂是裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。沿晶断裂发生的主要原因晶界存在连续分布的脆性第二相；微量有害杂质元素在晶界上偏聚；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。例：钢的高温回火脆性是微

6、量有害元素P，Sb，As，Sn等偏聚于晶界，降低了晶界原子间的结合力，从而大大降低了裂纹沿晶界扩展的抗力，导致沿晶断裂。15沿晶断裂断口形貌164.2.1延性断裂特征及过程延性断裂的微观特征是韧窝形貌。在电子显微镜下，可以看到断口由许多凹进或凸出的微坑组成。在微坑中可以发现有第二相粒子。一般情况下，断口具有韧窝形貌的构件，其宏观断裂是韧性的，断口的宏观形貌大多呈纤维状。延性断裂的过程是：“微孔形核—微孔长大——微孔聚合”三部曲。微孔聚合有三种不同的模式。韧窝的形状因应力状态而异。如在正应力作用下，韧窝是等轴形的；在扭

7、载荷作用下，韧窝被拉长为椭圆形。微观上的延性断裂（其特征为微孔聚合、韧窝形貌），往往与宏观上的韧性断裂（断裂前有较大的宏观塑性变形）相联系，但并无严格的对应关系。17延性断裂断口形貌——韧窝18剪切裂纹一般沿滑移线发生.高强度钢常发生这种模式的微孔聚合，其韧性较“正常的”微孔聚合模式要差。微孔聚合的三种形式（a）正常的微孔聚合；（b）快速剪切断开；（c）大片夹杂相连内颈缩剪切裂纹夹杂微孔成核源：第二相粒子。在应力作用下，基体和第二相粒子的界面脱开，或第二相粒子本身开裂，于是出现微孔。材料内部本身存在着大片的夹杂，微孔

8、通过脆弱的夹杂连成裂纹。这是不合格材料出现的一种缺陷19不同韧窝形式(a)等轴韧窝(b)抛物线型韧窝(c)拉长型韧窝204.2.2影响延性断裂扩展的因素1第二相粒子第二相粒子分为两大类，一类是夹杂物，如钢中的MnS，它很脆，在不大的应力作用下，这些夹杂物粒子便与基体脱开，或本身裂开而成为微孔；另一类是强化相，如钢中的弥散碳化物、铝合金中的弥散强