材料的力学性能3断裂解析课件.ppt

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1、3、材料的断裂断裂是材料和机件主要的失效形式之一，其危害性极大，特别是脆性断裂，由于断裂前没有明显的预兆，往往会带来灾难性的后果。工程断裂事故的出现及其危害性使得人们对断裂问题非常重视。研究材料的断裂机理、断裂发生的力学条件以及影响材料断裂的因素，对于机械工程设计、断裂失效分析、材料研究开发等具有重要意义。断裂是一个物理过程，在不同的力学、物理和化学环境下会有不同的断裂形式，如疲劳断裂、蠕变断裂、腐蚀断裂等。断裂之后断口的宏观和微观特征与断裂的机理紧密相关。3.1断裂类型3.1.1断裂的分类韧性断裂与脆性断裂这是根据材料断裂前塑性变形的程度进行的一种

2、分类。韧性断裂是指材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂。这种断裂有一个缓慢的撕裂过程。在裂纹扩展过程中需要不断地消耗能量。由于韧性断裂前已经发生了明显的塑性变形，有一定的预警，所以其危害性不大。脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。通常，脆断前也产生微量塑性变形。一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％者为脆性断裂，该材料即称为脆性材料；反之，大于5%者则为韧性材料。3.1.1断裂的分类穿晶断裂与沿晶断裂根据裂纹扩展路径进行的一种分类。穿晶断裂裂纹穿过晶内，沿晶断裂裂纹沿晶界扩展。3.1断裂类型3.1.1

3、断裂的分类穿晶断裂与沿晶断裂从宏观上看，穿晶断裂可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂），也可以是脆性断裂（低温下的穿晶断裂），而沿晶断裂则多数是脆性断裂。沿晶断裂一般是晶界被弱化造成的断裂。相变时产生的领先相如脆性的碳化物、很软的铁素体等沿晶界分布可以使晶界弱化；杂质元素磷、硫等向晶界偏聚也可以引起晶界弱化。应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等都是沿晶断裂。3.1断裂类型3.1.1断裂的分类解理断裂、剪切断裂按断裂的晶体学特征分类解理断裂是材料（晶体）在一定条件下(如低温)，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产生的穿晶断裂

4、。因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。解理面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面。剪切断裂是材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，其中又分滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。3.1断裂类型3.1.1断裂的分类正断和切断按断裂面的取向可以将断裂分为正断和切断。正断型断裂的断口与最大正应力相垂直，常见于解理断裂或约束较大的塑性变形的场合。切断型断裂的宏观断口的取向与最大切应力方向平行，而与主应力约成450角。切断常发生于塑性变形不受约束或约束较小的情况，如拉伸断口上的剪切唇等。3.1断裂类型3.1.2断口的宏观特征材料或构件受

5、力断裂后的自然表面称为断口。断口可以分为宏观断口和微观断口:宏观断口指用肉眼或20倍以下的放大镜观察的断口，它反映了断口的全貌；微观断口是指用光学显微镜或扫描电镜观察的断口。通过对断口微观特征的分析可以揭示材料断裂的本质。3.1断裂分类与宏观断口特征3.1.2断口的宏观特征光滑圆柱拉伸试样的宏观韧性断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，这就是断口特征的三要素。3.1断裂分类与宏观断口特征3.1.2断口的宏观特征韧性断裂的宏观断口同时具有上述三个区域，而脆性断口纤维区很小，几乎没有剪切唇。上述断口三区域的形态、大小和相对位置会因试样形状、

6、尺寸和材料的性能，以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。一般来说，材料强度提高，塑性降低，则放射区比例增大；试样尺寸加大，放射区增大明显，而纤维区变化不大；试样表面存在缺口不仅改变各区所占比例，而且裂纹形核位置将在表面产生。3.1断裂分类与宏观断口特征3.2.1晶体的理论断裂强度晶体的理论断裂强度是指将晶体原子分离开所需的最大应力，它与晶体的弹性模数有一定关系，弹性模数表示原子间结合力的大小，只表示产生一定量的变形不同晶体所需要的力大小，晶体的理论断裂强度就是这个应力的最大值。＝实际金属材料，其断裂应力为理论的值的1/10～1/1000，潜力巨

7、大。3.2断裂强度3.2.2材料的实际断裂强度为了解释玻璃，陶瓷等脆性材料理论断裂强度和实际断裂强度的巨大差别，格雷菲斯(A.A.Griffith)在1921年提出了断裂强度的裂纹理论。这一理论的基本出发点是认为实际材料中已经存在裂纹，当平均应力还很低时，局部应力集中已达到很高数值，从而使裂纹快速扩展并导致脆性断裂。根据能量平衡原理，由于存在裂纹，系统弹性能降低应该与因存在裂纹而增加的表面能相平衡。如果弹性能降低足以支付表面能增加之需要时，裂纹就会失稳扩展引起脆性破坏。3.2断裂强度3.2.2材料的实际断裂强度一单位厚度的无限宽薄板，对之施加一拉应力

8、，而后使其固定并隔绝外界能源。用无限宽板是为了消除板的自由边界的约束。这样，在垂直板表面的方向上可以自由位移