第一章 材料在静载下的力学行为3(4.1金属的断裂)ppt课件.ppt

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1、1.4金属材料的断裂过量弹性变形、过量塑性变形、磨损和断裂是机件的主要失效形式，其中以断裂的危害最大。在应力作用下(有时还兼有温度及介质的共同作用)，金属材料被分成两个或几个部分，称为完全断裂(简称断裂)；内部存在裂纹，则为不完全断裂。本节研究金属材料断裂的宏观特征、微观特征、断裂机理(裂纹是如何形成与扩展的)、断裂的力学条件及影响金属断裂的内外因素。这些知识对于设计人员和材料工作者进行机件安全设计与选材，分析机件断裂失效事故都是十分必要的。一、断裂的类型大多数金属材料的断裂过程都包括裂纹形成与扩展两个阶段。对于不同的断裂

2、类型，这两个阶段的机理与特征并不相同。可以依据不同的断裂机理和特征对断裂进行分类。1、韧性断裂与脆性断裂2、穿晶断裂与沿晶断裂3、纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂(一)韧性断裂与脆性断裂韧性断裂韧性断裂是金属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，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量。韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45°角。用肉眼或放大镜观察时，断口呈纤维状，灰暗色。纤维状是微裂纹扩展时造成的灰暗色则是纤维断口表面对光散射所致。断口特征三要素中、低强度钢的光滑圆柱试样在室温下的静

3、拉伸断裂是典型的韧性断裂，其宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。纤维区的形成过程当光滑圆柱拉伸试样局部区域产生缩颈时，缩颈处的应力状态由单向变为三向，且中心轴向应力最大，致使试样中心部分的夹杂物或第二相质点本身碎裂，或使夹杂物质点与基体界面脱离而形成微孔。微孔不断长大和聚合就形成显微裂纹。早期形成的显微裂纹，其端部产生较大塑性变形，且集中于极窄的高变形带内。这些剪切变形带大致与径向呈50°～60°角。新的微孔就在变形带内成核、长大和聚合，当其与裂纹连接时，裂纹便向前扩展了一段距离

4、。这样的过程重复进行就形成锯齿形的纤维区。纤维区所在平面(即裂纹扩展的宏观平面)垂直于拉伸应力方向。放射区的形成过程纤维区中裂纹扩展是很慢的，当其达到临界尺寸后就快速扩展而形成放射区。放射区有放射线花样特征。放射线平行于裂纹扩展方向而垂直于裂纹前端(每一瞬间)的轮廓线，并逆指向裂纹源。撕裂时塑性变形量越大，则放射线越粗。对于几乎不产生塑性变形的极脆材料，放射线消失。温度降低或材料强度增加，由于塑性降低，放射线由粗变细乃至消失。剪切唇的形成过程裂纹扩展接近试样边缘时，应力状态改变了（平面应力状态），最后沿着与拉力轴向成40-

5、50°纯剪切断裂。表面粗糙发深灰色。三区之间关系及影响因素放射区比例大，则材料的塑性低。反之塑性好的材料，必然表现为纤维区和剪切唇占很大比例，甚至中间的放射区可以消失。如果材料的硬度和强度很高，又处于低温环境，圆形试样的拉伸断口上只有放射状条纹，这些条纹汇聚于一个中心，这个中心区域就是裂纹源。放射区表面越光滑，放射条纹越细，材料强度愈高。条纹甚至会消失。试样尺寸加大，放射区比例增大明显，而纤维区比例变化不大。脆性断裂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。脆性断裂的断裂面一般与正

6、应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。区分韧性断裂和脆性断裂通常，脆性断裂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％(只有微量的均匀塑性变形)者为脆性断裂。；断面收缩率大于5％者为韧性断裂。金属材料的韧性与脆性是根据一定条件下的塑性变形量来规定的。条件改变，材料的韧性与脆性行为也将随之变化。板状矩形拉伸试样脆性断口中的放射线呈人字纹花样。人字纹花样的放射方向也与裂纹扩展方向平行，但其尖顶指向裂纹源。实际宏观断口形貌穿晶断裂与沿晶断裂按裂纹扩展路径分类：穿晶断裂和沿晶断裂穿晶断裂的裂纹在晶内扩展；

7、沿晶断裂的裂纹沿晶界扩展。穿晶断裂可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂；沿晶断裂则大多数是脆性断裂。沿晶断裂是由晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。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。沿晶断裂的断口形貌呈冰糖状，有时也称“萘状断口”，上左图为18CrNiWA钢的冰糖状断口。如晶粒很细小，则肉眼无法辨认出冰糖状形貌，此时断口一般呈晶粒状，颜色较纤维状断口明亮，但比纯脆性断口要灰暗些。穿晶断裂和沿晶断裂有时可以混合发生。剪切断裂与解理断裂

8、(1)剪切断裂是金属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。纯金属尤其是单晶体金属常产生纯剪切断裂单晶体金属滑断断口呈锋利的楔形；多晶体纯金属滑断断口呈刀尖形。微孔聚集型断裂是通过微孔形核、长大聚合而导致材料分离的。由于实际材料中常同时形成许多微