1、第4章材料的斷裂，4.1斷裂分類和宏觀斷裂特征4.2斷裂強度4.3脆性斷裂4.4延性斷裂4.6缺口效應(yīng)4.7材料的低溫脆性。斷裂是一種非常復(fù)雜的材料行為，它不僅發(fā)生在高應(yīng)力和高應(yīng)變下，而且發(fā)生在低應(yīng)力和無明顯塑性變形的情況下。因此，在不同的力學、物理和化學環(huán)境中，會有不同的斷裂形式，如靜載荷斷裂、沖擊斷裂和冷變形斷裂。斷裂研究的主要目的是防止斷裂，保證在役構(gòu)件的安全。機械和工程部件有三種主要的失效形式：磨損、腐蝕和斷裂。4.1裂縫分類和宏觀裂縫特征。首先，根據(jù)斷裂前的塑性變形將斷裂分類：脆性斷裂；韌性斷裂按裂紋擴展路徑分類：穿晶斷裂；根據(jù)斷裂機理，沿晶斷裂分為解理斷裂；微孔聚集斷裂；純剪切斷裂

2、根據(jù)斷裂面的方向分為：正斷裂；切斷實際斷裂是非常復(fù)雜的，這往往不是一個單一的機制，而是多個機制的混合斷裂。韌性斷裂和脆性斷裂、韌性斷裂：斷裂前有明顯的宏觀塑性變形，斷裂是一個緩慢的撕裂過程，在裂紋擴展過程中不斷消耗能量；脆性斷裂：斷裂前無明顯塑性變形，無明顯跡象，危害極大。實際上，金屬的脆性斷裂和韌性斷裂之間沒有明顯的界限。一般規(guī)定，面積收縮小于5的是脆性斷裂，而面積收縮大于5的是韌性材料。穿晶斷裂和晶間斷裂，穿晶斷裂：裂紋穿過晶內(nèi)(韌性或脆性斷裂)晶間斷裂：裂紋沿晶界擴展(多為脆性斷裂)。晶間斷裂的原因是：晶界上的一薄層連續(xù)或不連續(xù)的脆性第二相和夾雜物破壞了晶界的連續(xù)性；或者雜質(zhì)元素向晶界集

3、中。剪切斷裂：在剪應(yīng)力作用下，沿滑動面分離引起的滑動面分離斷裂。純剪切斷裂：完全由滑移流變引起的斷裂(如純金屬，尤其是單晶)；微孔聚集斷裂：在一定條件下(如低溫等)，由微孔成核和生長聚合引起的分離(如普通金屬材料的解理斷裂)。)，當施加的法向應(yīng)力達到一定值時，金屬材料將沿著某一晶面(解理面)以極快的速度產(chǎn)生穿晶斷裂和脆性斷裂。解理斷裂在bcc和hcp金屬中很常見。解理面通常是低折射率晶面或表面能最低的晶面，例如，bcc金屬的解理面為(100)。純剪切斷裂、微孔聚集斷裂、解理斷裂和正斷裂：斷裂垂直于最大正應(yīng)力；切割：宏觀斷裂的方向平行于最大剪應(yīng)力的方向。注：正常斷裂不一定是脆性斷裂，也可能有明顯

4、的塑性變形。而且切割必須是韌性斷裂。正向斷裂和切割、2。斷口宏觀特征，宏觀斷口：肉眼或放大鏡觀察20次以下的斷口；顯微斷裂：用光學顯微鏡或掃描電子顯微鏡觀察的斷裂。宏觀韌性斷裂(拉伸試樣)，材料斷裂的實際情況往往比較復(fù)雜，宏觀斷裂形態(tài)可能與微觀斷裂特征不完全一致。因此，宏觀韌脆斷裂不能與微觀韌脆斷裂機制相混淆。宏觀脆性斷裂、杯錐斷裂、纖維區(qū)：在樣品中心，裂紋首先在該區(qū)域形成，該區(qū)域顏色較暗，表面波動較大。當裂紋在該區(qū)域擴展時，伴隨著較大的塑性變形，裂紋擴展緩慢；剪切唇：當接近試樣邊緣時，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化(平面應(yīng)力狀態(tài))，最終沿與拉伸軸向成45的剪切角斷裂，表面光滑。輻射區(qū)：表面光潔平整，有細小

5、的放射狀條紋，裂紋在此區(qū)域迅速擴展；斷裂特征的三個要素：纖維區(qū)f、輻射區(qū)r、剪切唇s、杯狀斷裂的形成：a .頸縮導(dǎo)致三維應(yīng)力，塑性變形難以進行，頸縮中心真應(yīng)力；b .樣品中心的第二相顆粒如夾雜物破碎或顆粒與基體分離；c .微孔生長時形成微裂紋，早期微裂紋末端有較大的塑性變形；剪切變形區(qū)和橫向裂紋在該區(qū)長大，并與其他裂紋連接形成鋸齒狀纖維區(qū)；邊緣剪切斷裂。輻射面積大，材料的塑性低。脆性斷裂的纖維面積很小，幾乎沒有剪切唇。對于塑性好的材料，纖維面積和剪切唇占很大比例，甚至中間的輻射面積也可以消失。三個斷裂區(qū)域的形狀、大小和相對位置與樣品的形狀和大小、材料性質(zhì)、測試溫度、加載速率和應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。樣品

6、的塑性取決于三個區(qū)域的比率：平板樣品，4.2斷裂強度，1。晶體的理論斷裂強度和原子間的距離隨著應(yīng)力的增加而增加。在某一點上，應(yīng)力克服了原子間的作用力，并達到最大值，即理論斷裂強度m。從原子間的結(jié)合力開始，當原子間的結(jié)合力被克服時，材料斷裂。其中e是彈性模量。A0是原子間的平衡距離。=msin (2x/)，=m (2x/)，=e=ex/A0，m=e/2a0，如果晶體在彈性狀態(tài)下被破壞，并且位移x很小，那么根據(jù)胡克定律，在彈性狀態(tài)下，作為一階近似，曲線可以用正弦曲線來表示，其中x是原子間位移，并且是正弦曲線。這是理想晶體脆性(解理)斷裂的理論斷裂強度?？梢钥闯?，m與表面能s有關(guān)，解理面通常是具有最

7、小表面能的面，這可以通過這個公式來理解。在斷裂過程中，必須提供足夠的能量來形成兩個新的表面。如果材料的單位表面能為S，即斷裂形成中外力消耗的能量至少等于2S:并且M=E/2A0、公式的應(yīng)用：例如，E=2105 MPa，a0=2.510-10 m，并且s=1 J/m2的鐵，那么m28.3 GPa。目前，最高強度鋼約為4500兆帕，即實際材料的斷裂強度比理論值低13個數(shù)量級。實際材料不是完整的晶體，也就是說，基本假設(shè)是不正確的。實際材料中總是存在各種不連續(xù)的因素，如缺陷和裂紋，缺陷引起的應(yīng)力集中對斷裂的影響不可忽視。到了晉代，劉周在劉子深的歧異中作了這樣的總結(jié)?！皦Φ牡顾欢ㄊ怯捎谒目p隙；這把劍

8、的毀滅是由于文。蚯蚓穿過堤岸時可以漂過一個城市。它的意思是：墻因為裂縫而倒塌，劍因為裂縫而折斷，小蚯蚓刺穿了堤壩，這將使它倒塌并淹沒城市。1)格里菲斯發(fā)現(xiàn)新拉制的玻璃棒的彎曲強度為6GPa；而在空氣中放置幾個小時后，強度下降到0.4 GPa。原因是表面裂紋是由于大氣腐蝕形成的。2) Yoffie等人用溫水溶解氯化鈉表面的缺陷，強度從5兆帕提高到1.6103兆帕，提高了300多倍。有些人把石英玻璃纖維分成幾種不同的長度。當測量其強度時，發(fā)現(xiàn)當長度為12厘米時，強度為275兆帕；當長度為0.6厘米時，強度可達760兆帕。這是因為樣本很長，包含危險裂縫的機會增加了。4)塊體材料和晶須材料的強度：鐵-

9、銅冶金熔化材料：300兆帕140兆帕，晶須：35000兆帕28000兆帕，實驗證據(jù)：2)材料的實際斷裂強度(格里菲斯理論)，固體材料中存在裂紋，導(dǎo)致實際斷裂強度和理論強度之間至少有一個數(shù)量級的差異。為了解決裂紋體的斷裂強度問題，格里菲斯于1921年從能量平衡的角度研究了陶瓷、玻璃等脆性材料的斷裂問題。格里菲斯假設(shè)有裂縫想象一個單位厚度的無限寬的薄板，在施加拉伸應(yīng)力后兩端固定，并與外界隔絕。格里菲斯裂紋模型，形成新表面所需的表面能為：UE=-2a2/e。如果切割長度為2a的裂紋，彈性能將從最初彈性張緊的板中釋放出來。根據(jù)彈性理論，釋放的彈性能為：W=4as，板的單位體積彈性能為2/2e；整個系統(tǒng)

10、的能量變化為：UE w=4as-2a2/e，(UE w)/a=4s-22a/e=0。從圖中可以看出，當裂紋增長到2ac時，如果它再次增長，系統(tǒng)的總能量將減少。從能量的角度來看，裂紋長度的連續(xù)增長將是一個自發(fā)的過程，這時的臨界狀態(tài)為：裂紋失穩(wěn)擴展的臨界應(yīng)力為：格里菲斯公式中，C是裂紋板的實際斷裂強度，它與裂紋尺寸的平方根成反比。系統(tǒng)能量隨裂紋半長而變化，當裂紋長度不變時，裂紋會不穩(wěn)定地擴展。當拉應(yīng)力不變時，臨界裂紋為：a 2ac，裂紋自動擴展并斷裂；A2ac，無斷裂發(fā)生。(在理論斷裂強度公式中用a/2代替a0成為格里菲斯公式。格里菲斯公式適用于脆性材料，如陶瓷、玻璃和超高強度鋼。對于厚板，格里菲

11、斯理論的前提是材料中存在裂紋，但不涉及裂紋的來源。對于沒有裂紋的金屬，格里菲斯的理論不能解釋它們實際強度低的原因。后來，根據(jù)這種金屬斷裂前的塑性變形，提出了位錯積累和反應(yīng)理論。當裂紋延伸到格里菲斯裂紋長度時，將發(fā)生斷裂。對于塑性材料，由于裂紋尖端有較大的塑性變形，并吸收了大量的變形功，這部分變形功是裂紋擴展的主要阻力，因此格里菲斯公式修正如下：式中，P為單位面積裂紋表面吸收的塑性變形功，2sp為有效表面能。一般來說，p比表面能大幾個數(shù)量級。上述公式是塑性金屬材料的斷裂準則。格里菲斯-奧羅萬-歐文公式，思考問題：1。薄板中有一條3毫米長的裂紋，a0=3*10-8毫米，所以試著找出脆性斷裂中的斷裂

12、應(yīng)力c(讓th=E/10=2*105兆帕)。2.有一種材料的E=2*1011 N/m2，s=8n/m。試著計算這種材料在7*107 N/m2拉力下的臨界裂紋長度。從理論上講，脆性斷裂的宏觀特征是斷裂前不發(fā)生塑性變形，但裂紋擴展速度很快，接近聲速。脆性斷裂前無明顯跡象，斷裂發(fā)生突然，往往造成嚴重后果。因此，應(yīng)該防止脆性斷裂。4.3脆性斷裂，脆性斷裂的兩種主要機制：解理斷裂和晶間斷裂。解理斷裂：實驗結(jié)果表明，解理斷裂雖然是典型的脆性斷裂，但解理裂紋的形成與材料的塑性變形有關(guān)，塑性變形是位錯運動的結(jié)果。因此，為了探討解理裂紋的產(chǎn)生，許多學者用位錯理論來解釋解理裂紋的形成機理。(1)脆性斷裂機理，(1

13、) Zener-nast理論(位錯堆積理論)，解理面，滑移面，70.5，Jenner Zener-Stroh認為，在剪應(yīng)力作用下，滑移面上的邊緣位錯運動遇到障礙(晶界或第二相粒子)，導(dǎo)致位錯堆積，此時堆積頭的應(yīng)力集中不能通過塑性變形。解理裂紋，面心立方有許多滑移系，很少的塞組和很少的應(yīng)力集中，所以解理裂紋不容易形成。解理裂紋形成機理：裂紋形成的有效剪應(yīng)力必須滿足以下關(guān)系：裂紋擴展和解理斷裂的條件是所施加的正應(yīng)力達到臨界應(yīng)力c:其中g(shù)是剪切模量，Ky是霍爾-佩特奇關(guān)系中的釘扎常數(shù)。從上述公式可以看出，晶粒尺寸越小，斷裂應(yīng)力越高，材料的脆性越低。(2) Cottrell理論(位錯反應(yīng)理論)，在bc

14、c晶體中，有兩個相交的滑移面和(101)與解理面(001)相交，以及三個平面的交線現(xiàn)有的位錯群在010軸上相遇并產(chǎn)生以下反應(yīng)：固定位錯，這是一個能量減少的過程，因此裂紋成核是自動的，但是對于面心立方，有類似的位錯反應(yīng)，但它不是一個能量減少的過程，因此面心立方?jīng)]有這樣的裂紋成核機制。(3)史密斯理論(脆性第二相開裂理論)，碳化物開裂的力學條件：碳化物裂紋擴展成鐵素體的力學條件：c0是碳化物的厚度。考慮到微觀組織不均勻所造成的影響，史密斯提出低碳鋼晶界碳化物開裂導(dǎo)致解理裂紋的理論：鐵素體中的位錯源在剪應(yīng)力作用下開始，位錯運動在晶界碳化物處受阻，在塞狀沉積物頭部形成塞狀沉積物。(1)解理斷裂，是穿晶

15、脆性斷裂。由于多晶的不同取向，解理斷裂后形成許多以晶粒尺寸為單位的不規(guī)則取向的“小面”，在強光照射下出現(xiàn)金屬閃光，在宏觀上常被稱為“晶體”斷裂。劈理斷層有三個微觀特征：劈理臺階、河型和舌型。當在兩個不同高度的平行解理面上延伸的解理裂紋相交時，形成解理臺階。形成它有兩種方式：通過解理裂紋和螺旋位錯的相交；由二次分裂或撕裂形成。解理臺階、解理裂紋與螺旋位錯相交形成臺階，河流模式是判斷解理斷裂是否發(fā)生的重要微觀基礎(chǔ)。“河流”的流向與裂紋擴展方向一致，因此解理裂紋的擴展方向可以根據(jù)“河流”的流向來確定，斷裂源可以根據(jù)“河流”的反方向來尋找。當不同的步驟相遇時，它們相互抵消，當相同的步驟相遇時，它們?nèi)诤?/p>

16、并成長。當匯流臺階足夠高時，將形成河流模式。河流型，類似于延伸的小舌，是舌形凸臺，沿孿晶界擴展的解理裂紋留下的凹坑。準解理和解理的區(qū)別在于，真正的解理裂紋通常源自晶界，而準解理裂紋通常源自晶內(nèi)硬點，形成源自晶體中某一點的放射狀河流圖案。準解理不是獨立的斷裂機制，而是解理斷裂的變體。(2)具有微觀形態(tài)特征的準解理斷裂被稱為準解理斷裂，因為它看似解理河流，但實際上并未解理。當裂紋在晶體中擴展時，很難嚴格沿某一晶面擴展，準解理面不是晶體解理面。(3)沿晶斷裂是一種脆性斷裂，裂紋沿晶界擴展，其特征是結(jié)晶糖形態(tài)。裂紋的擴展總是沿著原子結(jié)合力最弱的區(qū)域。一般來說，晶界不會開裂。由于某些原因，晶間斷裂將不可

17、避免地降低晶界之間的結(jié)合強度。原因如下：脆性第二相連續(xù)分布在晶界處，微量有害雜質(zhì)元素集中在晶界處，受到氫脆、應(yīng)力腐蝕、應(yīng)力和高溫共同作用等環(huán)境介質(zhì)的破壞。晶間斷裂的斷裂形態(tài)，4.4韌性斷裂，(1)純剪切斷裂一些純金屬，特別是單晶金屬，在斷裂過程中不產(chǎn)生孔洞和新的界面，位錯只能從表面釋放，而斷裂取決于樣品的橫截面積減小到0，因此斷裂為尖楔形，面積收縮幾乎為100。(1)韌性斷裂機制；(2)微孔聚集韌性斷裂，實際金屬中總是存在第二相粒子，這是微孔成核的來源。微孔成核過程：微孔聚集韌性斷裂：微孔成核生長并聚合斷裂。韌性斷裂的微觀特征是韌窩形態(tài)。電鏡下可見斷口由許多凹凸不平的微坑組成，微坑中有第二相粒子。等軸酒窩，2。韌性斷裂的微觀特征，1。夾雜物或第二相顆粒尺寸小且分布密集，形成小且多的凹坑圖案；尺寸大，分布變化小，形成一個大的酒窩圖案；