1、1,4 金屬材料的斷裂和斷裂韌性,現(xiàn)代設(shè)計(jì)與分析研究所 何雪浤,2,4 金屬材料的斷裂和斷裂韌性,工程構(gòu)件的主要失效形式 斷裂、彈塑性失穩(wěn)、磨損、腐蝕等 斷裂的不同形式 疲勞斷裂、蠕變斷裂、應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞斷裂等 室溫環(huán)境下單向加載時(shí)的金屬斷裂 斷裂類型：脆性斷裂、韌性斷裂 斷裂過(guò)程與微觀機(jī)制 斷裂的基本理論 韌脆轉(zhuǎn)化,區(qū)分依據(jù)： 斷裂前是否發(fā)生明顯的宏觀塑性變形； 斷裂前是否明顯地吸收了能量,3,4 金屬材料的斷裂和斷裂韌性,4.1 脆性斷裂 4.2 延性斷裂 4.3 脆性韌性轉(zhuǎn)變 4.4 線彈性條件下的斷裂韌性 4.5 影響斷裂韌性的因素 4.6 金屬的韌化 4.7 彈塑性條件下斷裂韌性

2、的概述,復(fù)習(xí)思考題,4,4.1 脆性斷裂,脆性斷裂的宏觀特征 斷裂前無(wú)明顯的塑性變形，吸收的能量很少，而裂紋的擴(kuò)展速度往往很快，幾近音速，故脆性斷裂前無(wú)明顯的征兆可尋，且斷裂是突然發(fā)生的，因而往往引起嚴(yán)重的后果 。 在工程應(yīng)用中，一般把k 5定為韌性斷裂。 材料處于脆性狀態(tài)還是韌狀態(tài)并不是固定不變的，往往因材質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)和環(huán)境等因素而相互轉(zhuǎn)化。 常見的脆性斷裂有解理斷裂和晶間斷裂。,5,4.1.1 解理斷裂,解理斷裂是材料在拉應(yīng)力的作用下，由于原子間結(jié)合鍵遭到破壞，嚴(yán)格地沿一定的結(jié)晶學(xué)平面（即所謂“解理面”）劈開而造成的。 解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指數(shù)的晶面。 解理斷口的宏觀形

3、貌是較為平坦的、發(fā)亮的結(jié)晶狀斷面。 在電子顯微鏡下，解理斷口的特征是河流狀花樣。河流狀花樣是由解理臺(tái)階的側(cè)面匯合而形成的。 “河流”的流向與裂紋擴(kuò)展方向一致 。 在通過(guò)扭曲晶界或大角度晶界時(shí)，由于相鄰晶粒內(nèi)解理面的位向差很大，裂紋在晶界受阻，裂紋尖端的高應(yīng)變能激發(fā)了在晶界另一側(cè)面的解理裂紋成核，即出現(xiàn)了新的河流花樣，而且往往數(shù)量大增。 解理斷裂的另一個(gè)微觀特征是舌狀花樣，它是解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展而留下的舌狀凸臺(tái)或凹坑。,6,一些金屬的解理面,7,解理斷口的河流花樣（箭頭所指為擴(kuò)展方向）,8,裂紋擴(kuò)展和河流方向,9,裂紋穿過(guò)大角度晶界的解理河流花樣,10,解理斷口的舌狀花樣,11,4.1.2 準(zhǔn)

4、解理斷裂,準(zhǔn)解理斷裂多在馬氏體回火鋼中出現(xiàn)，回火產(chǎn)物中細(xì)小的碳化物質(zhì)點(diǎn)影響裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。 準(zhǔn)解理斷裂時(shí)，其解理面除（0 01）面外，還有（1 1 0）、（1 1 2）等晶面。 準(zhǔn)解理斷裂的解理小平面間有明顯的撕裂棱。其微觀形貌中，出現(xiàn)大量短而彎曲的撕裂棱，河流花樣已不十分明顯。 撕裂棱是由一些單獨(dú)形核的裂紋相互連接而形成的。,12,準(zhǔn)解理斷口,13,撕裂棱的形成過(guò)程示意圖,14,準(zhǔn)解理斷裂和解理斷裂的主要不同點(diǎn),準(zhǔn)解理裂紋常起源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)，向四周放射狀地?cái)U(kuò)展，而解理裂紋則自晶界一側(cè)向另一側(cè)延伸； 準(zhǔn)解理斷口有許多撕裂棱； 準(zhǔn)解理斷口上局部區(qū)域出現(xiàn)韌窩，是解理與微孔聚合的混合型斷裂。但準(zhǔn)解

5、理斷裂的主要機(jī)制仍是解理。其宏觀表現(xiàn)是脆性的。所以，常將準(zhǔn)解理斷裂歸入脆性斷裂。,15,4.1.3 沿晶斷裂,沿晶斷裂是裂紋沿晶界擴(kuò)展的一種脆性斷裂 。 沿晶斷裂發(fā)生的主要原因 晶界存在連續(xù)分布的脆性第二相； 微量有害雜質(zhì)元素在晶界上偏聚； 由于環(huán)境介質(zhì)的作用損害了晶界，如氫脆、應(yīng)力腐蝕、應(yīng)力和高溫的復(fù)合作用在晶界造成損傷。 例：鋼的高溫回火脆性是微量有害元素P，Sb，As，Sn等偏聚于晶界，降低了晶界原子間的結(jié)合力，從而大大降低了裂紋沿晶界擴(kuò)展的抗力，導(dǎo)致沿晶斷裂。,16,沿晶斷裂斷口形貌,17,4.2.1 延性斷裂特征及過(guò)程,延性斷裂的微觀特征是韌窩形貌。在電子顯微鏡下，可以看到斷口由許多

6、凹進(jìn)或凸出的微坑組成。在微坑中可以發(fā)現(xiàn)有第二相粒子。 一般情況下，斷口具有韌窩形貌的構(gòu)件，其宏觀斷裂是韌性的，斷口的宏觀形貌大多呈纖維狀。 延性斷裂的過(guò)程是：“微孔形核微孔長(zhǎng)大微孔聚合”三部曲。微孔聚合有三種不同的模式 。 韌窩的形狀因應(yīng)力狀態(tài)而異。如在正應(yīng)力作用下，韌窩是等軸形的；在扭載荷作用下，韌窩被拉長(zhǎng)為橢圓形。 微觀上的延性斷裂（其特征為微孔聚合、韌窩形貌），往往與宏觀上的韌性斷裂（斷裂前有較大的宏觀塑性變形）相聯(lián)系，但并無(wú)嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。,18,延性斷裂斷口形貌韌窩,19,剪切裂紋一般沿滑移線發(fā)生. 高強(qiáng)度鋼常發(fā)生這種模式的微孔聚合，其韌性較“正常的”微孔聚合模式要差。,微孔聚合的三

7、種形式,（a）正常的微孔聚合；（b）快速剪切斷開；（c）大片夾雜相連,內(nèi)頸縮,剪切裂紋,夾雜,微孔成核源：第二相粒子。 在應(yīng)力作用下，基體和第二相粒子的界面脫開，或第二相粒子本身開裂，于是出現(xiàn)微孔。,材料內(nèi)部本身存在著大片的夾雜，微孔通過(guò)脆弱的夾雜連成裂紋。 這是不合格材料出現(xiàn)的一種缺陷,20,不同韌窩形式,(a)等軸韌窩 (b)拋物線型韌窩 (c)拉長(zhǎng)型韌窩,21,4.2.2 影響延性斷裂擴(kuò)展的因素,1 第二相粒子 第二相粒子分為兩大類，一類是夾雜物，如鋼中的MnS，它很脆，在不大的應(yīng)力作用下，這些夾雜物粒子便與基體脫開，或本身裂開而成為微孔；另一類是強(qiáng)化相，如鋼中的彌散碳化物、鋁合金中的彌

8、散強(qiáng)化相，它們本身比較堅(jiān)實(shí)，與基體結(jié)合也牢，是位錯(cuò)塞積引起的應(yīng)力集中，或在高應(yīng)變條件下，第二相與基體塑性變形不協(xié)調(diào)而萌生微孔的。 隨第二相體積分?jǐn)?shù)的增加，鋼的韌性都下降，硫化物比碳化物的影響要明顯得多。 2 基體的形變強(qiáng)化 基體的形變強(qiáng)化指數(shù)越大，則塑性變形后的強(qiáng)化越強(qiáng)烈，其結(jié)果是各處均勻的變形。微孔長(zhǎng)大后的聚合，將按正常模式進(jìn)行，韌性好；相反地，如果基體的形變強(qiáng)化指數(shù)小，則變形容易局部化，較易出現(xiàn)快速剪切裂開。這種聚合模式韌性低。,22,第二相對(duì)斷裂應(yīng)變的影響,23,4.3 脆性韌性轉(zhuǎn)變,構(gòu)件或材料的韌性或脆性并不是固定不變的，除了材料本身的組織結(jié)構(gòu)有很大影響外，還取決于應(yīng)力狀態(tài)，溫度和加載

9、速率等等。與其說(shuō)某一材料本質(zhì)是脆性的或韌性的，還不如說(shuō)該材料是處于脆性狀態(tài)或韌性狀態(tài)。,24,4.3.1 應(yīng)力狀態(tài)、柔度系數(shù)與破壞形式,切應(yīng)力促進(jìn)塑性變形，對(duì)韌性有利；拉應(yīng)力促進(jìn)斷裂，不利于韌性。 柔度系數(shù)（軟性系數(shù)）,值愈大，應(yīng)力狀態(tài)愈“柔”，愈易變形而較不易開裂，即愈易處于韌性狀態(tài)。值愈小，則相反，愈易傾向脆性斷裂,25,某一材料的力學(xué)狀態(tài)圖,正斷,屈服,切斷,彈性變形區(qū),切斷,正斷,26,4.3.2 溫度和加載速率的影響,溫度對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變影響顯著，這是由于溫度對(duì)正斷強(qiáng)度影響不大，而對(duì)屈服強(qiáng)度影響甚大 。 隨著溫度升高，斷裂應(yīng)力變化不大，而屈服強(qiáng)度變化很大，c和s交點(diǎn)就是韌脆轉(zhuǎn)變溫度，低于此

10、溫度是無(wú)屈服的斷裂，即脆斷；高于此溫度是韌斷。 提高加載速率起著與溫度相反的作用。加載速率提高，容易激發(fā)解理斷裂，即使是微孔聚合的延性斷裂機(jī)理，微孔聚合的模式也只能是快速剪切裂開，因而增加了脆性傾向。,27,碳含量對(duì)鋼沖擊轉(zhuǎn)變溫度的影響,28,脆性韌性轉(zhuǎn)變示意圖,29,4.3.3 材料微觀結(jié)構(gòu)的影響,（1）晶格類型的影響 面心立方晶格的金屬，一般不出現(xiàn)解理斷裂，也沒有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，其韌性可以維持到低溫。 體心立方晶格的金屬，韌脆轉(zhuǎn)變受溫度及加載速率的影響很大，因?yàn)樵诘蜏睾透呒虞d速率下，它們易發(fā)生孿晶，也容易激發(fā)解理斷裂。 （2）成分的影響 微量的氧、氮以及間隙原子溶于體心立方晶格中會(huì)阻礙滑移，

11、促進(jìn)其脆性。 鋼中含碳量增加，塑性抗力增加 。 合金元素的影響比較復(fù)雜 。 （3）晶粒大小的影響 晶粒細(xì)化既提高了材料的強(qiáng)度，又提高了它的塑性和韌性，還降低了韌脆轉(zhuǎn)變溫度 。 （4）第二相粒子的影響 細(xì)小的第二相粒子有利于降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。,30,合金元素對(duì)鋼沖擊韌性轉(zhuǎn)變溫度的影響,31,斷裂力學(xué)和斷裂韌性,為防止裂紋體的低應(yīng)力脆斷，不得不對(duì)其強(qiáng)度斷裂抗力進(jìn)行研究，從而形成了斷裂力學(xué)這樣一個(gè)新學(xué)科。 斷裂力學(xué)的研究?jī)?nèi)容包括裂紋尖端的應(yīng)力和應(yīng)變分析；建立新的斷裂判據(jù)；斷裂力學(xué)參量的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)定，其中包括材料的力學(xué)性能新指標(biāo)斷裂韌性及其測(cè)定，斷裂機(jī)制和提高材料斷裂韌性的途徑等。 斷裂力學(xué)用于構(gòu)件

12、的安全性評(píng)估或斷裂控制設(shè)計(jì)，是對(duì)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的重大發(fā)展和補(bǔ)充，具有重大的工程應(yīng)用意義。 斷裂力學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了從線彈性斷裂力學(xué)到彈塑性斷裂力學(xué)的階段。,32,4.4 線彈性條件下的斷裂韌性,4.4.1 三種斷裂的類型,張開型(I),滑開型(),撕開型(),33,三種基本斷裂類型的實(shí)例,34,葉輪中的I型裂紋,35,聯(lián)接螺栓中的II型裂紋,36,4.4.2 應(yīng)力強(qiáng)度因子KI和斷裂韌性KIc,裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分析得裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的一般表達(dá)式：,中心貫穿裂紋無(wú)限大板,37,4.4.2 應(yīng)力強(qiáng)度因子KI和斷裂韌性KIc,應(yīng)力強(qiáng)度因子,應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值,是材料本身的固有屬性,38,斷裂韌性隨板厚的變化

13、,39,一些工程材料在常溫下的KIc值,40,4.4.2 應(yīng)力強(qiáng)度因子KI和斷裂韌性KIc,脆性斷裂的K準(zhǔn)則:,KI和KIc的物理意義 KI ：應(yīng)力強(qiáng)度因子，計(jì)算得到。 KIc ：斷裂韌性：材料抵抗脆性斷裂的能力。 KIc的試驗(yàn)獲得 平面應(yīng)變斷裂韌性,41,4.4.3 裂紋擴(kuò)展的能量釋放率GI和斷裂韌性GIc,分析原理：能量法,應(yīng)變能釋放率,裂紋擴(kuò)展需要吸收的能量率,擴(kuò)展,穩(wěn)定,臨界,裂紋臨界條件：G準(zhǔn)則,42,K與G的關(guān)系,43,K準(zhǔn)則的工程應(yīng)用,K準(zhǔn)則:,臨界應(yīng)力,臨界裂紋長(zhǎng)度,44,K準(zhǔn)則的工程應(yīng)用,應(yīng)用場(chǎng)合： 已知應(yīng)力，求臨界裂紋長(zhǎng)度； 已知裂紋長(zhǎng)度，求臨界應(yīng)力（剩余強(qiáng)度）。 應(yīng)用步驟

14、： 通過(guò)無(wú)損檢測(cè)，確定裂紋a的長(zhǎng)度及位置； 對(duì)缺陷進(jìn)行分析，計(jì)算或查表得到應(yīng)力強(qiáng)度因子K的表達(dá)式； 通過(guò)試驗(yàn)或查表，確定材料的平面應(yīng)變斷裂韌性KIc值； 根據(jù)K準(zhǔn)則，進(jìn)行斷裂力學(xué)分析，確定臨界裂紋長(zhǎng)度ac或臨界應(yīng)力（剩余強(qiáng)度）值。,45,工程應(yīng)用實(shí)例,1950年，美國(guó)北極星導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體發(fā)生爆炸事件。已知?dú)んw材料為D6GC高強(qiáng)度鋼， ， ，傳統(tǒng)檢驗(yàn)合格，水壓實(shí)驗(yàn)時(shí)爆炸，破壞應(yīng)力為 。材料的斷裂韌性為 ，試分析其低應(yīng)力脆斷的原因。,46,工程應(yīng)用實(shí)例,應(yīng)力分析,周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力圖,47,工程應(yīng)用實(shí)例,傳統(tǒng)強(qiáng)度分析 未超過(guò)許用應(yīng)力，強(qiáng)度合格。 斷裂分析 臨界裂紋長(zhǎng)度0.36mm，易漏檢。 改進(jìn)措

15、施 選用KIc較高的材料，提高臨界裂紋長(zhǎng)度，確保檢出率。,48,4.4.4 平面應(yīng)變斷裂韌性的測(cè)定,1. 試樣及其制備 用于測(cè)定KIc 的標(biāo)準(zhǔn)試樣主要采用三點(diǎn)彎曲和緊湊拉伸試樣。 為引發(fā)裂紋，可先用線切割加工寬度0.13mm的切口，然后用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)預(yù)制長(zhǎng)度1.3mm的疲勞裂紋。 疲勞預(yù)制中的Kmax應(yīng)小于0.6KIc，特別是在最終達(dá)到要求裂紋長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)盡量減小負(fù)荷，以保證裂紋有足夠的尖銳度。,49,兩種典型的斷裂韌性試樣,（a）三點(diǎn)彎曲（b）緊湊拉伸,50,4.4.4 平面應(yīng)變斷裂韌性的測(cè)定,2. 測(cè)試設(shè)備和方法 測(cè)試的裝置如圖所示。測(cè)試時(shí)，通過(guò)載荷傳感器和位移傳感器以及動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀和函

16、數(shù)記錄儀，連續(xù)記錄負(fù)荷F和裂紋嘴張開位移v，從而得到Fv曲線。由此曲線如果能定出臨界載荷Fc以及由斷口上測(cè)定的裂紋長(zhǎng)度a，代入確定的KIc計(jì)算公式，就可以求得材料的斷裂韌性KIc值。,51,KIc測(cè)試裝置系統(tǒng),52,4.5 影響斷裂韌性的因素,1. 材料的組織和結(jié)構(gòu) （1）晶粒尺寸 晶粒愈細(xì)，晶界所占比例愈大，裂紋尖端附近從產(chǎn)生一定尺寸的塑性區(qū)到裂紋擴(kuò)展所消耗的能量也愈大，因此KIc也愈高。一般說(shuō)來(lái)，細(xì)化晶粒是使強(qiáng)度和韌性同時(shí)提高的有效手段。 （ 2 ）夾雜和第二相 鋼中的夾雜物，如硫化物、氧化物等往往偏析于晶界，導(dǎo)致晶界弱化，增大沿晶斷裂的傾向，而在晶內(nèi)分布的雜質(zhì)則常常起著缺陷源的作用。所有

17、這些都使材料的KIc值下降。 至于脆性第二相，如隨碳含量的增加，滲碳體增多，強(qiáng)度提高，但KIc 值急劇下降。 夾雜物和第二相的形狀對(duì)KIc值也有很大影響 。 回火脆性也是引起鋼的斷裂韌性大幅度下降的重要因素。,53,4.5 影響斷裂韌性的因素,（3）組織結(jié)構(gòu) 通過(guò)淬火、回火獲得回火馬氏體組織的綜合力學(xué)性能最好，即s和KIc值都高。 調(diào)整貝氏體的成分和工藝，使針狀鐵素體細(xì)化就可使其韌性提高。 奧氏體的韌性比馬氏體高，所以在馬氏體基體上有少量殘余奧氏體，就相當(dāng)于存在韌性相，使材料斷裂韌性升高。,54,4.5 影響斷裂韌性的因素,2. 溫度和加載速度 隨著試驗(yàn)溫度的下降，材料塑性變形能力降低，相應(yīng)KIc值也有所下降。 變形速度增大，影