材料斷口(前言、第一章)

1、1材料斷口分析材料斷口分析潘潘 清清 林林中南大學材料學院中南大學材料學院2斷斷 裂裂 現(xiàn)現(xiàn) 象象34567891011121314151617181920212223概概 述述一、基本概念一、基本概念斷裂：斷裂：材料在特定條件（材料在特定條件（、T、介質）下分成兩個或、介質）下分成兩個或 幾個部分的現(xiàn)象。幾個部分的現(xiàn)象。 或具有有限面積的幾何表面發(fā)生或具有有限面積的幾何表面發(fā)生 分離的過程。分離的過程。斷口：斷口：斷裂后的自由表面或橫截面。斷裂后的自由表面或橫截面。斷裂與斷口的關系：斷裂與斷口的關系：1、斷裂是裂紋萌生和擴展的過程；斷口是裂紋所掃過的、斷裂是裂紋萌生和擴展的過程；斷口是裂紋所

2、掃過的 面積。面積。2、斷裂是、斷裂是動態(tài)動態(tài)的變化過程；斷口是斷裂的的變化過程；斷口是斷裂的靜態(tài)靜態(tài)反映。反映。24斷口分析：斷口分析：對斷口形貌（宏觀、微觀）進行分析研究的對斷口形貌（宏觀、微觀）進行分析研究的 方法?；蚍Q為方法?；蚍Q為斷口學（斷口學（Fractography）。它是。它是 研究材料斷口形貌、斷裂原因與斷裂機理之研究材料斷口形貌、斷裂原因與斷裂機理之 間關系的一門科學。間關系的一門科學。斷口忠實地記錄了斷裂的動態(tài)變化過程斷口忠實地記錄了斷裂的動態(tài)變化過程，如果對其形貌，如果對其形貌特征進行全面的分析研究，就可以了解斷裂的全過程，特征進行全面的分析研究，就可以了解斷裂的全過程

3、，這樣就將一個復雜的這樣就將一個復雜的動態(tài)問題動態(tài)問題斷裂，簡化為用斷裂，簡化為用靜態(tài)靜態(tài)方法方法斷口分析來研究。斷口分析來研究。25二、學習本門課程的目的與意義二、學習本門課程的目的與意義目的目的：尋找斷裂原因；尋找斷裂原因； 分析研究斷裂機理；分析研究斷裂機理； 提出有效的改進措施。提出有效的改進措施。意義：意義：防止事故發(fā)生，減少損失；防止事故發(fā)生，減少損失； 提出改進方法和預防措施，提高產(chǎn)品使用壽命。提出改進方法和預防措施，提高產(chǎn)品使用壽命。26三、主要內(nèi)容三、主要內(nèi)容1、金屬斷裂（類型、過程、機理、形貌特征、實例）、金屬斷裂（類型、過程、機理、形貌特征、實例）2、斷口分析方法和技術、

4、斷口分析方法和技術3、斷裂失效分析、斷裂失效分析具體分八章：具體分八章：1、金屬的斷裂（類型、斷口三要素、過程、斷裂強度）、金屬的斷裂（類型、斷口三要素、過程、斷裂強度）2、韌性斷裂（滑移分離）、韌性斷裂（滑移分離）3、解理斷裂（準解理斷裂）、解理斷裂（準解理斷裂）4、沿晶斷裂、沿晶斷裂5、環(huán)境斷裂（、環(huán)境斷裂（SCC、氫脆、蠕變等）、氫脆、蠕變等）6、疲勞斷裂、疲勞斷裂7、工程實際斷裂分析（材料加工、工程實際斷裂分析（材料加工、P/M）8、斷口分析技術、斷口分析技術27四、教學方法、教材與參考書四、教學方法、教材與參考書教學方法教學方法：講授與自學相結合：講授與自學相結合教材教材：崔約賢編著

5、：崔約賢編著：金屬斷口分析金屬斷口分析，哈工大出版社，哈工大出版社，1998參考書參考書：上交大，：上交大， 金屬斷口分析金屬斷口分析，國防工業(yè)出版社，國防工業(yè)出版社，1979 哈寬富著，哈寬富著， 斷裂物理基礎斷裂物理基礎，科學出版社，科學出版社，2000 金屬損傷圖譜（金屬損傷圖譜（An Atlas of Metals Damage)28 第一章第一章 金屬的斷裂金屬的斷裂 1 斷裂分類斷裂分類 2 斷口三要素斷口三要素 3 斷裂過程斷裂過程 4 斷裂強度斷裂強度291 1 斷裂分類斷裂分類1、斷裂性質、斷裂性質 塑性斷裂塑性斷裂：斷裂前發(fā)生較大的塑性變形，斷口呈暗灰色纖維狀斷裂前發(fā)生較大

6、的塑性變形，斷口呈暗灰色纖維狀 脆性斷裂脆性斷裂：斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口為光亮的結晶狀，斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口為光亮的結晶狀， 較平整較平整 一般地：斷面收縮率一般地：斷面收縮率2-5%稱之為脆斷，這種材料稱為脆性材稱之為脆斷，這種材料稱為脆性材 料，反之成為韌性材料。料，反之成為韌性材料。 脆斷是一種脆斷是一種突發(fā)性突發(fā)性斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生明顯的塑性變形，斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生明顯的塑性變形， 沒有明顯的征兆，因而危害性很大。沒有明顯的征兆，因而危害性很大。30脆斷的特點：脆斷的特點：1、斷裂時承受的工作應力很低，一般低于、斷裂時承受的工作應力很低，一般低于0.22、

7、裂紋源總是從內(nèi)部的宏觀缺陷處開始、裂紋源總是從內(nèi)部的宏觀缺陷處開始3、T，脆斷傾向，脆斷傾向4、斷口平齊、光亮，且與正應力垂直，斷口上常、斷口平齊、光亮，且與正應力垂直，斷口上常 呈呈人字紋人字紋或或放射性放射性花樣花樣312 2、斷裂路徑、斷裂路徑沿晶斷裂沿晶斷裂：裂紋萌生和發(fā)展是在晶界處發(fā)生的過程裂紋萌生和發(fā)展是在晶界處發(fā)生的過程穿晶斷裂穿晶斷裂：裂紋萌生和發(fā)展是在晶粒內(nèi)部處發(fā)生的過程裂紋萌生和發(fā)展是在晶粒內(nèi)部處發(fā)生的過程穿晶斷裂穿晶斷裂可以是韌性的（微孔聚集型斷裂），也可以是脆性的（解理可以是韌性的（微孔聚集型斷裂），也可以是脆性的（解理 斷裂、穿晶應力腐蝕斷裂）斷裂、穿晶應力腐蝕斷裂）

8、沿晶斷裂沿晶斷裂多為脆斷（氫脆斷裂），少數(shù)為韌性斷裂（高溫蠕變斷裂）多為脆斷（氫脆斷裂），少數(shù)為韌性斷裂（高溫蠕變斷裂）323 3、斷裂方式、斷裂方式正斷正斷：斷裂的宏觀表面垂直于斷裂的宏觀表面垂直于max方向，斷口較平方向，斷口較平 整。電子圖象可能出現(xiàn)韌窩花樣、河流花樣整。電子圖象可能出現(xiàn)韌窩花樣、河流花樣切斷切斷：斷裂宏觀表面平行于斷裂宏觀表面平行于max方向。方向。 斷口宏觀形貌為拋物線狀的韌窩花樣斷口宏觀形貌為拋物線狀的韌窩花樣334 4、斷裂機理、斷裂機理 韌窩斷裂（韌窩斷裂（dimple fracture) 解理斷裂（解理斷裂（cleavage fracture) 疲勞斷裂（疲勞

9、斷裂（fatigue fracture) 環(huán)境斷裂（蠕變、環(huán)境斷裂（蠕變、SCC、氫脆）、氫脆）解理斷裂解理斷裂：這是一種在這是一種在正應力正應力作用下所產(chǎn)生的作用下所產(chǎn)生的穿晶斷裂穿晶斷裂，通常斷裂面是嚴格，通常斷裂面是嚴格 沿一定的晶面（沿一定的晶面（解理面解理面）而分離。）而分離。 bcc、hcp在低溫、沖擊載荷作用下常發(fā)生解理斷裂在低溫、沖擊載荷作用下常發(fā)生解理斷裂注意：通常解理斷裂總是脆性斷裂，但脆性斷裂不一定是解理斷裂注意：通常解理斷裂總是脆性斷裂，但脆性斷裂不一定是解理斷裂34剪切斷裂：剪切斷裂：在切應力作用下，沿滑移面滑移而造成的滑在切應力作用下，沿滑移面滑移而造成的滑 移面分

10、離的斷裂。它包括：移面分離的斷裂。它包括：滑斷（純剪切型斷裂）滑斷（純剪切型斷裂）純金屬、單晶體金屬。斷口呈鋒利楔形或刀尖形純金屬、單晶體金屬。斷口呈鋒利楔形或刀尖形微孔聚集型斷裂微孔聚集型斷裂大多數(shù)鋼鐵材料、有色金屬材料大多數(shù)鋼鐵材料、有色金屬材料355 5、其它、其它應力狀態(tài)應力狀態(tài)：靜載斷裂（拉伸、剪切、扭轉）靜載斷裂（拉伸、剪切、扭轉） 動載斷裂（沖擊、疲勞）動載斷裂（沖擊、疲勞）裂紋擴展速度裂紋擴展速度：快速斷裂（拉伸、沖擊）快速斷裂（拉伸、沖擊） 緩慢斷裂（疲勞）緩慢斷裂（疲勞） 延遲斷裂（延遲斷裂（SCC、氫脆）、氫脆）斷裂能量斷裂能量：低能斷裂（結晶學斷裂）低能斷裂（結晶學斷裂

11、） 中能斷裂中能斷裂 高能斷裂（非結晶學斷裂）高能斷裂（非結晶學斷裂）362 2 斷口三要素斷口三要素一、斷口三要素的內(nèi)容與特點一、斷口三要素的內(nèi)容與特點光滑園柱形試樣的拉伸變形過程：光滑園柱形試樣的拉伸變形過程：均勻變形均勻變形縮頸縮頸斷裂（杯錐狀斷口）斷裂（杯錐狀斷口）cup and cone37斷口三要素斷口三要素38三要素：纖維狀區(qū)（纖維狀區(qū)（fibrous zone）;放射狀區(qū)（放射狀區(qū)（radial zone）;剪切唇區(qū)（剪切唇區(qū)（shear lip）纖維區(qū)纖維區(qū)：位于斷口中央，與外加應力垂直，呈粗糙的纖維狀園環(huán)形花樣；位于斷口中央，與外加應力垂直，呈粗糙的纖維狀園環(huán)形花樣； 暗灰

12、色，?？捎^察到顯微空洞和鋸齒狀；暗灰色，?？捎^察到顯微空洞和鋸齒狀； 其底部晶粒被拉長象纖維一樣，為裂紋萌生區(qū)其底部晶粒被拉長象纖維一樣，為裂紋萌生區(qū)放射區(qū)放射區(qū)：具有放射花樣特征（脆斷特征）具有放射花樣特征（脆斷特征） 放射線的發(fā)散或收斂方向為裂紋擴展方向放射線的發(fā)散或收斂方向為裂紋擴展方向 纖維區(qū)與放射區(qū)交界線標志著裂紋由穩(wěn)定擴展向快速擴展（失纖維區(qū)與放射區(qū)交界線標志著裂紋由穩(wěn)定擴展向快速擴展（失 穩(wěn)擴展的轉化）穩(wěn)擴展的轉化）剪切唇剪切唇：表面較光滑，與拉應力方向呈表面較光滑，與拉應力方向呈45 切斷區(qū)域，有金屬光澤，呈灰色鵝毛狀切斷區(qū)域，有金屬光澤，呈灰色鵝毛狀39二、斷口三要素的分布類

13、型二、斷口三要素的分布類型F、R、SF、S160光滑園柱拉伸試樣斷口光滑園柱拉伸試樣斷口R、S低合金鋼在低合金鋼在160條件拉伸或沖擊斷口條件拉伸或沖擊斷口S純剪切型斷口或薄板拉伸斷口純剪切型斷口或薄板拉伸斷口40三、影響因素三、影響因素1、試驗溫度、試驗溫度 T ， F S R2、試樣尺寸、試樣尺寸 t，F(xiàn) S R3、試樣形狀、試樣形狀試試 樣樣 形形 狀狀41四、斷口三要素的應用四、斷口三要素的應用 根據(jù)斷口三要素可以判斷裂紋源的位置及宏觀裂紋擴展方向根據(jù)斷口三要素可以判斷裂紋源的位置及宏觀裂紋擴展方向裂紋源的確定：裂紋源的確定：利用纖維區(qū)，通常情況裂源位于纖維區(qū)的中心部位，因此找到纖維利

14、用纖維區(qū)，通常情況裂源位于纖維區(qū)的中心部位，因此找到纖維 區(qū)的位置就找到了裂源的位置；區(qū)的位置就找到了裂源的位置；利用放射區(qū)形貌特征，一般情況下，放射條紋的收斂處為裂源位利用放射區(qū)形貌特征，一般情況下，放射條紋的收斂處為裂源位 置；置；根據(jù)剪切唇形貌特征來判斷，通常情況下裂紋處無剪切唇形貌特根據(jù)剪切唇形貌特征來判斷，通常情況下裂紋處無剪切唇形貌特 征，征， 而裂源在材料表面上萌生。而裂源在材料表面上萌生。42裂紋擴展方向的確定：裂紋擴展方向的確定：纖維區(qū)指向剪切唇纖維區(qū)指向剪切唇放射條紋的發(fā)散方向放射條紋的發(fā)散方向板狀樣呈現(xiàn)板狀樣呈現(xiàn)人字紋（人字紋（chevron pattern） 其反方向為

15、其反方向為 源擴展方向源擴展方向43 3 3、斷裂過程、斷裂過程 裂紋形成裂紋形成 裂紋擴展裂紋擴展：亞穩(wěn)擴展（亞臨界擴展階段）：亞穩(wěn)擴展（亞臨界擴展階段） 失穩(wěn)擴展失穩(wěn)擴展44 裂紋形成的位錯理論裂紋形成的位錯理論 （裂紋形成模型或機制）（裂紋形成模型或機制）1、位錯塞積理論、位錯塞積理論stroh理論理論2、位錯反應理論、位錯反應理論cottrel理論理論3、位錯墻側移理論、位錯墻側移理論4、位錯交滑移成核理論、位錯交滑移成核理論5、同號刃位錯聚集成核理論、同號刃位錯聚集成核理論45問題：問題：裂紋形成只與外加切應力有關，而與應力裂紋形成只與外加切應力有關，而與應力狀態(tài)無關，與實際不符；狀

16、態(tài)無關，與實際不符；未考慮第二相粒子的影響。未考慮第二相粒子的影響。位錯塞積理論位錯塞積理論strohstroh理論理論46問題：問題：未考慮材料中的第二相粒子，因它們未考慮材料中的第二相粒子，因它們 的形狀和分布影響斷裂性質的形狀和分布影響斷裂性質位錯反應理論位錯反應理論cottrelcottrel理論理論47位錯墻側移理論位錯墻側移理論48其其 它它 模模 型型位錯交滑移位錯交滑移同號位錯聚集同號位錯聚集49裂紋擴展兩階段裂紋擴展兩階段：亞穩(wěn)擴展亞穩(wěn)擴展：裂紋自形成而擴展至臨界長度的過程：裂紋自形成而擴展至臨界長度的過程特點：特點：擴展速度慢，停止加載，裂紋停止擴展擴展速度慢，停止加載，裂

17、紋停止擴展 裂紋總是沿需要消耗擴展功最小的路徑，條裂紋總是沿需要消耗擴展功最小的路徑，條 件不同，亞穩(wěn)擴展方式、路徑、速度也各不相同件不同，亞穩(wěn)擴展方式、路徑、速度也各不相同失穩(wěn)擴展失穩(wěn)擴展：裂紋自臨界長度擴展至斷裂裂紋自臨界長度擴展至斷裂特點：特點：速度快，最大可達聲速；速度快，最大可達聲速； 擴展功小，消耗的能量??；擴展功小，消耗的能量?。?危害性大，總是脆斷危害性大，總是脆斷50第四節(jié)第四節(jié) 斷裂強度斷裂強度一、理論斷裂強度一、理論斷裂強度m1、定義：定義：如果一個完整的晶體，在拉應力作用下，如果一個完整的晶體，在拉應力作用下，使材料沿某原子面發(fā)生分離，這時的使材料沿某原子面發(fā)生分離，這

18、時的f就是理論斷就是理論斷裂強度。裂強度。斷裂強度斷裂強度f : 指原子面發(fā)生分離時所需要的指原子面發(fā)生分離時所需要的真應力真應力 大小大小。,Tf51當當 x很小時，很小時， sinx=x, 則：則：其中其中: m理論斷裂強度理論斷裂強度 x x為原子偏離平衡位置的位移為原子偏離平衡位置的位移x xa aa a0 0 2sinmx假設原子間結合力隨原子間距按正弦曲線變化，假設原子間結合力隨原子間距按正弦曲線變化，周期為周期為， 則則:2、斷裂強度計算、斷裂強度計算2mx （1）0a52當當 x很小時，很小時，和和之間仍符合虎克定律，則：之間仍符合虎克定律，則：0 xEEa（2）由（由（1）、

19、（）、（2）式可得：）式可得：02mEa（3）53222000222sincos2mmmxxdxdx當晶體材料在外力作用下，產(chǎn)生很小的變形，原子面就發(fā)生分當晶體材料在外力作用下，產(chǎn)生很小的變形，原子面就發(fā)生分離，這時分離過程所作的功，應等于形成兩個新表面所需要的離，這時分離過程所作的功，應等于形成兩個新表面所需要的能量。形成單位裂紋表面外力所做的功應為能量。形成單位裂紋表面外力所做的功應為x曲線下所包圍曲線下所包圍的面積。根據(jù)能量守恒：的面積。根據(jù)能量守恒：代入（代入（3）式得：）式得：1/20mEa（4）2m理論斷裂強度54一般固體材料 11()510mE而實際材料的 11()10100fm

20、材料中存在原始裂紋、缺口、夾雜物等缺陷，材料中存在原始裂紋、缺口、夾雜物等缺陷，造成局部應力集中，達到造成局部應力集中，達到m 而斷裂而斷裂對于對于 -Fe =2000erg/cm2E=21012達因達因/cm2a0=2.510-8cm 代入（代入（4）式：）式：m41011達因達因/cm21/5Efm小23個數(shù)量級55二、二、Griffith 缺口強度理論缺口強度理論A.A.Griffith為了解決為了解決 m比比f 值大值大23個數(shù)量級的問題，早在個數(shù)量級的問題，早在1920年就提出了缺口強度理論。年就提出了缺口強度理論。1、Griffith 理論理論的基本觀點的基本觀點 在試驗之前，材料

21、中原來就存在裂在試驗之前，材料中原來就存在裂紋，由于裂紋存在將引起應力集中，裂紋，由于裂紋存在將引起應力集中，裂紋尖端處的應力比平均應力高得多，當紋尖端處的應力比平均應力高得多，當此處應力達到此處應力達到 m值時，裂紋將迅速擴展值時，裂紋將迅速擴展而斷裂，因此斷裂時的平均應力遠小于而斷裂，因此斷裂時的平均應力遠小于理論強度值。理論強度值。56由圖可知：當裂紋達到臨界尺寸由圖可知：當裂紋達到臨界尺寸ac時，總能量變化達到極大值。時，總能量變化達到極大值。根據(jù)求極值的方法，可求出帶裂紋的斷裂強度根據(jù)求極值的方法，可求出帶裂紋的斷裂強度c2、Griffith缺口強度缺口強度c的計算的計算驅動力驅動力：裂紋形成時釋放的彈性應變能裂紋形成時釋放的彈性應變能 Ue阻力：阻力： 裂紋形成時新增的表面能裂紋形成時新增的表面能 W2 2 14Waa 222eaUaE 此時物體中的總能量變化為此時物體中的總能量變化為224eauWUaE57令令12()0d uuda即即22(4)0adaEda可得可得1/21/22()()cEEaaGriffith判據(jù)對于一定尺寸的裂紋，有一臨界應力值對于一定尺寸的裂紋，有一臨界應力值c當外加應力當外加應力 裂紋不能擴展裂紋不能擴展cc裂紋迅速擴展，最終導致斷裂裂紋迅速擴展，最終導致斷裂58ca討論：討論：1.