理論斷裂強度與脆斷理論

1、12返回三者既相對獨立，又會發(fā)生交互作用：三者既相對獨立，又會發(fā)生交互作用：腐蝕與斷裂常相伴發(fā)生，如應力腐蝕開裂（腐蝕與斷裂常相伴發(fā)生，如應力腐蝕開裂（SCC, Stress Corrosion Crack)，這是指受拉伸應力作用的金屬材料在這是指受拉伸應力作用的金屬材料在某些特定的介質中，由于腐蝕介質與應力的協(xié)同作用而某些特定的介質中，由于腐蝕介質與應力的協(xié)同作用而發(fā)生的脆性斷裂現(xiàn)象。發(fā)生的脆性斷裂現(xiàn)象。磨損與斷裂也常常同時發(fā)生。磨損實際上是由一個個微磨損與斷裂也常常同時發(fā)生。磨損實際上是由一個個微小的斷裂過程組成的。小的斷裂過程組成的。1. 廣義地講，材料或構件在失效前的所有劣化過程均為損

2、廣義地講，材料或構件在失效前的所有劣化過程均為損傷。因此，損傷是失效的前提，失效是損傷積累到極限傷。因此，損傷是失效的前提，失效是損傷積累到極限情況的必然結果。任何延緩損傷的措施均可提高材料或情況的必然結果。任何延緩損傷的措施均可提高材料或構件的服役壽命。構件的服役壽命。3456(b) dynamic re-crystallization (a) dynamic restoration圖圖1-1 動態(tài)回復與再結晶曲線動態(tài)回復與再結晶曲線789單向拉伸單向拉伸(Uniaxial-Tensile Test)過程過程 拉伸過程中的組織結構演變：拉伸過程中的組織結構演變： 1. 產生均勻塑性變形，內部

3、缺陷密度增大產生均勻塑性變形，內部缺陷密度增大, 產生位錯塞積。產生位錯塞積。 2. 在缺陷處形成應力集中，產生微裂紋；微裂紋擴展、合并。在缺陷處形成應力集中，產生微裂紋；微裂紋擴展、合并。 3. 發(fā)生宏觀頸縮。幾何因素：拉伸過程中截面變小。物理因素：加工硬化。發(fā)生宏觀頸縮。幾何因素：拉伸過程中截面變小。物理因素：加工硬化。 4. 宏觀裂紋形成，擴展，合并。宏觀裂紋形成，擴展，合并。 5. 試樣斷裂。試樣斷裂。101112131415xm2sinxx22sinxm20aExE1602aEmmmdxxU2/002sin17sm2ms2210aEsm181922221aEaaEU如圖如圖1.2所示

4、，薄板中心裂紋長為所示，薄板中心裂紋長為2a，外應力為，外應力為。當材料。當材料完好無損時，材料具有彈性應變能，其密度為完好無損時，材料具有彈性應變能，其密度為1/2應力應力應變。當裂紋形成后，一部分彈性能釋放出來。設彈性應變。當裂紋形成后，一部分彈性能釋放出來。設彈性能受影響的區(qū)域為一長軸為裂紋長度能受影響的區(qū)域為一長軸為裂紋長度2a、短軸為、短軸為a的橢圓的橢圓形，平板厚度為單位形，平板厚度為單位1，則所釋放的彈性應變能為，則所釋放的彈性應變能為 式中：式中： E 楊氏模量，楊氏模量， 系數(shù)。系數(shù)。對于薄板可取，對于薄板可取，=1，于是得，于是得EaU22圖圖1.2 平板的中心裂紋平板的中

5、心裂紋20 釋放的應變能轉換成新生斷面的表面能，若用釋放的應變能轉換成新生斷面的表面能，若用表示表面能密表示表面能密度，則表面能為：度，則表面能為： W=（4a）。）。裂紋體的總能量為：裂紋體的總能量為： EaaUWE224 由上式可知，當裂紋長度達到由上式可知，當裂紋長度達到2ac時，總能量的變化達到極大值。時，總能量的變化達到極大值。當裂紋長度大于當裂紋長度大于2ac時，隨著裂紋長度的增加，總能量下降，裂紋時，隨著裂紋長度的增加，總能量下降，裂紋可自然擴展。也就是說，裂紋超過此值繼續(xù)擴大的過程是系統(tǒng)總能可自然擴展。也就是說，裂紋超過此值繼續(xù)擴大的過程是系統(tǒng)總能量降低的過程，因而裂紋擴展的能

6、量判據(jù)可表示為：量降低的過程，因而裂紋擴展的能量判據(jù)可表示為： EadadUdadWdaEd224 當當d(E)/da0時，為臨界狀態(tài)；時，為臨界狀態(tài)； 當當d(E)/da0時，裂紋即擴展。時，裂紋即擴展。aEc2或可求得裂紋擴展時的臨界長度為：或可求得裂紋擴展時的臨界長度為：22Eac由此可求得裂紋擴展的臨界應力為：由此可求得裂紋擴展的臨界應力為：211 裂紋擴展的判據(jù)：裂紋擴展的判據(jù)： a 一定時，一定時， c c 時，裂紋擴展；時，裂紋擴展； 一定時，一定時， a a c c 時，裂紋擴展。時，裂紋擴展。另有判據(jù)：另有判據(jù)： G Gc c為材料對裂紋臨界擴展的抗力。該臨界裂紋擴展力是一個

7、為材料對裂紋臨界擴展的抗力。該臨界裂紋擴展力是一個可由實驗確定的材料性質?？捎蓪嶒灤_定的材料性質。 當當G GG Gc c時，裂紋不會擴展、長大；時，裂紋不會擴展、長大；G GG Gc c是裂紋起裂擴展的是裂紋起裂擴展的必要條件，這時裂紋處于臨界狀態(tài)。對平衡態(tài)靜止裂紋，必要條件，這時裂紋處于臨界狀態(tài)。對平衡態(tài)靜止裂紋，G G不可不可能超出能超出G Gc c。 4dadWGc22 2.Griffith裂紋的形核機制裂紋的形核機制 StrohStroh位錯塞積機制：位錯塞積機制： 如圖如圖1.31.3所示，位錯在運動過程所示，位錯在運動過程中，遇到了障礙（如晶界、相界等）中，遇到了障礙（如晶界、相

8、界等）而被塞積，在位錯塞積前端就會引起而被塞積，在位錯塞積前端就會引起應力集中。若外加切應力為應力集中。若外加切應力為，塞積，塞積位錯個數(shù)為位錯個數(shù)為n n，此處應力集中為，此處應力集中為，則則nn。這就表明此處的應力集。這就表明此處的應力集中比外加應力大中比外加應力大n n倍，塞積位錯個數(shù)越倍，塞積位錯個數(shù)越多，應力集中程度越大。當此應力大多，應力集中程度越大。當此應力大于界面結合力或脆性第二相或夾雜物于界面結合力或脆性第二相或夾雜物本身的結合力時，就會在界面或脆性本身的結合力時，就會在界面或脆性相中形成裂紋。相中形成裂紋。圖圖1.3 位錯塞積引起裂位錯塞積引起裂口胚芽示意圖口胚芽示意圖23

9、 SmithSmith機制：機制： 如果低碳鋼晶界中有一層碳化物，設厚度如果低碳鋼晶界中有一層碳化物，設厚度為為C C0 0，則在鐵素體內位錯塞積群的應力集中可，則在鐵素體內位錯塞積群的應力集中可以使碳化物開裂，形成長為以使碳化物開裂，形成長為C C0 0的微裂紋，如圖的微裂紋，如圖1-41-4所示。在外應力作用下，這個所示。在外應力作用下，這個GriffithGriffith裂裂紋向鄰近鐵素體擴展造成解理脆斷。按照這種紋向鄰近鐵素體擴展造成解理脆斷。按照這種機制，機制，GriffithGriffith方程中的現(xiàn)成裂紋方程中的現(xiàn)成裂紋2 2a aC C0 0，低，低碳鋼有效表面能密度碳鋼有效表

10、面能密度22effeff22p p2828焦焦/ /米米2 2。鋼的解理斷裂強度為：。鋼的解理斷裂強度為： 0214CEeffF 圖圖1.4 Smith1.4 Smith機制機制在晶界在晶界碳化物上產生微裂紋碳化物上產生微裂紋 McMahonMcMahon和和CohenCohen證實了低碳鋼晶界碳證實了低碳鋼晶界碳化物粗化能促進鋼的解理脆斷?；锎只艽龠M鋼的解理脆斷。 24圖圖1.5 Cottrell機制在機制在bcc結構中交結構中交叉滑移帶形成解理裂紋核叉滑移帶形成解理裂紋核 CottrellCottrell位錯反應機制：位錯反應機制： CottrellCottrell提出在提出在bccbcc結構中兩個交叉的滑移帶結構中兩個交叉的滑移帶可以產生微裂紋。在可以產生微裂紋。在FeFe晶體中，晶體中， 和和 兩個滑移帶中兩個滑移帶中 和和 位錯通過如下反位錯通過如下反應應 0111101112111121b0011112111121001001正好和（正好和（001001）垂直。如果有）垂直。如果有n n個位錯，其個位錯，其柏氏矢量為柏氏矢量為001001，就可以形成，就可以形成FeFe解理面上的微解理面上的微裂紋，如圖裂紋，如圖1.51.5。這需要。這需要n n個個 和和n n個個