材料力學(xué)性能-第6章

第六章

金屬的斷裂6.1前言斷裂是機(jī)械和工程構(gòu)件失效的主要形式之一。失效形式：如彈塑性失穩(wěn)、磨損、腐蝕等。斷裂是材料的一種十分復(fù)雜的行為，在不同的力學(xué)、物理和化學(xué)環(huán)境下，會有不同的斷裂形式。研究斷裂的主要目的是防止斷裂，以保證構(gòu)件在服役過程中的安全。斷裂分類：韌性斷裂（ductilefracture）和脆性斷裂(brittlefracture)兩大類。在不同的場合下，用不同的術(shù)語描述斷裂的特征。解理斷裂、沿晶斷裂和微孔聚合型的延性斷裂，是指斷裂的微觀機(jī)制。穿晶斷裂和沿晶斷裂，是指裂紋擴(kuò)展路線。正斷和切斷，是指引發(fā)斷裂的緣因和斷裂面的取向；正斷是由正應(yīng)力引起的，斷裂面與最大主應(yīng)力方向垂直；切斷是由切應(yīng)力引起的，斷裂面在最大切應(yīng)力作用面內(nèi)，而與最大主應(yīng)力方向呈450。本章討論在室溫、單向加載時(shí)的金屬的斷裂，按脆性斷裂和延性斷裂分別進(jìn)行論述，包括斷裂過程與微觀機(jī)制，斷裂的基本理論以及韌—脆轉(zhuǎn)化。6.2脆性斷裂 脆性斷裂的宏觀特征，理論上講，是斷裂前不發(fā)生塑性變形，而裂紋的擴(kuò)展速度往往很快，接近音速。脆性斷裂前無明顯的征兆可尋，且斷裂是突然發(fā)生的，因而往往引起嚴(yán)重的后果。因此，防止脆斷。6.2.1解理斷裂脆性斷裂的微觀機(jī)制有解理斷裂和晶間斷裂。解理斷裂是材料在拉應(yīng)力的作用下，由于原于間結(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。解理斷口的宏觀形貌是較為平坦的、發(fā)亮的結(jié)晶狀斷面。解理斷口的微觀形貌似應(yīng)為一個(gè)平坦完整的晶面。但實(shí)際晶體總是有缺陷存在，如位錯(cuò)、第二相粒子等等。解理斷裂實(shí)際上不是沿單一的晶面，而是沿一族相互平行的晶面(均為解理面)解理而引起的。在不同高度上的平行解理面之間形成了所謂的解理臺階。在電子顯微鏡下，解理斷口的特征是河流狀花樣，如圖5-1所示。河流狀花樣是由解理臺階的側(cè)面匯合而形成的。解理臺階可認(rèn)為是通過解理裂紋與螺旋位錯(cuò)交割而形成，見圖5-2；也可認(rèn)為通過二次解理或撕裂而形成.解理斷裂的另一個(gè)微觀特征是舌狀花樣，見圖5-5；它類似于伸出來的小舌頭，是解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展而留下的舌狀凸臺成凹坑。6.2.2準(zhǔn)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(001)面外，還有(110)、(112)等晶面。解理小平面間有明顯的撕裂棱。河流花樣已不十分明顯。撕裂棱的形成過程可用圖5-8示意地說明，它是由一些單獨(dú)形核的裂紋相互連接而形成的。準(zhǔn)解理的細(xì)節(jié)尚待研究，但已知它和解理斷裂有如下的不同：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。準(zhǔn)解理斷裂的主要機(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。6.2.3沿晶斷裂沿晶斷裂是裂紋沿晶界擴(kuò)展的一種脆性斷裂。裂紋擴(kuò)展總是沿著消耗能量最小，即原子結(jié)合力最弱的區(qū)域進(jìn)行的。一般情況下，晶界不會開裂。發(fā)生沿晶斷裂，勢必由于某種原因降低了晶界結(jié)合強(qiáng)度。沿晶斷裂的原因大致有：①晶界存在連續(xù)分布的脆性第二相，②微量有害雜質(zhì)元素在晶界上偏聚，③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。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。圖5-9沿晶斷裂的斷口形貌6.3理論斷裂強(qiáng)度和脆斷強(qiáng)度理論6.3.1理論斷裂強(qiáng)度晶體的理論強(qiáng)度應(yīng)由原子間結(jié)合力決定，現(xiàn)估算如下：一完整晶體在拉應(yīng)力作用下，會產(chǎn)生位移。原子間作用力與位移的關(guān)系如圖。曲線上的最高點(diǎn)代表晶體的最大結(jié)合力，即理論斷裂強(qiáng)度。作為一級近似，該曲線可用正弦曲線表示

σ=σmsin(2πx/d)（5-1）式中x為原子間位移,d為正弦曲線的波長。如位移很小，則sin(2πx/d)=(2πx/d)，于是

σ=σm(2πx/d)（5-2）根據(jù)虎克定律，在彈性狀態(tài)下，

σ=Eε=Ex/a0(5-3)式中E為彈性模量；ε為彈性應(yīng)變；a。為原子間的平衡距離。合并式（5-2）和（5-3），消去x，得

σm=λE/2πa0(5-4)另一方面，晶體脆性斷裂時(shí)，形成兩個(gè)新的表面，需要表面形成功2γ，其值應(yīng)等于釋放出的彈性應(yīng)變能，可用圖5-10中曲線下所包圍的面積來計(jì)算得:σm=（Eγ/a0）1/2(5—6)這就是理想晶體解理斷裂的理論斷裂強(qiáng)度?？梢?，在E，a0一定時(shí)，σm與表面能γ有關(guān)，解理面往往是表面能最小的面，可由此式得到理解。如用實(shí)際晶體的E，a。，γ值代入式(5-6)計(jì)算，例如鐵，E=2×105MPa,a0=2.5×10-10m，γ=2J/m2,則σm＝4×104MPa≈E/5。高強(qiáng)度鋼，其強(qiáng)度只相當(dāng)于E/100，相差20倍。在實(shí)際晶體中必有某種缺陷,使其斷裂強(qiáng)度降低。6.3.2 Griffith理論Griffith在1921年提出了裂紋理論。Griffith假定在實(shí)際材料中存在著裂紋，當(dāng)名義應(yīng)力還很低時(shí)，裂紋尖端的局部應(yīng)力已達(dá)到很高的數(shù)值，從而使裂紋快速擴(kuò)展，并導(dǎo)致脆性斷裂。設(shè)想有一單位厚度的無限寬形板，對其施加一拉應(yīng)力后，與外界隔絕能源（圖5-11)。板材每單位體積的彈性能為σ2/2E。長度為2a的裂紋，則原來彈性拉緊的平板就要釋放彈性能。根據(jù)彈性理論計(jì)算，釋放出來的彈性能為Ue=-πσ2a2/E(5-7)形成新表面所需的表面能為W=4aγ(5-8)整個(gè)系統(tǒng)的能量變化為Ue+W=4aγ-πσ2a2/E（5-9）系統(tǒng)能量隨裂紋半長a的變化,如圖當(dāng)裂紋增長到2ac后，若再增長，則系統(tǒng)的總能量下降。從能量觀點(diǎn)來看，裂紋長度的繼續(xù)增長將是自發(fā)過程。臨界狀態(tài)為:（Ue+W）/a=4γ-2πσ2a/E=0（5-10）于是，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界應(yīng)力為:σc=(2Eγ/πa)1/2(5-11)臨界裂紋半長為ac=2Eγ/πσ2(5-12)式(5-11)便是著名的Griffith公式。σc是含裂紋板材的實(shí)際斷裂強(qiáng)度，它與裂紋半長的平方根成反比;對于—定裂紋長度a，外加應(yīng)力達(dá)到σc時(shí),裂紋即失穩(wěn)擴(kuò)展。承受拉伸應(yīng)力σ時(shí)，板材中半裂紋長度也有一個(gè)臨界值ac，當(dāng)a>ac時(shí)，就會自動擴(kuò)展。而當(dāng)a＜ac時(shí)，要使裂紋擴(kuò)展須由外界提供能量，即增大外力。Griffith公式和理論斷裂強(qiáng)度公式比較

σm=（Eγ/a0）1/2σc=(2Eγ/πa)1/2在形式上兩者是相同的。在研究裂紋擴(kuò)展的動力和阻力時(shí)，基本概念都是基于能量的消長與變化。Griffith認(rèn)為，裂紋尖端局部區(qū)域的材料強(qiáng)度可達(dá)其理論強(qiáng)度值。倘若由于應(yīng)力集中的作用而使裂紋尖端的應(yīng)力超過材料的理論強(qiáng)度值，則裂紋擴(kuò)展，引起斷裂。根據(jù)彈性應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算,可以得到相似公式Griffith公式適用于陶瓷、玻璃這類脆性材料。Griffith-Orowan-Irwin公式實(shí)際金屬材料在紋尖端處發(fā)生塑性變形，需要塑性變形功Wp，Wp的數(shù)值往往比表面能大幾個(gè)量級，是裂紋擴(kuò)展需要克服的主要阻力。因而，需要修正為:σc=[E（2γ+Wp）/πa]1/2(5-17)這就是Griffith-Orowan-Irwin公式。需要強(qiáng)調(diào)的是，Griffith理論的前提是材料中已存在著裂紋，但不涉及裂紋來源。6.3.3脆性斷裂的位錯(cuò)理論*如果晶體原來并無裂紋，在應(yīng)力作用下，能否形成裂紋，裂紋形成和擴(kuò)展的機(jī)制，正應(yīng)力和切應(yīng)力在裂紋形成及擴(kuò)展過程中的作用，以及斷裂前是否會產(chǎn)生局部的塑性變形等問題，需要研究解決。用位錯(cuò)運(yùn)動、塞積和相互作用來解釋裂紋的成核和擴(kuò)展。6.4延性斷裂6.4.1延性斷裂特征及過程延性斷裂的過程是：“微孔形核—微孔長大—微孔聚合”三部曲。當(dāng)拉伸載荷達(dá)到最大值時(shí)，試樣發(fā)生頸縮。在頸縮區(qū)形成三向拉應(yīng)力狀態(tài)，且在試樣的心部軸向應(yīng)力最大。在三向應(yīng)力的作用下，使得試樣心部的夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)破裂，或者夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)與基體界面脫離結(jié)合而形成微孔。增大外力，微孔在縱向與橫向均長大；微孔不斷長大并發(fā)生聯(lián)接而形成大的中心空腔。最后，沿450方向切斷，形成杯錐狀斷口，見圖5-16(e).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，宏觀斷裂是韌性的，斷口的宏觀形貌大多呈纖維狀。韌窩的形狀因應(yīng)力狀態(tài)而異。在正應(yīng)力作用下，韌窩是等軸形的；在扭轉(zhuǎn)載荷作用下，韌窩被拉長為橢圓形。6.4.2微孔形核，長大與聚合實(shí)際金屬中總有第二相粒子存在，它們是微孔成核的源。第二相粒子分為兩大類，一類是夾雜物，如鋼中的硫化物，在不大的應(yīng)力作用下便與基體脫開或本身裂開而形成微孔；另一類是強(qiáng)化相，如鋼中的彌散的碳化物，合金中的彌散的強(qiáng)化相,它們本身比較堅(jiān)實(shí)，與基體結(jié)合比較牢固，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。微孔成核與長大的位錯(cuò)模型，如圖5-18(a)-(f)所示。微孔成核并逐漸長大，有兩種不同的聚合模式。一種是正常的聚合，即微孔長大后出現(xiàn)了“內(nèi)頸縮”，使實(shí)際承載的面積減少而應(yīng)力增加，起了“幾何軟化”作用。另一種聚合模式是裂紋尖端與微孔、或微孔與微孔之間產(chǎn)生了局部滑移，由于這種局部的應(yīng)變量大，產(chǎn)生了快速剪切裂開。這種模式的微孔聚合速度快，消耗的能量也較少，所以塑性韌性差。目前,快速剪切裂開的認(rèn)識還不夠深入，但知道應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)低的材料容易產(chǎn)生剪切裂開。這是因?yàn)閼?yīng)變強(qiáng)化阻礙已滑移區(qū)的進(jìn)一步滑移，使滑移均勻，不易產(chǎn)生局部的剪切變形。此外,多向拉應(yīng)力促使材料處于脆性狀態(tài)，也容易產(chǎn)生剪切斷開。6.4.3影響延性斷裂的因素(1)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，哪里變形，哪里便強(qiáng)化，其結(jié)果是各處均勻的變形。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。這種聚合模式塑性韌性低。（2）第二相粒子,鋼的塑性下降；硫化物比碳化物的影響要明顯得多。同時(shí)碳化物形狀也對斷裂應(yīng)變有很大影響，球狀的要比片狀的好很多。6.5脆性—韌性轉(zhuǎn)變工程上總是希望構(gòu)件在韌性狀態(tài)下工作，避免危險(xiǎn)的脆性斷裂。航空航天事業(yè)，安全第一。構(gòu)件或材料是韌性或脆性狀態(tài)，取決材料本身的組織結(jié)構(gòu)，還取決于應(yīng)力狀態(tài)，溫度和加載速率等因素，并不是固定不變的，而是可以互相轉(zhuǎn)化的。5.5.1應(yīng)力狀態(tài)及其柔度系數(shù)由材料力學(xué)可知，任何復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)都可以用切應(yīng)力和正應(yīng)力表示。切應(yīng)力促進(jìn)塑性變形，對塑性韌性有利；拉應(yīng)力促進(jìn)斷裂，不利于塑性和韌性。最大切應(yīng)力τmax=（σ1-σ3）與最大當(dāng)量正應(yīng)力Smax（Smax=σ1-ν（σ2+σ3））之比稱為應(yīng)力狀態(tài)的柔度系數(shù)(亦叫軟性系數(shù))α，即α=τmax/Smax

(5-21)α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)。α值愈小，則相反，愈易傾向脆性斷裂。佛里德曼(Фридман)力學(xué)狀態(tài)圖6.5.2溫度和加載速率的影響表面能γ和彈性模量E是決定斷裂強(qiáng)度的主要因素。溫度對表面能γ和彈性模量E的影響不大，所以對斷裂強(qiáng)度影響不大。溫度對屈服強(qiáng)度影響很大，主要是因?yàn)闇囟扔兄诩せ頕-R位錯(cuò)源，有利于位錯(cuò)運(yùn)動，使滑移易于進(jìn)行。所以，普通碳鋼在室溫或高溫下，斷裂前有較大的塑性變形，是韌斷。但低于某一溫度，位錯(cuò)源激活受阻，難以產(chǎn)生塑性變形，斷裂便可能變?yōu)榇嘈缘牧?。提高加載速率起著與溫度相似的作用。加載速率提高，則相對形變速率增加，相對形變速率超過某一限度(如10-1／s)會限制塑性變形發(fā)展，使塑性變形極不均勻，結(jié)果變形抗力提高了，并在局部高應(yīng)力區(qū)形成裂紋。6.5.3材料的微觀結(jié)構(gòu)的影響影響韌性-脆性轉(zhuǎn)變的組織因素很多，也比較復(fù)雜，主要有：(1)晶格類型的影響面心立方晶格金屬塑性、韌性好，體心立方和密排六方金屬的塑性、韌性較差。面心立方晶格的金屬，如銅、鋁、奧氏