演示文稿第四章材料的斷裂

演示文稿第四章材料的斷裂當(dāng)前1頁，總共32頁。第四章材料的斷裂ppt課件當(dāng)前2頁，總共32頁。4.1

理論斷裂強(qiáng)度從宏觀力學(xué)分析的角度，關(guān)于材料的強(qiáng)度面臨著以下兩個(gè)重要問題：一是完整晶體沿原子面正斷的理論斷裂強(qiáng)度和實(shí)際材料的斷裂強(qiáng)度為什么會有很大的差異？

二是對有初始缺陷的實(shí)際晶體（主要是裂紋體），斷裂時(shí)將取決于什么參量，其斷裂強(qiáng)度又具有何種含義？當(dāng)前3頁，總共32頁。理論斷裂強(qiáng)度（P45）基于彈性變形的雙原子模型給出的原子內(nèi)結(jié)合力隨原子間距的變化關(guān)系可得晶體沿某晶面被拉開產(chǎn)生純彈性正斷的理論斷裂強(qiáng)度

：可見，金屬晶體純彈性正斷的理論斷裂強(qiáng)度是由三個(gè)材料常數(shù)決定的。例：純鐵的理論斷裂強(qiáng)度為40000MPa，經(jīng)過一系列強(qiáng)化，實(shí)際斷裂強(qiáng)度也大致在2000MPa左右。當(dāng)前4頁，總共32頁。問題？鋼的實(shí)際斷裂強(qiáng)度比理論斷裂強(qiáng)度小一個(gè)數(shù)量級以上。對一般的工程材料，實(shí)際斷裂強(qiáng)度也只有理論斷裂強(qiáng)度的1/100~1/1000。只有很細(xì)、幾乎不存在缺陷的金屬晶須和碳纖維的實(shí)際斷裂強(qiáng)度才能接近于其理論斷裂強(qiáng)度。對實(shí)際材料而言，必有晶體缺陷存在，其斷裂問題從本質(zhì)上講應(yīng)該是含有缺陷的物體的斷裂問題，可認(rèn)為是裂紋體的斷裂問題。當(dāng)前5頁，總共32頁。Griffith理論的出發(fā)點(diǎn)：

假定在實(shí)際材料中已經(jīng)存在裂紋(可視為裂紋體)，當(dāng)名義應(yīng)力很低時(shí)，在裂紋尖端的局部應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到很高數(shù)值（達(dá)到理論斷裂強(qiáng)度），從而使裂紋快速擴(kuò)展并導(dǎo)致材料脆性斷裂。4.2裂紋體的斷裂強(qiáng)度-Griffith準(zhǔn)則當(dāng)前6頁，總共32頁。Griffith準(zhǔn)則如圖，設(shè)有一單位厚度的無限寬平板，先使其受均勻拉應(yīng)力作用而彈性伸長后，將兩端固定形成一個(gè)隔離系統(tǒng)。然后在此平板上開一垂直于拉應(yīng)力的、長度為2a的裂紋，則平板內(nèi)總能量為：釋放的彈性應(yīng)變能：裂紋新表面形成消耗的能量：則系統(tǒng)總能量：

當(dāng)前7頁，總共32頁。由彈性理論計(jì)算，據(jù)裂紋處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)下的能量平衡條件可得該裂紋體的斷裂強(qiáng)度（即著名的Griffith判據(jù)）為：Griffith平板及其中裂紋的能量變化當(dāng)前8頁，總共32頁。Griffith公式解釋了的問題(如：a=0.1mm)。Griffith準(zhǔn)則的重要意義還在于它對脆性斷裂提出了一個(gè)新的判據(jù)：該式表明：在理想脆性材料中的裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展（即斷裂）是受遠(yuǎn)處外加應(yīng)力與裂紋長度的平方根的乘積和材料常數(shù)所控制的。由于對給定的理想脆性材料，E和是定值，Griffith從能量平衡的意義上給出了理想脆性斷裂的必要條件。即：

Griffith斷裂準(zhǔn)則：裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展（斷裂）是在達(dá)到一恒定的臨界值時(shí)產(chǎn)生的。當(dāng)前9頁，總共32頁。據(jù)以上討論可知，Griffith理論分析僅限于完全脆性的情況，而實(shí)際上絕大多數(shù)的金屬材料斷裂前和斷裂過程中裂尖區(qū)都會產(chǎn)生塑性變形，從而使裂尖鈍化。因此，在實(shí)際金屬材料中，應(yīng)對Griffith斷裂準(zhǔn)則進(jìn)行修正。在Griffith理論提出30年后，Orowan通過對金屬材料裂紋擴(kuò)展的研究，指出裂紋擴(kuò)展前其尖端附近要產(chǎn)生一個(gè)塑性區(qū)。因此，提供裂紋擴(kuò)展的能量不僅用于形成新表面所需的表面能，而且還要用于引起塑性區(qū)塑性變形所需的塑性功。據(jù)此，塑性功P和表面能一起成為了裂紋擴(kuò)展的阻力。經(jīng)Orowan修正后，材料的斷裂強(qiáng)度為：或

當(dāng)前10頁，總共32頁。材料的宏觀斷裂類型根據(jù)不同的分類方法而異。斷裂按斷前有無產(chǎn)生明顯的塑性變形可分為韌性斷裂和脆性斷裂?？梢怨饣煸嚇訑嗝媸湛s率等于5%為界。斷裂按斷裂面的取向或按作用力方式不同可分為正斷和切斷。4.3材料的宏觀斷裂類型和力學(xué)狀態(tài)圖當(dāng)前11頁，總共32頁。典型斷裂的宏觀斷口(不同斷裂形式下的意義

)

1.宏觀正判：斷面在宏觀上表現(xiàn)為與試樣軸向（加載方向）垂直。但在微觀上不一定是垂直于晶面的正斷（解理）。有可能是剪切型斷裂，形成韌窩。2.宏觀切斷：斷面在宏觀上表現(xiàn)為與試樣軸向（加載方向）約呈。當(dāng)前12頁，總共32頁。韌性斷裂的宏觀斷口形態(tài)

通常，具有一定塑性的材料，拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)都會產(chǎn)生不同程度的頸縮，從而在宏觀上產(chǎn)生宏觀切斷或與宏觀正斷相混合的斷裂?？梢哉J(rèn)為產(chǎn)生的斷裂是韌性斷裂。斷口(形態(tài))一般可由以下三部分組成：韌性斷裂的宏觀斷口

1．纖維區(qū)：因頸縮后試樣心部的應(yīng)力最大，所以裂紋開始于試樣心部。實(shí)際上試樣中心部分最先出現(xiàn)一些已明顯可見的顯微空洞（微孔或微裂紋），隨后長大、聚集而形成鋸齒狀纖維斷口。通常立體上呈環(huán)狀。

2．放射區(qū)：環(huán)狀纖維區(qū)發(fā)展到一定尺寸（臨界裂紋尺寸）后，裂紋開始快速擴(kuò)展（失穩(wěn)擴(kuò)展）而形成放射區(qū)。表現(xiàn)為宏觀正斷，但微觀上并非正斷（解理）。與纖維區(qū)不同，放射區(qū)是在裂紋到達(dá)臨界尺寸后進(jìn)行快速低能撕裂的結(jié)果。

3．剪切唇：放射區(qū)形成后，試樣承載面積只剩下最外側(cè)的環(huán)狀面積，最后由拉伸應(yīng)力的分切應(yīng)力所切斷，形成剪切唇。當(dāng)前13頁，總共32頁。韌性斷裂（杯錐狀）斷口的形成光滑圓柱試樣受拉伸力作用，產(chǎn)生縮頸時(shí)試樣的應(yīng)力狀態(tài)也由單向變?yōu)槿?，且中心區(qū)軸向應(yīng)力最大。在中心三向拉應(yīng)力作用下，塑性變形難于進(jìn)行，致使其中的夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)本身碎裂，或使夾雜物與基體界面脫離而形成微孔。微孔不斷長大和聚合就形成顯微裂紋。顯微裂紋形成、擴(kuò)展過程重復(fù)進(jìn)行就形成鋸齒狀的纖維區(qū)。裂紋達(dá)臨界尺寸后就快速擴(kuò)展而形成有放射線花樣特征的放射區(qū)。放射線平行于裂紋擴(kuò)展方向而垂直于裂紋前端（每一瞬間）的輪廓線，并逆指向裂紋源。最后由拉伸應(yīng)力的分切應(yīng)力切斷，形成與拉伸軸呈45°的杯狀或錐狀剪切唇。杯錐狀斷口形成示意圖當(dāng)前14頁，總共32頁。脆性斷裂的宏觀斷口形態(tài)

脆性斷裂斷口的放射狀花樣脆性斷裂斷口的人字紋花樣圓柱形拉伸試樣：斷裂面與正應(yīng)力垂直，斷口平齊、光亮。斷面上的放射狀條紋匯聚于一個(gè)中心，此中心區(qū)域就是裂紋源。板狀矩形截面拉伸試樣:“人”字紋花樣的放射方向與裂紋擴(kuò)展方向平行，但其尖頂指向裂紋源。裂紋源當(dāng)前15頁，總共32頁。宏觀斷裂類型及特征總結(jié)宏觀斷裂的分類按斷裂前的塑性變形程度或按斷裂過程中所吸收的能量大小可將斷裂劃分為韌性斷裂和脆性斷裂二種類型。也可按宏觀斷口與最大正應(yīng)力垂直或與最大切應(yīng)力平行而分為正斷和切斷二種方式。

1．宏觀韌性斷裂一般地，典型光滑圓柱試樣的宏觀韌性斷裂的斷口呈杯錐形。由纖維區(qū)（裂紋產(chǎn)生）、放射區(qū)（裂紋快速擴(kuò)展）和剪切唇區(qū)（剪切斷裂）三部分組成。通常，韌性斷裂是一種緩慢發(fā)展、耗能較高的撕裂過程，是結(jié)構(gòu)件失效的主要形式之一。當(dāng)前16頁，總共32頁。2．宏觀脆性斷裂與韌性斷裂相反，脆性斷裂的宏觀斷口平齊而光亮，與主應(yīng)力垂直；也是由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三部分組成，但主要是放射區(qū)，特別是剪切唇幾乎看不見，所占斷口比例極小。脆性斷裂時(shí)，放射花樣也是由于材料剪切變形而形成的，只是與韌性斷裂不同，它是快速低能撕裂的結(jié)果。材料越脆，放射線越細(xì)。當(dāng)材料處于極脆狀態(tài)（純解理或晶間斷裂），則放射線消失。若晶粒較粗，可在解理斷口上看到許多強(qiáng)烈的反光小平面（刻面）。這些小平面實(shí)質(zhì)上是一個(gè)晶粒內(nèi)的解理面。

解理斷裂和沿晶斷裂（晶間斷裂）是脆性斷裂的重要形式。工程中，脆性斷裂是一種災(zāi)難性的破壞。當(dāng)前17頁，總共32頁。3．材料脆性或韌性的相對性工程材料的韌脆是由內(nèi)在和外在二方面因素共同決定的。內(nèi)在因素：主要是材料的塑性和強(qiáng)度。如純鐵與玻璃。前者塑性優(yōu)良、強(qiáng)度較高，通常呈韌性斷裂；后者塑性差、強(qiáng)度較低，則一般呈脆性斷裂。特別是在沖擊條件下。外在因素：主要是溫度、加載速度和應(yīng)力狀態(tài)（加載方式）等。如：同一灰鑄鐵材料試樣，分別進(jìn)行拉伸和硬度（相當(dāng)于側(cè)壓）實(shí)驗(yàn)，結(jié)果是前者呈脆性斷裂，后者可只壓出壓痕而不斷裂。因此，工程材料的韌性或脆性是相對的，沒有絕對的脆性或韌性材料。當(dāng)前18頁，總共32頁。力學(xué)狀態(tài)圖力學(xué)狀態(tài)圖是把二種強(qiáng)度理論（最大切應(yīng)力理論和最大正應(yīng)力理論）、材料性能（切變抗力、切斷抗力、正斷抗力）、加載方式（應(yīng)力狀態(tài)）、斷裂類型及方式都聯(lián)系起來表征材料力學(xué)特征的圖形。如圖所示，力學(xué)狀態(tài)圖被、、三個(gè)力性指標(biāo)分成了三個(gè)區(qū)，即彈性變形區(qū)、彈塑性變形區(qū)和斷裂區(qū)。1．在單向拉伸加載的情況下，正斷式的韌性斷裂。2．在扭轉(zhuǎn)加載的情況下，切斷式的韌性斷裂。3．在三向不等拉伸（如缺口拉伸）的情況下，正斷式的脆性斷裂。因此，利用力學(xué)狀態(tài)圖可以描述材料的斷裂傾向。

材料的力學(xué)狀態(tài)圖當(dāng)前19頁，總共32頁。溫度對力學(xué)狀態(tài)圖的影響溫度和加載速率通常對材料的

影響很大，而對

和

影響較小。溫度降低，

增大，在單向拉伸時(shí)，材料由正斷式韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜嗍酱嘈詳嗔选＿@種情況表明，材料由室溫到某一低溫時(shí)將發(fā)生由韌性斷裂到脆性斷裂的過渡，即冷脆轉(zhuǎn)變。力學(xué)狀態(tài)圖為定性分析材料斷裂問題的一種有用方法。溫度對斷裂圖的影響當(dāng)前20頁，總共32頁。4.4斷裂的微觀機(jī)制及形貌特征

根據(jù)裂紋擴(kuò)展的途徑——晶間斷裂和穿晶斷裂

1．晶間斷裂（沿晶斷裂）：指裂紋沿晶界擴(kuò)展。斷口的基本特征：呈冰糖狀形貌，顯示多晶體各晶粒多面體的特征（晶粒立體感很強(qiáng)）。但當(dāng)晶粒很細(xì)小時(shí)，則冰糖狀特征不明顯，通?？沙式Y(jié)晶狀。

斷裂機(jī)制：通常是由于晶界上存在脆性冷凝相、高溫晶界變?nèi)趸蚋g環(huán)境下晶界首先被腐蝕等原因使晶界脆化或弱化所致。

2．穿晶斷裂：指裂紋沿晶內(nèi)（穿過晶粒）擴(kuò)展。穿晶斷裂可依據(jù)不同的微觀斷裂機(jī)制而具有不同的微觀斷口形貌特征，主要有解理、微孔聚集、準(zhǔn)解理等。一般地，從宏觀上看，沿晶斷裂多為脆性斷裂，而穿晶斷裂則既可以是脆性斷裂，也可以是韌性斷裂。當(dāng)前21頁，總共32頁。根據(jù)微觀斷裂機(jī)制——解理斷裂和剪切斷裂

1．解理斷裂：指在拉伸應(yīng)力作用下，沿一定結(jié)晶面而分離的斷裂。所分離的結(jié)晶面稱為解理面。一般地，解理斷裂是脆性斷裂，而脆性斷裂卻不一定是解理斷裂，且解理斷裂也可以是在有一定塑性變形后產(chǎn)生，所以，解理斷裂與脆性斷裂不能完全等同。

解理面一般是低指數(shù)晶面，原因是低指數(shù)晶面一般表面能低，理論斷裂強(qiáng)度最低，優(yōu)先產(chǎn)生斷裂。通常，體心立方和密排六方金屬中易發(fā)生解理斷裂，而面心立方金屬只在特殊情況下才產(chǎn)生。解理斷口的微觀形貌特征

對于理想單晶體而言，解理斷裂可以是完全沿單一結(jié)晶面的分離，其解理斷口是一毫無特征的理想平面。但在實(shí)際晶體中，由于缺陷的存在，斷裂并不是沿單一的晶面解理，而是沿一組平行的晶面解理，從而在不同高度上平行的解理面之間形成解理臺階。從垂直斷面上看，臺階匯合形成一種所謂的河流花樣，這是解理斷裂最主要的微觀特征。當(dāng)前22頁，總共32頁。

2．微孔聚合剪切斷裂剪切斷裂一般是韌性斷裂，有微孔聚合型剪切斷裂和純剪切斷裂兩類。后者主要是在單晶體或高純金屬中出現(xiàn)。前者則是在常用金屬材料中出現(xiàn)的形式。

微觀特征：主要是韌窩。

通常，對微觀斷口上的韌窩內(nèi)部進(jìn)行仔細(xì)觀察，觀察到的韌窩只是顯微空洞的一半，而在對應(yīng)的斷口上必有一對應(yīng)的韌窩，二者的底部，至少其中之一有夾雜物粒子存在。此外，韌窩也可在晶界、孿晶界及相界處形核，此時(shí)韌窩中可能沒有第二相粒子。

當(dāng)前23頁，總共32頁。微孔聚合斷裂（韌窩形成）過程

多數(shù)情況下在鋼中都能看到有非金屬夾雜物等異相的存在。因此，韌窩的形成與異相粒子有關(guān)。在外力作用下產(chǎn)生塑性變形時(shí)，異相阻礙基體滑移，便在異相與基體滑移面交界處造成應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到異相與基體界面結(jié)合強(qiáng)度或異相本身強(qiáng)度時(shí)，會使二者界面脫離或異相自身斷裂，從而形成裂紋（微孔），并不斷擴(kuò)大，最后使夾雜物之間基體金屬產(chǎn)生“內(nèi)頸縮”，當(dāng)頸縮達(dá)到一定程度后基體金屬被撕裂或剪切斷裂，使空洞連接，從而形成韌窩斷口形貌。微孔形核示意圖微孔長大和連接當(dāng)前24頁，總共32頁。影響韌窩形成的因素

韌窩的形成位置、形狀、大小和深淺受很多因素影響，大致歸納起來可分為三個(gè)方面。一是成核粒子的大小和分布；二是材料的塑性變形能力，尤其是形變硬化的能力；三是外部因素（包括應(yīng)力大小、應(yīng)力狀態(tài)、溫度、變形速度等）。韌窩的形狀主要取決于應(yīng)力狀態(tài)或應(yīng)力與斷面的相對取向。

如圖，當(dāng)正應(yīng)力垂直于微孔的平面，使微孔在此平面上各方向長大傾向相同時(shí)，則形成等軸韌窩（圖

a）；當(dāng)切應(yīng)力平行于微孔截面時(shí)，在切應(yīng)力作用下微孔被拉長，斷裂時(shí)形成的韌窩必是拋物線狀，且在對應(yīng)斷面上的拋物線方向相反（圖

b）；當(dāng)微孔在不均勻拉伸或彎曲加載的拉應(yīng)力作用下時(shí)，斷口上也形成被拉長的拋物線狀韌窩，但對應(yīng)斷面上的拋物線方向相同，都指向裂紋源（圖c）。不同應(yīng)力狀態(tài)下的韌窩形態(tài)當(dāng)前25頁，總共32頁。3．準(zhǔn)解理：指解理和微孔聚合斷裂的混合。微觀特征：有輻射狀的河流花樣，也有韌窩，且在小平面內(nèi)和小平面之間還有撕裂棱。與解理的主要區(qū)別：準(zhǔn)解理斷裂起始于斷裂小平面內(nèi)部，并逐漸長大，最后被撕裂棱連接起來；而解理裂紋則起始于斷裂的一側(cè)，并向另一側(cè)擴(kuò)展，直至斷裂。準(zhǔn)解理是通過解理臺階和撕裂棱把解理和微孔聚合兩種斷裂機(jī)理摻和在一起，二者沒有截然的劃分。注意：微孔聚合剪切斷裂一定有韌