第一章 材料在靜載下的力學行為3(41金屬的斷裂)

1、n過量彈性變形、過量塑性變形、磨損和斷裂是機件的主要失效形式，其中以斷裂的危害最大。n在應力作用下(有時還兼有溫度及介質的共同作用)，金屬材料被分成兩個或幾個部分，稱為完全斷裂(簡稱斷裂)；n內部存在裂紋，則為不完全斷裂。n本節(jié)研究金屬材料斷裂的宏觀特征、微觀特征、斷裂機理(裂紋是如何形成與擴展的)、斷裂的力學條件及影響金屬斷裂的內外因素。n這些知識對于設計人員和材料工作者進行機件安全設計與選材，分析機件斷裂失效事故都是十分必要的。 一、斷裂的類型n大多數(shù)金屬材料的斷裂過程都包括裂紋形成與擴展兩個階段。n對于不同的斷裂類型，這兩個階段的機理與特征并不相同。可以依據不同的斷裂機理和特征對斷裂進行

2、分類。 1、韌性斷裂與脆性斷裂 2、穿晶斷裂與沿晶斷裂 3、純剪切斷裂與微孔聚集型斷裂、解理斷裂(一)韌性斷裂與脆性斷裂n韌性斷裂 韌性斷裂是金屬材料斷裂前產生明顯宏觀塑性變形的斷裂，這種斷裂有一個緩慢的撕裂過程，在裂紋擴展過程中不斷地消耗能量。n韌性斷裂的斷裂面一般平行于最大切應力并與主應力成45角。n用肉眼或放大鏡觀察時，斷口呈纖維狀，灰暗色。n纖維狀是微裂紋擴展時造成的n灰暗色則是纖維斷口表面對光散射所致。斷口特征三要素n中、低強度鋼的光滑圓柱試樣在室溫下的靜拉伸斷裂是典型的韌性斷裂，其宏觀斷口呈杯錐形，由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三個區(qū)域組成，即所謂的斷口特征三要素。纖維區(qū)纖維區(qū)的形成過程

3、n當光滑圓柱拉伸試樣局部區(qū)域產生縮頸時，縮頸處的應力狀態(tài)由單向變?yōu)槿?，且中心軸向應力最大，致使試樣中心部分的夾雜物或第二相質點本身碎裂，或使夾雜物質點與基體界面脫離而形成微孔。n微孔不斷長大和聚合就形成顯微裂紋。n早期形成的顯微裂紋，其端部產生較大塑性變形，且集中于極窄的高變形帶內。這些剪切變形帶大致與徑向呈5060角。新的微孔就在變形帶內成核、長大和聚合，當其與裂紋連接時，裂紋便向前擴展了一段距離。n這樣的過程重復進行就形成鋸齒形的纖維區(qū)。n纖維區(qū)所在平面(即裂紋擴展的宏觀平面)垂直于拉伸應力方向。 放射區(qū)放射區(qū)的形成過程n纖維區(qū)中裂紋擴展是很慢的，當其達到臨界尺寸后就快速擴展而形成放射區(qū)

4、。n放射區(qū)有放射線花樣特征。放射線平行于裂紋擴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。n撕裂時塑性變形量越大，則放射線越粗。對于幾乎不產生塑性變形的極脆材料，放射線消失。n溫度降低或材料強度增加，由于塑性降低，放射線由粗變細乃至消失。 剪切唇剪切唇的形成過程n裂紋擴展接近試樣邊緣時，應力狀態(tài)改變了（平面應力狀態(tài)），最后沿著與拉力軸向成40-50純剪切斷裂。n表面粗糙發(fā)深灰色。三區(qū)之間關系及影響因素n放射區(qū)比例大，則材料的塑性低。反之塑性好的材料，必然表現(xiàn)為纖維區(qū)和剪切唇占很大比例，甚至中間的放射區(qū)可以消失。n如果材料的硬度和強度很高，又處于低溫環(huán)境，圓形試樣的拉伸斷口上只有

5、放射狀條紋，這些條紋匯聚于一個中心，這個中心區(qū)域就是裂紋源。n放射區(qū)表面越光滑，放射條紋越細，材料強度愈高。條紋甚至會消失。n試樣尺寸加大，放射區(qū)比例增大明顯，而纖維區(qū)比例變化不大。 脆性斷裂n脆性斷裂是突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，沒有明顯征兆，因而危害性很大。n脆性斷裂的斷裂面一般與正應力垂直，斷口平齊而光亮，常呈放射狀或結晶狀。 區(qū)分韌性斷裂和脆性斷裂區(qū)分韌性斷裂和脆性斷裂n通常，脆性斷裂前也產生微量塑性變形。n一般規(guī)定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5(只有微量的均勻塑性變形)者為脆性斷裂。；n斷面收縮率大于5者為韌性斷裂。n金屬材料的韌性與脆性是根據一定條件下的塑性變形量來

6、規(guī)定的。n條件改變，材料的韌性與脆性行為也將隨之變化。 板狀矩形拉伸試樣脆性斷口中的放射線呈人字紋花樣。 人字紋花樣的放射方向也與裂紋擴展方向平行，但其尖頂指向裂紋源。實際宏觀斷口形貌實際宏觀斷口形貌穿晶斷裂與沿晶斷裂按裂紋擴展路徑分類：n穿晶斷裂的裂紋在晶內擴展；n沿晶斷裂的裂紋沿晶界擴展。n穿晶斷裂可以是韌性斷裂 ，也可以是脆性斷裂；n沿晶斷裂則大多數(shù)是脆性斷裂。n沿晶斷裂是由晶界上的一薄層連續(xù)或不連續(xù)脆性第二相、夾雜物，破壞了晶界的連續(xù)性所造成，也可能是雜質元素向晶界偏聚引起的。n應力腐蝕、氫脆、回火脆性、淬火裂紋、磨削裂紋等都是沿晶斷裂。 n沿晶斷裂的斷口形貌呈冰糖狀，有時也稱“萘狀斷

7、口”，上左圖為18CrNiWA鋼的冰糖狀斷口n如晶粒很細小，則肉眼無法辨認出冰糖狀形貌，此時斷口一般呈晶粒狀，顏色較纖維狀斷口明亮，但比純脆性斷口要灰暗些。n穿晶斷裂和沿晶斷裂有時可以混合發(fā)生。 剪切斷裂與解理斷裂n(1)剪切斷裂是金屬材料在切應力作用下沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂，其中又分滑斷(純剪切斷裂)和微孔聚集型斷裂。n純金屬尤其是單晶體金屬常產生純剪切斷裂 n單晶體金屬滑斷斷口呈鋒利的楔形 ；n多晶體純金屬滑斷斷口呈刀尖形。n微孔聚集型斷裂是通過微孔形核、長大聚合而導致材料分離的。由于實際材料中常同時形成許多微孔，通過微孔長大互相連接形成裂紋，裂紋在切應力作用下擴展而最終導致斷

8、裂。n常用金屬材料一般均產生這類性質的斷裂，如低碳鋼室溫下的拉伸斷裂。(2)解理斷裂n解理斷裂是金屬材料在一定條件下(如低溫)，當外加正應力達到一定數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學平面產生的穿晶斷裂，因與大理石斷裂類似，故稱此種晶體學平面為解理面。n一般在體心立方、密排六方金屬中發(fā)生，而面心立方金屬只在特殊情況下才發(fā)生。n解理面一般是低指數(shù)晶面或裸露后表面能最低的晶面。n解理斷裂總是脆性斷裂，但有時在解理斷裂前也顯示一定的塑性變形，所以解理斷裂與脆性斷裂不是同義詞，解理斷裂指斷裂機理而言，脆性斷裂則指斷裂的宏觀性態(tài)。 按斷裂面的取向分類若斷裂面取向垂直于最大正應力，即為正斷型斷裂；斷裂面取向與最

9、大切應力方向一致而與最大正應力方向約成45者，即為切斷型斷裂。如拉伸斷口上的剪切唇。 n純正斷：（純正斷：（a a）(b)(b)斷口齊平，垂直斷口齊平，垂直于最大拉應力方向，于最大拉應力方向，有很，有很少量的均勻變形，鑄鐵，淬火少量的均勻變形，鑄鐵，淬火+ +低溫低溫回火高碳鋼。回火高碳鋼。 n純切斷：（純切斷：（e e）塑性很好，試樣斷）塑性很好，試樣斷面可減細到近于一尖刀，然后沿最面可減細到近于一尖刀，然后沿最大切應力方向斷開。如純大切應力方向斷開。如純Au,AlAu,Al。斷。斷前產生大量的均勻與非均勻塑性變前產生大量的均勻與非均勻塑性變形。屬完全韌性斷裂。形。屬完全韌性斷裂。 n混合斷

10、口：混合斷口：(c) (d) (c) (d) 都出現(xiàn)頸縮，都出現(xiàn)頸縮，只是程度不同，試樣中心先開裂，只是程度不同，試樣中心先開裂，然后向外延伸，接近表面時，沿最然后向外延伸，接近表面時，沿最大切應力方向的斜面斷開，斷口形大切應力方向的斜面斷開，斷口形狀如杯口狀，包含三個區(qū)域。屬韌狀如杯口狀，包含三個區(qū)域。屬韌性斷裂，但斷口包含韌性斷裂和脆性斷裂，但斷口包含韌性斷裂和脆性斷裂的特征。性斷裂的特征。 正斷不一定就是脆斷，也會有明顯的（大于5 ）塑性變形。 切斷是韌斷，但韌斷不一定是切斷。二、解理斷裂機理n由于解理斷裂是典型的脆性斷裂，而韌性斷裂多數(shù)是微孔聚集型斷裂，所以下面主要介紹這兩類斷裂的機理

11、和斷裂的力學條件。n(一)解理裂紋的形成和擴展n觀察解理斷口發(fā)現(xiàn)，斷口附近仍然有少量塑性變形。事實上，絕對脆性斷裂是不存在的。裂紋最初的形成必然與塑性變形有關，而金屬材料的塑性變形是位錯運動的反映，因此裂紋形成可能與位錯運動有關，這就是裂紋形成的位錯理論考慮問題的出發(fā)點。 1甄納斯特羅位錯塞積理論 2柯垂耳位錯反應理論 1甄納斯特羅位錯塞積理論n在滑移面上的切應力作用下，刃型位錯在晶界前受阻并互相靠近形成位錯塞積,如果塞積頭處的應力集中不能為塑性變形所松弛，當切應力達到某一臨界值時,塞積頭處的最大拉應力能夠等于材料理論斷裂強度而形成高nb、長為r的楔形裂紋。n解理裂紋的形成，并不意味著裂紋將迅

12、速擴展而導致金屬材料完全斷裂。n柯垂耳用能量分析法推導出解理裂紋擴展的臨界條件為 即為了產生解理斷裂，裂紋擴展時外加正應力所作的功必須等于產生裂紋新表面的表面能。 n 即表示直徑為d的晶粒中解理裂紋擴展所需之應力，或裂紋體的實際斷裂強度。也就是產生解理斷裂的判據，可見，晶粒直徑d減小， 提高 晶粒大小對斷裂應力的影響n細化晶粒，斷裂應力提高，材料的脆性減小。n由圖可見，晶粒尺寸小于某一臨界值時，屈服應力低于斷裂應力，屈服先于斷裂產生；但晶粒尺寸大于該臨界值時，屈服應力延長線與斷裂應力線重合，斷裂是脆性的。n對于有第二相質點的合金，d實際上代表質點間距，d越小，則材料的斷裂應力越高。 2柯垂耳位

13、錯反應理論 n兩相交滑移面上的位錯在相交處發(fā)生位錯反應生成不動位錯，結果兩滑移面上的位錯群就在該不動位錯附近產生塞積。當塞積位錯較多時，其多余半原子面如同楔子一樣插入解理面中間形成寬度為nb的裂紋。n位錯反應形成的解理裂紋的擴展力學條件與位錯塞積形成的裂紋擴展力學條件相同。 n上述兩種解理裂紋形成模型的共同之處在于：裂紋形核前均需有塑性變形；位錯運動受阻，在一定條件下便會形成裂紋。n實驗證實，裂紋往往在晶界、亞晶界、孿晶交叉處出現(xiàn)，如bcc金屬在低溫和高應變速率下，常因孿晶與晶界或和其他孿晶相交導致較大位錯塞積而形成解理裂紋。這與上述理論是相符的。 n從理論上來說，多晶體的解理斷口應該是由很多

14、取向略有差別的光滑完整小平面組成，每一個小平面代表一個晶粒。n實際上，這些小平面并不是一個單一的完整解理面，而是由一組平行的解理面所組成。n兩個平行解理面之間相差一定高度，交接處形成臺階。n臺階匯合會形成一種類似河流的花樣。n“河流花樣”是解理斷裂最重要的特征，凡看到河流花樣就表明在這里發(fā)生了解理斷裂。n河流花樣的走向可以判斷裂紋源的位置和裂紋擴展方向，河流的上游(即支流發(fā)源處)是裂紋發(fā)源處，而河流的下游是裂紋擴展的方向。n由于解理斷裂是沿一組平行解理面解理的結果，而形成了臺階與河流，這樣就把本來沒有任何特征的解理斷裂賦予了斷口學特征，使它們成為判斷是否為解理斷裂的重要標志。 n解理斷裂的另一

15、微觀特征是存在舌狀花樣，因其在電子顯微鏡下的形貌類似于人舌而得名。n它是由于解理裂紋沿孿晶界擴展留下的舌頭狀凹坑或凸臺，故在匹配斷口上“舌頭”為黑白對應的。 n在許多淬火回火鋼中，其回火產物中有彌散細小的碳化物質點，它們影響裂紋的形成與擴展。當裂紋在晶粒內擴展時，難于嚴格地沿一定晶體學平面擴展。斷裂路徑將與細小碳化物質點有關。n其微觀形態(tài)特征，似解理河流但又非真正解理，故稱準解理。n準解理與解理的共同點是：都是穿晶斷裂；有小解理刻面；有臺階或撕裂棱及河流花樣。n不同點是，準解理小刻面不是晶體學解理面。真正解理裂紋常源于晶界，而準解理裂紋則常源于晶內硬質點，形成從晶內某點發(fā)源的放射狀河流花樣。n

16、準解理不是一種獨立的斷裂機理，而是解理斷裂的變種。三、微孔聚集斷裂機理n 微孔是通過第二相(或夾雜物)質點本身破裂，或第二相(或夾雜物)與基體界面脫離而形成的，它們是在金屬材料塑性變形進行到一定程度時產生的。n在第二相質點處微孔形成的原因是：位錯引起的應力集中，或在高應變條件下因第二相與基體塑性變形不協(xié)調而產生分離。 n在各個微孔長大同時，幾個相鄰微孔之間的基體橫截面積不斷減小。因此，基體被微孔分割成無數(shù)個小單元，每一小單元可看成為一個小拉伸試樣。它們在外力作用下，可能借塑性流變方式產生縮頸(內縮頸)而斷裂，使微孔連接(聚合)形成微裂紋。n隨后，因在裂紋尖端附近存在三向拉應力區(qū)和集中塑性變形區(qū)

17、，在該區(qū)又形成新的微孔。n新的微孔借內縮頸與裂紋連通，使裂紋向前推進一定長度，如此不斷進行下去直至最終斷裂。n微孔聚集韌性斷裂裂紋形成所需之拉應力與第二相質點尺寸的平方根呈反比關系。試驗證明，對于某些高強度淬火回火鋼和球化的碳鋼，在碳化物形狀一定時，其抗拉強度與碳化物大小之間也有類似關系。 微孔聚集斷裂的微觀斷口特征 n微孔形成、長大和聚合在斷口上留下的痕跡，就是在電子顯微鏡下觀察到的大小不等的圓形或橢圓形韌窩。韌窩是微孔聚集斷裂的基本特征。 韌窩類型韌窩類型n由于實際應力狀態(tài)由于實際應力狀態(tài)或加載方式的不同，或加載方式的不同，韌窩可有三種類型韌窩可有三種類型 1 1、拉伸型的等軸狀、拉伸型的

18、等軸狀韌窩韌窩 2 2、剪切型的伸長韌、剪切型的伸長韌窩窩 3 3、拉伸撕裂的伸長、拉伸撕裂的伸長韌窩韌窩撕裂韌窩撕裂韌窩1 1、拉伸型的等軸狀韌窩、拉伸型的等軸狀韌窩n裂紋擴展方向垂直于最大主應力max，max均勻分布于斷裂平面上n拉伸時呈頸縮的試樣中心部分就顯示這種韌窩狀。 2 2、剪切型的伸長韌窩、剪切型的伸長韌窩n在拉伸試樣的邊緣，由剪應力切斷。n韌窩很大如卵形，其上下斷面所顯示的韌窩方向是相反的。 3 3、拉伸撕裂的伸長韌窩、拉伸撕裂的伸長韌窩n表面有缺口的試樣或者裂紋試樣，其斷口常顯示這種類型。n這種類型的韌窩，韌窩小而淺，裂紋擴展快，故在宏觀上常為脆斷，所以不要把微孔聚合型的微觀

19、機制都歸之為韌斷。 影響韌窩的因素n韌窩的形狀取決于應力狀態(tài)，而韌窩的大小和深淺取決于第二相的大小、數(shù)量、分布、基體的塑性變形能力、形變硬化能力以及外加應力的大小和狀態(tài)。n第二相質點密度增大或其間距減小，則微孔尺寸減小。n應變硬化指數(shù)值越大的材料，越難于發(fā)生內縮頸，故韌窩尺寸變小。n應力大小和狀態(tài)的改變，實際上是通過影響材料塑性變形能力而間接影響韌窩深度的。在高的三向壓力之中，內縮頸易于產生，故韌窩深度增加；相反，在多向拉伸應力下或在缺口根部，韌窩則較淺。 n必須指出，微孔聚集斷裂一定有韌窩存在，但在微觀形態(tài)上出現(xiàn)韌窩，其宏觀上不一定就是韌性斷裂。因為如前所述，宏觀上為脆性斷裂，在局部區(qū)域內也可能有塑性變形，從而顯示出韌窩形態(tài)。 實際構件斷口的宏觀特征 上面主要介紹了在靜載荷作用下的幾種典型宏觀斷口，但實際機件受力狀態(tài)復雜，斷裂原因也多種多樣，因此宏觀斷口形貌也比較復雜。譬如在交變應力作用下，會產生疲勞斷裂，宏觀斷口