理論斷裂強(qiáng)度與脆斷理論

1、返回三者既相對(duì)獨(dú)立，又會(huì)發(fā)生交互作用：三者既相對(duì)獨(dú)立，又會(huì)發(fā)生交互作用：1. 腐蝕與斷裂常相伴發(fā)生，如應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（腐蝕與斷裂常相伴發(fā)生，如應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC, Stress Corrosion Crack)，這是指受拉伸應(yīng)力作用的金屬材料在這是指受拉伸應(yīng)力作用的金屬材料在某些特定的介質(zhì)中，由于腐蝕介質(zhì)與應(yīng)力的協(xié)同作用而某些特定的介質(zhì)中，由于腐蝕介質(zhì)與應(yīng)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。2. 磨損與斷裂也常常同時(shí)發(fā)生。磨損實(shí)際上是由一個(gè)個(gè)微磨損與斷裂也常常同時(shí)發(fā)生。磨損實(shí)際上是由一個(gè)個(gè)微小的斷裂過(guò)程組成的。小的斷裂過(guò)程組成的。3. 廣義地講，材料或構(gòu)件在失效前的所有劣化過(guò)

2、程均為損廣義地講，材料或構(gòu)件在失效前的所有劣化過(guò)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(jié)果。任何延緩損傷的措施均可提高材料或情況的必然結(jié)果。任何延緩損傷的措施均可提高材料或構(gòu)件的服役壽命。構(gòu)件的服役壽命。 (b) dynamic re-crystallization (a) dynamic restoration圖圖1-1 動(dòng)態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶曲線動(dòng)態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶曲線單向拉伸單向拉伸(Uniaxial-Tensile Test)過(guò)程過(guò)程 拉伸過(guò)程中的組織結(jié)構(gòu)演變：拉伸過(guò)程中的組織結(jié)構(gòu)演變： 1. 產(chǎn)生均勻塑性變形，內(nèi)部缺陷

3、密度增大產(chǎn)生均勻塑性變形，內(nèi)部缺陷密度增大, 產(chǎn)生位錯(cuò)塞積。產(chǎn)生位錯(cuò)塞積。 2. 在缺陷處形成應(yīng)力集中，產(chǎn)生微裂紋；微裂紋擴(kuò)展、合并。在缺陷處形成應(yīng)力集中，產(chǎn)生微裂紋；微裂紋擴(kuò)展、合并。 3. 發(fā)生宏觀頸縮。幾何因素：拉伸過(guò)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(guò)程中截面變小。物理因素：加工硬化。 4. 宏觀裂紋形成，擴(kuò)展，合并。宏觀裂紋形成，擴(kuò)展，合并。 5. 試樣斷裂。試樣斷裂。 損傷力學(xué)是研究材料斷裂前內(nèi)部缺陷發(fā)展規(guī)律損傷力學(xué)是研究材料斷裂前內(nèi)部缺陷發(fā)展規(guī)律 ；而；而斷裂力學(xué)則是研究材料的斷裂條件。斷裂力學(xué)則是研究材料的斷裂條件。因此，損傷是斷裂因此，損傷是斷裂的

4、前奏，斷裂是損傷積累到極限的必然結(jié)果。的前奏，斷裂是損傷積累到極限的必然結(jié)果?？梢?jiàn)，可見(jiàn)，損損傷與斷裂是密切相關(guān)的力學(xué)現(xiàn)象。損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)傷與斷裂是密切相關(guān)的力學(xué)現(xiàn)象。損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)二者是互補(bǔ)的。二者是互補(bǔ)的。xm2sinxx22sinxm20aExE02aEmmmdxxU2/002sinsm2ms2210aEsm1.2 Griffith脆性斷裂理論脆性斷裂理論22221aEaaEU如圖如圖1.2所示，薄板中心裂紋長(zhǎng)為所示，薄板中心裂紋長(zhǎng)為2a，外應(yīng)力為，外應(yīng)力為。當(dāng)材料。當(dāng)材料完好無(wú)損時(shí)，材料具有彈性應(yīng)變能，其密度為完好無(wú)損時(shí)，材料具有彈性應(yīng)變能，其密度為1/2應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變。當(dāng)裂紋形

5、成后，一部分彈性能釋放出來(lái)。設(shè)彈性應(yīng)變。當(dāng)裂紋形成后，一部分彈性能釋放出來(lái)。設(shè)彈性能受影響的區(qū)域?yàn)橐婚L(zhǎng)軸為裂紋長(zhǎng)度能受影響的區(qū)域?yàn)橐婚L(zhǎng)軸為裂紋長(zhǎng)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(yīng)變能為，則所釋放的彈性應(yīng)變能為 式中：式中： E 楊氏模量，楊氏模量， 系數(shù)。系數(shù)。對(duì)于薄板可取，對(duì)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心裂紋 釋放的應(yīng)變能轉(zhuǎn)換成新生斷面的表面能，若用釋放的應(yīng)變能轉(zhuǎn)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

6、的總能量為： EaaUWE224 由上式可知，當(dāng)裂紋長(zhǎng)度達(dá)到由上式可知，當(dāng)裂紋長(zhǎng)度達(dá)到2ac時(shí)，總能量的變化達(dá)到極大值。時(shí)，總能量的變化達(dá)到極大值。當(dāng)裂紋長(zhǎng)度大于當(dāng)裂紋長(zhǎng)度大于2ac時(shí)，隨著裂紋長(zhǎng)度的增加，總能量下降，裂紋時(shí)，隨著裂紋長(zhǎng)度的增加，總能量下降，裂紋可自然擴(kuò)展。也就是說(shuō)，裂紋超過(guò)此值繼續(xù)擴(kuò)大的過(guò)程是系統(tǒng)總能可自然擴(kuò)展。也就是說(shuō)，裂紋超過(guò)此值繼續(xù)擴(kuò)大的過(guò)程是系統(tǒng)總能量降低的過(guò)程，因而裂紋擴(kuò)展的能量判據(jù)可表示為：量降低的過(guò)程，因而裂紋擴(kuò)展的能量判據(jù)可表示為： EadadUdadWdaEd224 當(dāng)當(dāng)d(E)/da0時(shí)，為臨界狀態(tài)；時(shí)，為臨界狀態(tài)； 當(dāng)當(dāng)d(E)/da0時(shí)，裂紋即擴(kuò)展。時(shí)

7、，裂紋即擴(kuò)展。aEc2或可求得裂紋擴(kuò)展時(shí)的臨界長(zhǎng)度為：或可求得裂紋擴(kuò)展時(shí)的臨界長(zhǎng)度為：22Eac由此可求得裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力為：由此可求得裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力為：1 裂紋擴(kuò)展的判據(jù)：裂紋擴(kuò)展的判據(jù)： a 一定時(shí)，一定時(shí)， c c 時(shí)，裂紋擴(kuò)展；時(shí)，裂紋擴(kuò)展； 一定時(shí)，一定時(shí)， a a c c 時(shí)，裂紋擴(kuò)展。時(shí)，裂紋擴(kuò)展。另有判據(jù)：另有判據(jù)： G Gc c為材料對(duì)裂紋臨界擴(kuò)展的抗力。該臨界裂紋擴(kuò)展力是一個(gè)為材料對(duì)裂紋臨界擴(kuò)展的抗力。該臨界裂紋擴(kuò)展力是一個(gè)可由實(shí)驗(yàn)確定的材料性質(zhì)?？捎蓪?shí)驗(yàn)確定的材料性質(zhì)。 當(dāng)當(dāng)G GG Gc c時(shí)，裂紋不會(huì)擴(kuò)展、長(zhǎng)大；時(shí)，裂紋不會(huì)擴(kuò)展、長(zhǎng)大；G GG Gc c是裂紋起

8、裂擴(kuò)展的是裂紋起裂擴(kuò)展的必要條件，這時(shí)裂紋處于臨界狀態(tài)。對(duì)平衡態(tài)靜止裂紋，必要條件，這時(shí)裂紋處于臨界狀態(tài)。對(duì)平衡態(tài)靜止裂紋，G G不可不可能超出能超出G Gc c。 4dadWGc 2.Griffith裂紋的形核機(jī)制裂紋的形核機(jī)制 StrohStroh位錯(cuò)塞積機(jī)制：位錯(cuò)塞積機(jī)制： 如圖如圖1.31.3所示，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程所示，位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，遇到了障礙（如晶界、相界等）中，遇到了障礙（如晶界、相界等）而被塞積，在位錯(cuò)塞積前端就會(huì)引起而被塞積，在位錯(cuò)塞積前端就會(huì)引起應(yīng)力集中。若外加切應(yīng)力為應(yīng)力集中。若外加切應(yīng)力為，塞積，塞積位錯(cuò)個(gè)數(shù)為位錯(cuò)個(gè)數(shù)為n n，此處應(yīng)力集中為，此處應(yīng)力集中為，則則nn。

9、這就表明此處的應(yīng)力集。這就表明此處的應(yīng)力集中比外加應(yīng)力大中比外加應(yīng)力大n n倍，塞積位錯(cuò)個(gè)數(shù)越倍，塞積位錯(cuò)個(gè)數(shù)越多，應(yīng)力集中程度越大。當(dāng)此應(yīng)力大多，應(yīng)力集中程度越大。當(dāng)此應(yīng)力大于界面結(jié)合力或脆性第二相或夾雜物于界面結(jié)合力或脆性第二相或夾雜物本身的結(jié)合力時(shí)，就會(huì)在界面或脆性本身的結(jié)合力時(shí)，就會(huì)在界面或脆性相中形成裂紋。相中形成裂紋。圖圖1.3 位錯(cuò)塞積引起裂位錯(cuò)塞積引起裂口胚芽示意圖口胚芽示意圖 SmithSmith機(jī)制：機(jī)制： 如果低碳鋼晶界中有一層碳化物，設(shè)厚度如果低碳鋼晶界中有一層碳化物，設(shè)厚度為為C C0 0，則在鐵素體內(nèi)位錯(cuò)塞積群的應(yīng)力集中可，則在鐵素體內(nèi)位錯(cuò)塞積群的應(yīng)力集中可以使碳化

10、物開(kāi)裂，形成長(zhǎng)為以使碳化物開(kāi)裂，形成長(zhǎng)為C C0 0的微裂紋，如圖的微裂紋，如圖1-41-4所示。在外應(yīng)力作用下，這個(gè)所示。在外應(yīng)力作用下，這個(gè)GriffithGriffith裂裂紋向鄰近鐵素體擴(kuò)展造成解理脆斷。按照這種紋向鄰近鐵素體擴(kuò)展造成解理脆斷。按照這種機(jī)制，機(jī)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面能密度22effeff22p p2828焦焦/ /米米2 2。鋼的解理斷裂強(qiáng)度為：。鋼的解理斷裂強(qiáng)度為： 0214CEeffF 圖圖1.4 Smith1.4 Smith機(jī)制機(jī)制在晶界在晶界碳化物上產(chǎn)生微

11、裂紋碳化物上產(chǎn)生微裂紋 McMahonMcMahon和和CohenCohen證實(shí)了低碳鋼晶界碳證實(shí)了低碳鋼晶界碳化物粗化能促進(jìn)鋼的解理脆斷?；锎只艽龠M(jìn)鋼的解理脆斷。 圖圖1.5 Cottrell機(jī)制在機(jī)制在bcc結(jié)構(gòu)中交結(jié)構(gòu)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(cuò)反應(yīng)機(jī)制：位錯(cuò)反應(yīng)機(jī)制： CottrellCottrell提出在提出在bccbcc結(jié)構(gòu)中兩個(gè)交叉的滑移帶結(jié)構(gòu)中兩個(gè)交叉的滑移帶可以產(chǎn)生微裂紋。在可以產(chǎn)生微裂紋。在FeFe晶體中，晶體中， 和和 兩個(gè)滑移帶中兩個(gè)滑移帶中 和和 位錯(cuò)通過(guò)如下反位錯(cuò)通過(guò)如下反應(yīng)應(yīng) 0111101112111121b0011112111121001001正好和（正好和（001001）垂直。如果有）垂直。如果有n n個(gè)位錯(cuò)，其個(gè)位錯(cuò)，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(gè)個(gè) 和和n n個(gè)個(gè) 匯合起來(lái)形成以匯合起來(lái)形成以nbnb為柏