材料物理-金屬的斷裂

Chapter4

FractureofMetals

金屬的斷裂

cargoship貨船問題的提出：構件失效、災難性的后果

擠壓制品的周期裂紋Plasticdeformation塑性成形

surface/internalcracksinworkingmaterials→integralfailure.

加工材料出現表面/內部裂紋→整體破斷

Thishappensinrolling軋制,extrusion擠壓,drawing拉拔,forging鍛造andsoon.

Itwilllargelyreducetherateoffinishedproductsandproductionrate成品率/生產率↓.

Weconcernaboutfracturefortworeasons.Oneiscrack’sdestructiveeffect,theotheroneisthatfractureisrelatedtomaterial’sformability.(1)破壞；(2)成形性。Inthischapter,wewillanalyzethephysicalessenceandlawsoffracture.

斷裂的物理本質/規(guī)律Definitionoffracture

Whenmetallicmaterialdeformationforereachitsplasticlimit,itwilldividecompletely.Thentheinteratomicforceisdamaged.

斷裂－金屬材料在變形超過其塑性極限—完全分開.原子間結合力遭受破壞。

relatedsubjects斷裂力學

fracturemechanics-macroscopicStressfield應力場Strainfield應變場Fracturecriterion斷裂判據斷裂物理

fracturephysics-microscopic

Fracturemechanism斷裂機制Microstructure組織

4.1Basictypesoffracture

斷裂的基本類型Accordingtowhetherthemetalhasobviousplasticdeformationbeforefracture,itcanbesortedasfollowing:

根據斷裂前金屬是否有明顯的塑性變形可分為brittlefracture脆性斷裂ψ<5%ductilefracture韌性斷裂

ψ>5%Accordingtotheorientationrelationshipbetweenfractureandactingforce按斷裂面相對作用力的取向關系可分為normalfailure正斷againsttoσ1shearingfailure剪斷alongthedirectionofmaximumshear宏觀斷裂微觀斷裂正斷與剪斷的宏觀與微觀形式

Accordingtocracktrendinmicroscopicview

從微觀上按照裂紋的走向可分為

transgranularfracture穿晶斷裂/晶間~

intergranularfracture沿晶~grain晶粒

穿晶斷裂沿晶斷裂從晶體學特征上分：切變斷裂、解理斷裂從斷口形貌上分：纖維狀斷口、結晶狀斷裂疲勞斷裂、應力腐蝕斷口裂紋穿過晶粒內部crackcrosstheinteriorofgrain穿晶脆性斷裂

lowspeed,hightemperatureandstressconcentration.alongsomecrystalplane---cleavageplane解理面穿晶韌性斷裂

micropore

coalescence微孔聚合

4.1.1解理斷裂當應力達到某一臨界值沿一特定結晶學方向發(fā)生的突然斷裂宏觀特征：斷口平滑光亮、一般在體心、六方中易于出現。溫度越低、應變速度越大易于出現。電鏡下形貌為河流狀花樣準解理介于解理與韌性材料之間例：低碳鋼發(fā)生解理斷裂時，常沿鐵素體『100』晶面發(fā)生。密排六方『0001』解理面：原子間距最大、原子結合鍵最弱的晶面。

4.1.2韌性斷裂ductilefracture材料經明顯的變形后發(fā)生的斷裂稱為韌性斷裂。拉伸時以“頸縮”

necking為先導,當應變硬化strainhardening產生的強度增加不足以補償截面積的減少時,產生集中變形,出現“細頸”。

細頸中心承受三向拉應力,顯微空洞cavity首先在此形成,隨后長大聚合成裂紋,最終在細頸邊緣處,沿與拉伸軸45。方向被剪斷,形成“杯錐”斷口cupandconefracture

surface,

微觀形態(tài):韌窩dimple

原因：多起源于空洞cavity。單相金屬singlephase←熔煉時混入夾雜物inclusion多相合金multi-phase←難變形第二相粒子second-phaseparticle。Charactersofductilefracture韌性斷裂特點:

(1)斷裂前發(fā)生較大塑性變形→高能量吸收過程.(2)裂紋產生nucleation→擴展propagation.→聚合coalescence.

生成新裂紋→多裂紋源

(3)裂紋擴展臨界應力>裂紋形核應力→緩慢過程4.2脆性斷裂

brittle fracture

材料塑性變形能力很低，裂紋尖端的應力集中不能因塑性變形而松弛。4.2.1理論斷裂強度

theoreticalfracturestrength

完整晶體在正應力作用下沿某一晶面拉斷的強度。

Underthepullingforce,theforcewhichcanhelptwoadjacentatomicplanesovercomeinteratomicbondingforce,andseparatethetwoatomicplanes.

兩相鄰原子面在拉力σ作用下，克服原子間鍵合力作用，使原子面分開的應力。完整晶體拉斷示意圖mn為斷裂面的跡線；a表示原子面間距

原子間作用模型：原子間作用力與位移間的關系滿足正弦規(guī)律

---將原子拉開所需的最大應力，即斷裂理論強度。

原子間作用模型：原子間作用力與位移間的關系滿足正弦規(guī)律

(1-1)---將原子拉開所需的最大應力，即斷裂理論強度

(1-2)斷裂后出現兩個新的斷裂面，表面能為2 晶體中的內聚力與原子間距的關系外力抵抗原子間結合力做的功=產生斷裂新面的表面能

(1-3)

將替換由虎克定律

將(1-1)對x求導(1-4)

在正弦曲線初期

E(Young’smodulus)γa

10″dyn/cm2103erg/cm2 3×10-8c

實際金屬強度鋁合金～200－300MPa

低碳鋼～400-500MPa 合金鋼～1000MPa4.2.2Griffith裂紋理論

出發(fā)點: 材料中已存在裂紋crack

在裂紋尖端引起應力集中，在外加應力小于理論斷裂強度時裂紋擴展，實際斷裂強度大大降低。能量平衡裂紋 →

彈性能↓表面能↑

elasticenergysurfaceenergy

釋放的彈性能 彈性能密度裂紋體積 基點: 材料中已存在裂紋crack

在一塊大的平板上的穿透裂紋形成新表面的功U2能量變化U1+U2釋放的彈性能U12Ck能量t裂紋生長時能量變化示意圖

增加的表面能

—Griffith公式在正應力作用下只有彈性能的減少>表面能的增加→裂紋擴展

Griffith公式物理意義： 裂紋兩端引起的應力集中，相當將外力放大了倍，使局部達到了理論斷裂強度.比較理論斷裂強度公式

修正modification:伴隨一定的塑性變形,裂紋的形核和傳播與局部塑性變密切相關.Orowan

考慮塑性變形能

P-斷口表面附近的塑性應變能plasticstrainenergy

4.2.3.Cracknucleation裂紋形核

Therearegenerallynolargecracksinoriginalmaterials.Manyexperimentsshowthatcracksaregeneratedbyplasticdeformation.Anyheterogeneityinamaterialthatproducesastressconcentrationcannucleatecracks.Forexample,steps,striations,holes,andsoonactasstressraisersonapparentlyperfectsurface.Intheinteriorofthematerial,therecanexistvoids,airbubbles,second-phaseparticles,etc.Cracksnucleationwilloccuratthesedefects，wheretheconditionswouldbemostfavorable.

heterogeneity不均勻性striation條紋stressconcentration應力集中nucleation形核裂紋的形核

Mobiledislocationsmeetsomeobstacles,thenappearstressconcentration.Whenthestressbecomesgreaterthaninteratomicbondingforce,cracksnucleate,propagate,finallyleadtofracture.

運動的位錯遇到了某種障礙,就產生了應力集中,應力大到可以破壞原子間的鍵合力時，裂紋開始形核，裂紋長大導致斷裂。Nucleationmechanisms形核機制1).位錯塞積dislocationpile-up

晶界:相界τ’=nτ

位錯塞積引起裂口胚芽示意圖2)位錯反應 dislocationreaction

在兩相交的滑移面上,由于位錯反應發(fā)生了同號位錯的聚合便產生了微裂紋。在體心立方b.c.c的(101)面上發(fā)生如下位錯反應:

＋（111）＝a[001]

生成的新位錯為不滑動刃型位錯，其柏氏矢量⊥（001）解理面，形成了解理裂紋。(101)(101)(001)(1)(2)位錯反應形成裂紋示意圖(1)兩個滑移帶上位錯的聚合；(2)形成裂口3)位錯墻側移理論刃形位錯垂直排列→位錯墻→滑移面彎折→外力作用→晶體滑移→位錯墻側移→滑移面上生成裂紋.

可說明密排六方hcp金屬沿滑移面斷裂的原因。位錯墻側移使裂口成核4)位錯銷毀理論

異號刃型位錯→相對運動→彼此合并而消毀→孔隙→裂紋 4.2.4裂紋傳播以塞積位錯造成裂紋形核為例：能量關系：需要能量；新的表面能、塞積能提供能量：外力做功、彈性能釋放臨界應力：σc=2γ/nb設形成裂紋時的應力就是屈服應力滑移帶的長度等于晶粒直徑d

σc=2μγd-1/2/kDiscussion(a)(b)(c)FracturesurfaceUltimate

and

Fracture

StrengthsQ:比較脆性斷裂＆韌性斷裂時的抗拉強度＆斷裂強度Forbrittlematerial,theultimateandfracturestrengthscoincide.Foraductilematerial,theultimatestrengthishigherthanthefracturestrength(ascomputedwithconventionalstressandstrainformulas).truestress拉拔細玻璃絲（0.5mm）

1600～6300MPa

在空氣中靜置幾小時140～350MPa空氣腐蝕→表面形成裂紋Corrosioninair→surfacecracks“尺寸效應”

sizee