金屬材料的斷裂和斷裂韌性.ppt

1、1,4 金屬材料的斷裂和斷裂韌性,東南大學(xué)材料學(xué)院 張友法,機件主要失效形式,危害最大！,生活中,影響正常生活，甚至人身安全。,生產(chǎn)中,影響生產(chǎn)和安全。,重要產(chǎn)品,災(zāi)難！,6,4 金屬材料的斷裂和斷裂韌性,斷裂的不同形式 疲勞斷裂、蠕變斷裂、應(yīng)力腐蝕或腐蝕斷裂等 室溫環(huán)境下單向加載時的金屬斷裂 斷裂類型：脆性斷裂、韌性斷裂 斷裂過程與微觀機制 斷裂的基本理論 韌脆轉(zhuǎn)化,7,4 金屬材料的斷裂和斷裂韌性,4.1 脆性斷裂 4.2 韌性斷裂 4.3 其它材料的斷裂 4.4 線彈性條件下的斷裂韌性 4.5 影響斷裂韌性的因素 4.5 金屬的韌化,復(fù)習(xí)思考題,斷裂類型,韌斷與脆斷,韌斷：斷前及斷時有明

2、顯塑變，裂紋擴(kuò)展耗能。斷口：呈纖維狀，灰暗色。斷面收縮率5%。,斷口特征三要素：纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇。,纖維區(qū)：試樣中心，裂紋形成區(qū)，顏色灰暗，較粗糙，裂紋擴(kuò)展時塑變大，擴(kuò)展慢。 放射區(qū)：較光亮平坦，放射狀條紋，裂紋擴(kuò)展快。 剪切唇：試樣邊緣，應(yīng)力狀態(tài)改變，剪切斷裂，表面粗糙，深灰色。,11,4.1 脆性斷裂,斷裂前無明顯塑變，吸收能量少，裂紋擴(kuò)展速度快，幾近音速，后果嚴(yán)重。 斷裂面與正應(yīng)力垂直，斷口平齊光亮，呈放射狀或結(jié)晶狀。 一般把k 5定為韌性斷裂。 材料脆性還是韌性不固定，受材質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)和環(huán)境影響。 脆斷：解理斷裂和沿晶/穿晶斷裂。,12,4.1.1 解理斷裂,拉應(yīng)力作用下，原子間

3、結(jié)合鍵破壞，沿一定結(jié)晶學(xué)平面（即所謂“解理面”）劈開。 解理面：一般是表面能最小的晶面，且往往是低指數(shù)晶面。 宏觀解理斷口：較為平坦、發(fā)亮的結(jié)晶狀斷面。 微觀解理斷口：由解理臺階的側(cè)面匯合而形成河流花樣。 “河流”的流向與裂紋擴(kuò)展方向一致 。 原因一：通過扭曲晶界或大角度晶界，相鄰晶粒內(nèi)解理面位向差很大，裂紋在晶界受阻，裂紋尖端高應(yīng)變激發(fā)晶界另一側(cè)面裂紋成核。 原因二：裂紋不沿單一晶面發(fā)生，在跨越若干個相互平行的位于不同高度上的解理面處發(fā)生，在交界處形成臺階。 解理斷裂的另一個微觀特征：舌狀花樣，它是解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展而留下的舌狀凸臺或凹坑。,13,BCC、HCP滑移系/滑移方向少，位錯塞積

4、造成應(yīng)力集中，裂紋易成核。 FCC金屬滑移系多，不易產(chǎn)生。,14,解理斷口的河流花樣,河流花樣形成示意圖,河流花樣為判斷是否為解理斷裂的重要微觀依據(jù)。,16,裂紋穿過大角度晶界的解理河流花樣,舌狀花樣：解理裂紋與孿晶相遇，沿孿晶與基體界面擴(kuò)展形成，留下舌頭狀凹坑或凸臺。,影響解理斷裂的因素,外因：環(huán)境溫度、加載速度、介質(zhì)、應(yīng)力大小等。 內(nèi)因：晶體結(jié)構(gòu)、顯微組織。 溫度低、加載速度快易產(chǎn)生解理斷裂； BCC、HCP產(chǎn)生解理斷裂； 氫在-Fe解理面處集聚，產(chǎn)生氫致解理斷裂。,首先在許多不同部位同時產(chǎn)生許多解理裂紋核； 然后按解理方式擴(kuò)展成解理小刻面； 最后以塑性方式撕裂，相鄰的解理小刻面相連，形成

5、撕裂棱。 介于解理斷裂和韌窩斷裂之間一種過渡斷裂形式。,4.1.2 準(zhǔn)解理斷裂,有撕裂棱，河流花樣不明顯,20,撕裂棱的形成過程示意圖,21,準(zhǔn)解理斷裂和解理斷裂的異同,同：穿晶斷裂，脆性斷裂，有小解理刻面、臺階。 斷裂起源：準(zhǔn)解理源于晶粒內(nèi)部的空洞、夾雜物、第二相粒子 ，而解理則自晶界/相界一側(cè)向另一側(cè)延伸； 裂紋傳播途徑：準(zhǔn)解理向四周放射狀不連續(xù)擴(kuò)展，與晶粒位向無關(guān)，與細(xì)小第二相有關(guān)，解理是由晶界向晶內(nèi)擴(kuò)展，形成河流花樣； 解理位向：準(zhǔn)解理小平面的位向與基體解理面之間無確定的對應(yīng)關(guān)系，源頭不清。 斷口：準(zhǔn)解理有撕裂棱，局部有韌窩，是解理與微孔聚合的混合型斷裂，但主要機制仍是解理，宏觀表現(xiàn)脆

6、性。,韌性或脆性,脆性,4.1.3 穿晶斷裂與沿晶斷裂,典型穿晶斷裂形貌,典型沿晶斷裂形貌,25,沿晶斷裂原因,晶界存在連續(xù)分布的脆性第二相； 微量有害雜質(zhì)元素在晶界上偏聚； 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。 例：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。,沿晶斷裂,穿晶斷裂,宏觀：纖維狀 微觀：大量韌窩，內(nèi)含夾雜物或第二相，微孔萌生處。,4.2.1 韌性斷裂-微孔聚集斷裂,28,微孔聚集斷裂機理：形核長大聚合,頸縮/位錯引起應(yīng)力集中，第二相碎裂

7、，或第二相與基體塑變不協(xié)調(diào)，分離形成微孔； 微孔長大，相鄰微孔間基體截面積縮小，產(chǎn)生內(nèi)頸縮； 微孔聚合成微裂紋，新微孔借內(nèi)頸縮與裂紋連通，裂紋向前推進(jìn)直至斷裂。,29,剪切裂紋一般沿滑移線發(fā)生. 高強度鋼常發(fā)生這種模式的微孔聚合，其韌性較“正常的”微孔聚合模式要差。,微孔聚合的三種形式,（a）正常的微孔聚合；（b）快速剪切斷開；（c）大片夾雜相連,內(nèi)頸縮,剪切裂紋,夾雜,微孔成核源：第二相粒子。 在應(yīng)力作用下，基體和第二相粒子的界面脫開，或第二相粒子本身開裂，于是出現(xiàn)微孔。,材料內(nèi)部本身存在著大片的夾雜，微孔通過脆弱的夾雜連成裂紋。 這是不合格材料出現(xiàn)的一種缺陷,正應(yīng)力,扭轉(zhuǎn),應(yīng)力集中,韌窩形

8、狀取決于應(yīng)力狀態(tài)； 韌窩大小和深淺取決于第二相數(shù)量、分布及基體塑變能力。,陶瓷：幾乎或完全不能發(fā)生滑移，無塑性。沿大間距密排結(jié)晶面發(fā)生解理破壞，斷口光滑，無特征判定裂紋源。 玻璃：脆性斷裂，裂紋源附近有光滑鏡面區(qū)，其余為撕裂線，其匯集方向指向裂紋源。,陶瓷斷口玻璃斷口,4.3 其它材料的斷裂-無機非金屬,脆性：玻璃化轉(zhuǎn)化溫度以下的熱塑性聚合物，熱固性聚合物 塑性：玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上的熱塑性聚合物，斷前有大變形，甚至頸縮。纖維增強復(fù)合材料：斷裂過程很復(fù)雜，與基體性質(zhì)、纖維性質(zhì)、基體與纖維間的結(jié)合強度有關(guān)。,SiC纖維增強Ti3Al金屬間化合物拉伸試樣斷口,4.3 其它材料的斷裂-聚合物和復(fù)合材料

9、,微孔聚合型斷口,解理型斷口,沿晶斷裂,穿晶斷裂,a沿晶脆斷 b 穿晶/解理斷裂 c 準(zhǔn)解理斷 d 微孔聚集,4.4 斷裂力學(xué)與斷裂韌度,斷裂-低于許用應(yīng)力,二戰(zhàn)期間，美國五千艘自由輪貨船有238艘完全斷裂破壞。 19381942年間，歐洲四十多座橋梁倒塌； 1954年，美國兩架彗星號噴氣式飛機在地中海上空失事； 20世紀(jì)50年代，美國北極星導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動機殼體爆炸； 高壓鍋爐、石油、化工壓力容器頻發(fā)爆炸； 。,零部件實際斷裂過程,材料有內(nèi)部缺陷和加工或服役時形成裂紋,裂紋或缺陷附近應(yīng)力集中，裂紋擴(kuò)展,低于許用應(yīng)力，構(gòu)件突然斷裂,低應(yīng)力脆斷總與裂紋相聯(lián)系,斷裂實驗-三點彎曲,40,斷裂力學(xué)和

10、斷裂韌性,有裂紋的材料，內(nèi)部應(yīng)力分布改變，傳統(tǒng)力學(xué)強度理論不適用。 斷裂力學(xué)：研究裂紋體力學(xué)、斷裂判據(jù)和斷裂韌度，防止裂紋體低應(yīng)力脆斷。 研究內(nèi)容：裂紋尖端的應(yīng)力和應(yīng)變分析；建立新的斷裂判據(jù)；斷裂力學(xué)參量的計算與實驗測定，其中包括材料的力學(xué)性能新指標(biāo)斷裂韌性及其測定，斷裂機制和提高材料斷裂韌性的途徑等。 斷裂力學(xué)用于構(gòu)件的安全性評估或斷裂控制設(shè)計，是對靜強度設(shè)計的重大發(fā)展和補充。,4.4.1 材料的斷裂理論,c=(Es /a0)1/2 c=E /10,Xm,理論斷裂強度：外加正應(yīng)力，將晶體兩原子面沿垂直外力方向拉斷所需應(yīng)力。,格里菲斯斷裂理論,實際斷裂強度理論計算值 金屬至少低一個數(shù)量級，陶瓷

11、、玻璃更低。 原因：內(nèi)部裂紋 The phenomenon of rupture and flow in solids, Philosophical Transactions, 1920（被引6533次，2011年為5581 ） 該文奠定了斷裂力學(xué)的基石，使格氏名留千古，此時他才二十六歲。,斷裂力學(xué)之父（1893-1963）,格里菲斯實驗-含裂紋玻璃強度,uE釋放速率s增長速率，u降低，裂紋自行擴(kuò)展，對應(yīng)極限裂紋尺寸2ac,從能量平衡出發(fā)獲得裂紋擴(kuò)展判據(jù),斷裂應(yīng)力和裂紋尺寸關(guān)系 c=(2Es /a )1/2 斷裂應(yīng)力和裂紋尺寸的平方根成反比。 金屬、高分子：塑性變形功p ，Orowan修正公式

12、： c=(2E(s + p)/a )1/2 p大約是s的1000倍 c=(2Ep /a )1/2,裂紋尖端曲率半徑8a0/，尖端塑性變形大， p控制裂紋擴(kuò)展，采用奧羅萬修正。 =8a0/，為Griffith公式。 8a0/，用Griffith公式。,46,研究帶有裂紋的線彈性體，假定裂紋尖端應(yīng)力仍服從虎克定律。 玻璃和陶瓷：理想的彈性體 金屬：裂紋尖端塑性區(qū)尺寸遠(yuǎn)小于裂紋長度。 GriffithOrowan：能量理論 Irwin：應(yīng)力場強度因子理論,4.4.2線彈性條件下的斷裂韌性,47,張開型(I),滑開型(),撕開型(),三種斷裂的類型,48,三種基本斷裂類型的實例,葉輪,聯(lián)接螺栓,(1)

13、 裂紋尖端應(yīng)力場,薄板,4.4.3 應(yīng)力強度因子KI和斷裂韌性KIc,應(yīng)力分析 在裂紋延長線上，=0 拉應(yīng)力分量最大；切應(yīng)力分量為0； 裂紋最易沿X軸方向擴(kuò)展。,51,應(yīng)力分量決定于其位置(r, )，及 KI 某確定點，KI 直接決定應(yīng)力場大小，KI 越大，各應(yīng)力分量越大。 KI 反映應(yīng)力場的強弱程度，稱為應(yīng)力場強度因子。,(2) 應(yīng)力場強度因子 KI,通式：KI = Y a1/2,應(yīng)力增大，KI逐漸增加。,受載裂紋體， KI 增加，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到斷裂強度，裂紋失穩(wěn)，并開始擴(kuò)展。臨界或失穩(wěn)狀態(tài)時，KI記作KIC或KC。 KC 平面應(yīng)力斷裂韌度 KIC平面應(yīng)變，I類裂紋時斷裂韌度 斷裂判據(jù)： KI

14、KIC 發(fā)生裂紋擴(kuò)展，直至斷裂,(3) 斷裂韌度 KC 和 KIC,KI KC KIC 的區(qū)別,KI：應(yīng)力場強度因子，受外界條件影響的裂紋尖端應(yīng)力場強弱程度的力學(xué)度量，隨外加應(yīng)力、裂紋長度、裂紋形狀類型、加載方式變化，與材料固有性能無關(guān)。 KC和KIC：材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是材料固有特性。,KC KIC 的區(qū)別,KIC 為 KC 隨板厚增加而趨于的最低值，反映了最危險的平面應(yīng)變斷裂情況，反映了材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力。,55,應(yīng)力強度因子KI和斷裂韌性KIc,應(yīng)力強度因子,應(yīng)力強度因子的臨界值,是材料本身的固有屬性,56,一些工程材料在常溫下的KIc值,57,應(yīng)力強度因子KI和斷裂韌性KIc

15、,脆性斷裂的K準(zhǔn)則:,KI和KIc的物理意義 KI ：應(yīng)力強度因子，計算得到。 KIc ：斷裂韌性：材料抵抗脆性斷裂的能力。 KIc的試驗獲得 平面應(yīng)變斷裂韌性,58,4.4.3 裂紋擴(kuò)展的能量釋放率GI和斷裂韌性GIc,分析原理：能量法,應(yīng)變能釋放率,裂紋擴(kuò)展需要吸收的能量率,擴(kuò)展,穩(wěn)定,臨界,裂紋臨界條件：G準(zhǔn)則,59,K與G的關(guān)系,60,K準(zhǔn)則的工程應(yīng)用,K準(zhǔn)則:,臨界應(yīng)力,臨界裂紋長度,61,K準(zhǔn)則的工程應(yīng)用,應(yīng)用場合： 已知應(yīng)力，求臨界裂紋長度； 已知裂紋長度，求臨界應(yīng)力（剩余強度）。 應(yīng)用步驟： 通過無損檢測，確定裂紋a的長度及位置； 對缺陷進(jìn)行分析，計算或查表得到應(yīng)力強度因子K的

16、表達(dá)式； 通過試驗或查表，確定材料的平面應(yīng)變斷裂韌性KIc值； 根據(jù)K準(zhǔn)則，進(jìn)行斷裂力學(xué)分析，確定臨界裂紋長度ac或臨界應(yīng)力（剩余強度）值。,62,工程應(yīng)用實例,1950年，美國北極星導(dǎo)彈發(fā)動機殼體發(fā)生爆炸事件。已知殼體材料為D6GC高強度鋼， ， ，傳統(tǒng)檢驗合格，水壓實驗時爆炸，破壞應(yīng)力為 。材料的斷裂韌性為 ，試分析其低應(yīng)力脆斷的原因。,63,工程應(yīng)用實例,應(yīng)力分析,周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力圖,64,工程應(yīng)用實例,傳統(tǒng)強度分析 未超過許用應(yīng)力，強度合格。 斷裂分析 臨界裂紋長度0.36mm，易漏檢。 改進(jìn)措施 選用KIc較高的材料，提高臨界裂紋長度，確保檢出率。,65,4.4.4 平面應(yīng)變斷裂韌

17、性的測定,1. 試樣及其制備 用于測定KIc 的標(biāo)準(zhǔn)試樣主要采用三點彎曲和緊湊拉伸試樣。 為引發(fā)裂紋，可先用線切割加工寬度0.13mm的切口，然后用高頻疲勞試驗機預(yù)制長度1.3mm的疲勞裂紋。 疲勞預(yù)制中的Kmax應(yīng)小于0.6KIc，特別是在最終達(dá)到要求裂紋長度時，應(yīng)盡量減小負(fù)荷，以保證裂紋有足夠的尖銳度。,66,兩種典型的斷裂韌性試樣,（a）三點彎曲（b）緊湊拉伸,67,4.4.4 平面應(yīng)變斷裂韌性的測定,2. 測試設(shè)備和方法 測試的裝置如圖所示。測試時，通過載荷傳感器和位移傳感器以及動態(tài)電阻應(yīng)變儀和函數(shù)記錄儀，連續(xù)記錄負(fù)荷F和裂紋嘴張開位移v，從而得到Fv曲線。由此曲線如果能定出臨界載荷F

18、c以及由斷口上測定的裂紋長度a，代入確定的KIc計算公式，就可以求得材料的斷裂韌性KIc值。,68,KIc測試裝置系統(tǒng),69,4.5 影響斷裂韌性的因素,1. 材料的組織和結(jié)構(gòu) （1）晶粒尺寸 晶粒愈細(xì)，晶界所占比例愈大，裂紋尖端附近從產(chǎn)生一定尺寸的塑性區(qū)到裂紋擴(kuò)展所消耗的能量也愈大，因此KIc也愈高。一般說來，細(xì)化晶粒是使強度和韌性同時提高的有效手段。 （ 2 ）夾雜和第二相 鋼中的夾雜物，如硫化物、氧化物等往往偏析于晶界，導(dǎo)致晶界弱化，增大沿晶斷裂的傾向，而在晶內(nèi)分布的雜質(zhì)則常常起著缺陷源的作用。所有這些都使材料的KIc值下降。 至于脆性第二相，如隨碳含量的增加，滲碳體增多，強度提高，但KIc 值急劇下降。 夾雜物和第二相的形狀對KIc值也有很大影響 。 回火脆性也是引起鋼的斷裂韌性大幅度下降的重要因素。,70,4.5 影響斷裂韌性的因素,（3）組織結(jié)構(gòu) 通過淬火、回火獲得回火馬氏體組織的綜合力學(xué)性能最好，即s和KIc值都高。 調(diào)整貝氏體的成分和工藝，使針狀鐵素體細(xì)化就可使其韌性提高。 奧氏體的韌性比馬氏體高，所以在馬氏體基體上有少量殘余奧氏體，就相當(dāng)于存在韌性相，使材料斷裂韌性升高。,71,4.5 影響斷裂韌性的因素,2. 溫度和加載速度 隨著試驗溫度的下降，材料塑性變形能力降低，相應(yīng)KIc值也有所下降。 變形速度增大，影響材料塑性變形能