金属的断裂

锥
•
（3）危害：
不及脆性断裂 断裂前机件已变形失效
杯
7
• （4）韧性断裂过程
8
（5）微观断口形貌-韧窝
（1）韧窝形状 （a）正应力⊥ 微孔的平面，形成等轴韧窝； 拉伸试样中心纤维区就是等轴韧窝。 （b）拉长韧窝 扭转、或双向不等应力状 态；切应力，形成拉长韧窝； （c）撕裂韧窝 拉、弯应力状态；
16
三、影响韧性断裂的因素
• 1 第二相 • 2 基体
17
一、解离断裂
（1）断裂特点
6.4 金属的脆性断裂
• 断裂前基本不发生塑性变形，无明显前兆； 断口与正应力垂直，属于正断。 • 断口平齐光亮，常呈放射状或结晶状；断口由许多小晶面构成；晶面
的大小与晶粒大小对应。
• 解理面都是特定的晶体学平面，如bcc金属中为{001}面，hcp金属中为 {0001}，前者是较密排面，后者为密排面
断裂前产生明显宏观变形；过 程缓慢；中心断裂面垂直于最 大正应力；边缘断裂面平行于 最大切应力，与主应力成45度
锥
杯
发生在低碳钢、调质或退火 中碳钢、时效铝合金等
6
（2）宏观断口特征
• • • • 杯——锥状 断口三要素：纤维区、星芒区（放射区）、剪切唇 纤维区：纤维状，灰暗色： 星芒区：裂纹快速扩展。撕裂时塑性变形量大，放射 线粗 剪切唇：切断。
29
思考题
1）叙述韧性断裂和脆性断裂的区别。
2）何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口形态的
因素有哪些？
3）在什么条件下容易出现沿晶断裂？ 4）解理断裂河流花样形成过程是什么？ 5）叙述微孔聚集型断裂裂纹萌生与扩展过程
30
• 一次加载断裂；疲劳断裂；高温蠕变断裂；低温脆性断裂； 应力腐蚀断裂
• 研究方法
2
6.2 金属断裂的的类型及特征
基本类型
1、根据断裂前塑性变形大小分类：脆性断裂；韧性断裂 2、根据应力方向与断裂面的取向分类：正断；切断
3、根据裂纹扩展的途径分类：穿晶断裂；沿晶断裂
4、根据断裂机理分类：解理断裂；微孔聚集型断裂；沿晶断裂
22
• 在晶界处，B晶粒内部的多个位置产生裂纹，裂纹都在（001）面内形 成，分别沿着（0Biblioteka Baidu1）面扩展
23
晶界对解理断口的影响
（a）小角度倾斜晶界
裂纹能越过晶界，“河流”可延续到相邻晶 粒内。 （b）扭转晶界（位向差大） 裂纹不能直接穿过晶界，必须重新形核。 裂纹将沿若干组新的相互平等的解理面扩 展，形成新的“河流”。
12
• 微孔形成方式
1）第二相与基体的界面结合较弱时，通过界面脱粘 在第二相/基体界面形成裂纹 2）第二相与基体的界面结合较强时，通过变形协调 位错产生 3）第二相质点的断裂 4）晶界处（往往由 应力集中导致）
13
• 微孔扩展和长大过程
1）在第二相界面处 形成裂纹后，外加应 力作用下，裂纹首先 沿着界面扩展，形成 围绕第二相的圆环， 形成微孔（红）； 2）拉应力作用下，微孔沿应力方向伸长，形成椭圆 形（蓝）；
• 材料的韧性与脆性行为会随环境条件而改变。
例如：T↓↓、脆性↑。如低碳钢的低温脆性。
18
（2）断口微观特征
• 解理面形成的每个小晶面都是穿晶断裂形成的，在同一个晶粒内裂纹 沿同一晶面发展； • 同一晶粒内部，界面不是一个平坦表面，而是一系列晶面族，即位于 不同高度的平行的晶面构成 • 每个解理面上都能见到河流花样，发源于晶界，中止于晶界 • 解理面附近的金属中
1) 产生条件：晶界上有脆性第二相薄膜或杂质元素偏
聚。断口上形成具有晶界刻面的冰糖状形貌
28
2) 脆性第二相引起沿晶断裂时，断裂可以从第二相与基体界面 开始，也可以通过第二相解理来进行。此时晶界上可以见到 网状脆性第二相或第二相质点； 杂质元素引起沿晶断裂时，晶界光滑，看不到特殊的花样。 3) 穿晶断裂与沿晶断裂（微观） 特点：穿晶断裂，裂纹穿过晶界。沿晶断裂，裂纹沿晶扩展。 穿晶断裂，可以是韧性或脆性断裂；两者有时可混合发生。 沿晶断裂，多数是脆性断裂。
能见到显著的塑性变形痕迹，
塑性变形量可达10％～15％。
19
20
（3）解理裂纹形成过程
• 裂纹形成基于以下事实：解理面附近的金属中能见到显著的塑
性变形痕迹，塑性变形量可达10％～15％；解理面都是密排面
或较密排面（这意味着这些面间距较大，晶面间结合力 较小， 形成裂纹需要的能量较低）。
• 上述事实可能说明解理裂纹的形成是由于塑性变形引起的。
24
（2）舌状花样
解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌状凹坑或凸台。
25
二、准解理断裂
• 发生在具有回火马氏体或下贝氏体组织的高强度钢中。组 织中含有细小弥散的碳化物质点，影响裂纹形成和扩展。 • 裂纹在晶内形成后，难以沿特定晶体学平面扩展，扩展路 径与晶体学关系无关，而主要与碳化物质点有关，其微观 形态，似解理河流而又不是真正解理，称为准解理。
“4）阴影线区域发生切离断裂， 形成宏观断裂裂纹”过程发生材料的切离，尽管材料内含有第 二相，在此颈缩区域，没有第二相的影响，类似于纯金属。 因此基体金属对断裂过程的影响主要通过此过程实现；
“4）过程”主要与微区切离过程有关，而与宏观变形能力无 关，因此宏观脆性材料也有可能产生微孔聚集型断裂特征。 如金属基复合材料。
26
• 与解理断裂相比共同点是：都是穿晶断裂、有小解理刻面、 台阶、撕裂棱或河流花样。 • 不同点是：准解理小刻面不是晶体学解理面。解理断裂裂 纹一般源于晶界；而准解理裂纹常常源于晶内硬的质点， 形成从晶内某点发源的放射状河流花样。
准解理是解理断裂的变种,是解 理与微孔聚合的混合型断裂
27
三 沿晶断裂
3
• 断裂类型的划分一般从两个层次： 一是宏观断裂特征，如脆性和韧性； 二是微观断裂过程/机制
举例：SiC/Al复合材料的断裂分析 宏观脆性断裂，断裂应变小于1％ 但微观上呈现微孔聚集型断裂特征
因此不能说微孔聚集型断裂一定为韧性断裂
5
6.3 金属材料的韧性断裂
• 一、断裂及断口特征 （1）断裂特点：
即：材料断裂前总会产生一定的塑性变形，而塑性变形与位错 运动有关。
21
（4）解理裂纹扩展过程
• 解理裂纹形成后， 在晶粒A内部扩展只需要 克服表面张力，而表面张力数值较小，因此可以迅速扩展，达到晶界； • 晶粒B的晶体取向与A不同，因此解理裂纹遇到晶界后停止扩展，外加 应力进一步增大，克服晶界阻力，裂纹才能穿越晶界。 • 穿越晶界过程满足以下条件：B晶粒内仍沿着解理面（001）扩展；转 折的角度尽量小
第六章 金属的断裂 Fracture of metals
1
6.1 引言
• 材料的失效：过量弹性变形；过量塑性变形；断裂等 • 材料完全破断为两个部分以上的现象，叫断裂。（断裂使 材料失去完整性）（机件三大失效形式之一） • 断裂不仅出现在高应力和高应变条件下，也发生在低应力 和无明显塑性变形条件下 • 应力状态、温度、加载方式、环境介质等都影响断裂行为
（2）韧窝大小影响参数
基体材料的塑性变形能力和应变强化 指数
第二相质点的大小和密度。
9
10
11
• 二、微孔聚集型断裂机理和微观断口特征
1、断裂机理 （1）微孔形核 点缺陷聚集；第二相质点碎裂或脱落；位错引起的应力 集中，不均匀塑性形变。 （2）微孔长大 滑移面上的位错向微孔运动，使其长大。
（3）微孔聚合 应力集中处，裂纹向前推进一定长度。
14
3）随着椭圆增大，质点 面上的承载面积减小， 变形逐渐集中到质点 面上，在此处形成水平 椭圆，得到颈缩区域 （阴影线区域）
4）阴影线区域类似于颈缩后拉伸试样，发生切离断 裂，微孔聚合，形成宏观断裂裂纹
15
• 讨论：
“ 2）拉应力作用下，微孔
沿应力方向伸长，形成椭 圆形”过程决定了韧窝的
深浅； 抑制颈缩的能力决定韧窝深浅！