金属的断裂
金属的断裂
金属的断裂机件的三种主要失效形式：磨损、腐蚀、断裂。
其中断裂的危害最大。
断裂：又可分为完全断裂和不完全断裂。
完全断裂：在应力（或兼有热或介质）作用下，金属材料被分成两个或几个部分。
不完全断裂：只是内部存在裂纹。
研究金属断裂的宏、微观特征、断裂机理（裂纹的形成与扩展）、断裂的力学条件及影响断裂的内外因素，对于设计和材料工作者进行机件安全设计与选材十分必要。
一、断裂的类型：断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段。
按照不同的分类方法，将断裂分为以下几种：1）按宏观塑性变形程度：韧性断裂、脆性断裂。
2）按裂纹扩展途径：穿晶断裂、沿晶断裂。
3）按断裂机理分类：纯剪切断裂、微孔聚集型、解理断裂。
4）按断裂面取向分类：正断；切断光滑拉伸试样断面收缩率<5%为脆断；> 5%为韧断。
韧性与脆性随条件改变，韧性与脆性行为也将随之变化。
1）韧性断裂：材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂。
特点：1）断裂有一个缓慢撕裂过程，且消耗大量塑性变形能。
2）断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45°角。
3）断口呈纤维状，灰暗色。
4）典型宏观断口特征呈杯锥状。
如：中、低强度钢光滑圆柱试样在室温下的静载拉伸断裂。
格雷菲斯公式：（1）对长为2a 的中心穿透裂纹计算所得的断裂应力公式。
（2）对长为a 的表面半椭圆裂纹也适用，此时式中的a即为裂纹长度。
但是，格雷菲斯公式：只适用于脆性固体，如玻璃、金刚石、超高强度钢等，即那些裂纹尖端无塑性变形情况。
对工程用金属材料（钢）：裂纹尖端产生较大塑性变形，要消耗大量塑性变形功，其值远比表面能大，为此格雷菲斯公式需要进行修正。
金属断裂机理(完整版)
金属断裂机理1 金属的断裂综述断裂类型根据断裂的分类方法不同而有很多种，它们是依据一些各不相同的特征来分类的。
根据金属材料断裂前所产生的宏观塑性变形的大小可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂。
韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，脆性断裂在断裂前基本上不发生塑性变形，是一种突然发生的断裂，没有明显征兆，因而危害性很大。
通常，脆断前也产生微量塑性变形，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％为脆性断裂；大于5％为韧性断裂。
可见，金属材料的韧性与脆性是依据一定条件下的塑性变形量来规定的，随着条件的改变，材料的韧性与脆性行为也将随之变化。
多晶体金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的。
沿晶断裂一般为脆性断裂，而穿晶断裂既可为脆性断裂（低温下的穿晶断裂），也可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂）。
沿晶断裂是晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成的，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。
应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹都是沿晶断裂。
有时沿晶断裂和穿晶断裂可以混合发生。
按断裂机制又可分为解理断裂与剪切断裂两类。
解理断裂是金属材料在一定条件下（如体心立方金属、密排六方金属、合金处于低温或冲击载荷作用），当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面的穿晶断裂。
解理面一般是低指数或表面能最低的晶面。
对于面心立方金属来说（比如铝），在一般情况下不发生解理断裂，但面心立方金属在非常苛刻的环境条件下也可能产生解理破坏。
通常，解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂，两者不是同义词，它们不是一回事。
剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，它又分为滑断（又称切离或纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。
纯金属尤其是单晶体金属常发生滑断断裂；钢铁等工程材料多发生微孔聚集型断裂，如低碳钢拉伸所致的断裂即为这种断裂，是一种典型的韧性断裂。
根据断裂面取向又可将断裂分为正断型或切断型两类。
金属在加工中的断裂课件
环境因素的作用
温度变化
01
温度的急剧变化可能引起金属的热胀冷缩，导致其内部产生应
力集中，增加断裂的风险。
湿度
02
高湿度环境可能导致金属腐蚀，降低其力学性能，从而增加断
裂的风险。
介质
03
某些介质可能对金属产生化学腐蚀或电化学腐蚀，降低其力学
性能，从而增加断裂的风险。
预防断裂的措施与建议
加强金属材料的检测与控制
切削断裂类型
根据切削过程中金属的断裂方式，可以分为脆性断裂和韧性 断裂。
切削参数影响
切削速度、进给量、切削深度等切削参数对金属切削过程中 的断裂有显著影响。
切削液的作用
切削液的使用可以降低切削过程中的温度，减少因热应力引 起的断裂。
热处理过程中的断裂
热处理工艺
热处理过程中，金属的加热、保温和冷却阶段对断裂有重要影响。
组织转变
金属在热处理过程中会发生组织转变，这会影响其力学性能和断裂敏感性。
热处理缺陷
如裂纹、脱碳、过烧等缺陷，会显著增加金属在热处理过程中的断裂风险。
焊接过程中的断裂
01
02
03
焊接工艺
不同的焊接工艺对金属焊 接过程中的断裂有显著影 响。
焊接缺陷
如气孔、夹渣、未熔合等 焊接缺陷，会降低金属的 力学性能，增加断裂风险 。
案例三
某航空制造企业，飞机起落架在制造过程中出现断裂，引发安全隐 患。
案例分析的方法与步骤
收集数据 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ场调查 断裂特征分析 原因分析 制定改进措施
收集断裂部件的相关数据， 如材料、工艺、载荷等。
对断裂部件的现场进行调查 ，了解断裂发生的环境和条
件。
金属断裂机理
金属断裂机理
金属断裂是指金属材料在外力作用下发生破裂或断裂的过程。
金属的断裂机理主要包括以下几种：
1. 脆性断裂：脆性断裂是指金属材料在受到外力作用下几乎没有可见的塑性变形就突然破裂。
脆性断裂主要由金属的晶体结构和缺陷引起，如晶界的弱化、镍效应等。
常见的脆性断裂包括贝氏体断裂、冷脆断裂等。
2. 韧性断裂：韧性断裂是指金属材料在受到外力作用下先经历一定的可见塑性变形，然后发生破裂。
韧性断裂主要由金属的晶体结构、析出物和晶界等因素影响。
常见的韧性断裂模式包括韧突型断裂、韧性断裂等。
3. 疲劳断裂：疲劳断裂是指金属材料在长时间受到周期性应力作用下发生的破裂。
疲劳断裂主要由金属的晶间滑移、晶界变形和微观裂纹的扩展等因素引起。
疲劳断裂常发生在受振动或循环应力作用下的金属构件中。
4. 腐蚀断裂：腐蚀断裂是指金属材料在受到腐蚀介质作用下发生的破裂。
腐蚀断裂主要由金属与环境介质之间的电化学反应引起，如应力腐蚀断裂、氢脆断裂等。
总之，金属断裂机理是一个复杂的过程，受到多种因素的综合影响。
为了提高金属材料的断裂强度和韧性，需要通过合理的合金设计、热处理和表面处理等方法来改善金属的断裂性能。
金属的断裂条件及断口
金属的断裂条件及断口金属在外加载荷的作用下，当应力达到材料的断裂强度时，发生断裂。
断裂是裂纹发生和发展的过程。
1. 断裂的类型根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小，可分为韧性断裂和脆性断裂。
韧性断裂：断裂前产生较大的塑性变形，断口呈暗灰色的纤维状。
脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口平齐，呈光亮的结晶状。
韧性断裂与脆性断裂过程的显著区别是裂纹扩散的情况不同。
韧性断裂和脆性断裂只是相对的概念，在实际载荷下，不同的材料都有可能发生脆性断裂；同一种材料又由于温度、应力、环境等条件的不同，会出现不同的断裂。
2. 断裂的方式根据断裂面的取向可分为正断和切断。
正断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向垂直，一般为脆断，也可能韧断。
切断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向呈45°，为韧断。
3. 断裂的形式裂纹扩散的途径可分为穿晶断裂和晶间断裂。
穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部，韧断也可为脆断。
晶间断裂：裂纹穿越晶粒本身，脆断。
机器零件断裂后不仅完全丧失服役能力，而且还可能造成不应有的经济损失及伤亡事故。
断裂是机器零件最危险的失效形式。
按断裂前是否产生塑性变形和裂纹扩展路径做如下分类。
韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，用肉眼或低倍显微镜观察时，断口呈暗灰色纤维状，有大量塑性变形的痕迹。
脆性断裂则相反，断裂前从宏观来看无明显塑性变形积累，断口平齐而发亮，常呈人字纹或放射花样。
宏观脆性断裂是一种危险的突然事故。
脆性断裂前无宏观塑性变形，又往往没有其他预兆，一旦开裂后，裂纹迅速扩展，造成严重的破坏及人身事故。
因而对于使用有可能产生脆断的零件，必须从脆断的角度计算其承载能力，并且应充分估计过载的可能性。
. 金属材料产生脆性断裂的条件（1）温度任何一种断裂都具有两个强度指标，屈服强度和表征裂纹失稳扩散的临界断裂强度。
温度高，原子运动热能大，位错源释放出位错，移动吸收能量；温度低反之。
（2）缺陷材料韧性裂纹尖端应力大，韧性好发生屈服，产生塑性变形，限制裂纹进一步扩散。
材料力学 论金属的断裂
工程材料力学期中作业班级成型2班姓名陶帅学号20113650论述金属的断裂一、基本介绍概念：金属材料在外力作用下断裂成两部分的现象。
磨损、腐蚀和断裂是机件的三种主要失效形式，其中以断裂的危害最大。
在应力作用下（有时还兼有热及介的共同作用），金属材料被分成两个或几个部分，称为完全断裂；内部存在裂纹，则为不完全断裂。
实践证明，大多数金属材料的断裂过程都包括裂纹形成与扩展两个阶段。
对于不同的断裂类型，这两个阶段的机理与特征并不相同。
二、断裂的基本类型弹性变形→塑性变形→断裂1，根据材料断裂前产生的宏观塑性变形量的大小来确定断裂类型，可分为韧性断裂和脆性断裂。
2，多晶体金属断裂时，按裂纹扩展路径可以分为穿晶断裂和沿晶断裂。
3，根据应力类型可分为纯剪切断裂和微孔聚集型断裂、解理断裂。
三、具体分析1，韧性断裂韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量。
韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45º角。
用肉眼或放大镜观察时，端口呈纤维状，灰暗色。
纤维状是苏醒变形过程中微裂纹不断扩展和相连造成的，灰暗色则是纤维断口表面对光反射能力很弱所致。
中、低强度钢的光滑圆柱试样在室温下的静拉伸断裂是典型的韧性断裂，其宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。
当光滑圆柱拉伸试样受拉伸力作用，在试验力达到拉伸力-伸长曲线最高点时，便在试样局部区域产生缩颈，同时试样的应力状态也由单向变为三向，且中心轴向应力最大。
在中心三向拉应力作用下，塑性变形难于进行，致使试样中心部分的夹杂物或第二相质点本身碎裂，或使夹杂物质点与基体界面脱离而形成微孔。
微孔不断长大和聚合就形成显微裂纹。
早期形成的显微裂纹，其端部产生较大塑性变形，且集中于极窄的高变形带内。
这些剪切变形带从宏观上看大致与径向呈50º~60º角。
金属断裂的微观机理与典型形貌
金属断裂的微观机理与典型形貌金属断裂是指金属材料在受到应力作用下发生破裂现象。
金属断裂的微观机理和典型形貌是金属材料断裂过程中所呈现出的微观变化和破裂形态。
本文将从金属断裂的微观机理和典型形貌两个方面进行探讨。
一、金属断裂的微观机理在金属断裂的微观机理中，主要涉及到晶体的变形、晶界滑移和裂纹扩展等过程。
1. 晶体的变形金属材料的断裂是由于晶体内部发生了塑性变形。
当金属受到外力作用时，晶体内的原子会发生位移和重排，导致晶体的形状发生变化。
晶体的变形过程中，会产生位错，即晶格中的原子出现错位。
位错的运动和积累是金属材料塑性变形和断裂的基础。
2. 晶界滑移金属材料由多个晶粒组成，晶粒之间存在晶界。
晶界是晶粒内部晶格的不连续区域。
当金属受到应力作用时，晶界处的原子会沿着晶界面滑移，从而使晶粒发生形变。
晶界滑移是金属材料塑性变形和断裂的重要机制之一。
3. 裂纹扩展裂纹是金属材料中的缺陷，是断裂的起始点。
当金属受到应力作用时，应力集中在裂纹处，导致裂纹的扩展。
裂纹扩展的机理主要包括塑性扩展和脆性扩展两种形式。
塑性扩展是指裂纹周围发生塑性变形，裂纹沿着塑性区域扩展；脆性扩展是指裂纹周围没有发生塑性变形，裂纹直接沿着晶体的晶面或晶界扩展。
二、金属断裂的典型形貌金属断裂的典型形貌是指金属材料断裂后所呈现出的形态特征。
根据金属断裂的不同性质和机理，金属材料的断裂形貌可以分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂等。
1. 韧性断裂韧性断裂是指金属材料在受到较大应力时，发生大量的塑性变形和能量吸收，最终以拉伸断裂为主。
韧性断裂的断口面平滑，有明显的塑性变形迹象，断口两侧呈现出韧带状的纹理。
韧性断裂通常发生在具有良好延展性的金属材料中，如钢材、铝合金等。
2. 脆性断裂脆性断裂是指金属材料在受到较小应力时，发生较少的塑性变形和能量吸收，最终以断裂为主。
脆性断裂的断口面光洁平整，没有明显的塑性变形迹象，断口两侧呈现出晶粒状的纹理。
脆性断裂通常发生在具有较低延展性的金属材料中，如铸铁、高碳钢等。
金属材料的断裂行为分析
金属材料的断裂行为分析金属材料在实际应用中经常面临着受力情况，而断裂行为是其中一个重要的因素。
本文将对金属材料的断裂行为进行分析，探讨其原因和影响因素。
一、断裂行为的定义金属材料的断裂行为指的是在外部作用力的作用下，材料发生断裂的过程。
断裂是材料失去载荷传递能力的结果，其破坏表现为断口形成。
二、断裂行为的原因1. 内部缺陷：金属材料内部可能存在各种缺陷，如气孔、夹杂物、晶界、位错等。
这些缺陷会集中应力，导致断裂的发生。
2. 外部影响：金属材料在使用过程中，承受着多种外部作用力，如拉伸、压缩、弯曲、挤压等。
这些作用力会引起金属的应力集中，进而导致断裂。
三、断裂行为的影响因素1. 材料的强度：金属材料的强度越高，其抵抗断裂的能力也就越强。
因此，金属的强度是断裂行为的一个重要影响因素。
2. 温度：温度对金属材料的断裂行为有着显著的影响。
在高温下，金属易于软化和熔化，从而导致断裂；而在低温下，金属脆性增加，也容易发生断裂。
3. 加载速率：加载速率是指外部作用力施加的速度。
在较高的加载速率下，金属材料容易发生动态断裂；而在较低的加载速率下，金属更容易发生静态断裂。
四、断裂行为的分析方法1. 断裂力学：通过断裂力学的理论和方法，可以定量分析金属材料的断裂行为。
其中，最常用的方法包括线弹性断裂力学、弹塑性断裂力学和韧性断裂力学。
2. 断口分析：通过观察金属材料的断口形貌，可以初步判断断裂的类型和原因。
常见的断口形貌有韧性断口、脆性断口等。
3. 数值模拟：利用有限元方法等数值模拟手段，可以模拟金属材料在受力下的断裂行为。
通过数值模拟可以更加准确地分析和预测金属材料的断裂行为。
五、断裂行为的应用对金属材料的断裂行为进行分析可以为材料的选用、设计和使用提供重要的依据。
通过了解材料的断裂性能，可以避免在实际应用中出现断裂导致的事故和损失。
六、结论金属材料的断裂行为是一个复杂而重要的问题。
内部缺陷和外部作用力是断裂行为的主要原因，而材料的强度、温度和加载速率是断裂行为的关键影响因素。
金属断裂机理完整版
金属断裂机理1 金属的断裂综述断裂类型根据断裂的分类方法不同而有很多种，它们是依据一些各不相同的特征来分类的。
根据金属材料断裂前所产生的宏观塑性变形的大小可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂。
韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，脆性断裂在断裂前基本上不发生塑性变形，是一种突然发生的断裂，没有明显征兆，因而危害性很大。
通常，脆断前也产生微量塑性变形，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％为脆性断裂；大于5％为韧性断裂。
可见，金属材料的韧性与脆性是依据一定条件下的塑性变形量来规定的，随着条件的改变，材料的韧性与脆性行为也将随之变化。
多晶体金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的。
沿晶断裂一般为脆性断裂，而穿晶断裂既可为脆性断裂（低温下的穿晶断裂），也可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂）。
沿晶断裂是晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成的，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。
应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹都是沿晶断裂。
有时沿晶断裂和穿晶断裂可以混合发生。
按断裂机制又可分为解理断裂与剪切断裂两类。
解理断裂是金属材料在一定条件下（如体心立方金属、密排六方金属、合金处于低温或冲击载荷作用），当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面的穿晶断裂。
解理面一般是低指数或表面能最低的晶面。
对于面心立方金属来说（比如铝），在一般情况下不发生解理断裂，但面心立方金属在非常苛刻的环境条件下也可能产生解理破坏。
通常，解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂，两者不是同义词，它们不是一回事。
剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，它又分为滑断（又称切离或纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。
纯金属尤其是单晶体金属常发生滑断断裂；钢铁等工程材料多发生微孔聚集型断裂，如低碳钢拉伸所致的断裂即为这种断裂，是一种典型的韧性断裂。
根据断裂面取向又可将断裂分为正断型或切断型两类。
第四章金属的断裂韧性
第四章金属的断裂韧性绪言-、按照许用应力设计的机件不一定安全按照强度储备方法确定机件的工作应力，即丁卜I-厂咚。
按照上述设计的零件应该n不会产生塑性变形更不会发生断裂。
但是，高强度钢制成的机件以及中、低强度钢制成的大型机件有时会在远低于屈服强度的状态下发生脆性断裂一一低应力脆性断裂。
二、传统塑性指标数值的大小只能凭经验。
像3（A）、书（Z）、A k、T k值，只能定性地应用，无法进行计算，只能凭经验确定。
往往出现取值过高，而造成强度水平下降，造成浪费。
中、低强度钢材料中小截面机件即属于此类情况。
而高强度钢材料机件及中、低强度钢的大型件和大型结构，这种办法并不能确保安全。
三、如何定量地把韧性应用于设计，确保机件运转的可靠性，从而出现了断裂力学。
断裂韧性一一能反映材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标。
大量事例和试验分析证明，低应力脆性断裂总是由材料中宏观裂纹的扩展引起的。
这种裂纹可能是冶金缺陷、加工过程中产生或使用中产生。
断裂力学运用连续介质力学的弹性理论，考虑了材料的不连续性，来研究材料和机件中裂纹扩展的规律，确定能反映材料抵抗裂纹扩展的性能指标及其测试方法，以控制和防止机件的断裂，定量地与传统设计理论并入计算。
本章主要介绍断裂韧性的基本概念、测试方法及影响因素，解决断裂韧性与外加应力和裂纹之间的定量关系。
第一节线弹性条件下的金属断裂韧性大量断口分析表明，金属机件或构件的低应力脆性断口没有宏观塑性变形痕迹。
由此可以认为，裂纹在断裂扩展时，其尖端总是处于弹性状态，应力和应变呈线性关系。
因此，在研究低应力脆断的裂纹扩展问题时，可以应用弹性力学理论，从而构成了线弹性断裂力学。
线弹性断裂力学分析裂纹体断裂问题有两种方法：一种是应力应变分析法（应力场分析法），考虑裂纹尖端附近的应力场强度，得到相应的断裂K判据；另一种是能量分析法，考虑裂纹扩展时系统能量的变化，建立能量转化平衡方程，得到相应的断裂G判据。
从这两种分析方法中得到断裂韧度Ki c和Gc，其中K i c是常用的断裂韧性指标，是本章的重点。
《金属的断裂》课件
问题的提出：构件失效、灾难性的后果
货船 cargo ship
bridge 桥梁
塑性成形plastic deformation 加工材料出现表面/内部裂纹→整体 破断 surface/ internal cracks in working materials →integral failure.
裂纹两端引起的应力集中，相当将外
力放大了 倍，使局部达到了理论断裂强度.
修正modification :伴随一定的塑性变形,裂纹的形核 和传播与局部塑性变密切相关.
Orowan 考虑塑性变形能
P- 断口表面附近的塑性应变能plastic strain
energy
Q: ① P>>γ ② P
+-
裂纹形核
运动的位错遇到了某种障碍, 就产生了应力集中,应力大到可以破坏原子间的键合力时，裂纹开 始形核，裂纹长大导致断裂。
Nucleation mechanisms 形核机制
1).位错塞积 dislocation pile-up 晶界:相界τ’ = nτ
位错塞积引起裂口胚芽示意图
2)位错反应 dislocation reaction
When metallic material deformation forereach its plastic limit , it will divide completely. Then the interatomic force is damaged.
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● 断裂力学 fracture mechanics - macroscopic • Stress field 应力场 • Strain field 应变场 • Fracture criterion 断裂判据
金属脆断裂的三个阶段
金属脆断裂的三个阶段
第一阶段：应力集中
当金属受到外力作用时，应力会在金属内部逐渐积累和集中。
这种积累和集中的过程并不是均匀进行的，而是在金属内部某些微小区域发生。
这些区域往往是金属中的缺陷或弱点，比如晶界、夹杂物、裂纹等。
应力集中会导致这些区域的应力远远超过周围区域，从而形成应力集中区域。
第二阶段：裂纹扩展
在应力集中区域形成后，金属内部的应力会导致这些区域发生微小的裂纹。
这些裂纹会在应力的作用下逐渐扩展，并沿着金属的晶界或其他弱点传播。
裂纹的扩展会导致金属内部的应力进一步集中，从而形成一个恶性循环。
随着裂纹的扩展，金属的强度会逐渐下降，直到达到临界点。
第三阶段：断裂
当金属的裂纹扩展到一定程度时，金属的强度会降低到一个无法承受外力的程度，从而发生断裂。
这个过程往往是突然发生的，金属会以裂纹为起点，迅速断裂成两个或多个部分。
断裂的过程伴随着巨大的能量释放，往往会发出巨大的声响和光亮。
断裂后的金属表面常常呈现出毛糙、不平整的形态。
金属脆断裂的三个阶段中，应力集中是导致断裂的起始阶段，裂纹
扩展是导致断裂的主要过程，而断裂则是结果。
了解金属脆断裂的三个阶段对于工程和材料科学领域的研究和应用具有重要意义。
只有深入了解金属脆断裂的机理和特点，才能更好地设计和制造出更安全可靠的金属材料。
金属材料的断裂和断裂韧性课件
4.4.3 裂纹扩展的能量释放率GI和断裂韧性GIc
➢分析原理：能量法
应变能释放率
扩展 临界
裂纹扩展需要吸 收的能量率
稳定
dU GI dA
裂纹临界条件：G准则
G Ic
dS dA
40
金属材料的断裂和断裂韧性课件
K与G的关系
G
Gc Ic
1K E
1 2
E
2 c
K
2 Ic
41
金属材料的断裂和断裂韧性课件
断裂力学和断裂韧性
➢ 为防止裂纹体的低应力脆断，不得不对其强度——断裂抗
力进行研究，从而形成了断裂力学这样一个新学科。
➢ 断裂力学的研究内容包括裂纹尖端的应力和应变分析；建
立新的断裂判据；断裂力学参量的计算与实验测定，其中 包括材料的力学性能新指标——断裂韧性及其测定，断裂 机制和提高材料断裂韧性的途径等。
随第二相体积分数的增加，钢的韧性都下降，硫化物比碳化物 的影响要明显得多。
➢ 2 基体的形变强化
基体的形变强化指数越大，则塑性变形后的强化越强烈，其结
* Kepn
果是各处均匀的变形。微孔长大后的聚合，将按正常模式进行， 韧性好；相反地，如果基体的形变强化指数小，则变形容易局
部化，较易出现快速剪切裂开。这种聚合模式韧性低。
断裂前无明显的塑性变形，吸收的能量很少，而裂纹的 扩展速度往往很快，几近音速，故脆性断裂前无明显的 征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的 后果 。
➢ 在工程应用中，一般把Ψk <5％定为脆性断裂， Ψk =5％定
为准脆性断裂， Ψ k >5％定为韧性断裂。
➢ 材料处于脆性状态还是韧状态并不是固定不变的，往往因
工程材料力学性能 第四章 金属的断裂
金属的断裂知识
断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一。 • 失效形断式：磨损、腐蚀和断裂 。断裂的危害最大 。 断裂是工程构件最危险的一种失效方式，尤其是脆性 断裂，它是突然发生的破坏，断裂前没有明显的征兆， 这就常常引起灾难性的破坏事故 • 断裂是材料的一种十分复杂的行为，在不同的力学、 物理和化学环境下，会有不同的断裂形式。 研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构件在服役 过程中的安全。
二、金属断裂强度
理论断裂强度就是把金属原子分离开所需的最大应 力 金属的理论断裂强度可由原子间结合力的图形算出， 如图。图中纵坐标表示原子间结合力，纵轴上方为 吸引力下方为斥力，当两原子间距为a即点阵常数 时，原子处于平衡位置，原子间的作用力为零。如 金属受拉伸离开平衡位置，位移越大需克服的引力 越大，引力和位移的关系如以正弦函数关系表示，
金属中含有裂纹来自两方面：一是在制造 工艺过程中产生，如锻压和焊接等；一是 在受力时由于塑性变形不均匀，当变形受 到阻碍(如晶界、第二相等)产生了很大的 应力集中，当应力集中达到理论断裂强度， 而材料又不能通过塑性变形使应力松弛， 这样便开始萌生裂纹。
ຫໍສະໝຸດ （二）裂纹形成的位错理论
裂纹形成可能与位错运动有关。 1．甄纳—斯特罗位错塞积理论 甄纳(G．zener)1948年提出. 如果塞积头处的应力集中不能为塑性变形所松弛，则塞积头处 的最大拉应力能够等于理论断裂强度而形成裂纹。
解理断裂过程包括如下三个阶段： 塑性变形形成裂纹；裂纹在同一晶粒内初期长大； 裂纹越过晶界向相邻晶粒扩展。
甄纳—斯特罗理论存在的问题： 在那样大的位错塞积下，将同时产生很大切应力 的集中，完全可以使相邻晶粒内的位错源开动，产 生塑性变形而将应力松弛，使裂纹难以形成。
材料力学 论金属的断裂
工程材料力学期中作业班级成型2班姓名陶帅学号20113650论述金属的断裂一、基本介绍概念：金属材料在外力作用下断裂成两部分的现象。
磨损、腐蚀和断裂是机件的三种主要失效形式，其中以断裂的危害最大。
在应力作用下（有时还兼有热及介的共同作用），金属材料被分成两个或几个部分，称为完全断裂；内部存在裂纹，则为不完全断裂。
实践证明，大多数金属材料的断裂过程都包括裂纹形成与扩展两个阶段。
对于不同的断裂类型，这两个阶段的机理与特征并不相同。
二、断裂的基本类型弹性变形→塑性变形→断裂1，根据材料断裂前产生的宏观塑性变形量的大小来确定断裂类型，可分为韧性断裂和脆性断裂。
2，多晶体金属断裂时，按裂纹扩展路径可以分为穿晶断裂和沿晶断裂。
3，根据应力类型可分为纯剪切断裂和微孔聚集型断裂、解理断裂。
三、具体分析1，韧性断裂韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量。
韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45º角。
用肉眼或放大镜观察时，端口呈纤维状，灰暗色。
纤维状是苏醒变形过程中微裂纹不断扩展和相连造成的，灰暗色则是纤维断口表面对光反射能力很弱所致。
中、低强度钢的光滑圆柱试样在室温下的静拉伸断裂是典型的韧性断裂，其宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。
当光滑圆柱拉伸试样受拉伸力作用，在试验力达到拉伸力-伸长曲线最高点时，便在试样局部区域产生缩颈，同时试样的应力状态也由单向变为三向，且中心轴向应力最大。
在中心三向拉应力作用下，塑性变形难于进行，致使试样中心部分的夹杂物或第二相质点本身碎裂，或使夹杂物质点与基体界面脱离而形成微孔。
微孔不断长大和聚合就形成显微裂纹。
早期形成的显微裂纹，其端部产生较大塑性变形，且集中于极窄的高变形带内。
这些剪切变形带从宏观上看大致与径向呈50º~60º角。
金属的各种断裂形式
金属的各种断裂形式有：
1.韧性断裂：韧性断裂又称为延性断裂或塑性断裂，其特征是断
裂前发生明显的宏观塑性变形，断裂过程中吸收了较多的能量，一般是在高于材料屈服强度条件下的高能断裂。
2.脆性断裂：工程构件在很少或不出现宏观塑性变形情况下发生
的断裂称作脆性断裂。
由于脆性断裂大都没有事先预兆，具有
突发性，对工程构件与设备以及人身安全常常造成极其严重的
后果。
完全脆性断裂和完全韧性断裂是极少见的。
通常，脆性
断裂前也产生微量塑性变形。
3.疲劳断裂：金属材料在交变应力作用下，经过一定的循环次数
后发生的断裂叫做疲劳断裂。
疲劳断裂是交变应力和时间共同
作用的结果。
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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
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• 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！
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• 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）
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• 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）；
能见到显著的塑性变形痕迹，
塑性变形量可达10％～15％。
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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。
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
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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。
“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。
（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。
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• 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。
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• 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
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三 沿晶断裂
• 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。
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（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
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
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。
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
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6.3 金属材料的韧性断裂
• 一、断裂及断口特征 （1）断裂特点：
• 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
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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
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（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。
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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。
锥
•
（3）危害：
不及脆性断裂 断裂前机件已变形失效
杯
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• （4）韧性断裂过程
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（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；
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。
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（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
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• 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（001）面扩展
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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”。
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三、影响韧性断裂的因素
• 1 第二相 • 2 基体
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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
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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
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