4 金属材料的断裂和断裂韧性

（1 1 2）等晶面。
➢ 准解理断裂的解理小平面间有明显的撕裂棱。其微观形貌
中，出现大量短而弯曲的撕裂棱，河流花样已不十分明显。
➢ 撕裂棱是由一些单独形核的裂纹相互连接而形成的。
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准解理断口
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撕裂棱的形成过程示意图
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准解理断裂和解理断裂的主要不同点
➢ 准解理裂纹常起源于晶内硬质点，向四周放射状地扩展，
三部曲。微孔聚合有三种不同的模式 。
➢ 韧窝的形状因应力状态而异。如在正应力作用下，韧窝是
等轴形的；在扭载荷作用下，韧窝被拉长为椭圆形。
➢ 微观上的延性断裂（其特征为微孔聚合、韧窝形貌），往
往与宏观上的韧性断裂（断裂前有较大的宏观塑性变形） 相联系，但并无严格的对应关系。
17Biblioteka 延性断裂断口形貌——韧窝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
* K epn
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。
KIc的试验获得
平面应变断裂韧性
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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
GI
dU dA
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裂纹临界条件：G准则
GIc
dS dA
K与G的关系
Gc
GIc
1 E
K
2 c
1 2
K
E
2 Ic
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K准则的工程应用
K准则:
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微孔聚合的三种形式 剪切裂纹一般沿滑移线发生.
高强材度料钢内常部发本生身这存种在模着式大的片微的孔夹聚杂合，，微 微孔成核源：第二相粒子其。韧孔性通较过“脆正弱常的的夹”杂微连孔成聚裂合纹模。式要 在应力作用下，基体和第差二。相这粒是子不的合界格面材脱料开出，现的一种缺陷 或第二相粒子本身开裂，于是出现微孔。
为引发裂纹，可先用线切割加工宽度≤0.13mm的切口， 然后用高频疲劳试验机预制长度>1.3mm的疲劳裂纹。
疲劳预制中的Kmax应小于0.6KIc，特别是在最终达到要求 裂纹长度时，应尽量减小负荷，以保证裂纹有足够的尖锐 度。
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两种典型的断裂韧性试样
（a）三点弯曲
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（b）紧凑拉伸
4.4.4 平面应变断裂韧性的测定
展而留下的舌状凸台或凹坑。
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一些金属的解理面
6
解理断口的河流花样（箭头所指为扩展方向）
7
裂纹扩展和河流方向
8
裂纹穿过大角度晶界的解理河流花样
9
解理断口的舌状花样
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4.1.2 准解理断裂
➢ 准解理断裂多在马氏体回火钢中出现，回火产物中细小的
碳化物质点影响裂纹的产生和扩展。
➢ 准解理断裂时，其解理面除（0 01）面外，还有（1 1 0）、
（2）成分的影响
微量的氧、氮以及间隙原子溶于体心立方晶格中会阻碍滑移， 促进其脆性。
钢中含碳量增加，塑性抗力增加 。 合金元素的影响比较复杂 。
（3）晶粒大小的影响
晶粒细化既提高了材料的强度，又提高了它的塑性和韧性，还 降低了韧脆转变温度 。
（4）第二相粒子的影响
细小的第二相粒子有利于降低韧脆转变温度。
➢切应力促进塑性变形，对韧性有利；拉应
力促进断裂，不利于韧性。
➢ 柔度系数（软性系数）
max max
α值愈大，应力状态愈“柔”，愈易变形而较 不易开裂，即愈易处于韧性状态。α值愈小， 则相反，愈易倾向脆性断裂
24
某一材料的力学状态图
切断 屈服
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切断 弹塑性变形区
弹性变形区
正断
正断
4.3.2 温度和加载速率的影响
临界应力
KI Y a KIc
c
K Ic
Y a
临界裂纹长度
ac
K
2 Ic
Y 2
2
43
K准则的工程应用
➢ 应用场合：
已知应力，求临界裂纹长度； 已知裂纹长度，求临界应力（剩余强度）。
➢ 应用步骤：
通过无损检测，确定裂纹a的长度及位置； 对缺陷进行分析，计算或查表得到应力强度因子K的表达式； 通过试验或查表，确定材料的平面应变断裂韧性KIc值； 根据K准则，进行断裂力学分析，确定临界裂纹长度ac或临界
26
碳含量对钢冲击转变温度的影响
27
脆性韧性转变示意图
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4.3.3 材料微观结构的影响
（1）晶格类型的影响
面心立方晶格的金属，一般不出现解理断裂，也没有韧—脆转 变温度，其韧性可以维持到低温。
体心立方晶格的金属，韧脆转变受温度及加载速率的影响很大， 因为在低温和高加载速率下，它们易发生孪晶，也容易激发解 理断裂。
而解理裂纹则自晶界一侧向另一侧延伸；
➢ 准解理断口有许多撕裂棱； ➢ 准解理断口上局部区域出现韧窝，是解理与微孔聚合的混
合型断裂。但准解理断裂的主要机制仍是解理。其宏观表 现是脆性的。所以，常将准解理断裂归入脆性断裂。
14
4.1.3 沿晶断裂
➢ 沿晶断裂是裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂 。 ➢ 沿晶断裂发生的主要原因
➢ 脆性断裂的宏观特征
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
区分依据： 断裂前是否发生明显的宏观塑性变形； 断裂前是否明显地吸收了能量
2
4 金属材料的断裂和断裂韧性
➢4.1 脆性断裂 ➢4.2 延性断裂 ➢4.3 脆性—韧性转变 ➢4.4 线弹性条件下的断裂韧性 ➢4.5 影响断裂韧性的因素 ➢4.6 金属的韧化 ➢4.7 弹塑性条件下断裂韧性的概述
3
4.1 脆性断裂
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合金元素对钢冲击韧性转变温度的影响
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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。
➢ 温度对韧脆转变影响显著，这是由于温度对正断
强度影响不大，而对屈服强度影响甚大 。
➢ 随着温度升高，断裂应力变化不大，而屈服强度
变化很大，σc和σs交点就是韧—脆转变温度，低 于此温度是无屈服的断裂，即脆断；高于此温度 是韧断。
➢ 提高加载速率起着与温度相反的作用。加载速率
提高，容易激发解理断裂，即使是微孔聚合的延 性断裂机理，微孔聚合的模式也只能是快速剪切 裂开，因而增加了脆性倾向。
叶轮中的I型裂纹
34
联接螺栓中的II型裂纹
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4.4.2 应力强度因子KI和断裂韧性KIc
裂纹尖端应力应变场分析得裂纹尖端应力场的
一般表达式：
(I) ij
KI 2r
f (I) ij
K I Y a
中心贯穿裂 纹无限大板
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4.4.2 应力强度因子KI和断裂韧性KIc
K I a K II a
2. 测试设备和方法
测试的装置如图所示。测试时，通过载荷传感器和位移 传感器以及动态电阻应变仪和函数记录仪，连续记录负 荷F和裂纹嘴张开位移v，从而得到F—v曲线。由此曲 线如果能定出临界载荷Fc以及由断口上测定的裂纹长度 a，代入确定的KIc计算公式，就可以求得材料的断裂韧 性KIc值。
50
KIc测试装置系统
15
沿晶断裂断口形貌
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4.2.1 延性断裂特征及过程
➢ 延性断裂的微观特征是韧窝形貌。在电子显微镜下，可以
看到断口由许多凹进或凸出的微坑组成。在微坑中可以发 现有第二相粒子。
➢ 一般情况下，断口具有韧窝形貌的构件，其宏观断裂是韧
性的，断口的宏观形貌大多呈纤维状。
➢ 延性断裂的过程是：“微孔形核—微孔长大——微孔聚合”
解理台阶的侧面汇合而形成的。 “河流”的流向与裂纹扩展方向一 致。
➢ 在通过扭曲晶界或大角度晶界时，由于相邻晶粒内解理面的位向差
很大，裂纹在晶界受阻，裂纹尖端的高应变能激发了在晶界另一侧 面的解理裂纹成核，即出现了新的河流花样，而且往往数量大增。
➢ 解理断裂的另一个微观特征是舌状花样，它是解理裂纹沿孪晶界扩
材质、应力状态和环境等因素而相互转化。
➢ 常见的脆性断裂有解理断裂和晶间断裂。
4
4.1.1 解理断裂
➢ 解理断裂是材料在拉应力的作用下，由于原子间结合键遭到破坏，
严格地沿一定的结晶学平面（即所谓“解理面”）劈开而造成的。
➢ 解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数的晶面。 ➢ 解理断口的宏观形貌是较为平坦的、发亮的结晶状断面。 ➢ 在电子显微镜下，解理断口的特征是河流状花样。河流状花样是由
K III a
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应力强度因子的临界值
K Ic
是材料本身的固有属性
KIc Y c a
KIc Y ac
断裂韧性随板厚的变化
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一些工程材料在常温下的KIc值
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4.4.2 应力强度因子KI和断裂韧性KIc
➢ 脆性断裂的K准则: