第06章 金属的断裂过程

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nbσ = 2γ (1) 2 L(τ − τ i ) 2 Lτ ≈ ( 2) 其中，n = Gb Gb L为位错塞积群长度 如果形成的位错塞积群中心在晶粒中点， L＝d / 2，（2）式变成： dτ 1 / 2 * d * σ n= = (3) Gb Gb 把（3）带入（1 ）得到： 1 / 2 * d *σ bσ = 2γ Gb 4Gγ σc = d σ c 就是金属中产生解理裂纹需要的临界应力
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• 对 σ c = 4Gγ 讨论：
d
1）密排面的表面能最小，最容易产生解理裂纹； bcc金属产生解理裂纹还需要满足位错反应的几何条 件，仅能在（001)次密排面产生 2）d大，晶粒粗大，容易产生解理裂纹。因此细小 晶粒能够强化金属，还能够韧化金属 3）解理裂纹的形成离不开位错滑移。
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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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（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。 （3）准解理 由于晶体内存在弥散硬 质点，解理裂纹起源于晶 内硬质处点，形成从晶内 某点发源的放射状河流花 样。 准解理不是独立的断裂 机制。是解理断裂的变种。
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• 解理断裂强度 A）一个完整的解理断裂过程包含以下步骤： 位错运动形成位错塞积（σs）——解理裂纹 形成（ σc ）——解理裂纹穿越晶界 B）解理断裂过程能否进行取决于上述三个阻 力中的最大阻力
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• 新形成的a[001] 位错的可动性？ ——a[001]位错布氏矢量从下向上，而在此方向上 只有正应力，没有切应力，因此a[001]位错是不 可动位错； ——后续位错反应不断进行，在交叉点处形成位错
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• 解理裂纹形成的能量关系 解理裂纹一旦形成，位错塞积群b1和b2将会 消失，同时产生两个新的表面，位错塞积群 b1＋位错塞积群b2——两个新表面，反应 是： nb1+ nb2——nb（ 形成的nb,能量是σnb） • 这部分弹性能转变成两个新表面的能量 2γ ： σ nb＝ 2γ
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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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• 穿越晶界后，上述不同高度的（001）面上 有许多裂纹，当这些面上的裂纹相遇时， 中间夹着一层金属 • 这层金属受到很大的 应力作用，可以通过二次解理 或者切离方式断裂，从而 造成裂纹汇合，从支流变 成干流，形成河流花样
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• 考虑温度对σs和σc 的影响 4：塑性变形，无解理 5 ：塑性变形，无解理 6 ：塑性变形，无解理 1 ：塑性变形，无解理 2 ：塑性变形，无解理 3 ：解理 x1
σ
3
2 1
A 6 5 4 Tc
σc σs
T
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幻灯片 37 x1
xuexi, 2011-1-25
解理
• 材料的低温脆性 核心在于温度影响σs和σc 举例：低碳钢的低温脆性
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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； “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，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 14 特征。如金属基复合材料。
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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）；
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复习题 1）决定金属屈服强度的因素有哪些? 2) 说明一种提高金属屈服强度而不降低其塑 性的方法。 3）写出Hall－Petch公式并说明金属细晶强 化的本质。 4）说明第二相强化的基本原理。 5）说明Al－4.5Cu固溶态、欠时效态、峰时 效态和过时效态的强化方式，并说明屈服 强度和加工硬化行为差别的原因。
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解理断口
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6.4 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。
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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
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6.5 沿晶断裂 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）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能见到显著的塑性变形痕 迹，塑性变形量可达10％～15％。
பைடு நூலகம்45
本章要点 • 了解金属的延性断裂、解理断裂、准解理 断裂、沿晶断裂的断口特征、断裂过程和 断裂机理，断口分析方法 • 金属各种断裂的裂纹萌生和扩展过程
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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
• 拉伸宏观杯锥状断口的形成 颈缩后，颈缩区域应力集中，变成三向应力状 态，且应力在中心处最大——微孔在中心处萌 生——微孔在拉应力作用下从中心向边缘长大— —达到边缘时，应力变成平面应力状态，裂纹沿 45度方向长大，形成杯锥状断口
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•微观断口特征
韧窝（等轴韧窝，椭圆形）形貌取决于应力状态 （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；
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（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 裂纹的需要的能量较低）。 • 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。 • 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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6.2 金属的延性断裂 • 纯剪切断裂（切离）
一般发生在纯金属或较软金属中，如Pb－Sn金属中
单晶体：单系滑移，沿滑移面分离 多晶体：多个滑移系同时开动
微孔聚集型断裂过程中也会 发生切离过程
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• 微孔聚集型断裂及断口特征 （1）断裂特点： 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； 锥 边缘断裂面平行于最大 切应力，与主应力成45度 发生在低碳钢、调质或退火 中碳钢、时效铝合金等
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（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。 注意：微观上出现韧窝，宏观上不一定是韧 性断裂。
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6.3 解理断裂
（1）断裂特点 • 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 • 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。
杯
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（2）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 a b c d 锥 线粗 剪切唇：切断。
（3）危害： 不及脆性断裂 断裂前机件已变形失效
杯
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• 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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• 断裂的基本类型
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；纯剪切断裂
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