材料力学性能期中作业

论金属的断裂
成型1班
20113630
王浪断裂是构件在应力作用下分离成两个或两个以上不相连部分的现象。

断裂在金属构件中经常出现，危害也最大。

金属材料的断裂过程一般包括三个阶段：裂纹萌生、扩展和最后断裂。

断裂形成的断裂面称为断口，通过断口可以分析判断断裂机理，从而找出断裂原因。

一、断裂的分类
1.按断裂前变形程度，断裂可分为韧性断裂和脆性断裂。

韧性断裂在断裂前发生明显的塑
性变形。

脆性断裂在断裂前几乎不发生明显的塑性变形，它因为在断裂前毫无征兆，往往会引起灾难性的突发事件。

完全的韧性或脆性断裂较少出现，更多的是韧性脆性混合型断裂。

2.按断裂过程中裂纹扩展路径，断裂可分为沿晶断裂、穿晶断裂和混晶断裂。

沿晶断裂是
指裂纹沿晶界扩展，沿晶断裂多为脆性断裂，也有韧性断裂。

穿晶断裂是指裂纹穿过晶粒内部，它可能是韧性断裂，也可能是脆性断裂。

混晶断裂是指裂纹的扩展既有穿晶型，也有沿晶型。

3.按微观断裂机制，断裂可分为解理断裂、韧窝断裂、疲劳断裂、蠕变断裂等。

4.按应力类型及断面与应力的相对位置，断裂可分为正断、切断和混合型断裂。

正断断裂
由正应力引起，端口表面与最大正应力垂直，正断可能是脆性的，也可能是韧性的。

切断实在切应力作用下引起的，断面与最大正应力方向成45°角，切断多为韧性。

混合型断裂是正断与切断相混合的断裂，较为多见。

二、韧性断裂
断裂韧性是材料本身固有的机械性能，它是在一定外界条件下材料阻止裂纹扩展的韧性指标，其大小将决定构件的承载能力和脆断倾向。

一般希望其值越大越好。

如能提高断裂韧性，就能提高材料的抗裂能力。

因此了解断裂韧性与哪些因素有关就显得非常重要。

影响材料断裂韧性的高地，大体可分为内部因素和外部因素两种。

同其他机械性能指标类似，断裂韧性也是组织结构敏感性指标，其内部的影响因素主要为材料的组织结构、化学成分、晶粒尺寸以及第二相粒子等。

影响断裂韧性的外部因素主要有试样的几何尺寸、加载速率以及温度等，比如使用三点弯曲试样或紧凑拉伸试样进行断裂韧性实验时，其试样的几何因素以及加载速率等外部因素会对实验结果产生影响。

1、内部因素
（1）组织结构的影响
①马氏体
淬火马氏体在回火后获得回火马氏体，在不出现回火脆性的情况下，随着回火温度的提高，强度逐渐下降，塑性和韧性逐渐升高。

如把马氏体高温回火到强度和珠光体组织一样，它的断裂韧性值要比等强度级别的珠光体高得多。

因此通过淬火、回火获得马氏体组织的综合力学性能最好，即材料的屈服强度和断裂韧性值都高。

②贝氏体
贝氏体一般可分为无碳贝氏体、上贝氏体和下贝氏体。

无碳贝氏体也叫做针状铁素体，常因热加工工艺不当而形成魏氏体组织（是一种非常脆的组织，该组织的冲击韧性
非常低），使断裂韧性下降。

调整成分和工艺，使针状铁素体细化就可使其韧性提高。

上贝氏体在铁素体片层之间有碳化物析出，裂纹扩展阻力较小，其断裂韧性较低。

下贝氏体的碳化物实在铁素体内部析出的，裂纹扩展阻力较大，其断裂韧性值比上贝氏体高，甚至高于孪晶马氏体而可与板条马氏体相比。

③奥氏体
奥氏体的韧性比马氏体高，所以在马氏体基体上有少量残余奥氏体，就相当于存在韧性相，使材料断裂韧性升高。

如某种沉淀硬化不锈钢通过不同的淬火工艺，可获得不同含量的残余奥氏体，当其含量为15%时，断裂韧性可提高2-3倍。

主要是因为残余奥氏体分布于马氏体中，可以松弛裂纹尖端的应力峰。

当运动裂纹与残余奥氏体相遇时，残余奥氏体将发生塑性变形而消耗一部分能量，阻碍了裂纹的继续传播。

（2）化学成分的影响
①碳含量的影响
碳是钢中主要的强化元素，也是控制断裂韧性最重要的参量，对于大多数低碳钢，断裂韧性与屈服强度的一次方成反比：即随着碳含量的增加，钢的屈服强度提高，但其断裂韧性在下降，由此可见，碳含量的高低决定着断裂韧性与强度这一对矛盾的发展方向。

②合金元素的影响
在钢中，合金元素主要通过对钢组织结构的影响来影响断裂韧性。

板条马氏体的形成有利于断裂韧性的提高。

在相同的屈服强度下，错位马氏体的断裂韧性比孪晶马氏体高得多。

③杂质元素的影响
钢中常见元素有硫、磷、氮等。

这些杂质元素对钢的断裂韧性有着不同程度的影响。

硫是钢中难以避免的杂质元素，且对钢的断裂韧性有害。

硫元素会增加夹杂物颗粒，并减少夹杂物粒子间距，从而导致材料的断裂韧性降低。

磷也是钢中难以避免的杂质元素，且对钢的断裂韧性有害。

磷会导致回火脆性并影响交叉滑移，因而会降低材料的断裂韧性值。

氮与位错的结合力较强，通过形成气团而阻止位错运动，使钢的断裂韧性下降。

当氮呈固溶态时，危害性更大，例如当低碳钢零件进行焊接或变形以后，氮和碳引起淬火时效和应变时效，导致韧性大幅度降低。

（3）晶粒尺寸的影响
集体的晶粒尺寸也是影响断裂韧性的一个重要因素。

一般来书，晶粒越细，晶界总面积越大，使裂纹能越过有复杂位错结构的晶界而失稳扩展时所需要的消耗的能量越大，断裂韧性就越高。

因此，细化晶粒不但利于提高材料的强度，还能提高材料的断裂韧性（4）第二相粒子的影响
就钢而论，不可避免地存在着第二相粒子。

除了夹杂物粒子以外，钢中还存在着起重要强化作用的碳化物和金属间化合物。

第二相粒子的存在对金属材料断裂韧性的影响可以归纳为：第一，脆性第二相随着体积分数的增加，使得断裂韧性降低；第二，韧性第二相当其形态和数量适当时，可以提高材料的断裂韧性。

当脆性第二相存在于裂纹尖端的应力场中时，本身的脆性使其容易形成微裂纹，而且他们易于在晶界或相界偏聚，降低界面结合能，使界面易于开裂，这些使微裂纹与主裂纹连接加速了裂纹的扩展，或者使裂纹沿晶扩展，导致沿晶断裂，降低断裂韧性。

脆性第二相的形貌、尺寸和分布不同，将导致裂纹的扩展途径不同、消耗的能量不同，从而影响断裂韧性，如碳化物呈粒状弥散分布时的断裂韧性就高于呈网状连续分布式。

当韧性第二相存在于裂纹尖端的应力场中时，例如残余奥氏体，那么当运动裂纹与
残余奥氏体发生的塑性变形可消耗一部分能量，即间接松弛了裂纹尖端的应力集中，降低裂纹扩展速率，提高断裂韧性。

只要韧性第二相的形貌和数量适当，材料的断裂韧性就可以提高，如马氏体板条间残余奥氏体薄片的存在，是不明显降低强度的情况下来提高断裂韧性的手段之一。

由此看来，通过适当的方式调节钢中的韧性第二相，也是一种改善韧性的可行方法。

2、外部因素
（1）试样几何因素的影响
试样的几何因素包括：试样厚度、试样取向等。

（2）加载速率的影响
加载速率对断裂韧性的影响可通过应变速率来表示。

增加应变速率，可降低断裂韧性。

一般认为应变速率每增加一个数量级，断裂韧性降低10%。

但是，当应变速率很大时形变热量来不及传导，造成绝热状态，导致局部温度升高，断裂韧性又回升。

三、脆性断裂
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。

宏观塑性断裂的危险性远较脆断小。

由于塑断前产生明显的塑性变形使零件不能正常运行，就会引起人们的注意，及时采取措施，防止断裂的产生。

即使由于短时的突然过载，一般也只能造成局部开裂，不会整体断裂或飞出碎片造成灾难性事故。

对于使用有可能产生塑性断裂的零件，只需按材料的屈服强度计算其承载能力，一般即能保证安全使用。

1、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。

裂纹长度裂纹越长，越容易发生脆性断裂。

缺陷尖锐程度越尖锐，越容易发生脆性断裂。

（3）厚度：钢板越厚，冲击韧性越低，韧脆性转变温度越高。

原因：（A）越厚，在厚度方向的收缩变形所受到的约束作用越大，使约束应力增加，在钢板厚度范围内形成平面应变状态。

（B）冶金效应，厚板中晶粒较粗大，内部产生的偏析较多。

（4）加载速度：低强度钢，速度越快，韧脆性转变温度降低。

脆性断裂在断裂前几乎不发生明显的塑性变形，它因为在断裂前毫无征兆，往往会引起灾难性的突发事件。

完全的韧性或脆性断裂较少出现，更多的是韧性脆性混合型断裂。

脆性断裂面与拉应力方向垂直，断面较平直，宏观断口特征呈颗粒状，有时能观察到放射状条纹或人字形条纹，条纹的收敛点为断裂源；脆性断裂微观机理大多是穿晶解理型的，当晶界有脆性析出物、晶界偏析、回火脆性、应力腐蚀及过热、过烧等情况时，也会出现沿晶型脆性断裂，微观形貌呈“冰糖状”。

金属材料发生脆性断裂，主要有以下两种情况：一种是由于制造过程中热处理工艺不当造成的，如回火脆性，过热过烧，第二相质点沿晶界析出，高碳钢的石墨化析出等；
另一种是由于使用环境造成的，如低温脆断和腐蚀介质的作用等。

2、引起脆性断裂的主要因素主要有以下几个方面。

（1）应力状态和缺口效应：三向拉伸应力和缺口效应越大，越易发生脆性断裂。

（2）温度：温度越低越易发生脆性断裂。

（3）尺寸效应：有研究表明随着钢板厚度增加，材料的脆性转变温度会升高，钢材的缺口脆性增加，易发生脆性断裂。

（4）焊接质量：当焊接构件中存在残余应力、焊接缺陷时，易发生脆性断裂。

（5）工作介质：零件在腐蚀介质和拉应力下，易发生脆性断裂。

（6）材料组织因素：如材料组织中有偏析，脆性相析出等，易发生脆性断裂。

四、蠕变断裂
蠕变断裂是指构件长时间在拉应力作用下，尽管所受应力低于材料的屈服强度，但也会缓慢产生塑性变形直至断裂，这种断裂称为蠕变断裂。

随着温度的升高，加快蠕变断裂进程。

明显的塑性变形是蠕变断裂主要宏观特征，另一个特征是常在断口表面形成一层氧化膜；微观形貌为韧窝，但在等强温度（晶界强度=晶内强度）以上为沿晶断裂，在等强温度以下为穿晶断裂。

五、疲劳断裂
疲劳断裂是构件在交变载荷作用下发生的断裂，它是金属构件断裂的主要形式之一。

疲劳断裂具有突发性，断裂应力低，对材料缺陷、加工缺陷和腐蚀缺陷敏感等特点。

（一）疲劳断裂方式
疲劳断裂的方式多种多样。

疲劳断裂方式按载荷类型分为：拉压疲劳、拉拉疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳等。

按应力大小和载荷交变频率分为：高应力低周疲劳及低应力高周疲劳。

按工作环境又可分为：腐蚀疲劳、高温疲劳和微振疲劳。

疲劳断裂过程包括疲劳裂纹的萌生、疲劳裂纹的扩展和瞬时断裂三个阶段。

相应的在疲劳断口上一般也可观察到疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬断区。

疲劳裂纹源一般位于构件表面应力集中处或不同类型的缺陷部位，如果构件内部或亚表面存在着较大缺陷，则裂纹源也可能从这些缺陷部位产生。

一般情况下，一个疲劳断口有一个疲劳源，但有时也会有多个疲劳源。

多个疲劳源萌生有不同时性，源区越光滑，疲劳条纹密度越大，说明该疲劳源产生越早。

疲劳裂纹扩展区常有“沙滩花样”又称贝纹线、疲劳弧线，是疲劳断口上最重要的特征区域。

瞬断区是疲劳裂纹扩展到临界尺寸，构件剩余截面积不足以承受载荷时而发生快速断裂的区域。

（二）几种常见的疲劳断裂
1．高周疲劳断裂
高周疲劳指零件在低应力（一般情况低于材料的屈服强度）作用下寿命较高的疲劳（循环次数N f ＞10 5 ），疲劳断口特征是扩展区很大，贝壳线细窄、密集。

2．低周疲劳断裂
低周疲劳指零件在反复变化的大应力或大应变作用下，使局部应力超过材料的屈服极限，断裂过程中产生较大的塑性变形，是一种短寿命的疲劳（循环次数N f ＜10 5 ），疲劳断口特征是扩展区很窄，有时就没有，只有在微观下通过疲劳辉纹来判定，瞬断区所占面积很大，几乎与裂源区接壤。

有些低周疲劳断裂断口上常出现多个疲劳源，断口粗糙且高低不同，疲劳条纹粗大，对于一些高强度钢，可能不出现疲劳条纹。

3．热疲劳断裂
许多零件是在反复加热、冷却（温度循环）下工作，在内部形成温度梯度的交替循
环变化引起材料体积循环变化，当零件不能自由膨胀或收缩时，会产生循环热应力或热应变，在与机械应力共同作用下，会导致疲劳裂纹的形成，扩展直到失效的现象叫热疲劳。

塑性材料抗热应变的能力较强，故不易发生热疲劳，而脆性材料则较易发生热疲劳。

对于一些塑性材料，因长期在高温下工作，也可能由塑性变为脆性或者塑性下降，则也会产生热疲劳。

热疲劳裂纹一般都从表面向内部扩展，多呈龟裂状，裂纹走向可以是沿晶的，也可以是穿晶的，裂纹内常有氧化物，微观断口上的疲劳辉纹粗大，有时也会有韧窝花样。

4．微振疲劳断裂
零件在往复的微动应力作用下发生的疲劳断裂称为微振疲劳断裂。

只有在微动磨损条件下工作的零件，才会发生微振疲劳。

其断口形貌与低应力疲劳断口一样也有三个区域，但断口上常有腐蚀特征。

5．接触疲劳
零件在使用过程中因接触过紧产生表层应力引起的疲劳破裂。

接触疲劳断裂主要产生于滚动接触的机器零件，如轴承、齿轮等，接触面上有麻点、凹坑和局部剥落是接触疲劳的主要特征；微观上有疲劳辉纹或准解理等特征，但疲劳辉纹因摩擦而呈现断裂状和不清晰特征。

6．腐蚀疲劳断裂
零件受交变应力和腐蚀环境条件共同作用，由电化学腐蚀引起的疲劳断裂叫腐蚀疲劳断裂。

腐蚀疲劳属于多源疲劳，裂纹的走向可以是穿晶的，也可以是沿晶的，断裂多源自表面缺陷或腐蚀坑底部，微观断口上可见到疲劳辉纹和腐蚀产物。

（三）引起疲劳断裂失效的原因
1．零件的结构不合理：如在零件薄弱处有转角、尖角、孔等。

2．表面缺陷：如加工缺陷、材料表面缺陷等。

3．材料强度不足：如选材不当或用错材料等。

4．材料的组织状态不良：一般来说，马氏体组织较其它组织的抗疲劳性能好，珠光体比铁素体的疲劳性能好。

如果马氏体组织粗大、过热、碳化物聚集、非金属夹杂物大量存在会降低疲劳性能；组织不均匀，存在偏析，晶粒大小不均等也会降低疲劳性能。

5．零件装配不好：如正确的预紧力可大幅提高零件疲劳寿命。

6．零件工作环境：工作环境（温度、腐蚀介质等）越恶劣越易发生疲劳断裂。