第三章 第一部分 断裂分类及微观机制
第三章 第一部分 断裂分类及微观机制
•世界载人航天史上的悲剧 ——“挑战者”号航天飞机升空失事
1986年 1月28日，“挑 战者”号第10次飞行中， 升空73秒后起火爆炸。 造成直接经济损失近20亿 美元，7名航天员死亡， 航天飞机飞行被迫中断近 2年，直到1988年9月29日 才恢复“发现号”的飞行。
事故原因：“挑战者”号右侧助推火箭连接处的 O形 密封圈在火箭点火后破裂，燃烧火焰热流外逸，波及 燃料箱，引起爆炸。
2011 年 7 月 14 日上午 8 点 50 分左右， 福建武夷山市的武夷山公馆大桥北 端发生垮塌事故，牌号为闽 H30953 的一辆旅游大巴车坠入桥 下，当场造成1人死亡，22人受伤
2011年7月15号，通车仅14 年的杭州钱江三桥引桥坍塌。
2011年7月19号，零点40分，一辆重 达160吨的严重超载货车，通过北京 市宝山寺白河桥时，造成桥梁塌毁。
• 脆性断裂
——在断裂前几乎不产生明显的宏观塑性变形或塑性 变形量极小，难以察觉，断裂突然发生，而且有时伴随 产生大量碎片，其危害性极大，经常导致灾难性的后果。
80℃
-30℃
此种分类方法只具有相对意义：
• 同一种材料，条件改变（如应力、温度、环境等变 化），其变形量也可能发生显著的变化； • 在某些情况下，宏观范围内是脆性断裂，但在局部 范围或微观范围内却存在着大量的塑性变形。
断口上观察到韧窝并不意味该材料发生了韧性断裂 ——韧窝的存在，只说明材料在局部微小区域内曾发生过剪切 变形，变形可能只局限于断裂路径所经过的很小体积内，即断 口两侧的微观区域内，至于在宏观区域内材料是否表现为有很 大的塑性并不能由此而定。 沿晶断裂的断口表面 上虽然存在微观塑性变形 所形成的韧窝，但是宏观 表现仍然为脆性断裂。
2、微孔聚合型断裂的裂纹长大 ——微孔形成后，依靠第二相粒子周围金属的塑性变形而长大。
第一节 断裂的分类
第一节断裂的分类通常，根据失效形式，导致失效的因素和失效的部位对失效进行分类，基本的失效形式有以下四种：过大的弹性变形；塑性变形；破裂或断裂；材料变化(包括金相变化、化学变化和棱变化)。
导致失效的有以下主要因素：力、时间、温度、工作环境的影响。
失效的部位分为：整体型和表面型。
在四种失效形式中，破裂特别是断裂是最主要的最具危害性的失效。
为了掌握断裂产生的机理，寻找预防断裂失效的措施，材料科学家、力学工作者及工程技术人员对断裂问题作了大量的实验研究和理论分析工作。
而对已出现的各类断口的实际观察与研究就是其中最常采用的有效手段。
不同的材料和受力状态，不同的作用时间和温度以及不同的环境条件下产生的断裂，可表现为断口形貌特征的具体差异，具体地分析各种断口形貌与各种因索的内在关系是借以揭示金属断裂机理，进行事故分析及采取预防措施非常重要的方面。
因此，近年来断口分析技术和分析仪器发展很快．断口分析也取得了大量理论的和实用性成果。
一、宏观脆性断裂与延性断裂从宏观现象上看，断裂可分为脆性断裂和延性断裂。
脆性断裂表现为以材料表面、内部的缺陷或微裂纹为源，在较低的应力水平下(通常不超过材料的屈服强度)，在无塑性变形或只有微小塑性变形的情况下裂纹急速扩展。
在出现宏观裂纹后裂纹的扩展速度迅速上升到某个极限速度，大约可达声波在该材料中传播速度的三分之一。
在多晶体材料中，断裂是沿着各个晶体内部的解理面产生的．但由于材料中各个晶体及解理面的方向是变化的，因而断裂表面在外观上呈现粒状。
脆性断裂有时主要沿晶界产生，因而称为晶问断裂。
脆性断口较平齐，且与正应力相垂直，断口附近的截面，在厚度上的收缩很小，一般不超过3％。
断口上常有人字纹或放射花纹。
由于脆性断裂前很难发现预兆，断裂时又容易产生很多碎片，是一种非常危险的突发事故，危害较大。
延性断裂是在较大的塑性变形之后发生的断裂。
它是由于裂纹的缓慢扩展而造成的，而这种裂纹扩展又起源于孔穴的形成和合并。
第三章-断裂的微观机制
式中, 为取向因子, 接近于1； a 为施加于滑移面的外加切应力。
则垂直与OP面的正应力为:
=_x001A__x001B__x001B__x001A__x001A__x001A__x001
B__x001B__x001B__x001B__x001A__x001B__x001B__x001
或在高应变条件下, 第二相与基体变形不
第3章 断裂的微观机制
3.1 微裂纹形核方式
3.1.2 微孔聚合形成微裂纹
微孔成核与长大的位错模型: 第二相的强度高不可变形
第3章 断裂的微观机制
3.1 微裂纹形核方式
3.1.2 微孔聚合形成微裂纹
微孔形成并逐渐长大后, 微孔与微孔之间的横截面面
积减小, 使得材料所受的应力增大。
形核都是局部应力集中等于原子键合力的结果。
位错塞积应力等于原子键合力从而形成微裂纹是可
能的, 但实验上很难观察到。
裂尖无位错区中应力集中形成微裂纹适合于各种断
裂方式, 而且很容易有透射电镜原位拉伸来证实。
第3章 断裂的微观机制
3.2 位错发射和无位错区
3.2.1 裂纹和位错的交互作用
位错像力
当晶体中存在位错时, 不但在位错
金属材料中的夹杂物大多属于脆性相, 在比较
低应力下便与基体脱开或本身开裂而形成
微孔。
金属中的第二相是起强化作用的, 通常称为强
化相, 如钢中的碳化物、铝合金中时效强
化相。
在外应力作用下, 外应力足够大时启动位错,
位错沿滑移面运动, 与第二相离子相遇, 一
方面对位错运动产生阻力, 即强化作用, 另
一方面位错在强化相处塞集引起应力集中,
目增大到等于某一临界值时, 所产生的应力集中达到
断裂力学讲义
目录第一章绪论§断裂力学的概念任何一门科学都是应一定的需要而产生的，断裂力学也是如此。
一提到断裂，人们自然而然地就会联想到各种工程断裂事故。
在断裂力学产生之前，人们根据强度条件来设计构件，其基本思想就是保证构件的工作应力不超过材料的许用应力，即σ≤[σ]～安全设计安全设计对确保构件安全工作也确实起到了重大的作用，至今也仍然是必不可少的。
但是人们在长期的生产实践中，逐步认识到，在某些情况下，根据强度条件设计出的构件并不安全，断裂事故仍然不断发生，特别是高强度材料构件，焊接结构，处在低温或腐蚀环境中的结构等，断裂事故就更加频繁。
例如，1943～1947年二次世界大战期间，美国的5000余艘焊接船竟然连续发生了一千多起断裂事故，其中238艘完全毁坏。
1949年美国东俄亥俄州煤气公司的圆柱形液态天然气罐爆炸使周围很大一片街市变成了废墟。
五十年代初，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在试验时发生爆炸。
这些接连不断的工程断裂事故终于引起了人们的高度警觉。
特别值得注意的是，有些断裂事故竟然发生在σ<<[σ]的条件下，用传统的安全设计观点是无法解释的。
于是人们认识到了传统的设计思想是有缺欠的，并且开始寻求更合理的设计途径。
人们从大量的断裂事故分析中发现，断裂都是起源于构件中有缺陷的地方。
传统的设计思想把材料视为无缺陷的均匀连续体，而实际构件中总是存在着各种不同形式的缺陷。
因此实际材料的强度大大低于理论模型的强度。
断裂力学恰恰是为了弥补传统设计思想这一严重的缺陷而产生的。
因此，给断裂力学下的定义就是断裂力学是研究有裂纹（缺陷）构件断裂强度的一门学科。
或者说是研究含裂纹构件裂纹的平衡、扩展和失稳规律，以保证构件安全工作的一门科学。
断裂力学在航空、机械、化工、造船、交通和军工等领域里都有广泛的应用前景。
它能解决抗断设计、合理选材、制定适当的热处理制度和加工工艺、预测构件的疲劳寿命、制定合理的质量验收标准和检修制度以及防止断裂事故等多方面的问题，因此是一门具有高度实用价值的学科。
材料的断裂课件
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沿晶断裂原因：晶界上的一薄层连续或断续脆性第二相、夹 杂物，破坏了晶界的连续性；或杂质元素向晶界偏聚等引起。
沿晶断口形貌：当晶粒粗大时呈冰糖状；当晶粒细小时，断 口呈细小颗粒状，断口颜色较纤维状断口明亮，但比纯解理 脆性断口要灰暗些。
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磨加工后，探伤发现表面出现 裂纹，严重的经敲击即脆断成 碎块。
杯锥状断口形成过程
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光滑圆试样受拉伸力作用达到最大后，在局部产生缩颈； 试样中心区应力状态由单向变为三向；难于塑性变形；
导致夹杂物或第二相碎裂、或夹杂物 与基体界面脱离而形成微孔。
微孔不断长大、聚合就形成微裂纹。 显微裂纹连接，扩展，就形成锯齿形
的纤维区。 纤维区所在平面(即裂纹扩展的宏观平
特点：断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放 射状或结晶状。
矩形截面板状试样脆性断口可见“人字纹花样”。
人字纹放射方向与裂纹扩展方向平行，其尖顶指向裂纹源。
（二）穿晶断裂与沿晶断裂
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（二）穿晶断裂与沿晶断裂： 穿晶断裂：裂纹穿过晶内，可韧性断裂、也可脆性断裂。 沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多为脆断，断口呈冰糖状。 如应力腐蚀、氢脆、回火脆性、有些淬火裂纹、磨削裂纹等。
一、断裂的类型
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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。
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（2）微孔成核的位错模型： a）位错运动遇到第二相时，将绕过并在其周围形成位错环。 b）位错环在外加应力作用下，于第二相质点处堆积。 c）位错环移向质点与基体界面，即沿滑移面分离而成微孔。
第三章 材料的断裂
宏观断口 : 用肉眼或放大镜观察到的断口形貌
3、断口分析
二、断口分析
断口上分三个典型的 区域：纤维区、放射 区、剪切唇——断口 三要素。
三区域的大小、形态随试样 和实验条件而变化。
放射区较大，则材料的塑性 低（该区是裂纹快速扩展部 分，伴随的塑性变形也小）。 塑性好的材料，必然表现为 纤维区和剪切唇占很大比例， 甚至中间的辐射区可以消失。 脆性材料纤维区很小，剪切 唇几乎没有。
⑶ 剪切断裂、微孔聚合断裂与解理断裂
剪切断裂、微孔聚合断裂与解理断裂按不 同的微观断裂方式，是材料断裂的重要微观 机理． Ⅰ 剪切断裂： 剪切断裂是材料在切应力作 用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂． 某些纯金属尤其是单晶体金属可产生纯剪切 断裂，其断口呈锋利的楔形，是充分发挥塑 性的韧性断裂，如低碳钢拉伸断口上的剪切 唇。但实际工程材料中很少见。
微观断口: 借助于扫描电镜或其它分析手段来研究 的断口形貌
断口分析是重要的分析手段。
韧断前有明显的颈缩， 断裂前有大量的塑性 变形。上下断口分别 呈杯状和锥状，合称 为杯锥状断口。 断口上分三个典型的 区域：纤维区、放射 区、剪切唇——断口 三要素。
纤维区F：位于断口中 央，呈粗糙的纤维状。 与拉力轴垂直，裂纹首 先在该区域形成； 颜色灰暗，表面有较大 的起伏，如山脊状，表 明裂纹在该区扩展时伴 有较大的塑性变形，裂 纹扩展也较慢；
•放射区R：紧挨着纤维区。 •表面较光亮平坦，有较细的 放射状条纹，放射线发散方向 为裂纹扩展方向，裂纹在该区 扩展较快，塑性变形量小，表 现为脆性断裂部分； •剪切唇S：接近试样边缘。 •应力状态为平面应力状态， 最后沿着与拉力轴向成4050°，裂纹失稳扩展，塑性变 形量较大，韧断区。表面粗糙 发深灰色。
断裂的分类及特征
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金属材料的断裂和断裂韧性课件PPT
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异同
同：穿晶断裂，脆性断裂，有小解理刻面、台阶。
①断裂起源：准解理源于晶粒内部的空洞、夹杂物、第二相粒子 ，而 解理则自晶界/相界一侧向另一侧延伸； ② 裂纹传播途径：准解理向四周放射状不连续扩展，与晶粒位向无关， 与细小第二相有关，解理是由晶界向晶内扩展，形成河流花样； ③ 解理位向：准解理小平面的位向与基体解理面之间无确定的对应关 系，源头不清。
微观：大量韧窝，内含夹杂物或第二相，微孔萌生处。
无明显塑性变形，沿解理面分离，穿晶断裂
在晶内微孔聚合，穿晶断裂
应力强度因子KI和断裂韧性KIc
ห้องสมุดไป่ตู้
低于许用应力，构件突然断裂 金属：裂纹尖端塑性区尺寸远小于裂纹长度。
微孔聚集断裂机理：形核—长大—聚合
三种基本断裂类型的实例
宏观解理断口：较为平坦、发亮的结晶状断面。
前推进直至断裂。
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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。
的流向与裂纹扩展方向一致 。
➢ 原因一：通过扭曲晶界或大角度晶界，相邻晶粒内解理面位向差很
大，裂纹在晶界受阻，裂纹尖端高应变激发晶界另一侧面裂纹成核。
➢ 原因二：裂纹不沿单一晶面发生，在跨越若干个相互平行的位于不
同高度上的解理面处发生，在交界处形成台阶。
➢ 解理断裂的另一个微观特征：舌状花样，它是解理裂纹沿孪晶界扩
失效分析总结
失效分析总结第⼀章1、零件失效：当这些零件失去了它应有的功能时，则称该零件失效。
2、零件失效的含义：1）.零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等，从⽽完全丧失其功能。
2）.零件在外部环境下作⽤下，部分的失去其原有功能，虽然能够⼯作，但不能完成规定功能，如由于腐蚀导致尺⼨超差等。
3）零件虽然能够⼯作，也能完成规定功能，但继续使⽤时，不能确保安全可靠性。
3、失效分析：通常是指对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进⾏的⼀切技术活动，也就是研究失效现象的特征和规律，从⽽找出失效的模式和原因。
4、失效分析可分为事前分析、事中分析、事后分析。
5、失效分析的社会经济效益：（1）失效将造成巨⼤的经济损失。
（2）质量低劣、寿命短导致重⼤经济损失。
（3）提⾼设备运⾏和使⽤的安全性。
第⼆章1.⼯程构件的失效分为断裂、磨损、腐蚀三⼤类。
2.失效形式分类及原因（表2-1P18）3.失效来源包括1.设计的问题2.材料选择上的缺点 3.加⼯制造及装配中存在的问题 4.不合理的服役条件4.应⼒集中：零件截⾯有急剧变化处，就会引起局部地区的应⼒⾼于受⼒体的平均应⼒，这⼀现象称为应⼒集中。
表⽰应⼒集中⼤⼩的系数称为应⼒集中系数。
5.缺⼝敏感性NSR=σNb/σb（σNb表⽰缺⼝式样抗拉强度，σb表⽰光滑试样抗拉强度）⽐值NSR越⼤，敏感性越⼩。
当NSR>1时，说明缺⼝处发⽣了塑性变形的扩展，⽐值越⼤说明塑性变形扩展越⼤，脆性倾向越⼩。
塑性材料的NSR>1，材料反⽽具有缺⼝强化效应，缺⼝敏感性⼩甚⾄不敏感。
NSR<1，说⾯缺⼝处还未发⽣明显塑性变形扩展就脆断，表⽰缺⼝敏感。
6.内应⼒通常分为3类：第⼀类内应⼒（宏观应⼒）是指存在于物体或者在较⼤尺⼨范围内保持平衡的应⼒，尺⼨在0.1mm以上；第⼆类内（微观）应⼒是指在晶粒⼤⼩尺⼨范围内保持平衡的应⼒，尺⼨为10-1~10-2mm；第三类（微观）应⼒是在原⼦尺度范围保持平衡的应⼒，尺⼨为10-3~10-6。
材料的断裂PPT课件
2）脆性断裂：材料断裂前基本不产生明显宏观塑性变形，无 明显预兆，表现为突然发生的快速断裂，故具有很大危险性。
特点：断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放 射状或结晶状。
矩形截面板状试样脆性断口可见“人字纹花样”。
人字纹放射方向与裂纹扩展方向平行，其尖顶指向裂纹源。
（二）穿晶断裂与沿晶断裂
铜材在拉伸断口特征－细小等轴韧窝
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韧窝形状：视应力状态不同而异 有三类：等轴韧窝、拉长韧窝和撕裂韧窝。 1）等轴状韧窝： 微孔在垂直于正应力的平面上各方向长大倾向相同。
铜材在拉伸断口特征－细小等轴韧窝
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2）拉长韧窝： 在扭转载荷或双向不等拉伸条件下，因切应力作用而形成。 在匹配断口上韧窝拉长方向相反；（拉伸断口剪切唇部）
应变硬化指数越大，越难于发生内缩颈，故韧窝尺寸变小。 3）外加应力的大小和状态。
通过影响材料塑性变形能力，而间接影响韧窝深度。
必须指出：微孔聚集断裂一定有韧窝存在，但在微观形态上 出现韧窝，其宏观上不一定就是韧性断裂。因宏观为脆性断 裂，但在局部区域内也能有塑性变形，从而显示出韧窝形态。
只有微观断口存在大量韧窝时，宏观上才表现为韧性断裂。
面)垂直于拉伸应力方向。
杯锥状断口形成示意图 a）缩颈导致三向应力 b）微孔形成 C）微孔长大 d）微孔连接形成锯齿状
e）边缘剪切断裂
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纤维区：裂纹扩展速率很慢，当裂纹达到临界尺寸后就快速 扩展面形成放射区。
放射区：裂纹快速、低能撕裂形成的，有放射线花样特征。 放射线平行于裂纹扩展方向，垂直于裂纹前瑞(每一瞬间)的轮
3）解理断裂
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2）解理断裂：
金属材料在一定条件（如低温、高应变速率，或有三向拉应 力状态）下，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（解理面）产生的穿晶断裂。
第3章 材料的断裂 习题解答
度总是与（KIC/σs)2 成正比。 8、试述塑性区对 KI 的影响及 KI 的修正方法和结果。 由于裂纹尖端塑性区的存在将会降低裂纹体的刚度，相当于裂纹长度的增加，因而影响 应力场和及 KI 的计算，所以要对 KI 进行修正。 最简单而适用的修正方法是在计算 KI 时采用“有效裂纹尺寸”，即以虚拟有效裂纹代 替实际裂纹，然后用线弹性理论所得的公式进行计算。基本思路是：塑性区松弛弹性应力的 作用于裂纹长度增加松弛弹性应力的作用是等同的，从而引入“有效长度”的概念，它实 际包括裂纹长度和塑性区松弛应力的作用。 （4—15）的计算结果忽略了在塑性区内应变能释放率与弹性体应变能释放率的差别， 因此，只是近似结果。当塑性区小时，或塑性区周围为广大的弹性去所包围时，这种结果还 是很精确。但是当塑性区较大时，即属于大范围屈服或整体屈服时，这个结果是不适用的。 9.ＣＯＤ的意义：表示裂纹张开位移。表达式 δ =
第 3 章 材料的断裂 习题解答
第 1 部分
一、 名词解释 低应力脆断：高强度、超高强度钢的机件 ，中低强度钢的大型、重型机件在屈服应力以下 发生的断裂。 张开型（ Ι 型）裂纹： 拉应力垂直作用于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面 扩展的裂纹。 应力场强度因子 KΙ ： 在裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定于位置外，尚与强度因子
三、简答题
1．材料断裂的过程包括哪些？ 断裂过程：裂纹的形成与扩展（稳态扩展、失稳扩展）过程。 2．非晶态高分子材料的塑变与断裂过程主要是什么过程？ 银纹的形成和扩展过程。 3．低碳钢典型拉伸断口的宏观特征是什么？对应的微观断口特征是什么？ 宏观特征由纤维区、放射区和剪切唇 3 个区。韧窝、撕裂韧窝、 “链波”花样。 4．晶粒的形状、大小及分布对材料强度与韧性的影响。 细小、弥散、均匀分布，提高材料强度与韧性。 5．说明K Ⅰ 与K Ⅰc 的关系。 K Ⅰ 与K Ⅰc K I : 应力场强度因子,力学参量,表示裂纹尖端应力应变场强度大小。 K Ｉ 与外加应力σ、试样尺寸a、裂纹类型Y有关，与材料无关。 K Ｉc ：断裂韧度，材料的力学性能指标,表示平面应变状态下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。 与材料成分,组织结构有关,与外加应力,试样尺寸等外因素无关。当σ增加到临界值ε Ｃ ，a 增大到临界值a Ｃ ，K Ｉ 达到临界值K Ｉc (K c )，裂纹失稳扩展至断裂。K I ≥K Ｉc →→裂纹失稳 扩展 ，引起脆性断裂；K I <K Ｉc 时，存在的断裂不会引起断裂。 6. 影响材料断裂韧性的因素有哪些？ KIc 是材料强度和塑性的综合表现。内在因素：成分、组织 、结构。外在因素：温度 T、 应变速率ξ。 一般情况下，随强度指标的降低而升高，随塑性指标的降低而降低。通常人们认为 KIc 是 塑性、韧性一类指标，与强度类指标的变化规律相反。 （综合分析：展开）
材料的断裂和韧性PPT课件
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二、断裂强度
强度是材料抵抗外力破坏的能力。对于各种不同的破坏力， 有不同的强度指标：拉伸强度、弯曲强度、冲击强度、压缩 强度。
一般材料的抗压强度远大于抗拉强度，如陶瓷抗压强度约为 抗拉强度的10倍，所以强度的研究大都集中在抗拉强度上， 也就是研究其最薄弱的环节。
Chapter3 Properties of Materials
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2.高分子材料的脆性断裂和韧性断裂
Chapter3 Properties of Materials
脆韧判据：
断裂面形貌 σ-ε曲线 断裂伸长率 或断裂能
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量及熔点也越高。
σ
对于完整晶体材料，在外加
a0
正应力作用下，将晶体中的
两个原子面沿垂直于外力方 m
n
向拉断所需的应力就成为理
论断裂强度。
Chapter3 Properties of Materials
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以三维晶体为例，一完整晶体在正应力作用下沿某一原子面被 拉断时，推导其断裂强度（称为理论断裂强度）
可作简单估计如下。 （如图所示）
σ a0 m
σ
th
sin
2 x
•为正弦曲线的波长
•σth为最大结合力， 即理论断裂强度
•当x＝/2时，σ 0
n
a0
σth
，原子已基本分开。
x
2
X=0
完 整 晶 体 拉 断 示 意 图 ， mn 为 断 裂面的迹线，a0表示原子面间距.
断口的宏观形貌、微观形态及断裂机理
断口的宏观形貌、微观形态及断裂机理按断裂的途径，断口可分为穿晶断裂和沿晶断裂两大类。
穿晶断裂又分为穿晶韧性断裂和穿晶解理断裂（其中包括准解理断裂）。
沿晶断裂也分为沿晶韧性断裂和沿晶脆性断裂。
下面分别加以讨论。
1.穿晶断口（1）穿晶韧窝型断口断裂穿过晶粒内部，由大量韧窝的成核、扩展、连接而形成的一种断口。
宏观形貌：在拉伸试验情况下，总是先塑性变形，引起缩颈，然后在缩颈部位裂纹沿与外力垂直的方向扩展，到一定程度后失稳，沿与外力成45°方向快速发展至断裂。
众所周知，这种断口称为杯锥状断口。
断口表面粗糙不平，无金属光泽，故又称为纤维状断口。
微观形态：在电子显微镜和扫描电镜下观察，断口通常是由大量韧窝连接而成的。
每个韧窝的底部往往存在着第二相（包括非金属夹杂）质点。
第二相质点的尺寸远小于韧窝的尺寸。
韧窝形成的原因一般有两种形成情况：1）韧窝底部有第二相质点的情况。
由于第二相质点与基体的力学性能不同（另外，还有第二相质点与基体的结合能力、热膨胀系数、第二相质点本身的大小、形状等的影响），所以在塑性变形过程中沿第二相质点边界（或穿过第二相质点）易形成微孔裂纹的核心。
在应力作用下，这些微孔裂纹的核心逐渐长大，并随着塑性变形的增加，显微孔坑之间的连接部分逐渐变薄，直至最后断裂。
图3-41是微孔穿过第二相质点的示意图。
若微孔沿第二相点边界成核、扩展形成韧窝型裂纹后，则第二相质点留在韧窝的某一侧。
2）在韧窝的底部没有第二相质点存在的情况。
韧窝的形成是由于材料中原来有显微孔穴或者是由于塑性变形而形成的显微孔穴，这些显微孔穴随塑性变形的增大而不断扩展和相互连接，直至断裂。
这种韧窝的形成往往需要进行很大的塑性变形后才能够实现。
因此，在这类断口上往往只有少量的韧窝或少量变形状韧窝，有的甚至经很大的塑性变形后仍见不到韧窝。
当变形不大时，断口呈波纹状或蛇形花样，而当变形很大时，则为无特征的平面。
韧窝的形状与应力状态有较大关系。
3.1-3.2 材料的断裂及机制 2014.9.29
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27
实际断裂强度（书P.104）
脆性材料，Griffith方程: （1921年研究玻璃、陶瓷得 出定量的计算）
塑性材料，Orowan奥罗万和Irwen 欧文的修正：
⎛ 2 Eγ s ⎞ σc变形功
γp
3 材料的断裂
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1
Introduction
一． 韧性断裂-杯锥状断口-断口特征的三要素： 纤维区，放射区，剪切唇 二． 理论、实际断裂强度 三． 断裂过程及机理 1. 2. 3.
解理断裂-河流结晶状-穿晶脆断-典型 微孔聚集断裂---韧窝（纤维状） 沿晶脆断（冰糖）结晶状-多数为脆断
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1. σp: 比例极限，FP/A0
关系的最大应力。
保持应力与应变成正比
2. σe: 弹性极限， Fe/A0 材料发生可逆的弹性变
形应力的上限值；应力超过此值，发生塑性变形。 在弹性范围，已经偏离线性。
3. σs：屈服极限—屈服强度， Fs/A0 单向静拉伸
应力-应变曲线-屈服平台的应力。 屈服强度—工 程上最重要的力学性能指标。不均匀的塑性变形-分界--均匀的塑性变形
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3.1 断裂概述
断裂力学：一门力学分支学科 国际上发生了一系列重大的低应力脆断灾难
性事故，大部分低应力脆断事故都是发生在 应用了高强度钢材的结构或大型的焊接件 中，例如飞机机身、机器中的重载构件以及 高压容器等结构。
现代断裂理论大约是在1948—1957年间形成。
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3.1.2.1 理论断裂强度
金属断裂的微观机制及显微特征
金属断裂的微观机制为了阐明断裂的全过程（包括裂纹的生核和扩展，以及环境因素对断裂过程的影响等），提出种种微观断裂模型,以探讨其物理实质,称为断裂机制。
属于不同断裂机制的断裂，其断口微观结构各具有独特的形貌特征。
基本断裂机制的典型微观形貌： a沿晶脆性断裂 b 解理断裂c 准解理断裂 d 韧窝断裂] 属于不同基本断裂机制的断口所观察到的典型微观形貌，其物理本质和断口特征为：沿晶脆性断裂是指断裂路径沿着不同位向的晶界(晶粒间界)所发生的一种属于低能吸收过程的断裂。
根据断裂能量消耗最小原理，裂纹的扩展路径总是沿着原子键合力最薄弱的表面进行。
晶界强度不一定最低，但如果金属存在着某些冶金因素使晶界弱化（例如杂质原子P、S、Si、Sn等在晶界上偏聚或脱溶，或脆性相在晶界析出等等），则金属将会发生沿晶脆性断裂。
沿晶脆性断裂的断口特征是:在宏观断口表面上有许多亮面,每个亮面都是一个晶粒的界面。
如果进行高倍观察，就会清晰地看到每个晶粒的多面体形貌类似于冰糖块的堆集，故有冰糖状断口之称；又由于多面体感特别强，故在三个晶界面相遇之处能清楚地见到三重结点。
沿晶脆性断裂的发生在很大程度上取决于晶界面的状态和性质。
实践表明，提纯金属,净化晶界,防止杂质原子在晶界上偏聚或脱溶，以及避免脆性第二相在晶界析出等，均可以减少金属发生沿晶脆性断裂的倾向。
因此,应用X射线能谱分析法和俄歇电子能谱分析法确定沿晶断裂面的化学成分，对从冶金因素来认识材料的致脆原因，提出改进工艺措施有指导意义。
微观形态：在沿晶脆性断口上，几乎没有塑性变形的痕迹或仅看到极少的韧窝。
例如，过烧后的断口，就是沿晶界氧化物薄膜发生的一种沿晶脆性断裂。
另外，18-8奥氏体不锈钢沿晶界大量析出碳化物后，也易产生沿晶脆断；沿晶界化学腐蚀和应力腐蚀（包括氢脆）后产生的断口，也都是沿晶脆性断口。
属于这类断口的还有层状断口和撕痕状断口等。
解理断裂属于一种穿晶脆性断裂，根据金属原子键合力的强度分析，对于一定晶系的金属，均有一组原子键合力最弱的、在正应力下容易开裂的晶面，这种晶面通常称为解理面。
高分子材料断裂课件
高分子材料性能学
雾状区：
宏观上平整但不反光，像毛玻璃。放大时能看到许 多抛物线花样，抛物线的轴线指向裂纹源。距离裂 纹源愈远，抛物线密集程度愈高。 雾状区的开始意味着次裂纹源出现扩展。
22 高分子材料断裂课件
高分子材料性能学
粗糙区：
宏观上呈现一定的粗糙度。有时呈现与断裂源同心 的弧状肋带
➢裂纹尖端的应力、应变和应变能的分析； ➢提出描述裂纹体应力场强的力学参量及计算方法； ➢建立新的断裂判据； ➢研究断裂机制和提高材料断裂韧性的途径等。
41 高分子材料断裂课件
1、裂纹扩展的基本方式 （1） 张开型（I型）裂纹扩展
正应力垂直于裂纹面 扩展方向与 正应力垂直
高分子材料性能学
42 高分子材料断裂课件
当裂纹长度为定值时应力σ的临界值σc
1
c
2E a
2
对应着物体内一定长度的裂纹a，存在着一个临界应力 σc，当外加应力σ>σc时，裂纹便会失稳扩展。
1
平面应变
c
2E 2
(1
2
)a
34 高分子材料断裂课件
高分子材料性能学
c
a
E
12 Biblioteka 12E 212
平面应力 平面应变
c a 常数
的过程。裂纹尖端高密度银纹钝化了裂纹，松弛了 应力集中。由于银纹产生很大的变形，形成银纹要 消耗更多的能量，从而提高了材料的韧性。
25 高分子材料断裂课件
高分子材料性能学
3.2 高聚物的断裂理论
在一薄板上刻出一圆孔，施以平均拉应力σ0，在孔 边上与σ0方向成θ角的切向应力分量σt可表示为
t 020co2s
2009年8月28日 一艘巴拿马油轮 在埃及苏伊士港 断裂为两段
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•世界载人航天史上的悲剧 ——“挑战者”号航天飞机升空失事
1986年 1月28日，“挑 战者”号第10次飞行中， 升空73秒后起火爆炸。 造成直接经济损失近20亿 美元，7名航天员死亡， 航天飞机飞行被迫中断近 2年，直到1988年9月29日 才恢复“发现号”的飞行。
事故原因：“挑战者”号右侧助推火箭连接处的 O形 密封圈在火箭点火后破裂，燃烧火焰热流外逸，波及 燃料箱，引起爆炸。
第二次世界大战时期，美国轮船 Schenectady号停靠于太平洋西北 码头时，船身完全断裂开。
•20世纪50年代，美国北极星导弹固体发动机试验时 发生的爆炸事故、法国核电站的压力容器、英国核电 站的大型锅炉爆炸都造成了严重破坏与人员伤亡。 •1954-1956，美国发生5起电站转子与叶轮的飞裂事 故，加拿大发生了2起发电机护环的飞裂事故。 •1965年12月17日，北海气田“海宝号”海洋钻机脆 断事故，造成19人丧生。 •20世纪70年代初辽阳化工厂压力容器爆破事故造成 数十人伤亡。
第三章 断裂与断裂韧性 （第一部分）
安全服役范围
金属构件的失效模式 塑性变形 断 裂 ——材料在外力作用下局 部或整体相邻的两部分发 生分离的现象。
典型结构材料的拉伸曲线
断裂导致构件的整体性、连续性遭 到破坏，意味着构件功能的彻底丧失， 因而是材料最严重的失效形式。
关于断裂的危害很容易理解，其后果 往往是灾难性的，如锅炉爆炸、桥梁破 裂、火车运行中车轴断裂、飞机、轮船 失事、导弹和运载火箭的失控爆炸等。
t
解理初裂纹起源于晶界、亚晶界或相界，并严格地沿一定的 结晶学平面扩展，其断裂单元为一个晶粒尺寸，极少发现终止于 晶粒内部的解理裂纹。低温、高的加载速率、应力集中及粗大晶 粒均有利于解理断裂的发生。 解理裂纹的扩展是由垂直作用于某一解理面上的拉应力所控 s 制的。
解理面
s
解理断口的宏观形貌是较为平坦、发亮的结晶状断面。对于 实际多晶体金属材料而言，由于晶粒取向不同，导致解理断口上 不同晶粒的解理面与断裂面之间存在着相对位向差异，如果把断 口放在光照下旋转，则断面象存在许多小镜面似的闪闪发光，一 般称这些反光的小平面为“小刻面”，根据这个宏观特征很容易 判别解理断口。
2011 年 7 月 14 日上午 8 点 50 分左右， 福建武夷山市的武夷山公馆大桥北 端发生垮塌事故，牌号为闽 H30953 的一辆旅游大巴车坠入桥 下，当场造成1人死亡，22人受伤
2011年7月15号，通车仅14 年的杭州钱江三桥引桥坍塌。
2011年7月19号，零点40分，一辆重 达160吨的严重超载货车，通过北京 市宝山寺白河桥时，造成桥梁塌毁。
图6-17 微孔型沿晶断裂的断口形貌
§3-2 裂纹形核与扩展的物理模型
一、解理断裂的裂纹形核与扩展
1、解理裂纹形核的位错模型 •位错塞积模型（Zener-Stroh） ——在切应力作用下，滑移面上的刃 型位错运动遇到障碍，产生塞积，在 位错前端产生高的应力，诱发裂纹。 •位错反应模型（Cottrell） ——位于两个{110}面上的 a/2[111]滑移位错在两面的 交线处发生位错反应产生 a[001]位错，大量的a[001] 位错塞积导致微裂纹萌生。
断裂是工程事故中最严重的失效形式，严重影响 整个系统的安全运行，会造成巨大的经济损失，产生 灾难性的后果。 因此，对断裂问题开展研究，确定断裂失效模式， 分析断裂事故发生的原因，并进而提出有效预防措施， 以避免类似事件的再度发生，对于工程应用具有非常 重要的现实意义。 断裂是材料在一定应力状态下所表现出的特定力 学行为，断裂的发生既与构件的受力状态有关，又与 制作构件材料的自身特性有关。 •断裂力学——从力学角度出发，研究断裂发生的力学 条件，进而建立断裂判据。 •材料学——材料自身特性及组织结构 •断裂物理——裂纹萌生和扩展机制及其影响因素
(a)解理台阶的形成方式 ——通过次生解理或撕裂的方式形成台阶
（a） （b） （c） 图6-6 通过二次解理或撕裂方式形成解理台阶示意图
——解理裂纹与螺位错相交割所形成的台阶
b1
B D D S B
b2
C
b2
A
A
C
(a)
(b)
解理台阶的形成过程示意图 (a) 裂纹AB向螺位错CD扩展，(b) 裂纹与螺位错 CD交割形成台阶
断口上观察到韧窝并不意味该材料发生了韧性断裂 ——韧窝的存在，只说明材料在局部微小区域内曾发生过剪切 变形，变形可能只局限于断裂路径所经过的很小体积内，即断 口两侧的微观区域内，至于在宏观区域内材料是否表现为有很 大的塑性并不能由此而定。 沿晶断裂的断口表面 上虽然存在微观塑性变形 所形成的韧窝，但是宏观 表现仍然为脆性断裂。
因此，完全脆性断裂和完全韧性断裂是较少见的， 通常情况下是兼备二者特征的混合型断裂。
2、按照引起断裂的应力类型及断裂面与应力取向关系划分 • 正断型断裂
——由正应力引起的，断裂面取向与最大正应力方
向垂直。
• 切断型断裂
——由切应力引起的，断裂面平行于最大切应力或
最大切应变方向，与最大主应力方向呈45º 交角。
沿晶断裂通常是宏观脆性的， 穿晶断裂则既可以是宏观塑性的， 也可以是宏观脆性的。
4、从致断原因角度分类 在工程实际中，构件的断裂行为与材料自身及外 界条件密切相关，出于研究方便，更多的是从致断原 因角度出发，将断裂失效划分为 • 疲劳断裂 • 蠕变断裂 • 应力腐蚀断裂 • 氢脆 • 腐蚀疲劳断裂等
正断可能是脆性的，也可能是韧性的，而切断一 般总是韧性的。
单向拉伸断裂的几种断口形貌
正断型断口
切断型断口
混合型断口
3、按照裂纹扩展路径进行分类（多晶体材料） • 沿晶断裂 ——裂纹沿着晶界或相界扩展而引起的断裂 • 穿晶断裂 ——裂纹穿过晶粒或相的内部扩展而导致的断裂
铝多晶体晶粒的三维结构
镍基高温合金GH698 的蠕变断口形貌
1988年，Aloha 航空公司的一架 波音737飞机在 太平洋上空飞行 时，在没有任何 预兆的情况下， 机舱天棚洞开。
2011年04月01日，1架隶属于美国西南航空公司的波音737-300型客 机在飞行途中，机舱顶部突然“开天窗”，1.5米长的破洞导致机 舱失压，随后飞机在美国亚利桑那州一军用机场成功迫降。除一 名空乘人员因缺氧昏迷而受轻伤外，其他人安然无恙。
a b [ 1 1 1] 2
晶界/相界
s
(001)
b = a[001]
0 (1 1)
（a） （b） 图3-17 建立在位错反应基础上的（001）解理裂纹形成示意图
(1 01
a b [111] 2
s
)
2、解理裂纹的扩展 •解理裂纹的扩展必须满足一定的能量条件。 ——由于解理面一般是表面能较小的晶体学 平面，因此，裂纹优先沿着解理面扩展。
解理断裂过程中无明显塑性变形，为脆性断裂，是 穿裂机理，脆性断裂代表的是断裂过 程中吸收能量的多少，或者是断裂前是否存在明显的宏 观塑性变形。
(2)剪切断裂的特点 •纯剪切断裂 ——由于纯滑移流变造成断裂
• 微孔聚合性剪切断裂 ——在塑性变形过程中微孔形核、长大、聚合导致材料分离。 工程结构中所用的金属材料大多为多晶 结构，材料中大都含有与基体性质不同的夹 杂物或者第二相，在塑性变形过程中，由于 变形协调能力的差异，在晶界、相界处极易 萌生微裂纹，在应力集中的作用下，微裂纹 尖端发生塑性变形，产生钝化形成微孔，断 裂后形成微坑或韧窝。
河流的流向恰好与裂纹扩展 方向一致。所以根据河流花样的 流向，可判断解理裂纹在微区内 的扩展方向。
(c)舌状花样 解理裂纹与孪晶交割产生，是孪晶在断口上的露头。
图6-12 舌状花样微观形貌 TEM24000×
舌状花样的形成与解理裂纹沿形变孪晶与基体之间的界面扩 展有关，是解理裂纹扩展遇到孪晶与基体的界面时裂纹改变走向 后形成的。
二、断裂的微观机制
• 解理断裂 ——材料在正应力的作用下，由于原子 间键合遭到破坏而产生的一种穿晶断裂。 • 剪切断裂 ——金属材料在切应力的作用下，沿滑 移面分离而造成的断裂现象。
s
解理面
s
t
滑移面
（1）解理断裂的特点 材料以极快的速率沿着特定晶体学平面而产生的穿晶断裂， 这种特定的晶体学平面称为解理面。 解理面一般是表面能量最小的晶面，且往往是低指数的晶面。 解理断裂常在体心立方和密排六方金属及合金中发生。
§3-1 断裂分类及断裂机制
断裂失效是一个十分复杂的物理、化学和力学过 程，即使是同一种材料，在不同的服役条件下会有不 同的断裂失效形式。
力学状态图示意
一、断裂分类
1、根据断裂时宏观变形量的大小划分 • 韧性断裂 ——断裂前材料发生明显的宏观塑性变形，又叫延性 断裂或塑性断裂，比较容易引起人们的注意，如果及早 采取相关措施，可以避免断裂危害的发生。 危害性相对较小，即使发生破断，也不会产生大量 碎片，危及周围的设备及人员。
锌单晶的滑移变形
韧窝的形状取决于应力状态和断裂方式
（a） （b） （c） 图4-26 三种应力作用下韧窝形成示意图 （a）等轴韧窝；（b）剪切韧窝；（c）撕裂韧窝
（a） （b） 图6-16不同类型韧窝的扫描电子形貌（3500×） （a）等轴韧窝，（b）抛物线韧窝
韧窝大小及深浅与第二相的数量、分布以及基体的塑性变形 能力与加工硬化能力密切相关。如果第二相粒子大小均一、分布 均匀，则形成韧窝的尺寸也较为均匀一致；反之，如果第二相粒 子大小不一，则最终形成的韧窝尺寸也存在显著差别。
2、微孔聚合型断裂的裂纹长大 ——微孔形成后，依靠第二相粒子周围金属的塑性变形而长大。
解理断口的基本微观特征是台阶、河流花样、舌状花样等
（a） （b） 图6-5 B2结构Fe3Al真空室温拉伸试样的断口形貌 (a) 单晶试样断口形貌，(b) 多晶试样断口形貌