材料加工形态学之复合材料断裂形貌分析(ppt 55页)
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材料加工形态学之复合材料断裂形貌分析(ppt 55页)
Yikuo, et al.研究了PEI增韧TGDDM /DDS、Epikote828 /DEA2PA、TGAP /DAP、MY0510 /DDS及HPT1071 /HPT1061M 等环氧树脂材料, 对改性前后的相态结构和 力学性能进行了分析比较, 证实P I及其改性物对环氧树 脂进行改性是制备一种兼具韧性、刚性、热稳定性于一 体的材料的新途径。掌握好分散相的分布、尺寸以及与 基质间的化学或极性相互作用,是使改性达到最佳效果 的关键。
PEI 改性环氧树脂KIC和GIC随PEI 质量分数的变化关系
(c) 裂纹慢速扩展断面
(a)表现出的脆性断裂形貌。(b)左半边是断裂韧性试样断面的快速扩展区,右半 边是慢速扩展区,它们的微观形貌有很大的不同.(c)展示的是裂纹尖端区在所受 张力接近临界裂纹扩展力时,基体发生了形变所呈现出的韧性断裂形貌。
滑石粉粒子填充环氧体系各种性能测试结果
偶联剂处理的二氧化硅粒子填充的环氧体系各种性能测试结果
复合材料断裂形貌分析
图5 改性前后CYD128 的冲击断面图 图5a为纯环氧树脂冲击断面扫描电镜图, 其断面光滑, 裂纹方向单一, 呈 直线扩展, 呈现明显的脆性断裂特征; 图5b为改性环氧树脂的冲击断面扫描 电镜, 断面出现大小不一的韧窝, 是典型的韧性破坏。
刚性粒子增韧环氧树脂
通过选用强度差的滑石粉及强度高的二氧化硅填充改性环氧树脂,后者并分别 用脱模剂和偶联剂进行处理,对上述材料的断裂韧性及其他主要性能以及粒子 与基体间的界面情况进行了研究。实验结果表明:刚性粒子能够提高环氧树脂 的断裂韧性,滑石粉和经脱模剂处理的二氧化硅粒子具有与弹性粒子相类似的 增韧机理。
a) E56/ PSF/ DDS; b) E51/ PSF/ DDS; c) E42/ PSF/ DDS;
材料加工形态学之复合材料断裂形貌分析
Nano-SiO2/ E2442MeTHPA体系的力学性能（未加偶联剂）
从图中可看出,复合材料的力学性能随nano2SiO2 添加量的增多先变优后变 劣,当nano-SiO2/ E244 为3/ 100 (质量比) 时, 复合材料冲击强度、拉伸强度 的极大值分别为11. 8 kJ / m2 、47. 1 MPa ,与基体相比,复合体系冲击强度 提高了39 % ,拉伸强度提高了21 %。
nano-SiO2/ E244/ MeTHPA/ A858体系的力学性能（加偶联剂）
加有偶联剂的复合体系冲击强度、拉伸强度的极大值分别为19. 0 kJ /m2 、50. 8 MPa ,比基体分别提高了124 %和30 %。显然,用偶联剂处理的nano-SiO2 比未用偶 联剂处理的nano-SiO2 有更好的增韧增强作用。这说明所用硅烷偶联剂增强了 Nano-SiO2 和环氧树脂间的界面结合,有助于nano-SiO2 在基体树脂中的分散。
环氧树脂/ 蒙脱石复合材料力学性能与蒙脱石含量的关系
当蒙脱石含量为3 %时, 冲击强度由纯树脂的4117 kJ / m2提高至6170 kJ / m2 ; 拉伸 强度由纯树脂的4116 MPa提高至4615 MPa ,如图所示。由此可得,少量蒙脱石的加 入,由于纳米尺寸效应,同时起到了增强增韧的作用。
价格低廉的硫酸钙晶须对环氧树脂的性能影响,发现硫酸钙晶须加 入到环氧树脂中,能够均匀分散,起到骨架作用,辅以适量的硅烷偶 联剂固化后形成聚合物- 纤维复合材料,内聚强度大为提高,表现出 强固和坚韧的特性。
硫酸钙晶须对环氧树脂的性能影响
Gail, et al. 采用有机蒙脱石改性环氧树脂,利用插层复合技术制备出了纳米级的 环氧树脂/ 蒙脱石复合材料。研究结果表明:抗冲击强度提高了67 % ,拉伸强度 提高了78 %,热变形温度也提高了87 ℃。
材料的断裂性能课件
式中： Y为裂纹形状系数，取决于裂纹的类型。 KI的脚标表示I型裂纹，同理， KⅡ 、KⅢ表示Ⅱ型和Ⅲ
型裂纹的应力强度因子。
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三、断裂韧度KIc和断裂K判据
✓K1 是描述裂纹尖端应力场强度的一个力学参量。单位为 MPa ·m1/2或KN·m-3/2 ，当应力 σ和裂纹尺寸a单独或同时增 大时， KⅠ 和裂纹尖端的各应力分量也随之增大。 ✓当应力σ或裂纹尺寸a增大到临界值时，也就是在裂纹尖 端足够大的范围内，应力达到了材料的断裂强度，裂纹便 失稳扩展而导致材料的断裂，这时KⅠ 也达到了一个临界值， 这个临界或失稳状态的KⅠ记为KⅠc或KC ，称之为断裂韧度 。
GⅠ>G
Ⅰc
18
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冬 4-3影响材料断裂韧度的因素
一、化学成分、组织结构对断裂韧度的影响
对于金属材料、非金属材料、高分子材料和复合材料， 化学成分、基体相的结构和尺寸、第二相的大小和分布都将 影响其断裂韧度，并且影响的方式和结果既有共同点，也有 差异之处。除金属材料外，对其他材料的断裂韧度的研究还 比较少。
11
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✓材料的KIC或Kc越高，则裂纹体断裂时的应力或裂纹 尺寸就越大，表明越难断裂。所以， KIC和Kc表示材料 抵抗断裂的能力。 ✓KIC为平面应变断裂韧度，表示材料在平面应变状态 下抵抗裂纹失稳扩展的能力；而Kc为平面应力断裂韧 度，表示材料在平面应力状态下抵抗裂纹失稳扩展的 能力。显然， 同一材料的Kc＞KIc。
➢对于陶瓷材料和复合材料，目前常利用适当的第二相提高其断 裂韧度， 第二相可以是添加的，也可以是在成型时自蔓延生成的 。 如在SiC、SiN陶瓷中添加碳纤维，或加入非晶碳，烧结时自蔓 延生成碳晶须，可以使断裂韧度提高。
型裂纹的应力强度因子。
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三、断裂韧度KIc和断裂K判据
✓K1 是描述裂纹尖端应力场强度的一个力学参量。单位为 MPa ·m1/2或KN·m-3/2 ，当应力 σ和裂纹尺寸a单独或同时增 大时， KⅠ 和裂纹尖端的各应力分量也随之增大。 ✓当应力σ或裂纹尺寸a增大到临界值时，也就是在裂纹尖 端足够大的范围内，应力达到了材料的断裂强度，裂纹便 失稳扩展而导致材料的断裂，这时KⅠ 也达到了一个临界值， 这个临界或失稳状态的KⅠ记为KⅠc或KC ，称之为断裂韧度 。
GⅠ>G
Ⅰc
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冬 4-3影响材料断裂韧度的因素
一、化学成分、组织结构对断裂韧度的影响
对于金属材料、非金属材料、高分子材料和复合材料， 化学成分、基体相的结构和尺寸、第二相的大小和分布都将 影响其断裂韧度，并且影响的方式和结果既有共同点，也有 差异之处。除金属材料外，对其他材料的断裂韧度的研究还 比较少。
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✓材料的KIC或Kc越高，则裂纹体断裂时的应力或裂纹 尺寸就越大，表明越难断裂。所以， KIC和Kc表示材料 抵抗断裂的能力。 ✓KIC为平面应变断裂韧度，表示材料在平面应变状态 下抵抗裂纹失稳扩展的能力；而Kc为平面应力断裂韧 度，表示材料在平面应力状态下抵抗裂纹失稳扩展的 能力。显然， 同一材料的Kc＞KIc。
➢对于陶瓷材料和复合材料，目前常利用适当的第二相提高其断 裂韧度， 第二相可以是添加的，也可以是在成型时自蔓延生成的 。 如在SiC、SiN陶瓷中添加碳纤维，或加入非晶碳，烧结时自蔓 延生成碳晶须，可以使断裂韧度提高。
复合材料的断裂和韧性ppt课件
• 复合材料应用断裂力学的实质是在材料含 有缺口、缺陷或其它大于纤维直径的设计 特征的情况下，寻求一个只与材料宏观行 为有关的断裂准则。
• 由于若界面结合可以大幅度改变复合材料 的断裂行为，而且裂纹扩展模式也似乎不 符合断裂力学应用条件，但实验结果表明 断裂力学方法可以有限地应用于纤维增强 复合材料。
压缩破坏
复合材料性能测试
三点弯曲
复合材料性能测试
三点弯曲破坏
复合材料性能测试
四点弯曲
复合材料性能测试
扭转实验
复合材料性能测试
压缩测试
复合材料性能测试
压缩测试
复合材料性能测试
DCB
a=12.7~50mm, NASA\ASTM 50mm L=80~200mm, B=20~30mm,h=3~10mm
以上过程从纤维/基体/复合材料的应力应变曲线中也可看出
σms—基体屈服应力； σ*—基体中应变量为εfu时的应力； σ* *—基体应变量εLu时的应力； σLu—复合材料纵向抗拉强度； σfs—纤维屈服应力；
εfu—纤维断裂应变； εfu—复合材料断裂应变
可以看出，
•复合材料的应力－应变曲线处于纤维和基体的应力－应变曲 线之间。 • 复合材料应力－应变曲线的位置取决于纤维的体积分 数。 • 如果纤维的体积分数越高，复合材料应力－应变曲线越接 近纤维的应力－应变曲线； • 反之，当基体体积分数高时，复合材料应力-应变曲线则接 近基体的应力－应变曲线。
1、首先，由于纤维刚度高，使基体开裂无法进一步扩大；
2、其次，纤维强度高，不会被集中在基体裂纹尖端的应力所拉断，因此纤维可 有效 地阻止裂纹扩展（如2）
3、若作用在纤维/基体界面的局部剪应力足够高而使纤维局部脱粘，裂纹会进一 步开裂；
• 由于若界面结合可以大幅度改变复合材料 的断裂行为，而且裂纹扩展模式也似乎不 符合断裂力学应用条件，但实验结果表明 断裂力学方法可以有限地应用于纤维增强 复合材料。
压缩破坏
复合材料性能测试
三点弯曲
复合材料性能测试
三点弯曲破坏
复合材料性能测试
四点弯曲
复合材料性能测试
扭转实验
复合材料性能测试
压缩测试
复合材料性能测试
压缩测试
复合材料性能测试
DCB
a=12.7~50mm, NASA\ASTM 50mm L=80~200mm, B=20~30mm,h=3~10mm
以上过程从纤维/基体/复合材料的应力应变曲线中也可看出
σms—基体屈服应力； σ*—基体中应变量为εfu时的应力； σ* *—基体应变量εLu时的应力； σLu—复合材料纵向抗拉强度； σfs—纤维屈服应力；
εfu—纤维断裂应变； εfu—复合材料断裂应变
可以看出，
•复合材料的应力－应变曲线处于纤维和基体的应力－应变曲 线之间。 • 复合材料应力－应变曲线的位置取决于纤维的体积分 数。 • 如果纤维的体积分数越高，复合材料应力－应变曲线越接 近纤维的应力－应变曲线； • 反之，当基体体积分数高时，复合材料应力-应变曲线则接 近基体的应力－应变曲线。
1、首先，由于纤维刚度高，使基体开裂无法进一步扩大；
2、其次，纤维强度高，不会被集中在基体裂纹尖端的应力所拉断，因此纤维可 有效 地阻止裂纹扩展（如2）
3、若作用在纤维/基体界面的局部剪应力足够高而使纤维局部脱粘，裂纹会进一 步开裂；
金属材料的断裂和断裂韧性课件PPT
有撕裂棱，河流花样不明显
撕裂棱的形成过程示意图
19
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。
27
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
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。
27
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
第5章材料的断裂ppt课件
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
10
（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。
3）解理断裂
27
2）解理断裂：
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。
解理断裂常见于:体心立方（bcc）和密排六方（hcp)金属中。
解理面：一般是低指数面或表面能最低的晶面。
晶体结构 bcc（体心立方）
一、断裂的类型
2
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。
3）撕裂韧窝： 在拉、弯应力联合作用下，微
孔在拉长、长大时同时被弯曲， 形成两匹配断口上方向相反的 撕裂韧窝。 （三点弯曲、冲击韧断试样）
26
韧窝的大小(直径和深度)决定于： 1）第二相质点的大小和密度。
第二相密度增大或其间距减小，则韧窝尺寸减小。 2）基体材料塑变能力和应变硬化指数。
18
（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。
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。
3）解理断裂
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2）解理断裂：
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。
解理断裂常见于:体心立方（bcc）和密排六方（hcp)金属中。
解理面：一般是低指数面或表面能最低的晶面。
晶体结构 bcc（体心立方）
一、断裂的类型
2
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。
3）撕裂韧窝： 在拉、弯应力联合作用下，微
孔在拉长、长大时同时被弯曲， 形成两匹配断口上方向相反的 撕裂韧窝。 （三点弯曲、冲击韧断试样）
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韧窝的大小(直径和深度)决定于： 1）第二相质点的大小和密度。
第二相密度增大或其间距减小，则韧窝尺寸减小。 2）基体材料塑变能力和应变硬化指数。
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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。
断口形貌特征ppt课件
精品课件
10
2）电子显微镜断口分析技术
1.透射电镜技术
通常断口凹凸不平，通过复型，利用电子束从样品中透射的电子成象，透射电镜 可以得到高分辨率的电子图象，研究断口的形貌特征。常用倍率为×2000-×30000 ）。
2.扫描电镜技术
扫描电镜利用电子束在样品表面上扫描，引起二次电子发射，经放大成象。扫描 电镜不必复型，可直接观察较大的样品。能清晰显示出样品的凹凸形貌特征。在同 一位置可用不同倍率连续放大观察（数十至上万倍）。取样不方便时，也可采用复 型技术。
各种观察手段结合可以得到较好的结果。
精品课件
11
（金）200:1
（扫）500:1
（透）10000:1
（扫）2000:1
凹处暗，凸处亮。 精品课件
12
感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络， 如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！
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解理断口的结晶面呈无规则取向，有闪闪发光特征。称发光的小平面为小刻面。 解理断口的另一特征是具有人字状条纹或放射状条纹。容易判断裂源和扩展方向。
精品课件
6
3.滑移分离 滑移分离断口就是剪切断口，与剪切唇相同。断口倾斜，呈 角。
45
精品课件
7
4.疲劳断裂 疲劳断口一般可划分三个不同区域：平滑区和“年轮”条纹区和瞬断区。
材料由于激烈的局部塑性变形引起的断裂称韧窝断裂或韧性断裂。
韧窝断裂断口的宏观特征是具有纤维状和剪切唇标记。 纤维状呈现凹凸不平的宏观外貌。 剪切唇形貌区域呈现倾斜断面，往往在断口边缘出现。
精品课件
5
2.解理断裂 晶体材料受拉应力使晶体沿一定的结晶学平面发生分离的过程称解理断裂，断
材料力学第一章(三) 材料的断裂ppt课件
（1）通过调整材料受应力状态，如将金属材料改拉为扭，以增大切应力与 正应力比值（ q 值）。 （2）添加弥散分布的第二相（合金元素），使晶粒细化，降低钉扎效应。 （3）尽可能远离腐蚀、应力等外环境，避免腐蚀或应力诱导裂纹扩展。 （4）通过晶须或纤维增韧机制，阻碍裂纹扩展
22
三、 课外习题
（1）T10：简述韧性断裂和脆性断裂的区别（概念、典型特征） ，为什么脆性断裂最危险？或简述按不同方式划分的各种断裂类型 的典型特征？ （2）试从金属材料屈服时产生解理断裂的的判据公式，简述降低 金属材料的脆性取向。
解理台阶、河流花样，还有舌状花样是解理断裂的基本微观特征。
13
解理台阶
河流花样\舌状花样
舌状花样
解理台阶/河流花样
14
（2）准解理
当裂纹在晶粒内扩展时，难于严格地沿一定晶体学平面扩展。断裂路径不再与晶 粒位向有关，而主要与细小碳化物质点有关。其微观形态特征，似解理河流但又非真 正解理，故称准解理
断裂机理
（1）在一定条件下（如低温），当外加应力达到一 解理断裂 定数值后，以极快速率沿着一定晶体学平面产生 的穿晶断裂。 （2）无明显塑性变形，为典型的脆性断裂 （3）解理面一般是低指数晶面或表面能最低的界面。 （4）微观特征：解理台阶、河流花样、舌状花样 正断型断裂 （1）断裂面垂直于最大切压力 方向 （2）如解理断裂 断裂面的 取 向 或 作 切断型断裂 （1）断裂面平行于最大切应力方向，与最大正应力 用力方式 方向约成45oC
10
2 G s 裂纹解理断裂扩展临界条件（判据）： c ky d
（对位错塞积和位错反应理论均适用）
σc ：裂纹长度相当于长度d的裂纹扩展时的临界应力，或断裂强度 G ：切变模量 γs ：表面能 d : 晶粒直径 ky ：钉扎常数（位错被钉扎越强， ky 越大，越容易出现解理断裂）
22
三、 课外习题
（1）T10：简述韧性断裂和脆性断裂的区别（概念、典型特征） ，为什么脆性断裂最危险？或简述按不同方式划分的各种断裂类型 的典型特征？ （2）试从金属材料屈服时产生解理断裂的的判据公式，简述降低 金属材料的脆性取向。
解理台阶、河流花样，还有舌状花样是解理断裂的基本微观特征。
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解理台阶
河流花样\舌状花样
舌状花样
解理台阶/河流花样
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（2）准解理
当裂纹在晶粒内扩展时，难于严格地沿一定晶体学平面扩展。断裂路径不再与晶 粒位向有关，而主要与细小碳化物质点有关。其微观形态特征，似解理河流但又非真 正解理，故称准解理
断裂机理
（1）在一定条件下（如低温），当外加应力达到一 解理断裂 定数值后，以极快速率沿着一定晶体学平面产生 的穿晶断裂。 （2）无明显塑性变形，为典型的脆性断裂 （3）解理面一般是低指数晶面或表面能最低的界面。 （4）微观特征：解理台阶、河流花样、舌状花样 正断型断裂 （1）断裂面垂直于最大切压力 方向 （2）如解理断裂 断裂面的 取 向 或 作 切断型断裂 （1）断裂面平行于最大切应力方向，与最大正应力 用力方式 方向约成45oC
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2 G s 裂纹解理断裂扩展临界条件（判据）： c ky d
（对位错塞积和位错反应理论均适用）
σc ：裂纹长度相当于长度d的裂纹扩展时的临界应力，或断裂强度 G ：切变模量 γs ：表面能 d : 晶粒直径 ky ：钉扎常数（位错被钉扎越强， ky 越大，越容易出现解理断裂）
断口形貌分析课件
制造工艺。
定量断口形貌分析技术
总结词
定量断口形貌分析技术通过数学和物理模型对断口形貌进行定量描述，为断裂力学的理论研究提供有力支持。
详细描述
定量断口形貌分析技术利用数学和物理模型对断口表面的微观结构进行定量描述，如表面粗糙度、裂纹扩展路径 等。这些定量数据可以帮助科学家更好地理解断裂过程的动力学和热力学机制，为断裂力学的理论研究提供有力 支持。此外，这些数据还可以用于比较不同材料的断裂行为，为材料性能的优化提供指导。
断口形貌分析的步骤和方法
观察和记录断口形貌
通过目视或显微镜观察断口形貌，记录其特征和变化规律。
分析和解释断口形貌
根据观察结果，结合相关理论和实践经验，对断口形貌进行分析和 解释，推断断裂的原因和机制。
制定改进措施
根据断口形貌分析的结果，制定相应的改进措施，优化材料、工艺 和产品设计，提高产品的可靠性和性能。
。
THANKS
裂纹扩展形成的。
断口表面较为粗糙，疲劳辉 纹间距较窄，呈直线或曲线 状分布，有时呈扇形或人字
形扩展。
疲劳断裂的断口形貌可能存在 明显的应力集中点或缺口效应 ，这些区域容易引发微裂纹的
萌生和扩展。
04
断口形貌分析的应用
金属材料的断细描述
揭示金属材料的断裂机制和性能特点
通过对金属材料断口的形貌进行观察和分析，可以了解其断裂机制， 如韧性断裂、脆性断裂等，以及材料的力学性能、冶金缺陷和加工工 艺对断裂的影响。
脆性断裂的断口形貌特征
1
脆性断裂的断口形貌通常呈现为结晶状，无明显 塑性变形，断口平齐，有时呈放射状。
2
断口表面较为光滑，有时出现冰糖块状晶体，这 表明材料在断裂前未发生明显的塑性变形。
定量断口形貌分析技术
总结词
定量断口形貌分析技术通过数学和物理模型对断口形貌进行定量描述，为断裂力学的理论研究提供有力支持。
详细描述
定量断口形貌分析技术利用数学和物理模型对断口表面的微观结构进行定量描述，如表面粗糙度、裂纹扩展路径 等。这些定量数据可以帮助科学家更好地理解断裂过程的动力学和热力学机制，为断裂力学的理论研究提供有力 支持。此外，这些数据还可以用于比较不同材料的断裂行为，为材料性能的优化提供指导。
断口形貌分析的步骤和方法
观察和记录断口形貌
通过目视或显微镜观察断口形貌，记录其特征和变化规律。
分析和解释断口形貌
根据观察结果，结合相关理论和实践经验，对断口形貌进行分析和 解释，推断断裂的原因和机制。
制定改进措施
根据断口形貌分析的结果，制定相应的改进措施，优化材料、工艺 和产品设计，提高产品的可靠性和性能。
。
THANKS
裂纹扩展形成的。
断口表面较为粗糙，疲劳辉 纹间距较窄，呈直线或曲线 状分布，有时呈扇形或人字
形扩展。
疲劳断裂的断口形貌可能存在 明显的应力集中点或缺口效应 ，这些区域容易引发微裂纹的
萌生和扩展。
04
断口形貌分析的应用
金属材料的断细描述
揭示金属材料的断裂机制和性能特点
通过对金属材料断口的形貌进行观察和分析，可以了解其断裂机制， 如韧性断裂、脆性断裂等，以及材料的力学性能、冶金缺陷和加工工 艺对断裂的影响。
脆性断裂的断口形貌特征
1
脆性断裂的断口形貌通常呈现为结晶状，无明显 塑性变形，断口平齐，有时呈放射状。
2
断口表面较为光滑，有时出现冰糖块状晶体，这 表明材料在断裂前未发生明显的塑性变形。
复合材料的断裂和韧性46页PPT
复合料的断裂和韧性
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
第三章材料的断裂分析报告.ppt
第三章材料的断裂分析报告.ppt第三章材料的断裂一、断裂概述二、断裂机理三、断裂韧度断裂：固体材料在力的作用下变形超过其塑性极限而呈现完全分开的状态称为断裂．材料受力时，原子相对位置发生了改变，当局部变形量超过一定限度时，原于间结合力遭受破坏，使其出现了裂纹，裂纹经过扩展而使金属断开。
材料的断裂是力对材料作用的最终结果，它意味着材料的彻底失效．因材料断裂与其他失效方式（如磨损、腐蚀等）相比危害性最大，可能出现灾难性的后果．因此，研究材料断裂的宏观与微观特征、断裂机理、断裂的力学条件，以及影响材料断裂的各种因素不仅具有重要的科学意义，而且也有很大的实用价值．金属塑性的好坏表明了它抑制断裂能力的高低。
在塑性加工生产中，尤其对塑性较差的材料，断裂常常是引起人们极为关注的问题。
加工材料的表面和内部的裂纹，以至整体性的破坏皆会使成品率和生产率大大降低。
为此，有必要了解断裂的物理本质及其规律，有效地防止断裂，尽可能地发挥金属材料的潜在塑性。
1、断裂的类型（一）、断裂分类⑴ 按照断裂性态分：断裂分为脆性断裂与韧性断裂；⑵ 按照裂纹扩展途径分：穿晶断裂和沿晶（晶界）断裂；⑶ 按照微观断裂机理分：解理断裂、微孔聚合断裂和剪切断裂；⑷ 按作用力的性质分:正断和切断（二）关于各种断裂⑴ 韧性断裂与脆性断裂最常用，直接表明材料的韧、脆性。
韧性断裂：是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程．韧性断裂的特点：Ⅰ?韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大量塑性变形能．Ⅱ?韧性断裂的断口用肉眼或放大镜观察时，往往呈暗灰色、纤维状．纤维状是变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成的，而灰暗色则是纤维断口表面对光反射能力很弱所致。
Ⅲ??不易造成重大事故，易被人察觉一些塑性较好的金属材料及高分子材料在室温下的静拉伸断裂具有典型的韧性断裂特征．脆性断裂：是材料断裂前基本。
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复合材料断裂形貌分析
图5 改性前后CYD128 的冲击断面图 图5a为纯环氧树脂冲击断面扫描电镜图, 其断面光滑, 裂纹方向单一, 呈 直线扩展, 呈现明显的脆性断裂特征; 图5b为改性环氧树脂的冲击断面扫描 电镜, 断面出现大小不一的韧窝, 是典型的韧性破坏。
刚性粒子增韧环氧树脂
通过选用强度差的滑石粉及强度高的二氧化硅填充改性环氧树脂,后者并分别 用脱模剂和偶联剂进行处理,对上述材料的断裂韧性及其他主要性能以及粒子 与基体间的界面情况进行了研究。实验结果表明:刚性粒子能够提高环氧树脂 的断裂韧性,滑石粉和经脱模剂处理的二氧化硅粒子具有与弹性粒子相类似的 增韧机理。
价格低廉的硫酸钙晶须对环氧树脂的性能影响,发现硫酸钙晶须加 入到环氧树脂中,能够均匀分散,起到骨架作用,辅以适量的硅烷偶 联剂固化后形成聚合物- 纤维复合材料,内聚强度大为提高,表现出 强固和坚韧的特性。
硫酸钙晶须对环氧树脂的性能影响
Gail, et al. 采用有机蒙脱石改性环氧树脂,利用插层复合技术制备出了纳米级的 环氧树脂/ 蒙脱石复合材料。研究结果表明:抗冲击强度提高了67 % ,拉伸强度 提高了78 %,热变形温度也提高了87 ℃。
SiO2/ EP/ 固化剂体系的力学性能和热性能
以经偶联剂表面处理后的纳米二氧化钛( TiO2 ) 为填料与EP 共混进行增韧增强改性, 当填料质量分数为3 %时,EP/ TiO2 纳米复合材料的拉伸弹性模量较EP提高370 % , 拉伸强度提高44 % , 冲击强度提高878 %,其他性能也有明显提高
EP/ TiO2 纳复合材料的力学性能
刘竟超等研究了纳米SiO2 在偶联剂的作用下较均匀地分散于环氧树脂基体中, 有效地增加了环氧树脂的强度及韧性,并提高了环氧树脂的耐热性。
Nano-SiO2/ E244 = 3/ 100 (质量比)
(a) nano-SiO2/ E244/ MeTHPA 体系SEM 照片
(c) 裂纹慢速扩展断面
(a)表现出的脆性断裂形貌。(b)左半边是断裂韧性试样断面的快速扩展区,右半 边是慢速扩展区,它们的微观形貌有很大的不同.(c)展示的是裂纹尖端区在所受 张力接近临界裂纹扩展力时,基体发生了形变所呈现出的韧性断裂形貌。
滑石粉粒子填充环氧体系各种性能测试结果
偶联剂处理的二氧化硅粒子填充的环氧体系各种性能测试结果
Nano-SiO2/ E2442MeTHPA体系的力学性能（未加偶联剂）
从图中可看出,复合材料的力学性能随nano2SiO2 添加量的增多先变优后变 劣,当nano-SiO2/ E244 为3/ 100 (质量比) 时, 复合材料冲击强度、拉伸强度 的极大值分别为11. 8 kJ / m2 、47. 1 MPa ,与基体相比,复合体系冲击强度 提高了39 % ,拉伸强度提高了21 %。
从表可以看出,滑石粉、二氧化硅粒子都能够大幅度地提高环氧树脂的断裂韧性, 尤其是滑石粉粒子增韧效果。还表明了刚性粒子增韧的环氧树脂,其冲击韧性都 没有太大的变化,基本上与纯环氧树脂接近。这是因为热固性树脂是交联体系,产 生形变的难度较大。
采用超声波分散和硅烷偶联剂处理的方法使纳米SiO2 粒子在EP 中充分分散, 制得了SiO2/ EP 纳米复合材料,大大提高了EP 的力学性能和热稳定性,具体见下表
Fu, et al.利用改性蒙脱土制备粘土/ 环氧树脂纳米复合材料,并对材料的结 构和性能进行测试和表征。结果表明,少量蒙脱土的加入可以较大地提高 材料的力学性能和耐热性能,对环氧树脂同时起到了增韧增强的作用。
A858/ nano-SiO2 = 5/ 100
(b) nano-SiO2/ MeTHPA/ A858 体系的SE M照片
相比之下,图(a) 中nano-SiO2 的聚集态较大,体系受力后产 生的微裂纹和微孔穴较少。这也说明了偶联剂可促使nanoSiO2 与环氧树脂之间的界面结合,有利于nano-SiO2在环氧 树脂中的分散,提高了它对环氧树脂的改性效果。
nano-SiO2/ E244/ MeTHPA/ A858体系的力学性能（加偶联剂）
加有偶联剂的复合体系冲击强度、拉伸强度的极大值分别为19. 0 kJ /m2 、50. 8 MPa ,比基体分别提高了124 %和30 %。显然,用偶联剂处理的nano-SiO2 比未用偶 联剂处理的nano-SiO2 有更好的增韧增强作用。这说明所用硅烷偶联剂增强了 Nano-SiO2 和环氧树脂间的界面结合,有助于nano-SiO2 在基体树脂中的分散。
环氧树脂/ 蒙脱石复合材料力学性能与蒙脱石含量的关系
当蒙脱石含量为3 %时, 冲击强度由纯树脂的4117 kJ / m2提高至6170 kJ / m2 ; 拉伸 强度由纯树脂的4116 MPa提高至4615 MPa ,如图所示。由此可得,少量蒙脱石的加 入,由于纳米尺寸效应,同时起到了增强增韧的作用。
蒙脱石含量对热变形温度的影响
与纯的环氧树脂相比,蒙脱石与环氧树脂复合后的热变形温度都有不同程度的提 高,在蒙脱石含量5 %时,热变形温度由纯树脂的124.2 ℃提高至132.9 ℃,然后热 变形温度略有下降,这可能是较多的蒙脱石在环氧树脂基体中分散不好所致。总 之,蒙脱石改性后的环氧树脂热变形温度有了明显提高。
滑石粉和二氧化硅粒子增韧环氧树脂断面形貌 (a) 二氧化硅(脱模剂处理) (b) 二氧化硅(偶联剂处理) (c) 滑石粉 (a) 与基体是完全剥离的,表面裸露,说明粒子与树脂基体没有任何粘合; (b) ,没有裸露的二 氧化硅粒子,见到的粒子都被树脂基体包裹着,表明粒子与树脂基体有很好的粘合。
脱模剂处理二氧化硅粒子增韧环氧树脂断面形貌 (a)裂纹快速扩展断裂面 (b) 裂纹快速扩展向慢速扩展转变的断面
环氧树脂/ 蒙脱石复合材料的储能模量 1 —纯环氧树脂 2 —添加3 %蒙脱石的复合材料
结果表明: 在玻璃态时,储能模量提高了38.78 % ( 由1196 GPa 提高至2172GPa) ; 在高弹态时, 储能模量提高了84.87 %(2318 MPa提高至4410 MPa) 。这说明有机 蒙脱石的加入使得复合材料的储能模量得到了提高,而损耗模量相对减少,尤其是 高弹态时储能模量提高更为显著。
图5 改性前后CYD128 的冲击断面图 图5a为纯环氧树脂冲击断面扫描电镜图, 其断面光滑, 裂纹方向单一, 呈 直线扩展, 呈现明显的脆性断裂特征; 图5b为改性环氧树脂的冲击断面扫描 电镜, 断面出现大小不一的韧窝, 是典型的韧性破坏。
刚性粒子增韧环氧树脂
通过选用强度差的滑石粉及强度高的二氧化硅填充改性环氧树脂,后者并分别 用脱模剂和偶联剂进行处理,对上述材料的断裂韧性及其他主要性能以及粒子 与基体间的界面情况进行了研究。实验结果表明:刚性粒子能够提高环氧树脂 的断裂韧性,滑石粉和经脱模剂处理的二氧化硅粒子具有与弹性粒子相类似的 增韧机理。
价格低廉的硫酸钙晶须对环氧树脂的性能影响,发现硫酸钙晶须加 入到环氧树脂中,能够均匀分散,起到骨架作用,辅以适量的硅烷偶 联剂固化后形成聚合物- 纤维复合材料,内聚强度大为提高,表现出 强固和坚韧的特性。
硫酸钙晶须对环氧树脂的性能影响
Gail, et al. 采用有机蒙脱石改性环氧树脂,利用插层复合技术制备出了纳米级的 环氧树脂/ 蒙脱石复合材料。研究结果表明:抗冲击强度提高了67 % ,拉伸强度 提高了78 %,热变形温度也提高了87 ℃。
SiO2/ EP/ 固化剂体系的力学性能和热性能
以经偶联剂表面处理后的纳米二氧化钛( TiO2 ) 为填料与EP 共混进行增韧增强改性, 当填料质量分数为3 %时,EP/ TiO2 纳米复合材料的拉伸弹性模量较EP提高370 % , 拉伸强度提高44 % , 冲击强度提高878 %,其他性能也有明显提高
EP/ TiO2 纳复合材料的力学性能
刘竟超等研究了纳米SiO2 在偶联剂的作用下较均匀地分散于环氧树脂基体中, 有效地增加了环氧树脂的强度及韧性,并提高了环氧树脂的耐热性。
Nano-SiO2/ E244 = 3/ 100 (质量比)
(a) nano-SiO2/ E244/ MeTHPA 体系SEM 照片
(c) 裂纹慢速扩展断面
(a)表现出的脆性断裂形貌。(b)左半边是断裂韧性试样断面的快速扩展区,右半 边是慢速扩展区,它们的微观形貌有很大的不同.(c)展示的是裂纹尖端区在所受 张力接近临界裂纹扩展力时,基体发生了形变所呈现出的韧性断裂形貌。
滑石粉粒子填充环氧体系各种性能测试结果
偶联剂处理的二氧化硅粒子填充的环氧体系各种性能测试结果
Nano-SiO2/ E2442MeTHPA体系的力学性能（未加偶联剂）
从图中可看出,复合材料的力学性能随nano2SiO2 添加量的增多先变优后变 劣,当nano-SiO2/ E244 为3/ 100 (质量比) 时, 复合材料冲击强度、拉伸强度 的极大值分别为11. 8 kJ / m2 、47. 1 MPa ,与基体相比,复合体系冲击强度 提高了39 % ,拉伸强度提高了21 %。
从表可以看出,滑石粉、二氧化硅粒子都能够大幅度地提高环氧树脂的断裂韧性, 尤其是滑石粉粒子增韧效果。还表明了刚性粒子增韧的环氧树脂,其冲击韧性都 没有太大的变化,基本上与纯环氧树脂接近。这是因为热固性树脂是交联体系,产 生形变的难度较大。
采用超声波分散和硅烷偶联剂处理的方法使纳米SiO2 粒子在EP 中充分分散, 制得了SiO2/ EP 纳米复合材料,大大提高了EP 的力学性能和热稳定性,具体见下表
Fu, et al.利用改性蒙脱土制备粘土/ 环氧树脂纳米复合材料,并对材料的结 构和性能进行测试和表征。结果表明,少量蒙脱土的加入可以较大地提高 材料的力学性能和耐热性能,对环氧树脂同时起到了增韧增强的作用。
A858/ nano-SiO2 = 5/ 100
(b) nano-SiO2/ MeTHPA/ A858 体系的SE M照片
相比之下,图(a) 中nano-SiO2 的聚集态较大,体系受力后产 生的微裂纹和微孔穴较少。这也说明了偶联剂可促使nanoSiO2 与环氧树脂之间的界面结合,有利于nano-SiO2在环氧 树脂中的分散,提高了它对环氧树脂的改性效果。
nano-SiO2/ E244/ MeTHPA/ A858体系的力学性能（加偶联剂）
加有偶联剂的复合体系冲击强度、拉伸强度的极大值分别为19. 0 kJ /m2 、50. 8 MPa ,比基体分别提高了124 %和30 %。显然,用偶联剂处理的nano-SiO2 比未用偶 联剂处理的nano-SiO2 有更好的增韧增强作用。这说明所用硅烷偶联剂增强了 Nano-SiO2 和环氧树脂间的界面结合,有助于nano-SiO2 在基体树脂中的分散。
环氧树脂/ 蒙脱石复合材料力学性能与蒙脱石含量的关系
当蒙脱石含量为3 %时, 冲击强度由纯树脂的4117 kJ / m2提高至6170 kJ / m2 ; 拉伸 强度由纯树脂的4116 MPa提高至4615 MPa ,如图所示。由此可得,少量蒙脱石的加 入,由于纳米尺寸效应,同时起到了增强增韧的作用。
蒙脱石含量对热变形温度的影响
与纯的环氧树脂相比,蒙脱石与环氧树脂复合后的热变形温度都有不同程度的提 高,在蒙脱石含量5 %时,热变形温度由纯树脂的124.2 ℃提高至132.9 ℃,然后热 变形温度略有下降,这可能是较多的蒙脱石在环氧树脂基体中分散不好所致。总 之,蒙脱石改性后的环氧树脂热变形温度有了明显提高。
滑石粉和二氧化硅粒子增韧环氧树脂断面形貌 (a) 二氧化硅(脱模剂处理) (b) 二氧化硅(偶联剂处理) (c) 滑石粉 (a) 与基体是完全剥离的,表面裸露,说明粒子与树脂基体没有任何粘合; (b) ,没有裸露的二 氧化硅粒子,见到的粒子都被树脂基体包裹着,表明粒子与树脂基体有很好的粘合。
脱模剂处理二氧化硅粒子增韧环氧树脂断面形貌 (a)裂纹快速扩展断裂面 (b) 裂纹快速扩展向慢速扩展转变的断面
环氧树脂/ 蒙脱石复合材料的储能模量 1 —纯环氧树脂 2 —添加3 %蒙脱石的复合材料
结果表明: 在玻璃态时,储能模量提高了38.78 % ( 由1196 GPa 提高至2172GPa) ; 在高弹态时, 储能模量提高了84.87 %(2318 MPa提高至4410 MPa) 。这说明有机 蒙脱石的加入使得复合材料的储能模量得到了提高,而损耗模量相对减少,尤其是 高弹态时储能模量提高更为显著。