材料性能学教案-3 材料断裂

3 材料的断裂
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.解理断裂-河流结晶状-穿晶脆断-典型
2.微孔聚集断裂---韧窝（纤维状）
3.沿晶脆断（冰糖）结晶状-多数为脆断
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。

许多安全事故由材料断裂引起
20世纪40年代美国全焊接自由轮折断，
50年代北极星导弹在实验发射时爆炸，
一系列压力容器、油罐的爆炸
大型桥梁破坏……
断裂破坏造成了巨大的生命财产损失。

只有掌握材料的断裂机理，才能采取有效的预防措施。

3.1.1 断裂类型
1.按塑性变形分：韧性断裂-脆性断裂（工程）
2.按宏观断面分：正断—切断
3.按裂纹扩展分：沿晶断裂—穿晶断裂
4.按断裂机制分：解理断裂—微孔聚合断裂---纯剪切断裂
5.按滑移机理分：单滑移---多滑移（引发）
韧（延）性断裂:
（a）单晶体塑性
材科P.172-主要是滑移（常-低温）
（b）纯铝或纯金多晶
断裂类型（书P.95）
3.1.2 断裂强度
1. σp: 比例极限，FP/A0 保持应力与应变成正比关系的最大应力。

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
4. σb：抗拉强度—断裂抗力，Fb/A0 Fb(最大)，试样拉断前承受的最大载荷
5. σk：断裂强度， Fk/Ak，Fk<Fb (最大)，国标
拉伸曲线
碳化钨钢结构硬质合金横向断裂强度的测定 GB/T 10418-2002
国标简介：碳化钨钢结硬质合金横向断裂强度的测定GB/T 10418-2002
本标准规定碳化钨钢结硬质合金材料横向断裂强度试验的试样形状、尺寸规格、试验设备和试验条件。

本标准适用于塑性变形较小的碳化钨钢结硬质合金横向断裂强度的测定。

断裂前有明显塑性变形的碳化钨钢结硬质合金材料。

在使用本标准测定时可能得不到正确的结果。

建议测定其抗拉强度。

3.1.2.1 理论断裂强度
书P.96第9行，假设：晶体--理想、完整
有缺陷吗
晶体的理论强度应由原子间结合力决定，一完整晶体在拉应力作用下，会产生位移。

建立一个模型：双原子键合受拉力而位移。

可以近似得到理论断裂强度的表达式
理论断裂强度的表达式：
σm=（Eγs/a0）1/2 (3-1-7) P.96推导
这就是理想晶体解理断裂的理论断裂强度。

a0:不受力时原子间平衡间距。

σm与比表面能γs有关
解理面往往是表面能最小的面，可由此式得到理解。

（E：杨氏模量）
实际断裂强度-理论断裂强度
目前强度最高的钢材的实际断裂强度为：4500MPa 左右比其理论值低1~3个数量级。

即实际材料的断裂强度比其理论值低1~3个数量级。

3.1.2.2 实际断裂强度
实际材料，非理想--有缺陷、裂纹
1921 Griffith 建立了Griffith 方程，理论要点有二：
第一，实际材料中有裂纹；
第二，该裂纹会失稳引起材料的脆性断裂。

试验证据：
1）Griffith 发现刚拉制玻璃棒的弯曲强度为6GPa ；而在空气中放置几小时后强度下降成为0.4GPa 。

其原因是由于大气腐蚀形成了表面裂纹。

2) 约飞等人用温水溶去氯化钠表面的缺陷，强度即由5MPa 提高到1.6×103MPa ，提高了300多倍。

3) 有人把石英玻璃纤维分割成几段不同的长度，测其强度时发现，长度为12cm 时，强度275MPa ；长度为0.6cm 时，强度可达760MPa 。

这是由于试件长，含有危险裂纹的机会就多。

1921 Griffith 从能量角度—计算实际断裂强度
正弦曲线下所包围的面积代表使金属原子完全分离所需的能量。

分离后形成两个新表面，表面能为:γs 。

3.1.2.2 实际断裂强度
σc=（2E γs/πc ）1/2 (3-1-11) P.96
2c:裂纹长度，10-2cm ； a0: 10-8cm
σc ≈10-4 σm ；c 大--- σc 小
结论：裂纹会显著降低断裂强度
实际断裂强度（书P.98）
脆性材料，Griffith 方程:（1921年研究玻璃、陶瓷得出定量的计算） 2
1⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=c E p c πγσ21)2⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=c E p s c πγγσ（21
2⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛ =
c E p c πγσ
塑性材料，Orowan奥罗万的修正：
由于单位体积塑性变形功γp>>γs
理论断裂强度-实际断裂强度的比较
σ理论=（Eγs/a0）1/2 (3-1-7)
σ实际=（2Eγs/πc）1/2 (3-1-11)
原子平衡间距：a0 ~ 10-8cm
裂纹半长度： c ~ 10-2cm
3.1.3 宏观断口
一、脆性断裂，无宏观塑性变形。

如：低碳钢圆棒在低温下拉伸。

（下图）
二、韧性断裂，如：铝光滑圆棒断口呈盆状或杯锥状。

（下图）
一、脆性断裂
1. 宏观特征：断裂前不发生塑性变形，裂纹的扩展速度很快，突然发生。

2. 断口形貌：断裂面与正应力垂直，断口平齐光亮，呈放射状或结晶状。

脆性断裂
波浪式断口条纹实例图
结晶状断口形貌显微图
二、韧性断裂宏观特征
韧性断裂宏观特征宏观特征：
断裂前发生明显宏观塑性变形，缓慢的撕裂过程，裂纹扩展过程中消耗能量。

韧性断裂-杯锥状断口-断口特征的三要素(重要)
断口特征的三要素--断口的三个典型区域
纤维区，放射区，剪切唇
韧断，纤维区，放射区，剪切唇
纤维区：断裂的起始区，微空洞长大—聚合形成微裂纹---微裂纹暂时稳定。

放射区：裂纹由慢而快、由稳而不稳的扩展—转化。

剪切唇：断裂的最后阶段，裂纹快速扩展。

我们居住的地球
3.1.4 断裂机制图（P.99 自学）
3.1 侧重宏观
3.2 侧重微观
3.2 断裂过程及机制
断裂一般包括下面两个基本过程：
裂纹萌生：在力的作用下生成裂纹核心
裂纹扩展：裂纹的扩张与长大
1.稳态扩展：裂纹核心扩展到临界尺寸；
2.失稳扩展：达到临界尺寸的裂纹快速扩展至断裂。

断裂过程及机理
1.解理断裂-河流结晶状-穿晶脆断-典型
2.微孔聚集断裂---韧窝（纤维状）
3.沿晶脆断（冰糖）结晶状-多数为脆断
4.韧-脆转变
3.2.1 解理断裂（书P.102）
解理断裂典型：穿晶脆性断裂。

1.发生在表面能量最小的晶面。

2.它的裂纹发展十分迅速，常
造成零件、构件灾难性的崩溃。

3.解理断裂发生在：
硅材料，陶瓷材料，
低温下的体心立方: Fe，
低温下的密排六方中: Mg
河流状花样
解理面（书P.102）
3.2.1.1 解理裂纹形核
解理裂纹萌生理论认为：在材料内部存在强障碍，阻碍位错滑移，造成不均匀塑性变形，从而导致高应力集中并诱发微裂纹形核。

三种解理裂纹形核的位错（示意图）机制
1）位错塞积机制--位错塞积导致解理断裂
最大拉应力出现在与滑移面成70.5°交角的位向上。

不能解释纯金属单晶体的解理断裂。

2）位错反应机制（自学）
相交滑移面内两位错相遇时，在能量合适时可反应合成一个新位错。

裂纹失稳扩展的临界条件：
未考虑显微组织的不均匀性对裂纹形核及扩展的影响。

3）碳化物起裂机制（自学）
位错在晶界碳化物处塞积，塞积群头部的应力集中导致碳化物开裂。

形成球状碳化物裂纹核比平板状碳化物的解理应力提高了1.6倍。

122s s r
G d k γσ−≥
3.2.1.3 解理断裂的微观断口特征：（重要）
在拉应力作用下，由于原子间的结合键遭到破坏，严格地沿一定的结晶学平面-“解理面”劈开而造成的。

解理断裂的形貌特征：河流状花样和舌形花样。

解理断裂:45钢, 正火态, 冲击试验
3.2.2 微孔聚集韧性断裂
微孔聚集断裂为剪切断裂的一种形式，微孔聚集断裂是材料韧性断裂的普遍形式，其断口在宏观上常呈现纤维状，
微断口特征花样则是端口上分布大量“韧窝”，微孔聚集断裂过程包括：微孔形核、长大、聚合直至断裂。

微孔聚集断裂
基本过程可以分为两个阶段：
空洞形核
空洞长大、连接（聚合）
是一种典型的韧性断裂
3.2.2.1 空洞形核
高纯单晶体：空洞在高密度位错区形核
高纯多晶体：空洞在三叉晶界或晶界不规则处形核
工程金属材料：空洞在夹杂物或第二相处形核。

微孔形核模型（书P.106）
位错—通过微孔扩张--裂纹—通过连接空洞扩张--断裂
3.2.2.2 空洞长大及连接
裂纹扩张连接空洞的途径有两类：
内颈缩汇合--颈缩前，长大的裂纹与空洞汇合。

剪切型-之字型-扩展-强度高时，颈缩时，沿最大剪应力方向裂纹与空洞汇合裂纹之字型扩展。

3.2.2.3 微观断口特征
微孔聚集---韧性微断口特征
韧窝
等轴韧窝剪切韧窝
3.2.3 沿晶断裂—多为脆性断裂
现象：裂纹沿晶界扩展。

原因：晶界已成为显微组织中最薄弱部位时
1）晶界上有夹杂物、第二相（自身的—本征的）
2）晶界上有杂质元素（外来的—非本征的）
3）晶界上有腐蚀性元素。

4）加工缺陷（淬火、磨削裂纹）。

断口：晶粒大，断口呈冰糖状；晶粒很细小，断口呈晶粒状。

沿晶断裂的断口：冰糖状，断口呈晶粒状，颜色较为明亮，但比纯解理断裂脆性断口灰暗些。

3.2.3 沿晶断裂--冰糖状断口
比较
a.沿晶脆断（冰糖）
b.解理脆断（河流）
c.准解理脆断 a.b.c：结晶状
d.韧窝---韧性断裂（纤维状）
实际断裂图
材料：65Mn
工艺情况：淬火、回火后酸洗、电镀。

组织说明：酸洗及电镀过程中的氢进入钢中后常沿晶界处聚集，
导致晶界脆化，形成沿晶断裂。

氢在扩散、聚集过程中留下发纹、爪状纹等特征。

氢脆断裂时在微区局部晶界上因氢损伤较轻，
故断裂时在局部区域能观察到韧窝，见图中上部区。

3.2.4 韧脆转变
韧脆转变现象—储放液氮、液氦的容器。

多数金属材料，常用中、低强度结构钢在温度低于Tc时，材料由韧性状态转变脆性状
态。

冲击吸收功下降。

TITANIC也不例外。

断裂机理：由微孔聚集型穿晶解理；
断口特征：由纤维状-韧窝结晶状。

一、材料的韧性
表示断裂前单位体积材料所吸收的变形和断裂能。

包括三部分能量：弹性变形能、塑性
变形能和断裂能。

二、材料的脆性
脆性材料的抗拉强度低，但抗压强度高，理论上抗压强度可达抗拉强度的8倍。

材料的脆性本质：
内部位错滑移困难，对裂纹的敏感度高。

三、韧性-脆性转变
1.应力状态
切应力：促进材料的塑性变形，对塑性和韧性有利。

屈服拉应力：促进材料的断裂，对塑性和韧性不利。

2. 温度和加载速度
提高温度，有利于材料的塑性变形。

提高加载速度，增加材料的变脆倾向。

断裂极限
3.材料的微观组织
屈服极限
晶粒细化既提高材料的强度，又提高它的塑性和韧性。

材料退火的意义---晶粒细化。

韧脆转变温度
随着温度的变化多数金属内部晶体结构会发生
改变，从而其韧性和脆性发生相应的变化。

低温情况：当温度下降至Tc（低温）时，本来韧性良好的金属失去了应有的韧性，变得像玻璃棒一样脆而易折。

—冷脆性。

因此在寒冷地区（如冬季的西伯利亚、南北两极）使用的钢材必须选用适应寒冷情况的种类。

TITANIC在纽芬兰东南沉没。

韧性断裂---脆性断裂（P.111，第5段）
存在一个转变温度Tc
韧性断裂：T>Tc，先有屈服然后解理断裂
是一个正常断裂过程。

拉伸有明显的缩颈现象。

脆性断裂：T< Tc，没有屈服就解理断裂
是一个反常断裂过程。

这时，材料在应力未达到强度极限时就会突然断裂，而且只产生很小的永久变形。

3.3 非金属材料的断裂（自学）
3.3.1 陶瓷材料
陶瓷断裂是典型的脆性断裂
裂纹的成核：应力集中诱发微裂纹
断口形貌：具有解理台阶和河流花样。

3.3.2 高分子材料的断裂
脆性断裂三个区域：镜面区、雾状区、粗糙区
韧性断裂：是银纹的产生、发展过程。

材料的断裂
3.4 断裂韧度
国际上发生了一系列重大的低应力脆断灾难性事故。

传统、经典理论无法解释。

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：导弹；飞机机身；造船；重载构件；高压容器
σ0.2=1400MPa 的超高强度钢，制造导弹发动机壳体，韧性指标检验合格。

点火时发生-----低应力脆断。

导弹发射现场低应力脆断事故
高压线塔，低应力脆断事故
低应力脆断
低应力脆断，特点：无征兆，骤然断裂。

低应力脆断，是指工作应力低于强度极限甚至低于屈服极限以下而发生的断裂。

类似于脆性材料的断裂特征，但材料不一定脆，断口也不一定显示出结晶状形貌。

低应力脆断，原因：是结构件在使用前就存在裂纹类宏观缺陷（P.119，第４段）。

--断裂力学的基本假设。

低温-疲劳-选材不当-导致-低应力脆断
这类现象在使用温度较低而且选材不当时，往往发生在材料存在裂纹（缺陷）的地方。

下一章的疲劳破坏也属于低应力脆断，即工作应力低于强度极限甚至低于屈服极限以下发生断裂，因此必须测定新的强度指标——持久极限（疲劳极限）。

Introduction
第一节 断裂力学概述
第二节线弹性断裂力学及断裂韧度
应力场强度因子KI 断裂韧度KIC
用KI和ＫIC的相对大小，来建立裂纹失稳扩展而脆断的判据。

沿晶断裂和穿晶断裂
断裂力学—线性—非线性
线性断裂力学
线弹性断裂力学
事故频发，传统的经典强度设计理论无法解释(材料力学-许用应力)。

急需理论上有所作为，有所突破。

这恰恰推动了---断裂力学的建立断裂力学的最初分支—线弹性断裂力学的建立。

断裂力学与葛雷菲斯，欧文Irwin。

二战前后，大量使用了高强度钢、超高强度钢，使用大型构件，全焊接件大构件内含客观裂纹。

断裂力学1921-1948年，1921葛雷菲斯实验(26岁)
陶瓷、玻璃：理论断裂强度，105兆帕；实际断裂强度，102~ 103兆帕；
1948-1957，力学---研究裂纹---断裂力学线弹性断裂理论
1957年，美国科学家G.R.Irwin（欧文）提出应力强度因子的概念, “Fracture mechanics”
1958 Proceedings of the First Symposium. on Naval Structural Mechanics
应力强度因子理论作为断裂力学的最初分支——线弹性断裂力学建立起来。

线弹性断裂力学假设：
1、构件在使用前就存在裂纹；(实际材料存在微裂纹1921 Griffith发现)
2、在脆性断裂过程中，裂纹体各部分的应力和应变处于线弹性阶段，只有裂纹尖端极小区域处于塑性变形阶段。

总之---断裂力学研究的内容。

裂纹的起裂条件。

裂纹在外部载荷和（或）其他因素作用下的扩展过程。

裂纹扩展到什么程度物体会发生断裂。

工程上，还研究含裂纹的结构在什么条件下破坏；在一定荷载下，可允许结构含有多大裂纹；在结构裂纹和结构工作条件一定的情况下，结构还有多长的寿命等。

断裂力学在理论上首先要研究的是：
3.4.1 裂纹尖端的应力场及应力强度因子
3.4.1.1 裂纹尖端附近的应力场
设有一无限大板，含有一长为2a的中心穿透裂纹，在无限远处作用着均布的双向拉应力。

线弹性断裂力学给出裂纹尖端附近任意点P(r,θ)的各应力分量的解(P.120)(3-4-3)式。

裂纹尖端附近的应力分析--对于薄对于薄板，我们关心如下参数：
对于薄板—应力分量为
3.4.1.2 裂纹尖端应力强度因子
按照线弹性断裂力学理论：
对于给定材料的裂纹前端的任意给定点其应力取决于KⅠ
（3-4-5）P.120
故称为：裂纹尖端应力强度因子，简称应力强度因子。

其中为名义应力（工程应力）。

材料确定E定；位置确定（r,θ）定
应变分量为：
应力分量为：
此时，应力取决于，我们还注意到下标Ⅰ
应力强度因子的计算: /p-49308007.html 3.4.1.3 裂纹类型
一般构件的应力强度因子
对于一般构件的裂纹体，由于构件的几何形状不同，应力强度因子KⅠ的表达式可写成：（P.120，3-4-6式）：
比较：
式中：Y为裂纹形状系数，无量纲系数。

一般取1～2。

3.4.2 断裂韧度（书P.121）
1.Ⅰ型裂纹应力场强度因子KI的一般表达式：
式中：Y为裂纹形状系数，无量纲系数。

一般取1～2。

反映了裂纹尖端区域应力场的强度，故称应力场强度因子。

综合反映了外加应力、裂纹长度对裂纹尖端应力场强度的影响。

单位 MPa·m1/2
2.断裂韧度KIc （重要）—表征材料抵抗断裂的能力
定义：在裂纹尖端足够大的范围内，应力σ增加到临界值σC，强度因子KI达到临界值KIC时，裂纹a达到临界值ac，裂纹失稳而开始扩展，材料解理断裂，这个临界值就称为断裂韧度，记作。

意义：表示材料内部存在裂纹时抵抗断裂的能力，与材料成分，组织结构有关。

3.4.3 裂纹尖端塑性区及有效裂纹修正（书P.122）（自学）
3.4.4 断裂韧度KIC的测定（书p.125）
断裂韧度KIC的测定—国标2007
3.5 材料的韧化
3.5.2 陶瓷材料增韧（书P.132）
陶瓷的增韧机理虽然很多，大致可分为7种：
1、陶瓷与金属复合的增韧（3.5.2.2）
2、微裂纹增韧：残余应变场与裂纹在分散相周围发生反应，使主裂纹尖端产生微裂纹。

3、相变增韧：由分散相的相变产生应力场来阻止裂纹的扩展。

4、裂纹扩展受阻：裂纹尖端的韧性分散相发生塑性变形，使裂纹进一步的扩展受阻或裂尖钝化。

5、裂纹偏转：由于分散相和基体之间产生应力场，从而使裂纹沿分散相发生偏转。

6、纤维（晶须）拔出：基体/纤维界面脱胶或纤维拔出
7、其他方法。