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

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。