第11讲 断裂类型及物理本质

高纯金属多晶体 拉伸产生缩颈后，试样中心三向应 力区空洞不能形核长大，故通过不 断缩颈使试样变得很细(圆柱试样或 薄板试样)，最终断裂时断口接近一 个点或一条线，如图(b)所示。 材料屈服后就会出现缩颈，由于应力集中，导致空洞在夹 杂或第二相边界处形核、长大和连接。在试样中心形成很多小 裂纹，它们扩展并互相连接就形成锯齿状的纤维区。中心裂纹 向四周放射状的快速扩展就形成放射区。当裂纹快速扩展到试 样表面附近时，由于试样剩余厚度很小，故变为平面应力状态， 从而剩余的表面部分剪切断裂，断裂面沿最大剪应力面，故和 拉伸轴成45°的剪切唇。
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6.1.2 断裂的基本类型
按服役条件分类 按断裂应变分类 按断裂面取向分类 按断口形貌分类 按断裂路径分类
（1）沿晶断裂 （2）穿晶断裂
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（1）韧性断裂 （2）脆性断裂 （1）正断 （2）切断
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理论断裂强度
理论断裂强度是指完整晶体在正应力作用下沿其一 晶面拉断的强度。如图所示，此强度就是两相邻原 子面在拉应力 作用下克服原子间键合力作用，使 原子面分开的应力。
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位错反应形成裂纹示意图
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位错销毁理论
在两个相距为 h 的平行滑移面上，存在有异号刃型 位错。在外力作用下位错发生相对运动，若 h ＜ 10 个原子间距时，它们相互接近后，就会彼此合并而 消毁。此时便在中心处形成小孔隙，随着滑移的进 行，孔隙逐渐扩大，形成长条形空洞。当两排位错 数目不等时，多余位错并入空洞，会引起强大的应 力集中，而形成断裂源。
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现象：扁担从弹性变形到塑性变形，再到断裂 飞机发动机涡轮叶片从损伤到断裂
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压力加工制品的断裂形式
断裂远比弹塑性失稳、磨损、腐蚀等，更具有危险性!
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沿晶断裂特点：在断面上可看到 晶粒轮廓线或多边体晶粒的截面 图，如图示。有时仍可看到河流 或扇形花样。 沿晶断裂成因：晶粒边界的结 合强度远比晶内要低，脆性裂 纹就会择优在晶界形核，并沿 晶界扩展。 ①晶界存在连续分布的脆性第二相 ②微量有害杂质元素在晶界上偏聚 ③由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐 蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。
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6.1 断裂的基本类型及物理本质
断裂的概念 断裂的基本类型 脆性断裂 韧性断裂
6.1.1 断裂的概念
金属的断裂是指金属材料在变形超过其塑性 极限而呈现完全分开的状态。 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。
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位错塞积理论
位错塞积理论 位错反应理论 位错墙侧移理论 位错销毁理论 位错在运动过程中，遇到了障碍（如晶界、相界面 等）而被塞积，在位错塞积群前端就会引起应力集 中，若外加切应力为，塞积位错个数为n，此处应 力集中为n，这就说明此处的应力集中比外加切应 力大 n 倍，塞积位错越多，应力集中程度越大。当 倍 塞积位错越多 应力集中程度越大 当 此应力大于界面结合力或脆性第二相或夹杂物本身 的结合力时，就会在界面或脆性相中形成裂纹核。
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位错反应理论
在相交的滑移面上，由于位错反应发生了同号位错 的聚合，便形成了微裂纹。在体心立方中，两位错 相遇反应的结果，可在解理面上形成不易滑移的 [001] [00 ]刃型位错，刃型位错的合并即是体心立方的解 理面（001）面上形成解理裂纹。
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断裂机理
脆性断裂
1．脆性断口 2．理论断裂强度 3．Griffith裂纹生长理论 4．脆性断裂的位错理论
6.1.3 脆性断裂
根据断裂前金属是否呈现有明显的塑性变形，可将 断裂分为韧性断裂与脆性断裂两大类。通常以单向 拉伸时的断面收缩率大于 5% 者为韧性断裂，而小 于5%者为脆性断裂。 脆性断裂在断面外观上没有明显的塑性变形迹象， 直接由弹性变形状态过渡到断裂，断裂面和拉伸轴 接近正交，断口平齐。
实际材料存在夹杂、碳化物或第 二相，空洞择优在这些粒子处形 核。微空洞也可在基体上形核。 核 微空洞也可在基体上形核 韧窝的形状、 大小和深浅的 影响因素 成核粒子的大小及分布 材料的形变能力 应力大小、温度、变形速度等外界因素
在单晶体试样中常表现为沿解理面的解理断裂。 在多晶体试样中则可能出现两种情况： 一是裂纹沿解理面横穿晶粒的穿晶断裂，断口 可以看到解理亮面 若晶粒较粗 则可以看到许多 可以看到解理亮面；若晶粒较粗，则可以看到许多 强烈反光的小平面 (或称刻面 ) ，这些小平面就是解 理面或晶界面，可叫做晶状断口。 二是裂纹沿晶界的晶间断裂，断口呈颗粒状。
位错塞积引起裂口胚芽示意图
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位错墙侧移理论
由于刃型位错的垂直排列构成了位错墙。同时引起 了滑移面的弯折。当在适当的外力作用下，晶体发 生滑移，就会使位错墙发生侧移，而促使裂纹在滑 移面上生成。这一理论可以说明，密排六方金属沿 移面上生成。这 理论可以说明，密排六方金属沿 滑移面断裂的原因。有人已观察到，在锌中由于滑 移面的弯折所形成的裂纹。
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金属塑性变形理论
Theory of metal plastic deformation 第十一讲 Lesson Eleven
断裂类型与物理本质
第六章 金属的断裂
主要内容
Main Content 断裂的基本类型及物理本质 影响断裂类型的因素 塑性加工中的各种断裂现象分析
资料： 所谓解理面，一般都 是晶面指数比较低的晶面， 如体心立方的（100）面。
解理断裂特点： （1）断口呈河流，扇形或羽毛 状花样，如图示
螺型位错穿过解理面 遇到第二个螺位 螺型位错穿过解理面，遇到第二个螺位 错，产生台阶。
（2）舌状花样，如图示
解理裂纹与孪晶相遇时，便沿孪晶面发 生局部二次解理，二次解理面与主解理面 之间的连接部分断裂，形成舌状花样
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韧性断口——韧窝断口
空洞形核、长大并连接就导致韧断， 在断口上就显示出韧窝结构
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微孔成核、长大和聚合
微孔成核
很脆的夹杂物
第二相粒子
在不大的应力作用下，夹 杂物粒子便与基体脱开， 或本身裂开而成为微孔 是位错塞积引起的应力集中， 或在高应变条件下，第二相 与基体塑性变形不协调而萌 生微孔的。
由外力抵抗原子间结合力所做的功等于产生断裂新 表面的表面能，可以求得理论断裂强度为：
对于铁，可以估算理论断裂强度 m≈E/10 。这个数 值是很高的，实际的断裂强度比这个值低很多，只 是它的 1/100~1/1000 。只有毫无缺陷的晶须才能近 似达到理论断裂强度。这一悬殊差别的存在，是因 似达到理论断裂强度。这 悬殊差别的存在，是因 为材料内部存在有各种缺陷的缘故。
位错墙侧移使裂口形核
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6.1.5 韧性断裂
韧性断裂在断裂前金属经受了较大的塑性变 形，其断口呈纤维状，灰暗无光。 韧性断裂主要是穿晶断裂，如果晶界处有夹 杂物 杂物或沉淀物聚集，则也会发生晶间断裂。 淀物聚集 则也会发生 间 裂
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Griffith公式的物理意义在于：裂纹两端所引起的应 力集中，相当将外力放大了(C/a)1/2倍，使局部区域 达到了理论断裂强度m，而导致断裂。或者说，当 裂纹两端的应力集中程度是外力应力的(C/a)1/2倍时， 裂纹两端的应力便达到了理论断裂强度m ，从而导 致断裂。由此可见， Griffith理论可以说明实际断 裂强度和理论断裂强度间的差异。
韧性断裂
1．韧性断口 韧性断口 2．微孔成核、长大和聚合 3．影响韧性断裂扩展的因素
脆性-韧性转变
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1．变温引起的韧-脆转变 2．环境引起的韧-脆转变 3．影响韧脆转变的因素
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解理断裂成因：原子间结合键遭 到破坏，沿表面能最小、低指数 的晶面（解理面）劈开而成。
（1）过载断裂 （2）疲劳断裂 （3）蠕变断裂 （4）环境断裂
（1)沿晶断裂 （2)解理断裂 （3)微孔聚集型断裂 （4)准解理断裂 （5)纯剪切断裂
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正断与剪断的宏观与微观形式
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晶间断裂a）和穿晶断裂b）
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Griffith从能量条件导出了临界应力c值的大小。此 能量条件为：裂纹扩展所降低的弹性能恰好足以供 给表面能的增加。由此求得裂纹扩展的临界应力为：
此式即为 Griffith 公式，它表明了裂纹传播的临界 应力c和裂纹长度C的平方根成反比。
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式中 a——断裂面间的原子间距； ——表面能； E——弹性模量。
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Griffith裂纹生长理论
为了解释实际断裂强度和理论断裂强度的差别，早 在1920年就提出了这样的设想：由于材料中已有现 成裂纹存在，在裂纹尖端会引起强大的应力集中。 在外加平均应力小于理论断裂强度时，裂纹尖端已 达到理论断裂强度，因而引起裂纹的急剧扩展，使 实际断裂强度大为降低。由于裂纹长度的不同，所 引起应力集中的程度也不同，对于一定尺寸的裂纹 就有一个临界应力 c。当外加应力超过 c时，裂纹 才迅速扩大，导致断裂。
由不同号刃型位错群消毁而形成 裂口胚芽的示意图
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韧性断口——杯锥状宏观断口
光滑圆柱拉伸试样 纤维区 断口呈纤维状， 如图示 放射区 剪切唇
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某些单晶体 拉伸时可沿滑移面分离而导致剪切 断裂，如图 (a)所示。这种韧断过程 和空洞的形核长大无关，故在断口 上看不到韧窝。
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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 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。
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裂纹形核－脆性断裂的位错理论
Griffith公式与理论断裂强度公式比较，可知 金属发生断裂，先要形成微裂纹。这些微裂纹主要 来自两个方面： 一是材料内部原有的，如实际金属材料内部的 气孔、夹杂、微裂纹等缺陷； 二是在塑性变形过程中，由于位错的运动和塞 积等原因而使裂纹形核。 随着变形的发展导致裂纹不断长大，当裂纹长大到 一定尺寸后，便失稳扩展，直至最终断裂。