材料力学论金属的断裂

工程材料力学期中作业

班级成型2班

姓名陶帅

学号20113650

论述金属的断裂

一、基本介绍

概念：金属材料在外力作用下断裂成两部分的现象。

磨损、腐蚀和断裂是机件的三种主要失效形式，其中以断裂的危害最大。在应力作用下（有时还兼有热及介的共同作用），金属材料被分成两个或几个部分，称为完全断裂；内部存在裂纹，则为不完全断裂。实践证明，大多数金属材料的断裂过程都包括裂纹形成与扩展两个阶段。对于不同的断裂类型，这两个阶段的机理与特征并不相同。

二、断裂的基本类型

弹性变形→塑性变形→断裂

1，根据材料断裂前产生的宏观塑性变形量的大小来确定断裂类型，可分为韧性断裂和脆性断裂。

2，多晶体金属断裂时，按裂纹扩展路径可以分为穿晶断裂和沿晶断裂。

3，根据应力类型可分为纯剪切断裂和微孔聚集型断裂、解理断裂。

三、具体分析

1，韧性断裂

韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量。韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45º角。用肉眼或放大镜观察时，端口呈纤

维状，灰暗色。纤维状是苏醒变形过程中微裂纹不断扩展和相连造成的，灰暗色则是纤维断口表面对光反射能力很弱所致。

中、低强度钢的光滑圆柱试样在室温下的静拉伸断裂是典型的韧性断裂，其宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。

当光滑圆柱拉伸试样受拉伸力作用，在试验力达到拉伸力-伸长曲线最高点时，便在试样局部区域产生缩颈，同时试样的应力状态也由单向变为三向，且中心轴向应力最大。在中心三向拉应力作用下，塑性变形难于进行，致使试样中心部分的夹杂物或第二相质点本身碎裂，或使夹杂物质点与基体界面脱离而形成微孔。微孔不断长大和聚合就形成显微裂纹。早期形成的显微裂纹，其端部产生较大塑性变形，且集中于极窄的高变形带内。这些剪切变形带从宏观上看大致与径向呈50º~60º角。新的微孔就在变形带内成核、长大和聚合，当其与裂纹连接时，裂纹便向前扩展了一段距离。这样的过程重复进行就形成锯齿形的纤维区。纤维区所在的平面垂直于拉伸应力方向。

韧性断裂的裂口形成与发展过程

均匀拉伸产生细颈在三向拉应力微孔长大合并

作用下产生微孔形成小裂口

方向断裂

裂口沿垂直于拉伸沿m ax

方向扩展接近表面形成杯锥状

纤维区中裂纹扩展是很慢的，当其达到临界尺寸后就快速扩展而形成放射区。放射区是裂纹做快速低能量撕裂形成的。放射区有放射花样特征。放射线平行于裂纹扩展方向而垂直于裂纹前端的轮廓线，并逆指向裂纹源。撕裂时塑性变形量越大，则放射线越粗。对于几乎不产生塑性变形的极脆材料，放射线消失。温度降低或再聊强度增加，由于塑性降低，放射线由粗变细乃至消失。

试样拉伸断裂的最后阶段形成杯状或锥状的剪切唇。剪切唇的表面光滑，与拉伸轴呈45º。

断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及实验温度、加载速率和受力状态不同而变化。一般说来，材料强度提高，塑性降低，则放射区比例增大；试样尺寸加大，放射区增大明显，而纤维区变化不大。

综上韧性断裂的特点有：

①裂口生成、发展均很慢，断裂前能产生显著的塑性变形。

②断口粗糙，无光泽，呈暗灰色纤维状。

2，脆性断裂

脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本没有任何塑性变形，没有明显征兆，因而危害性极大。脆性断裂的断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，呈放射状或结晶状。

通常脆性断裂前也产生微量塑性变形。一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小

于5％者为脆性断裂；反之，大于5％者为韧性断裂。

综上：脆性断裂的特点有

①裂口生成、发展都很快。断裂前没有明显的塑性变形。

②断口平整，有金属光泽。

3，穿晶断裂与沿晶断裂

穿晶断裂的裂纹穿过晶内--------河流状、舌状花纹

沿晶断裂的裂纹沿晶界扩展------------冰糖状、颗粒状

穿晶断裂沿晶断裂

从宏观上看，穿晶断裂可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂；而沿晶断裂则大多数是脆性断裂。沿晶断裂是由晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏晶界的连续性所造成，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等大都是沿晶断裂。

穿晶断裂和沿晶断裂有时可以混合发生。

4，纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂

剪切断裂是金属材料在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，其中又分为滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。纯金属尤其是单晶体

金属常产生纯剪切断裂，其断口呈锋利的契形或刀尖形。这是纯粹由滑移流变所造成的断裂。微孔聚集型断裂是通过微孔形核、长大聚合而导致材料分离的。

解理断裂是金属材料在一定条件下，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产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。解理面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面。

通常解理断裂总是脆性断裂，但有时在解理断裂前也显示一定的塑性变形。

四、断裂强度

1，理论断裂强度

概念：将晶体的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力。

假设一完整晶体受拉应力作用后，原子间结合力与原子间位移的关系曲线如图：

曲线上的最大值m σ即代表晶体在弹性状态下的最大结合力--------理论断裂强

度

作为一级近似，该曲线可用正弦曲线表示 λπσσx

2sin m =

式中 λ-------正弦曲线的波长

x-------原子间位移