4 金属材料的断裂和断裂韧性

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
展而留下的舌状凸台或凹坑。
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BCC、HCP滑移系/滑移方向少，位错塞积造成应力集 中，裂纹易成核。 FCC金属滑移系多，不易产生。
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三种断裂的类型
张开型(I)
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滑开型(Ⅱ)
撕开型(Ⅲ)
三种基本断裂类型的实例
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叶轮
联接螺栓
4.4.3 应力强度因子KI和断裂韧性KIc
(1) 裂纹尖端应力场

(I) ij

KI 2r
f ij( I) 薄板
应力分析
在裂纹延长线上，θ=0
y x 0 xy
音速，后果严重。
断裂面与正应力垂直，断口平齐光亮，呈放射状或结
晶状。
一般把Ψk <5％定为脆性断裂， Ψk =5％定为准脆性断裂，
Ψ k >5％定为韧性断裂。
材料脆性还是韧性不固定，受材质、应力状态和环境影响。 脆断：解理断裂和沿晶/穿晶断裂。
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4.1.1 解理断裂
拉应力作用下，原子间结合键破坏，沿一定结晶学平面（即所谓
ρ=8a0/π，为Griffith公式。 ρ＜8a0/π，用Griffith公式。
4.4.2线弹性条件下的断裂韧性
►研究带有裂纹的线弹性体，假定裂纹尖端应
力仍服从虎克定律。
►玻璃和陶瓷：理想的弹性体
►金属：裂纹尖端塑性区尺寸远小于裂纹长度
。
►Griffith—Orowan：能量理论
►Irwin：应力场强度因子理论
断口：呈纤维状，灰暗色。断面收缩率>5%。
断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇。
纤维区：试样中心，裂纹形成区，颜色灰暗，较粗 糙，裂纹扩展时塑变大，扩展慢。 放射区：较光亮平坦，放射状条纹，裂纹扩展快。 剪切唇：试样边缘，应力状态改变，剪切断裂，表 面粗糙，深灰色。
4.1 脆性断裂
断裂前无明显塑变，吸收能量少，裂纹扩展速度快，几近
聚于晶界，降低了晶界原子间的结合力，从而大大降低了裂
纹沿晶界扩展的抗力，导致沿晶断裂。
25
沿晶断裂
穿晶断裂
4.2.1 韧性断裂-微孔聚集断裂
宏观：纤维状 微观：大量韧 窝，内含夹杂 物或第二相， 微孔萌生处。
微孔聚集断裂机理：形核—长大—聚合
① 颈缩/位错引起应力集中，第二相碎裂，或第二相与基体塑 变不协调，分离形成微孔； ② 微孔长大，相邻微孔间基体截面积缩小，产生内颈缩； ③ 微孔聚合成微裂纹，新微孔借内颈缩与裂纹连通，裂纹向 前推进直至断裂。
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。 ④ 断口：准解理有撕裂棱，局部有韧窝，是解理与微孔聚合的
混合型断裂，但主要机制仍是解理，宏观表现脆性。
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4.1.3 穿晶断裂与沿晶断裂
韧性或脆性
脆性
典型穿晶断裂形貌
典型沿晶断裂形貌
沿晶断裂原因
晶界存在连续分布的脆性第二相； 微量有害杂质元素在晶界上偏聚； 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。 例：钢的高温回火脆性是微量有害元素P，Sb，As，Sn等偏
断裂-低于许用应力
二战期间，美国五千艘自由轮货船有238艘完
全断裂破坏。 1938~1942年间，欧洲四十多座桥梁倒塌； 1954年，美国两架彗星号喷气式飞机在地中海 上空失事； 20世纪50年代，美国北极星导弹固体燃料发动 机壳体爆炸； 高压锅炉、石油、化工压力容器频发爆炸； 。。。。。。。
Xm
c=(Es /a0)1/2
c=E /10
格里菲斯断裂理论
实际断裂强度＜＜理论计算值 金属至少低一个数量级，陶瓷、玻璃
更低。
原因：内部裂纹 The phenomenon of rupture and flow
in solids, Philosophical Transactions, 1920（被引6533次，2011年为5581 ）
该文奠定了断裂力学的基石，使格氏
名留千古，此时他才二十六岁。
断裂力学之父（1893-1963）
格里菲斯实验-含裂纹玻璃强度
从能量平衡出发获得裂纹扩展判据
表面能
系统自由能
弹性应变能
uE释放速率≥s增长速率，Δu降低，裂纹自行扩展，对 应极限裂纹尺寸2ac
断裂应力和裂纹尺寸关系
c=(2Es /a
k1 2r
拉应力分量最大；切应力分量为0； ∴裂纹最易沿X轴方向扩展。
(2) 应力场强度因子 KI
►应力分量决定于其位臵(r, )，及 KI ►某确定点，KI 直接决定应力场大小，KI 越
大，各应力分量越大。
►KI 反映应力场的强弱程度，称为应力场强
度因子。
通式：KI = Y
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1/2 a
应力增大，KI逐渐增加。
4 金属材料的断裂和断裂韧性
东南大学材料学院 张友法
1
机件主要失效形式
断裂
危害最大！！！
失效 磨损 腐蚀
生活中
影响正常生活， 甚至人身安全。
生产中
影响生产 和安全。
重要产品
灾难！！！
4 金属材料的断裂和断裂韧性
断裂的不同形式
疲劳断裂、蠕变断裂、应力腐蚀或腐蚀断裂等
室温环境下单向加载时的金属断裂
零部件实际断裂过程
材料有内部缺陷和加工或服役时形成裂纹
裂纹或缺陷附近应力集中，裂纹扩展
低于许用应力，构件突然断裂
低应力脆断总与裂纹相联系
断裂实验-三点弯曲
断裂力学和断裂韧性
有裂纹的材料，内部应力分布改变，传统力学强度理
论不适用。 断裂力学：研究裂纹体力学、断裂判据和断裂韧度， 防止裂纹体低应力脆断。
(3) 断裂韧度 KC 和 KIC
受载裂纹体， KI 增加，当应力达到断裂强度，裂 纹失稳，并开始扩展。临界或失稳状态时，KI记作 KIC或KC。 KC— 平面应力断裂韧度 KIC—平面应变，I类裂纹时断裂韧度
断裂判据： KI < KIC 有裂纹，但不会扩展 KI = KIC 临界状态 KI > KIC 发生裂纹扩展，直至断裂
KI KC KIC 的区别
KI：应力场强度因子，受外界条件影响的裂
纹尖端应力场强弱程度的力学度量，随外加 应力、裂纹长度、裂纹形状类型、加载方式 变化，与材料固有性能无关。
KC和KIC：材料阻止裂纹扩展的能力，是材
料固有特性。
KC KIC 的区别
KIC 为 KC 随板厚增加而趋于的最低值，反映
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解理断口的河流花样
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河流花样形成示意图
河流花样为判断是否为解理断裂的重要微观依据。
裂纹穿过大角度晶界的解理河流花样
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舌状花样：解理裂纹与孪晶相遇，沿孪晶与基体 界面扩展形成，留下舌头状凹坑或凸台。
影响解理断裂的因素
外因：环境温度、加载速度、介质、应力大小等。 内因：晶体结构、显微组织。
研究内容：裂纹尖端的应力和应变分析；建立新的断
裂判据；断裂力学参量的计算与实验测定，其中包括
材料的力学性能新指标—断裂韧性及其测定，断裂机
制和提高材料断裂韧性的途径等。
断裂力学用于构件的安全性评百度文库或断裂控制设计，是
对静强度设计的重大发展和补充。
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4.4.1 材料的断裂理论
理论断裂强度：外加正应力，将晶体两原子面沿垂直外力方向 拉断所需应力。
玻璃：脆性断裂，裂纹源附近有光滑镜面区，其
余为撕裂线，其汇集方向指向裂纹源。
陶瓷断口
玻璃断口
4.3 其它材料的断裂-聚合物和复合材料
脆性：玻璃化转化温度以下的热塑性聚合物，热
固性聚合物
塑性：玻璃化转变温度以上的热塑性聚合物，断
前有大变形，甚至颈缩。 纤维增强复合材料：断裂过程很复杂，与基体性 质、纤维性质、基体与纤维间的结合强度有关。
“解理面”）劈开。
解理面：一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数晶面。 宏观解理断口：较为平坦、发亮的结晶状断面。 微观解理断口：由解理台阶的侧面汇合而形成河流花样。 “河流”
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。
临界
裂纹扩展需要吸 收的能量率
dU GI dA
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裂纹临界条件：G准则
dS GIc dA
K与G的关系
1 2 G K c c E 2 1 2 G Ic K Ic E
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K准则的工程应用
K准则:
临界应力
KI Y a KIc
c
K Ic Y a
了最危险的平面应变断裂情况，反映了材料阻 止裂纹扩展的能力。
应力强度因子KI和断裂韧性KIc
K I a
应力强度因子的临界值
K Ic
K II a
K III a
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是材料本身的固有属性
K Ic Y c a
K Ic Y ac
一些工程材料在常温下的KIc值
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应力强度因子KI和断裂韧性KIc
脆性断裂的K准则:
KI和KIc的物理意义
KI
K I K Ic
：应力强度因子，计算得到。
KIc
：断裂韧性：材料抵抗脆性断裂的能力。
KIc的试验获得
平面应变断裂韧性
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4.4.3 裂纹扩展的能量释放率GI和断裂韧性GIc
分析原理：能量法
扩展
应变能释放率
SiC纤维增强Ti3Al金属间化合物 拉伸试样断口
分类 方法 断裂 前塑 性变 形 断裂 面取 向
裂纹 走向 断裂 机理
断裂方式
特征
脆性断裂 断裂前没有明显塑性变形，断口光亮，结晶 状 韧性断裂 断裂前明显塑性变形，断口呈暗灰色纤维状 正断 断裂的宏观表面垂直于最大主应力方向
切断
断裂的宏观表面平行于最大切应力方向
间一种过渡断裂形式。
有撕裂棱，河流花样不明显
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；
断裂类型：脆性断裂、韧性断裂 断裂过程与微观机制
断裂的基本理论
韧－脆转化
6
4 金属材料的断裂和断裂韧性
4.1 脆性断裂
4.2 韧性断裂
4.3 其它材料的断裂
4.4 线弹性条件下的断裂韧性
4.5 影响断裂韧性的因素
4.5 金属的韧化
7
断裂类型
韧断与脆断
韧断：断前及断时有明显塑变，裂纹扩展耗能。
穿晶断裂 裂纹穿过晶粒内部
沿晶断裂 裂纹沿晶界扩展
解理断裂 无明显塑性变形，沿解理面分离，穿晶断裂 微孔聚集 沿晶界微孔聚合，沿晶断裂 型断裂 在晶内微孔聚合，穿晶断裂
解理型断口
微孔聚合型断口
沿晶断裂
穿晶断裂
a沿晶脆断 b 穿晶/解理 断裂 c 准解理断 d 微孔聚集
4.4 断裂力学与断裂韧度
温度低、加载速度快易产生解理断裂； BCC、HCP产生解理断裂； 氢在α-Fe解理面处集聚，产生氢致解理断裂。
4.1.2 准解理断裂
首先在许多不同部位同时产
生许多解理裂纹核；
然后按解理方式扩展成解理
小刻面；
最后以塑性方式撕裂，相邻
的解理小刻面相连，形成撕 裂棱。
介于解理断裂和韧窝断裂之
临界裂纹长度
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微孔聚合的三种形式 剪切裂纹一般沿滑移线发生.
高强度钢常发生这种模式的微孔聚合， 材料内部本身存在着大片的夹杂，微 其韧性较“正常的”微孔聚合模式要 微孔成核源：第二相粒子。 孔通过脆弱的夹杂连成裂纹。 差。 在应力作用下，基体和第二相粒子的界面脱开， 这是不合格材料出现的一种缺陷 或第二相粒子本身开裂，于是出现微孔。
正公式：

1/2 )
断裂应力和裂纹尺寸的平方根成反比。
金属、高分子：塑性变形功p ，Orowan修
c=(2E(s + p)/a )1/2
p大约是s的1000倍
c=(2Ep /a )1/2
裂纹尖端曲率半径ρ＞8a0/π，尖端塑性变形
大， p控制裂纹扩展，采用奥罗万修正。
内颈缩
剪切裂纹
夹杂
（a）正常的微孔聚合；（b）快速剪切断开；（c）大片夹杂相连
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韧窝形状取决于应力状 态； 韧窝大小和深浅取决于 第二相数量、分布及基 体塑变能力。
正应力 扭转 应力集中
4.3 其它材料的断裂-无机非金属
陶瓷：几乎或完全不能发生滑移，无塑性。沿大
间距密排结晶面发生解理破坏，断口光滑，无特 征判定裂纹源。