金属材料的断裂和断裂韧性
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5
ห้องสมุดไป่ตู้
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
6
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。
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。
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。
10
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
“解理面”）劈开。
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
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
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
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。
24
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。
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
19
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； 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。
12
解理断口的河流花样
13
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
15
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。
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
28
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。
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。
27
微孔聚合的三种形式 剪切裂纹一般沿滑移线发生.
高强材度料钢内常部发本生身这存种在模着式大的片微的孔夹聚杂合，，微 微孔成核源：第二相粒子其。韧孔性通较过“脆正弱常的的夹”杂微连孔成聚裂合纹模。式要 在应力作用下，基体和第差二。相这粒是子不的合界格面材脱料开出，现的一种缺陷 或第二相粒子本身开裂，于是出现微孔。
➢ 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：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。
➢ 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。
11
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。
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
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
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。
20
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
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
机件主要失效形式
危害最大！！！
断裂
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
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
ห้องสมุดไป่ตู้
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
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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。
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。
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。
10
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
“解理面”）劈开。
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
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
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
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。
24
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。
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
19
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； 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。
12
解理断口的河流花样
13
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
15
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。
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
28
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。
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。
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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.
高强材度料钢内常部发本生身这存种在模着式大的片微的孔夹聚杂合，，微 微孔成核源：第二相粒子其。韧孔性通较过“脆正弱常的的夹”杂微连孔成聚裂合纹模。式要 在应力作用下，基体和第差二。相这粒是子不的合界格面材脱料开出，现的一种缺陷 或第二相粒子本身开裂，于是出现微孔。
➢ 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：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。
➢ 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。
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
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
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。
20
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
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
机件主要失效形式
危害最大！！！
断裂
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
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