断裂与断口分析(前言、第一章)

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三、影响因素
1、试验温度 T ↓， F↓ S↓ R↑ 2、试样尺寸 t↑， F↓ S↓ R↑
3、试样形状
试 样形 状
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四、断口三要素的应用
1、根据断口三要素可以判断裂纹源的位置及宏观裂纹扩展方向 裂纹源的确定： ①利用纤维区，通常情况裂源位于纤维区的中心部位，因此找到纤维 区的位置就找到了裂源的位置； ②利用放射区形貌特征，一般情况下，放射条纹的收敛处为裂源位置；
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位错反应理论—cottrel理论
问题：未考虑材料中的第二相粒子，因它们 的形状和分布影响断裂性质
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位错墙侧移理论
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其
它
模
型
同号位错聚集 位错交滑移
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裂纹扩展两阶段：
亚稳扩展：裂纹自形成而扩展至临界长度的过程
特点：扩展速度慢，停止加载，裂纹停止扩展
裂纹总是沿需要需要消耗扩展功最小的路径，条 件不同，亚稳扩展方式、路径、速度也各不相同
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一、裂纹形成的位错理论（裂纹形成模型或机制）
1、位错塞积理论—stroh理论 2、位错反应理论—cottrel理论
3、位错墙侧移理论
4、位错交滑移成核理论 5、同号刃位错聚集成核理论
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位错塞积理论—stroh理论
问题：①裂纹形成只与外加切应力有关，而与应力
状态无关，与实际不符； ②未考虑第二相粒子的影响。
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二、学习本门课程的目的与意义
目的：①寻找断裂原因； ②分析研究断裂机理； ③提出有效的改进措施。
意义：防止事故发生，减少损失；
提出改进方法和预防措施，提高产品使用寿命。
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三、主要内容
1、金属断裂（类型、过程、机理、形貌特征、实例） 2、断口分析方法和技术
3、断裂失效分析
具体分八章：
1、金属的断裂（类型、断口三要素、过程、断裂强度）
3、T↓，脆断倾向↑
4、断口平齐、光亮，且与正应力垂直，断口上常呈人 字纹或放射性花样
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2、断裂路径
沿晶断裂：裂纹萌生和发展是在晶界处发生的过程 穿晶断裂：裂纹萌生和发展是在晶粒内部处发生的过程
穿晶断裂可以是韧性的（微孔聚集型断裂），也可以是脆性的（解理 断裂、穿晶应力腐蚀断裂） 沿晶断裂多为脆断（氢脆断裂），少数为韧性断裂（高温蠕变断裂）
解理断裂：这是一种在正应力作用下所产生的穿晶断裂，通常断裂面是严格 沿一定的晶面（解理面）而分离。
bcc、hcp在低温、冲击载荷作用下常发生解理断裂
注意：通常解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂
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剪切断裂：在切应力作用下，沿滑移面滑移而造成的滑
移面分离的断裂。它包括：
滑断（纯剪切型断裂）——纯金属、单晶体金属。断口呈锋利楔形或刀尖形 微孔聚集型断裂——大多数钢铁材料、有色金属材料
均匀变形——缩颈——断裂（杯锥状断口）
cup and cone
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断口三要素
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三要素：
纤维状区（fibrous zone）;放射状区（radial zone）;剪切唇区（shear lip）
纤维区：位于断口中央，与外加应力垂直，呈粗糙的纤维状园环形花样；
暗灰色，常可观察到显微空洞和锯齿状； 其底部晶粒被拉长象纤维一样，为裂纹萌生区
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断口分析：对断口形貌（宏观、微观）进行分析研究的 方法。或称为断口学（Fractography）。它是 研究材料断口形貌、断裂原因与断裂机理之 间关系的一门科学。
断口忠实地记录了断裂的动态变化过程，如果对其形貌 特征进行全面的分析研究，就可以了解断裂的全过程， 这样就将一个复杂的动态问题——断裂，简化为用静态 方法——断口分析来研究。
2、韧性断裂（滑移分离）
3、解理断裂（准解理断裂） 4、沿晶断裂
5、环境断裂（SCC、氢脆、蠕变等）
6、疲劳断裂 7、工程实际断裂分析（材料加工、P/M）
8、断口分析技术
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第一章
§1 断裂分类
金属的断裂
§2 断口三要素 §3 断裂过程 §4 断裂强度
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§1
断裂分类
1、断裂性质 塑性断裂：断裂前发生较大的塑性变形，断口呈暗灰色纤维状
失稳扩展：裂纹自临界长度扩展至断裂
特点：速度快，最大可达声速； 扩展功小，消耗的能量小；
危害性大，总是脆断
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断 裂 现 象
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概 述 一、基本概念 断裂：材料在特定条件（σ、T、介质）下分成两个或
几个部分的现象。
或 具有有限面积的几何表面发生分离的过程。
断口：断裂后的自由表面或横截面。
断裂与断口的关系：
1、断裂是裂纹萌生和扩展的过程；断口是裂纹所扫过的面积。 2、断裂是动态的变化过程；断口是断裂的静态反映。
脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口为光亮的结晶状，
较平整 一般地2-5%称之为脆断，这种材料称为脆性材料，反之成为韧性材料。
脆断是一种突发性断裂，断裂前基本上不发生明显的塑性变形，没有明 显的征兆，因而危害性很大。
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脆断的特点：
1、断裂时承受的工作应力很低，一般低于σ0.2 2、裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始
③根据剪切唇形貌特征来判断，通常情况下裂纹处无剪切唇形貌特征， 而裂源在材料表面上萌生。
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裂纹扩展方向的确定：
①纤维区指向剪切唇 ②放射条纹的发散方向 ③板状样呈现人字纹（chevron pattern），其反方向为
裂源扩展方向
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§3、断裂过程
裂纹形成 裂纹扩展：亚稳扩展（亚临界扩展阶段） 失稳扩展
放射区：具有放射花样特征（脆断特征）
放射线的发散或收敛方向为裂纹扩展方向 纤维区与放射区交界线标志着裂纹由稳定扩展向快速扩展（失 稳扩展的转化） 剪切唇：表面较光滑，与拉应力方向呈45° 切断区域，有金属光泽，呈灰色鹅毛状
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二、断口三要素的分布类型
①F、R、S ②F、S——160℃光滑园柱拉伸试样断口 ③R、S——低合金钢在－160℃条件拉伸或冲击断口 ④S——纯剪切型断口或薄板拉伸断口
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源自文库 5、其它
•应力状态：静载断裂（拉伸、剪切、扭转）
动载断裂（冲击、疲劳）
•裂纹扩展速度：快速断裂（拉伸、冲击） 缓慢断裂（疲劳） 延迟断裂（SCC、氢脆） •断裂能量：低能断裂（结晶学断裂） 中能断裂 高能断裂（非结晶学断裂）
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§2 断口三要素
一、断口三要素的内容与特点 光滑园柱形试样的拉伸变形过程：
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3、断裂方式 正断：断裂的宏观表面垂直于σmax方向，断口较平整。 电子图象可能出现韧窝花样、河流花样 切断：断裂宏观表面平行于τmax方向。 断口宏观形貌为抛物线状的韧窝花样
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4、断裂机理
韧窝断裂（dimple fracture) 疲劳断裂（fatigue fracture) 解理断裂（cleavage fracture) 环境断裂（蠕变、SCC、氢脆）