材料的力学性能4分析

沿晶断裂一般是晶界被弱化造成的断裂。相变时产生的领先相如脆性
的碳化物、很软的铁素体等沿晶界分布可以使晶界弱化；杂质元素磷、硫 等向晶界偏聚也可以引起晶界弱化。应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂 纹、磨削裂纹等都是沿晶断裂。
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4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.1 断裂的分类
解理断裂、纯剪切断裂和微孔聚集型断裂
按断裂的晶体学特征分类 解理断裂是材料（晶体）在一定条件下(如低温)，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。 剪切断裂是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，其中又分滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。 微孔聚集断裂是通过微孔形核长大聚合而导致材料分离的。由于实际材 料中常同时形成许多微孔，通过微孔长大互相连接而最终导致断裂，故常 用金属材料一般均产生这类性质的断裂，如低碳钢室温下的拉伸断裂。
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4.3 脆性断裂
E s a
1 2
晶体的理论断裂强度为
所以，形成裂纹的力学条件为：
d ( f i ) 2r
1 2
≥
E s a
1 2
f
=
i
+
2 Er s da
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4.3 脆性断裂
该与因存在裂纹而增加的表面能相平衡。如果弹性能降低足以支付表
面能增加之需要时，裂纹就会失稳扩展引起脆性破坏。
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4.2.2 材料的实际断裂强度
4.2 断裂强度
一单位厚度的无限宽薄板，对之施加一拉 应力，而后使其固定并隔绝外界能源。用 无限宽板是为了消除板的自由边界的约束。 这样，在垂直板表面的方向上可以自由位 移，板处于平面应力状态。 单位体积储存的弹性能
材料的性能，以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。
一般来说，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； 试样表面存在缺口不仅改变各区所占比例，而且裂纹形核位置将 在表面产生。
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4.2.1 晶体的理论断裂强度
4.2 断裂强度
晶体的理论断裂强度是指将晶体原子分离开所需的最大应力，它与晶体的弹 性模量有一定关系，弹性模量表示原子间结合力的大小，只表示产生一定量的
A
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4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.2 断口的宏观特征
材料或构件受力断裂后的自然表面称为断口。 断口可以分为宏观断口和微观断口: 宏观断口指用肉眼或20倍以下的放大镜观察的断口，它反映了断 口的全貌； 微观断口是指用光学显微镜或扫描电镜观察的断口。 通过对断口微观特征的分析可以揭示材料断裂的本质。
在脆性材料中，裂纹扩展所需之应力为裂 纹尺寸之函数。
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4.2.2 材料的实际断裂强度
4.2 断裂强度
ac
=
2 E s
2
如外加应力不变，而裂纹在物体服役时不 断长大，则当裂纹长大到临界尺寸 a 时， c 也达到失稳扩展的临界状态
上述两式只适用于薄板的情况
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4.2.2 材料的实际断裂强度
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4.3 脆性断裂
甄纳-斯特罗理论存在的问题是： 在那样大的位错塞积下，将同时产生很大的切应力集 中，完全可以使相邻晶粒内的位错源开动，产生塑性变形 而将应力松弛，使裂纹难以形成。按此模型的计算结果表 明，裂纹扩展所要求的条件比形核条件低，而形核又主要
取决于切应力，与静水压力无关。这与实际现象有出入，
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4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.1 断裂的分类 韧性断裂与脆性断裂
这是根据材料断裂前塑性变形的程度进行的一种分类。 韧性断裂是指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。在裂纹扩展过程中需要不断地消耗能量。由于韧性 断裂前已经发生了明显的塑性变形，有一定的预警，所以其危害性不大。 脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明 显征兆，因而危害性很大。通常，脆断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，该材料即称为脆性材料； 反之，大于5%者则为韧性材料。
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4、材料的断裂
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断裂是材料和机件主要的失效形式之一，其危害性极大，特别 是脆性断裂，由于断裂前没有明显的预兆，往往会带来灾难性的后 果。工程断裂事故的出现及其危害性使得人们对断裂问题非常重视。
研究材料的断裂机理、断裂发生的力学条件以及影响材料断裂
的因素，对于机械工程设计、断裂失效分析、材料研究开发等具有 重要意义。 断裂是一个物理过程，在不同的力学、物理和化学环境下会有 不同的断裂形式，如疲劳断裂、蠕变断裂、腐蚀断裂等。 断裂之后断口的宏观和微观特征与断裂的机理紧密相关。
nb＝2 s
即为了产生解理裂纹，裂纹扩展时外加正应力所作的功必须等于产 生裂纹新表面的表面能。
c
长度相当于直径d的 裂纹扩展所需之应力
＝
2G S kY d
c 提高。 晶粒直径减小，
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状况。
4.3 脆性断裂
解理裂纹可以通过两种基本方式扩展导致宏观脆性断裂。 第一种是解理方式，裂纹扩展速度较快，如脆性材料在低温下试验就是这种 第二种方式是在裂纹前沿先形成一些微裂纹或微孔，而后通过塑性撕裂方式 互相联结，开始时裂纹扩展速度比较缓慢，但到达临界状态时也迅速扩展而 产生脆性断裂 。
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4.3 脆性断裂
解理断裂过程包括：通过塑性变形形成裂纹；裂纹在 同一晶粒内初期长大；以及越过晶界向相邻晶粒扩展 三个阶段 ：
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4.3 脆性断裂
解理裂纹扩展需要具备如下三个条件即：1）存在拉应力；2）表面能 较低，其值接近原子面开始分离时的数值。3）为使裂纹通过基体扩 展，其长度应大于“临界尺寸”。 柯垂尔能量分析法推导出解理裂纹扩展的条件为：
变形不同晶体所需要的力大小，晶体的理论断裂强度就是这个应力的最大值。
m sin
2x

E m . 2 a
m
＝
E s a
1 2
实际金属材料，其断裂应力为理论的值的 1/10～1/1000， 潜力巨大。
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4.2.2 材料的实际断裂强度
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4.3 脆性断裂
塞积前端处的拉应力在与滑移面方向呈 θ= 70.5o时 达到最大值，且近似为
max
d i 2 r
1 2
i
－滑移面上的有效切应力；
d/2－位错源到塞积头处之距离，亦即滑移面的距离； r－自位错塞积头到裂纹形成点之距离。
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4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.1 断裂的分类 穿晶断裂与沿晶断裂
根据裂纹扩展路径进行的一种分类。 穿晶断裂裂纹穿过晶内，沿晶断裂裂纹沿晶界扩展。
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4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.1 断裂的分类 穿晶断裂与沿晶断裂
从宏观上看，穿晶断裂可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂），也 可以是脆性断裂（低温下的穿晶断裂），而沿晶断裂则多数是脆性断裂。
因而不适用于晶界上碳化物开裂产生解理裂
纹的情况。史密斯（E.Smith）提出了低碳 钢中通过铁素体塑性变形在晶界碳化物处形
成解理裂纹的模型。铁素体中的位错源在切
应力作用下开动，位错运动至晶界碳化物处 受阻而形成塞积，在塞积头处拉应力作用下
使碳化物开裂。
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碳化物开裂的力学条件为
4.3 脆性断裂
f i
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正断和切断
4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.1 断裂的分类
按断裂面的取向可以将断裂分为正断和切断。
正断型断裂的断口与最大正应力相垂直，常见于解理断裂或约束较大 的塑性变形的场合。 切断型断裂的宏观断口的取向与最大切应力方向平行，而与主应力约 成450 角。切断常发生于塑性变形不受约束或约束较小的情况，如拉 伸断口上的剪切唇等。
事实表明，静水张力促进材料变脆，而静水压力则有助于 塑性变形发展。
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（2）柯垂尔位错反应理论
4.3 脆性断裂
该理论是柯垂尔（A.H.Cottrell） 为了解释晶内解理与bcc晶体中 的解理而提出的。
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4.3 脆性断裂
（3）史密斯碳化物开裂模型
柯垂尔模型强调拉应力的作用，但未考虑显 微组织不均匀对解理裂纹形成核扩展的影响，
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4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.பைடு நூலகம் 断口的宏观特征
光滑圆柱拉伸试样的宏观韧性断口呈杯锥形，由纤维区、放射区 和剪切唇三个区域组成，这就是断口特征的三要素。
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4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.2 断口的宏观特征
韧性断裂的宏观断口同时具有上述三个区域，而脆性断口纤维区 很小，几乎没有剪切唇。 上述断口三区域的形态、大小和相对位置会因试样形状、尺寸和
2 / 2E 2 a 2 割开裂纹释放的弹性能 U e E
形成裂纹需要的表面功 W=4a s
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4.2.2 材料的实际断裂强度
4.2 断裂强度
系统总能量变化及每一项能量均与 裂纹半长有关。
1 2
c
=
2 E s a c

c 即为有裂纹物体的实际断裂强度，它表明，
强度钢等。换言之，只适用于那些裂纹尖端塑性变形可以忽略
的情况。格雷菲斯缺口强度理论有效地解决了实际强度和理论 强度之间的巨大差异。
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4.3.1 脆性断裂机理
4.3 脆性断裂
解理断裂和沿晶断裂是脆性断裂的两种主要机理。