材料失效分析(前言、第一章-材料的断裂)

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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 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
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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
1、Griffith 理论的基本观点
在试验之前，材料中原来就存在裂
纹，由于裂纹存在将引起应力集中，裂 纹尖端处的应力比平均应力高得多，当 此处应力达到 σm值时，裂纹将迅速扩展 而断裂，因此断裂时的平均应力远小于
理论强度值。
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2、Griffith缺口强度σc的计算
驱动力：裂纹形成时释放的弹性应变能 Ue
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讨论：
c
1. 在脆性材料中，裂纹扩展所需的 应力与裂纹半长的平方根成反比，
裂纹越长，越容易失稳。
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
a
ac
2 E s
2
也达到失稳扩展的临界状态。
47
3. 比较σm和σc
E 1/ 2 m ( ) a0
m a c a0
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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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三、影响因素
1、试验温度 T ↓， 2、试样尺寸 t↑， 3、试样形状 F↓ S↓ R↑ F↓ S↓ R↑
试 样形 状
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四、断口三要素的应用
失效类型：变形失效、断裂失效、腐蚀失效、磨损失效
失效分析：对材料及其构件在使用过程中发生各种形式失 效现象的特征及规律进行分析研究，从中找出 产生失效的主要原因及防止失效的措施。
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失效分析目的与意义
目的：明确失效类型 找出失效原因
提出改进和预防措施
意义：防止事故发生，减少损失
采取改进方法和预防措施
同号位错聚集
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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 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
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）
20
3、断裂方式 正断：断裂的宏Hale Waihona Puke Baidu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
提高材料使用寿命和质量
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主要内容
1、材料失效：断裂、腐蚀、磨损 （类型、过程、机理、形貌特征） 2、失效分析方法和技术 3、失效分析实例
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教学方法、教材与参考书
教学方法：讲授与自学、实验相结合，32h（28h+4h）
教材及参考书： 1、孙智等编著：《失效分析—基础及应用》，机械工业出版社，2005 2、廖景娱编：《金属构件失效分析》，化学工业出版社， 2003 3、刘瑞堂编：《机械零件失效分析》，哈尔滨工业大学出版社，2003 4、庄东汉（台湾）著：《材料失效分析》，华东理工大学出版社，2009
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： 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）
5、Brooks C R等著，Failure analysis of engineering materials, McGraw-Hill Companies,Inc,2002
6、张栋等编著：《失效分析》，国防工业出版社，2008 7、吴连生著：失效分析技术，四川科学技术出版社，1985
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断 裂 失 效 分 析 第一章 金属的断裂
§1 断裂分类
§2 断口三要素 §3 断裂过程 §4 断裂强度
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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
2 x

2

代入（3）式得：
2
m
0
m
1/ 2
E m a0
理论断裂强度 （4）
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对于 α-Fe
γ=2000erg/cm2 E=2×1012达因/cm2
a0=2.5×10-8cm
代入（4）式： σm＝4×1011达因/cm2≈1/5E
1 1 一般固体材料 m ( ~ ) E 5 10
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第四节 断裂强度
断裂强度σf : 指原子面发生分离时所需要的真应力
大小。 T , f
一、理论断裂强度σm
1、定义：如果一个完整的晶体，在拉应力作用下， 使材料沿某原子面发生分离，这时的σf就是理论断 裂强度。
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2、断裂强度计算

a0
假设原子间结合力随原子间距按正弦曲线变化， 周期为λ， 则:
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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、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
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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）
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
面积。 2、断裂是动态的变化过程；断口是断裂的静态反映。
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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。
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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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
位错交滑移
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
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
阻力：
裂纹形成时新增的表面能 W 2 a 2 U e a 2 E
W 22a 4a 1
此时物体中的总能量变化为
u W U
e
4a
2 a 2
E
由图可知：当裂纹达到临界尺寸ac时，总能量变化达到极大值。
根据求极值的方法，可求出带裂纹的断裂强度σc
材料失效分析
Failure Analysis of Materials 潘清林 中南大学材料学院
1
失 效 现 象
2
3
4
5
6
7
8
9
10
概 述
失效：材料或金属构件（零部件）由于尺寸、形状或材料 组织与性能发生变化而引起的不能完成指定的功能。
（引起因素：材料、工艺、设计、环境、制造、使用）
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令
d (u1 u2 ) 0 da
d (4a
即 可得
2 a 2
E
)
da
0
c (
2 E 1/ 2 E ) ( )1/ 2 a a
Griffith判据
对于一定尺寸的裂纹，有一临界应力值σc 当外加应力
c 裂纹不能扩展 c 裂纹迅速扩展，最终导致断裂
超高强钢等，也就是只适用于那些裂纹尖端塑性变
形功可以忽略的情况。
② 对于一些断裂前产生明显塑性变形的金属，为
了采用Griffith判据，需修正
2 E ( u p ) c a
1/ 2
up为塑性变形功
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③ Griffith判据只是个必要条件，但它不是个 充分条件，因为当裂纹满足能量条件时，裂 纹尖端应力并不一定等于σm；
f m
1 1 ) m 小2～3个数量级 而实际材料的 f ( ~ 10 100
材料中存在原始裂纹、缺口、夹杂物等缺陷， 造成局部应力集中，达到σm 而断裂
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二、Griffith 缺口强度理论
A.A.Griffith为了解决 σm比σf 值大2~3个数量级的问题，早在
1920年就提出了缺口强度理论。
④ 对于一些不存在原始裂纹的金属，Griffith 公式无法解释实际σf低的原因。
50
E 1/ 2 c ( ) a
1/ 2
由于裂纹长度a>>a0，因此σm>>σc Griffith 公式的物理意义：
a 裂纹尖端引起的应力集中相当于将外力放大 倍，使局部地 a0 区达到σm而导致断裂。
1/ 2
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3、Griffith理论优缺点：
① Griffith公式只适用脆性材料，如玻璃，金刚石，
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；
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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§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
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：断面收缩率＜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。
m sin
其中:
2 x


σm理论断裂强度 x为原子偏离平衡位置的位移x＝a－a0
当 x很小时， sinx=x, 则：
2 x m
（1）
40
当 x很小时，ε和σ之间仍符合虎克定律，则：
x E E a0
由（1）、（2）式可得：
（2）
E m 2 a0
（3）
41
当晶体材料在外力作用下，产生很小的变形，原子面就发生分
离，这时分离过程所作的功，应等于形成两个新表面所需要的
能量。形成单位裂纹表面外力所做的功应为σ－x曲线下所包围 的面积。根据能量守恒：
2 dx
2 0


2
0
2 x m sin dx m cos 2
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
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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）