第五章 材料的断裂
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
本章要点
材料的断裂简介
断裂的类型与断裂机理 断口特征与分析 裂纹形核扩展过程
断裂强度
断裂韧性
线弹性条件下的断裂——断裂韧度 断裂韧性的影响因素 工程领域的应用
冲击韧性
低温脆性
2
1. 材料的断裂
3
断裂的概述
断裂的定义 固体材料在力的作用下分成若干部分的现象
断裂的过程
裂纹形核 裂纹扩展
断裂
断裂的分类
19
线弹性条件下的断裂韧性
裂纹尖端的应力场
裂纹扩展模式
裂纹尖端应力场 应力场强度因子
KI = σ πa 一般形式 KI = Yσ a
20
线弹性条件下的断裂韧性
应力场强度因子
*不同形状因子
KI = Yσ a
中心穿透裂纹
Y = π sec(πa /W )
体内椭圆裂纹
Y = π /ϕ0
表面半椭圆裂纹
Y = 1.1 π / Q
3. 断裂韧性
17
韧性概述
韧性 材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力 韧度
定义 衡量材料韧性大小的力学性能指标
分类
静力韧度——静拉伸曲线下塑性变形和断裂功 断裂韧度——断裂力学方法研究材料抵抗断裂的能力 冲击韧度——切口和冲击条件下的断裂韧性
应力σ /MPa
静力韧度
ac
=
S
2 k
−
σ
2 0.2
韧性断裂通常是剪切断裂
断口微观形貌分布着大量的韧窝
机制——微孔形核、长大、聚合，最后断裂
微孔来源——夹杂物、第二相质点、气孔、微裂纹
7
断裂的类型
按微观断裂机理
解理断裂 正应力下原子结合键断裂引起的穿晶断裂 断口微观形貌有大量台阶汇成的河流花样 解理是脆性断裂
的微观机理之一
机制——裂纹与螺型位错相交形成台阶 其他机制——裂纹沿孪晶扩展形成舌状花样
断裂韧度的测定
试验方法与试样
紧凑拉伸试验 三点弯曲单边裂纹试验 四点弯曲单边裂纹试验
试验步骤 加工试样，预制裂纹 加载让裂纹扩展，测定载荷与裂纹张开位移 测量裂纹长度，求断裂韧度
23
线弹性条件下的断裂韧性
断裂韧度的测定
试验仪器 万能试验机（三点弯曲） 试验结果处理
临界载荷取∆V/V=5%条件下的应力 裂纹长度取(a2+ a3 + a4)/3
24
线弹性条件下的断裂韧性
*裂纹扩展能量释放率
裂纹扩展能量释放率
GI
=
(1 −ν
2 )σ
E
2 πa
=
1−ν
E
2
K
2 I
断裂G判据 裂纹失稳扩展的力学条件 GI ≥ GIc
25
断裂韧性的影响因素
化学成分和结构 细化晶粒的合金元素提高强度和塑性，提高断裂韧度 强固溶元素大大降低塑性，从而降低断裂韧度 形成金属间化合物的元素因第二相引起断裂韧度降低 增强键合强度的组元，都将提高断裂韧度 基体相 易发生塑性变形和韧性断裂，断裂韧度高 形变强化对断裂韧度有影响
分析方法
宏观断口观察断裂类型 微观断口形貌分析确认断裂机理 成分与夹杂分析辅助
常见断口特征
11
裂纹形核与扩展
*裂纹形核
位错塞积理论 位错反应理论 脆性第二相开裂理论
裂纹扩展
12
2. 断裂强度
13
断裂强度
理论断裂强度
σm
=
Eγ
a0
1/ 2
实际材料的断裂强度仅 为理论的1/10~1/1000
裂纹
14
宏观塑性变形分类 脆性断裂 韧性断裂
裂纹扩展途径分类 穿晶断裂 沿晶断裂
微观断裂机理分类 解理断裂 剪切断裂
4
断裂的类型
按宏观塑性变形程度
脆性断裂 基本不发生明显宏观塑性变形 没有明显预兆，突然发生 断口齐平光亮 韧性断裂 有明显宏观塑性变形 裂纹扩展缓慢，消耗大量变形能 断口呈灰暗色，纤维状 主要区别 断裂前所产生的应变大小 以断面收缩率5%作为界限
27
断裂韧性的应用
材料选择 根据材料的断裂韧度计算结构的许用应力 根据承载要求和可能的裂纹选择材料
安全校核
设计结构尺寸
结构承载应力 临界裂纹Baidu Nhomakorabea寸 材料断裂韧度
比较实际裂纹尺寸
安全性
材料开发
材料成分和组元设计——第二相 材料组织和亚结构设计 热处理工艺以及冶金质量控制
28
断裂韧性的应用（课堂作业）
21
线弹性条件下的断裂韧性
应力场强度因子
裂纹失稳扩展的临界状态下
临界应力场强度因子KIC
断裂韧度
KIc = Yσ c ac
定义 表征材料在平面应变状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力
断裂K判据
KIc越大，断裂裂纹尺寸或应力越大，越难断裂
用KIc表征材料的力学性能指标 脆性断裂的条件
KI ≥ KIc
22
线弹性条件下的断裂韧性
例题1
已知材料的断裂韧度ＫＩＣ与实际裂纹长度ａ， 材料的剩余强度是多少？
2D
弹性能
0
应变ε / %
18
断裂韧性
断裂韧性概述
实际材料的断裂强度仅为理论的1/10~1/1000
裂纹
研究方法 断裂力学
线弹性条件下的断裂韧性 弹塑性条件下的断裂韧性
裂纹长度与塑性区尺度的对比
衡量指标和判据
线弹性条件
*弹塑性条件
应力场强度因子与K判据
J积分与J判据
裂纹扩展能量释放率与G判据 裂纹尖端张开位移
断裂强度
Griffith裂纹理论
裂纹失稳扩展
临界应力 临界裂纹半长
σc
=
2Eγ πa
1/ 2
ac
=
2Eγ πσ 2
塑性变形功
实际材料Orowan修正
σc
=
E(2γ +W ) 1/2 πa
15
断裂强度
真实断裂强度
真应力应变曲线
真实断裂强度Sk
应力σ /MPa
静力韧度a
0
应变ε / %
16
5
断裂的类型
按裂纹扩展途径
沿晶断裂 裂纹沿晶界扩展 晶界结合力较弱，有脆性第 二相、夹杂物、晶界损伤等 断口呈结晶状脆性断口 共价键晶体较为常见 穿晶断裂 裂纹沿晶内扩展 可能是脆断，也可能是韧断 离子键晶体较为常见
6
断裂的类型
按微观断裂机理
剪切断裂
切应力下滑移面分离引起的断裂
断口宏观形貌大多呈纤维状
晶粒尺寸
夹杂和第二相的影响
26
断裂韧性的影响因素
显微组织 不同组织和亚结构对断裂韧度有很大影响 第二相弥散强化的材料断裂韧度较高 热处理和压力加工对断裂韧度的影响也很大
温度
温度降低通常会降低断裂韧度——韧脆转变 强度较高的材料，温度对断裂韧度的影响减弱 应变速率 增加应变速率会降低断裂韧度 应变太快时，形变热量来不及 传导，造成局部区域绝热状态引 起温度升高，断裂韧度反而上升
8
断裂的类型
按微观断裂机理
解理断裂——河流花样 同号台阶汇合长大 异号台阶相互抵消 河流方向与裂纹扩展方向一致 准解理断裂 起源于晶内硬质点
河流纹不完全，局部有韧窝
9
断裂的类型
几种断裂类型小结
脆性断裂
解理断裂 穿晶断裂
韧性断裂 剪切断裂
沿晶断裂
宏观塑性变形 微观断裂机理 裂纹扩展方式
10
断口特征与分析
材料的断裂简介
断裂的类型与断裂机理 断口特征与分析 裂纹形核扩展过程
断裂强度
断裂韧性
线弹性条件下的断裂——断裂韧度 断裂韧性的影响因素 工程领域的应用
冲击韧性
低温脆性
2
1. 材料的断裂
3
断裂的概述
断裂的定义 固体材料在力的作用下分成若干部分的现象
断裂的过程
裂纹形核 裂纹扩展
断裂
断裂的分类
19
线弹性条件下的断裂韧性
裂纹尖端的应力场
裂纹扩展模式
裂纹尖端应力场 应力场强度因子
KI = σ πa 一般形式 KI = Yσ a
20
线弹性条件下的断裂韧性
应力场强度因子
*不同形状因子
KI = Yσ a
中心穿透裂纹
Y = π sec(πa /W )
体内椭圆裂纹
Y = π /ϕ0
表面半椭圆裂纹
Y = 1.1 π / Q
3. 断裂韧性
17
韧性概述
韧性 材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力 韧度
定义 衡量材料韧性大小的力学性能指标
分类
静力韧度——静拉伸曲线下塑性变形和断裂功 断裂韧度——断裂力学方法研究材料抵抗断裂的能力 冲击韧度——切口和冲击条件下的断裂韧性
应力σ /MPa
静力韧度
ac
=
S
2 k
−
σ
2 0.2
韧性断裂通常是剪切断裂
断口微观形貌分布着大量的韧窝
机制——微孔形核、长大、聚合，最后断裂
微孔来源——夹杂物、第二相质点、气孔、微裂纹
7
断裂的类型
按微观断裂机理
解理断裂 正应力下原子结合键断裂引起的穿晶断裂 断口微观形貌有大量台阶汇成的河流花样 解理是脆性断裂
的微观机理之一
机制——裂纹与螺型位错相交形成台阶 其他机制——裂纹沿孪晶扩展形成舌状花样
断裂韧度的测定
试验方法与试样
紧凑拉伸试验 三点弯曲单边裂纹试验 四点弯曲单边裂纹试验
试验步骤 加工试样，预制裂纹 加载让裂纹扩展，测定载荷与裂纹张开位移 测量裂纹长度，求断裂韧度
23
线弹性条件下的断裂韧性
断裂韧度的测定
试验仪器 万能试验机（三点弯曲） 试验结果处理
临界载荷取∆V/V=5%条件下的应力 裂纹长度取(a2+ a3 + a4)/3
24
线弹性条件下的断裂韧性
*裂纹扩展能量释放率
裂纹扩展能量释放率
GI
=
(1 −ν
2 )σ
E
2 πa
=
1−ν
E
2
K
2 I
断裂G判据 裂纹失稳扩展的力学条件 GI ≥ GIc
25
断裂韧性的影响因素
化学成分和结构 细化晶粒的合金元素提高强度和塑性，提高断裂韧度 强固溶元素大大降低塑性，从而降低断裂韧度 形成金属间化合物的元素因第二相引起断裂韧度降低 增强键合强度的组元，都将提高断裂韧度 基体相 易发生塑性变形和韧性断裂，断裂韧度高 形变强化对断裂韧度有影响
分析方法
宏观断口观察断裂类型 微观断口形貌分析确认断裂机理 成分与夹杂分析辅助
常见断口特征
11
裂纹形核与扩展
*裂纹形核
位错塞积理论 位错反应理论 脆性第二相开裂理论
裂纹扩展
12
2. 断裂强度
13
断裂强度
理论断裂强度
σm
=
Eγ
a0
1/ 2
实际材料的断裂强度仅 为理论的1/10~1/1000
裂纹
14
宏观塑性变形分类 脆性断裂 韧性断裂
裂纹扩展途径分类 穿晶断裂 沿晶断裂
微观断裂机理分类 解理断裂 剪切断裂
4
断裂的类型
按宏观塑性变形程度
脆性断裂 基本不发生明显宏观塑性变形 没有明显预兆，突然发生 断口齐平光亮 韧性断裂 有明显宏观塑性变形 裂纹扩展缓慢，消耗大量变形能 断口呈灰暗色，纤维状 主要区别 断裂前所产生的应变大小 以断面收缩率5%作为界限
27
断裂韧性的应用
材料选择 根据材料的断裂韧度计算结构的许用应力 根据承载要求和可能的裂纹选择材料
安全校核
设计结构尺寸
结构承载应力 临界裂纹Baidu Nhomakorabea寸 材料断裂韧度
比较实际裂纹尺寸
安全性
材料开发
材料成分和组元设计——第二相 材料组织和亚结构设计 热处理工艺以及冶金质量控制
28
断裂韧性的应用（课堂作业）
21
线弹性条件下的断裂韧性
应力场强度因子
裂纹失稳扩展的临界状态下
临界应力场强度因子KIC
断裂韧度
KIc = Yσ c ac
定义 表征材料在平面应变状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力
断裂K判据
KIc越大，断裂裂纹尺寸或应力越大，越难断裂
用KIc表征材料的力学性能指标 脆性断裂的条件
KI ≥ KIc
22
线弹性条件下的断裂韧性
例题1
已知材料的断裂韧度ＫＩＣ与实际裂纹长度ａ， 材料的剩余强度是多少？
2D
弹性能
0
应变ε / %
18
断裂韧性
断裂韧性概述
实际材料的断裂强度仅为理论的1/10~1/1000
裂纹
研究方法 断裂力学
线弹性条件下的断裂韧性 弹塑性条件下的断裂韧性
裂纹长度与塑性区尺度的对比
衡量指标和判据
线弹性条件
*弹塑性条件
应力场强度因子与K判据
J积分与J判据
裂纹扩展能量释放率与G判据 裂纹尖端张开位移
断裂强度
Griffith裂纹理论
裂纹失稳扩展
临界应力 临界裂纹半长
σc
=
2Eγ πa
1/ 2
ac
=
2Eγ πσ 2
塑性变形功
实际材料Orowan修正
σc
=
E(2γ +W ) 1/2 πa
15
断裂强度
真实断裂强度
真应力应变曲线
真实断裂强度Sk
应力σ /MPa
静力韧度a
0
应变ε / %
16
5
断裂的类型
按裂纹扩展途径
沿晶断裂 裂纹沿晶界扩展 晶界结合力较弱，有脆性第 二相、夹杂物、晶界损伤等 断口呈结晶状脆性断口 共价键晶体较为常见 穿晶断裂 裂纹沿晶内扩展 可能是脆断，也可能是韧断 离子键晶体较为常见
6
断裂的类型
按微观断裂机理
剪切断裂
切应力下滑移面分离引起的断裂
断口宏观形貌大多呈纤维状
晶粒尺寸
夹杂和第二相的影响
26
断裂韧性的影响因素
显微组织 不同组织和亚结构对断裂韧度有很大影响 第二相弥散强化的材料断裂韧度较高 热处理和压力加工对断裂韧度的影响也很大
温度
温度降低通常会降低断裂韧度——韧脆转变 强度较高的材料，温度对断裂韧度的影响减弱 应变速率 增加应变速率会降低断裂韧度 应变太快时，形变热量来不及 传导，造成局部区域绝热状态引 起温度升高，断裂韧度反而上升
8
断裂的类型
按微观断裂机理
解理断裂——河流花样 同号台阶汇合长大 异号台阶相互抵消 河流方向与裂纹扩展方向一致 准解理断裂 起源于晶内硬质点
河流纹不完全，局部有韧窝
9
断裂的类型
几种断裂类型小结
脆性断裂
解理断裂 穿晶断裂
韧性断裂 剪切断裂
沿晶断裂
宏观塑性变形 微观断裂机理 裂纹扩展方式
10
断口特征与分析