1、斷裂類型及物理本質(zhì)第1頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四第六章 金屬的斷裂 主要內(nèi)容Main Content斷裂的基本類型及物理本質(zhì)影響斷裂類型的因素塑性加工中的各種斷裂現(xiàn)象分析 2022/9/192第2頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四6.1 斷裂的基本類型及物理本質(zhì)斷裂的概念斷裂的基本類型脆性斷裂韌性斷裂2022/9/193第3頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四6.1.1 斷裂的概念金屬的斷裂是指金屬材料在變形超過其塑性極限而呈現(xiàn)完全分開的狀態(tài)。材料受力時(shí)，原子相對位置發(fā)生了改變，當(dāng)局部變形量超過一定限度時(shí)，原于間結(jié)合力遭受

2、破壞，使其出現(xiàn)了裂紋，裂紋經(jīng)過擴(kuò)展而使金屬斷開。2022/9/194第4頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四現(xiàn)象：扁擔(dān)從彈性變形到塑性變形，再到斷裂 飛機(jī)發(fā)動機(jī)渦輪葉片從損傷到斷裂斷裂遠(yuǎn)比彈塑性失穩(wěn)、磨損、腐蝕等，更具有危險(xiǎn)性! 2022/9/195第5頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四壓力加工制品的斷裂形式 2022/9/196第6頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四2022/9/197第7頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四金屬塑性的好壞表明了它抑制斷裂能力的高低。在塑性加工生產(chǎn)中，尤其對塑性較差的材料，斷裂

3、常常是引起人們極為關(guān)注的問題。加工材料的表面和內(nèi)部的裂紋，以至整體性的破壞皆會使成品率和生產(chǎn)率大大降低。為此，有必要了解斷裂的物理本質(zhì)及其規(guī)律，有效地防止斷裂，盡可能地發(fā)揮金屬材料的潛在塑性。 2022/9/198第8頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四6.1.2 斷裂的基本類型按服役條件分類按斷裂應(yīng)變分類按斷裂面取向分類按斷口形貌分類按斷裂路徑分類（1）過載斷裂 （2）疲勞斷裂 （3）蠕變斷裂 （4）環(huán)境斷裂 （1）韌性斷裂 （2）脆性斷裂 （1）正斷 （2）切斷 （1)沿晶斷裂 （2)解理斷裂 （3)微孔聚集型斷裂 （4)準(zhǔn)解理斷裂 （5)純剪切斷裂（1）沿晶斷裂 （2

4、）穿晶斷裂 2022/9/199第9頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四正斷與剪斷的宏觀與微觀形式 2022/9/1910第10頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四2022/9/1911第11頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四晶間斷裂a(bǔ)）和穿晶斷裂b） 2022/9/1912第12頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四斷裂機(jī)理脆性斷裂 韌性斷裂 1脆性斷口 2理論斷裂強(qiáng)度 3Griffith裂紋生長理論4脆性斷裂的位錯(cuò)理論1變溫引起的韌-脆轉(zhuǎn)變 2環(huán)境引起的韌-脆轉(zhuǎn)變 3影響韌脆轉(zhuǎn)變的因素 脆性-韌性轉(zhuǎn)變 1韌性斷

5、口 2微孔成核、長大和聚合 3影響韌性斷裂擴(kuò)展的因素 2022/9/1913第13頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四6.1.3 脆性斷裂根據(jù)斷裂前金屬是否呈現(xiàn)有明顯的塑性變形，可將斷裂分為韌性斷裂與脆性斷裂兩大類。通常以單向拉伸時(shí)的斷面收縮率大于5%者為韌性斷裂，而小于5%者為脆性斷裂。脆性斷裂在斷面外觀上沒有明顯的塑性變形跡象，直接由彈性變形狀態(tài)過渡到斷裂，斷裂面和拉伸軸接近正交，斷口平齊。 2022/9/1914第14頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四在單晶體試樣中常表現(xiàn)為沿解理面的解理斷裂。 在多晶體試樣中則可能出現(xiàn)兩種情況： 一是裂紋沿解理面

6、橫穿晶粒的穿晶斷裂，斷口可以看到解理亮面；若晶粒較粗，則可以看到許多強(qiáng)烈反光的小平面(或稱刻面)，這些小平面就是解理面或晶界面，可叫做晶狀斷口。 二是裂紋沿晶界的晶間斷裂，斷口呈顆粒狀。 資料： 所謂解理面，一般都是晶面指數(shù)比較低的晶面，如體心立方的（100）面。 2022/9/1915第15頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四解理斷裂成因：原子間結(jié)合鍵遭到破壞，沿表面能最小、低指數(shù)的晶面（解理面）劈開而成。 解理斷裂特點(diǎn)：（1）斷口呈河流，扇形或羽毛狀花樣，如圖示 螺型位錯(cuò)穿過解理面，遇到第二個(gè)螺位錯(cuò)，產(chǎn)生臺階。 （2）舌狀花樣，如圖示 解理裂紋與孿晶相遇時(shí)，便沿孿晶面發(fā)

7、生局部二次解理，二次解理面與主解理面之間的連接部分?jǐn)嗔?，形成舌狀花?2022/9/1916第16頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四沿晶斷裂特點(diǎn)：在斷面上可看到晶粒輪廓線或多邊體晶粒的截面圖，如圖示。有時(shí)仍可看到河流或扇形花樣。 沿晶斷裂成因：晶粒邊界的結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)比晶內(nèi)要低，脆性裂紋就會擇優(yōu)在晶界形核，并沿晶界擴(kuò)展。晶界存在連續(xù)分布的脆性第二相 微量有害雜質(zhì)元素在晶界上偏聚由于環(huán)境介質(zhì)的作用損害了晶界，如氫脆、應(yīng)力腐 蝕、應(yīng)力和高溫的復(fù)合作用在晶界造成損傷。 2022/9/1917第17頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四理論斷裂強(qiáng)度 理論斷裂強(qiáng)度是指

8、完整晶體在正應(yīng)力作用下沿其一晶面拉斷的強(qiáng)度。如圖所示，此強(qiáng)度就是兩相鄰原子面在拉應(yīng)力s作用下克服原子間鍵合力作用，使原子面分開的應(yīng)力。 2022/9/1918第18頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四由外力抵抗原子間結(jié)合力所做的功等于產(chǎn)生斷裂新表面的表面能，可以求得理論斷裂強(qiáng)度為： 式中 a斷裂面間的原子間距； g表面能； E彈性模量。 2022/9/1919第19頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四對于鐵，可以估算理論斷裂強(qiáng)度smE/10。這個(gè)數(shù)值是很高的，實(shí)際的斷裂強(qiáng)度比這個(gè)值低很多，只是它的1/1001/1000。只有毫無缺陷的晶須才能近似達(dá)到理論

9、斷裂強(qiáng)度。這一懸殊差別的存在，是因?yàn)椴牧蟽?nèi)部存在有各種缺陷的緣故。 2022/9/1920第20頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四Griffith裂紋生長理論 為了解釋實(shí)際斷裂強(qiáng)度和理論斷裂強(qiáng)度的差別，早在1920年就提出了這樣的設(shè)想：由于材料中已有現(xiàn)成裂紋存在，在裂紋尖端會引起強(qiáng)大的應(yīng)力集中。在外加平均應(yīng)力小于理論斷裂強(qiáng)度時(shí)，裂紋尖端已達(dá)到理論斷裂強(qiáng)度，因而引起裂紋的急劇擴(kuò)展，使實(shí)際斷裂強(qiáng)度大為降低。由于裂紋長度的不同，所引起應(yīng)力集中的程度也不同，對于一定尺寸的裂紋就有一個(gè)臨界應(yīng)力sc。當(dāng)外加應(yīng)力超過sc時(shí)，裂紋才迅速擴(kuò)大，導(dǎo)致斷裂。2022/9/1921第21頁，共4

10、4頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四Griffith從能量條件導(dǎo)出了臨界應(yīng)力sc值的大小。此能量條件為：裂紋擴(kuò)展所降低的彈性能恰好足以供給表面能的增加。由此求得裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力為： 此式即為Griffith公式，它表明了裂紋傳播的臨界應(yīng)力sc和裂紋長度C的平方根成反比。 2022/9/1922第22頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四Griffith公式與理論斷裂強(qiáng)度公式比較，可知Griffith公式的物理意義在于：裂紋兩端所引起的應(yīng)力集中，相當(dāng)將外力放大了(C/a)1/2倍，使局部區(qū)域達(dá)到了理論斷裂強(qiáng)度sm，而導(dǎo)致斷裂?；蛘哒f，當(dāng)裂紋兩端的應(yīng)力集中程度是外力

11、應(yīng)力的(C/a)1/2倍時(shí)，裂紋兩端的應(yīng)力便達(dá)到了理論斷裂強(qiáng)度sm ，從而導(dǎo)致斷裂。由此可見， Griffith理論可以說明實(shí)際斷裂強(qiáng)度和理論斷裂強(qiáng)度間的差異。 2022/9/1923第23頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四裂紋形核脆性斷裂的位錯(cuò)理論金屬發(fā)生斷裂，先要形成微裂紋。這些微裂紋主要來自兩個(gè)方面： 一是材料內(nèi)部原有的，如實(shí)際金屬材料內(nèi)部的氣孔、夾雜、微裂紋等缺陷； 二是在塑性變形過程中，由于位錯(cuò)的運(yùn)動和塞積等原因而使裂紋形核。隨著變形的發(fā)展導(dǎo)致裂紋不斷長大，當(dāng)裂紋長大到一定尺寸后，便失穩(wěn)擴(kuò)展，直至最終斷裂。 2022/9/1924第24頁，共44頁，2022年，

12、5月20日，1點(diǎn)10分，星期四位錯(cuò)塞積理論 位錯(cuò)反應(yīng)理論 位錯(cuò)墻側(cè)移理論位錯(cuò)銷毀理論2022/9/1925第25頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四位錯(cuò)塞積理論位錯(cuò)在運(yùn)動過程中，遇到了障礙（如晶界、相界面等）而被塞積，在位錯(cuò)塞積群前端就會引起應(yīng)力集中，若外加切應(yīng)力為t，塞積位錯(cuò)個(gè)數(shù)為n，此處應(yīng)力集中為nt，這就說明此處的應(yīng)力集中比外加切應(yīng)力大n倍，塞積位錯(cuò)越多，應(yīng)力集中程度越大。當(dāng)此應(yīng)力大于界面結(jié)合力或脆性第二相或夾雜物本身的結(jié)合力時(shí)，就會在界面或脆性相中形成裂紋核。 2022/9/1926第26頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四位錯(cuò)塞積引起裂口胚芽示

13、意圖 2022/9/1927第27頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四位錯(cuò)反應(yīng)理論在相交的滑移面上，由于位錯(cuò)反應(yīng)發(fā)生了同號位錯(cuò)的聚合，便形成了微裂紋。在體心立方中，兩位錯(cuò)相遇反應(yīng)的結(jié)果，可在解理面上形成不易滑移的001刃型位錯(cuò)，刃型位錯(cuò)的合并即是體心立方的解理面（001）面上形成解理裂紋。 2022/9/1928第28頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四位錯(cuò)反應(yīng)形成裂紋示意圖 2022/9/1929第29頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四位錯(cuò)墻側(cè)移理論由于刃型位錯(cuò)的垂直排列構(gòu)成了位錯(cuò)墻。同時(shí)引起了滑移面的彎折。當(dāng)在適當(dāng)?shù)耐饬ψ饔孟拢?/p>

14、晶體發(fā)生滑移，就會使位錯(cuò)墻發(fā)生側(cè)移，而促使裂紋在滑移面上生成。這一理論可以說明，密排六方金屬沿滑移面斷裂的原因。有人已觀察到，在鋅中由于滑移面的彎折所形成的裂紋。2022/9/1930第30頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四位錯(cuò)墻側(cè)移使裂口形核2022/9/1931第31頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四位錯(cuò)銷毀理論在兩個(gè)相距為h的平行滑移面上，存在有異號刃型位錯(cuò)。在外力作用下位錯(cuò)發(fā)生相對運(yùn)動，若h10個(gè)原子間距時(shí)，它們相互接近后，就會彼此合并而消毀。此時(shí)便在中心處形成小孔隙，隨著滑移的進(jìn)行，孔隙逐漸擴(kuò)大，形成長條形空洞。當(dāng)兩排位錯(cuò)數(shù)目不等時(shí)，多余位

15、錯(cuò)并入空洞，會引起強(qiáng)大的應(yīng)力集中，而形成斷裂源。2022/9/1932第32頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四由不同號刃型位錯(cuò)群消毀而形成裂口胚芽的示意圖2022/9/1933第33頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四6.1.5 韌性斷裂韌性斷裂在斷裂前金屬經(jīng)受了較大的塑性變形，其斷口呈纖維狀，灰暗無光。韌性斷裂主要是穿晶斷裂，如果晶界處有夾雜物或沉淀物聚集，則也會發(fā)生晶間斷裂。 2022/9/1934第34頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四某些單晶體 高純金屬多晶體 拉伸時(shí)可沿滑移面分離而導(dǎo)致剪切斷裂，如圖 (a)所示。這種韌斷

16、過程和空洞的形核長大無關(guān)，故在斷口上看不到韌窩。 拉伸產(chǎn)生縮頸后，試樣中心三向應(yīng)力區(qū)空洞不能形核長大，故通過不斷縮頸使試樣變得很細(xì)(圓柱試樣或薄板試樣)，最終斷裂時(shí)斷口接近一個(gè)點(diǎn)或一條線，如圖(b)所示。 2022/9/1935第35頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四韌性斷口杯錐狀宏觀斷口光滑圓柱拉伸試樣 放射區(qū) 纖維區(qū) 剪切唇 斷口呈纖維狀，如圖示 材料屈服后就會出現(xiàn)縮頸，由于應(yīng)力集中，導(dǎo)致空洞在夾雜或第二相邊界處形核、長大和連接。在試樣中心形成很多小裂紋，它們擴(kuò)展并互相連接就形成鋸齒狀的纖維區(qū)。中心裂紋向四周放射狀的快速擴(kuò)展就形成效射區(qū)。當(dāng)裂紋快速擴(kuò)展到試樣表面附近時(shí)

17、，由于試樣剩余厚度很小，故變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)，從而剩余的表面部分剪切斷裂，斷裂面沿最大剪應(yīng)力面，故和拉伸軸成45的剪切唇。 2022/9/1936第36頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四韌性斷口韌窩斷口空洞形核、長大并連接就導(dǎo)致韌斷，在斷口上就顯示出韌窩結(jié)構(gòu)實(shí)際材料存在夾雜、碳化物或第二相，空洞擇優(yōu)在這些粒子處形核。微空洞也可在基體上形核。成核粒子的大小及分布應(yīng)力大小、溫度、變形速度等外界因素材料的形變能力韌窩的形狀、大小和深淺的影響因素 一般說來，韌窩斷口是韌斷的標(biāo)志，但也有例外。例如A1-Fe-Mo以及含SiC的A1合金，斷裂應(yīng)變很小，屬于脆斷，但微觀斷口由韌窩構(gòu)成。

18、2022/9/1937第37頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四微孔成核、長大和聚合 微孔成核很脆的夾雜物本身堅(jiān)實(shí)與基體結(jié)合牢的強(qiáng)化相在不大的應(yīng)力作用下，夾雜物粒子便與基體脫開，或本身裂開而成為微孔是位錯(cuò)塞積引起的應(yīng)力集中，或在高應(yīng)變條件下，第二相與基體塑性變形不協(xié)調(diào)而萌生微孔的。第二相粒子2022/9/1938第38頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四微孔長大 位錯(cuò)源不斷激發(fā)新的位錯(cuò)，新的位錯(cuò)并入微孔，微孔就不斷長大 若干位錯(cuò)合并成微孔，圖 (d) 領(lǐng)先的位錯(cuò)環(huán)向界面推進(jìn)，圖(c) 位錯(cuò)在質(zhì)點(diǎn)兩邊塞積起來，與質(zhì)點(diǎn)內(nèi)的鏡像力相平衡，圖 (b) 位錯(cuò)線運(yùn)動

19、遇到第二相質(zhì)點(diǎn)時(shí)，在其周圍形成位錯(cuò)環(huán)，圖 (a) 位錯(cuò)長大模型2022/9/1939第39頁，共44頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)10分，星期四微孔聚合 裂紋尖端與微孔、微孔與微孔間產(chǎn)生局部滑移 局部變形量大，產(chǎn)生了快速剪切裂開。微孔聚合速度快，消耗的能量也較少，所以韌性差。 正常聚合 過程微孔長大后出現(xiàn) “內(nèi)頸縮”，使承載面積減少而應(yīng)力增加，起了“幾何軟化”作用。促進(jìn)變形的進(jìn)一步發(fā)展，加速微孔的長大，直至聚合。在較大應(yīng)力下，微孔繼續(xù)長大，直至其邊緣連在一起，聚合成裂紋。 變形均勻的，速度較慢，消耗的能量較多，韌性較好?；w的形變強(qiáng)化指數(shù)越高，微孔長大直至聚合的過程越慢，韌性越好。 特點(diǎn)2022/9/