1、本章要点 2 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 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 断裂韧性 断裂强度 冲击韧性 低温脆性1. 材料的断裂 3断裂的概述 4 固体材料在力的作用下分成若干部分的现象 裂纹形核 裂纹扩展 断裂 断裂的定义 断裂的过程 断裂的分类 脆性断裂 韧性断裂 宏观塑性变形分类 穿晶断裂 沿晶断裂 裂纹扩展途径分类 解理断裂 剪切断裂 微观断裂机理分类断裂的类型 5 按宏观塑性变形程度 脆性断裂 韧性断裂 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 有明显宏观塑性变形 裂纹扩展缓慢，消耗大
2、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% 作为界限断裂的类型 6 按裂纹扩展途径 沿晶断裂 穿晶断裂 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 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断裂的类型 7 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 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 韧性断裂通常是剪切断裂断裂的类型 8 按微观断裂机理 解理断裂 正应力下原子结合
3、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 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 解理是脆性断裂 的微观机理之一断裂的类型 9 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，局部有韧窝断裂的类型 10 几种断裂类型小结 脆性断裂 韧性断裂 剪切断裂 解理断裂 宏观塑性变形 微观断裂机理 断口特征与分 析 11 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 分析方法 常见断口特征裂纹形核与扩 展 12 *裂纹形核 位错塞积理论 位
4、错反应理论 脆性第二相开裂理论 裂纹扩展2. 断裂强度 13断裂强度 14 理论断裂强度 2 / 1 0 = a E m 实际材料的断裂强度仅 为理论的1/101/1000 裂纹断裂强度 15 Griffith 裂纹理论 临界应力 临界裂纹半长 2 / 1 2 = a E c 2 2 E a c = 裂纹失稳扩展 实际材料Orowan 修正 2 / 1 ) 2 ( + = a W E c 塑性变形功断裂强度 16 真实断裂强度 应力 /MPa 应变 / % 0 真应力应变曲线 真实断裂强度S k 静力韧度a3. 断裂韧性 17韧性概述 18 韧性 材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力 韧度
5、衡量材料韧性大小的力学性能指标 定义 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 静力韧度 应力 /MPa 应变 / % 0 D S a k c 2 2 2 . 0 2 = 弹性能断裂韧性 19 断裂韧性概述 断裂力学 研究方法 实际材料的断裂强度仅为理论的1/101/1000 裂纹 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 线弹性条件 衡量指标和判据 * 弹塑性条件 应力场强度因子与K判据 裂纹扩展能量释放率与G 判据 J 积分与J 判据 裂纹尖端张开位移线弹性条件下 的 断裂
6、韧 性 20 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 a K I = 一般形式 a Y K I =线弹性条件下 的 断裂 韧 性 21 应力场强度因子 a Y K I = * 不同形状因子 ) / sec( W a Y = 中心穿透裂纹 0 / = Y 体内椭圆裂纹 Q Y / 1 . 1 = 表面半椭圆裂纹线弹性条件下 的 断裂 韧 性 22 应力场强度因子 临界应力场强度因子K IC 裂纹失稳扩展的临界状态下 断裂韧度 c c a Y K = Ic 表征材料在平面应变状态下抵抗裂纹失稳扩展的能力 定义 断裂K判据 K Ic 越大，断裂裂纹尺寸或应力越大，越难断裂 用
7、K Ic 表征材料的力学性能指标 脆性断裂的条件 Ic I K K 线弹性条件下 的 断裂 韧 性 23 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，求断裂韧度线弹性条件下 的 断裂 韧 性 24 断裂韧度的测定 试验仪器 试验结果处理 万能试验机（三点弯曲） 临界载荷取V/V=5% 条件下的应力 裂纹长度取(a 2 + a 3 + a 4 )/3线弹性条件下 的 断裂 韧 性 25 *裂纹扩展能量释放率 断裂G 判据 裂纹扩展能量释放率 裂纹失稳扩展的力学条件 I
8、c I G G 2 2 2 2 I 1 ) 1 ( I K E E a G = =断裂韧性的影 响 因素 26 化学成分和结构 基体相 晶粒尺寸 夹杂和第二相的影响 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 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，都将提高断裂韧度断裂韧性的影 响 因素 27 显微组织 温度 应变速率 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 温度降低通常会降低断裂韧度韧
9、脆转变 强度较高的材料，温度对断裂韧度的影响减弱 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，断裂韧度反而上升断裂韧性的应 用 28 材料选择 安全校核 材料开发 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 设计结构尺寸 临界裂纹尺寸 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 结构承载应力 材料断裂韧度 比较实际裂纹尺寸 安全性断裂韧性的应 用 （课 堂 作业 ） 29 例题1 剩余强度 a Y K r / IC = 例题2 临界裂纹尺寸 ( ) 2 IC / Y K a = 例
10、题3 断裂韧性的应 用 30 习题1 习题2 0.2 =1200MPa ， K IC =115MPa m 1/2 甲钢：=1950MPa ，K IC =45MPa m 1/2 乙钢：=1560MPa ，K IC =75MPa m 1/2*弹塑性条件 下的 断 裂韧 性 31 裂纹尖端张开位移CTOD J 积分与J 判据 s I s I G E K V 4 4 2 2 = = = 2 IC 2 IC IC 1 K E G J = = 断裂判据 c 4. 冲击韧性 32切口强度 33 切口 定义 改变零件应力和应变的分布 造成应力集中和应力多向性 促使材料发生低应力脆断 影响 使零构件外形具有几何
11、不连续性 切口敏感性 b bN NSR / = NSR1 ，对切口不敏感，切口韧性材料 NSR1 ，对切口敏感，是切口脆性材料切口强度 34 *应力集中与局部应力 *应变集中与局部应变 Hollomon 方程 n p K =切口强度 35 切口强度实验测定 试件 实验设备 万能试验机（拉伸） 切口强度 2 max / 4 n bN d P = * 切口强度估算 切口强度只能定性判定材料的切口敏感度冲击韧性 36 冲击载荷的特点 冲击韧性实验 作用时间短 冲击力F 是一个变力 用能量变化来衡量 试件 夏氏切口 梅氏切口冲击韧性 37 冲击韧性实验 实验原理 实验设备 实验结果冲击吸收功 E A
12、A A GH GH A f p i k + + + = = 2 1 不能真正反映材料的韧脆程度冲击韧性 38 冲击韧性 定义 N kv kv S A = 特点 SN缺口处截面积 不能真正代表材料的韧脆程度 缺口冲击韧性对材料内组织变化及外界温度很敏感 冲击试验简单易行 用途 评定原材料冶金质量和热处理后的产品质量 确定材料的冷脆倾向和韧脆转变温度，用于低温材料设计 反映材料一次或少数次大能量冲击断裂的抗力 建立冲击功和其他力学性能指标间的关系，代替复杂实验 揭示材料的变脆倾向5. 低温脆性（韧脆转变） 39低温脆性 40 1986年1 月23 日挑 战者号 事故 低温脆性的危害低温脆性 41
13、低温脆性的危害低温脆性 42 材料的冷脆倾向 T/ 冲击吸收功A K 0 奥氏体钢（韧） 高强度钢（脆） 低强度铁 素体钢 韧脆转变温度 韧脆转变温度 低温冲击试验 材料韧性（抗脆断）的指标 估计材料的最低使用温度 材料尺寸和外界因素影响很大韧脆转变温度 43 韧脆转变温度测试方法 基本方法 将试样冷却到不同温度 测定冲击功，观察断口形貌特征 绘制冲击功和温度关系曲线，确定韧脆转变温度 断口形貌法 50%FATT 结晶状断口面积50%韧脆转变温度 44 韧脆转变温度测试方法 能量法 韧脆转变温度FTT T/ 冲击吸收功A K 0 低阶能 高阶能 低于某一温度NDT 时，冲 击功基本不随温度变化，材 料断裂前无塑性变形，断口 100% 结晶区组成（解理断 口）低阶能 高于某一温度FTP，对应 100% 纤维状断口高阶能 高低阶能平均值FTE韧 脆转变温度低温脆性的影 响 因素 45 内在因素 晶体结构 外部因素 化学成分 晶粒尺寸 金相组织 试样外形尺寸 加载速率 阻碍裂纹扩展 塞积的位错减少，降低应力集中 杂质浓度减少，避免沿晶断裂 晶界
