1、材料力学性能作业论述金属的断裂成型二班金属在外加载荷的作用下，当应力达到材料的断裂强度时，发生断裂。断裂是裂纹发生和发展的过程。机件的三种主要失效形式是磨损、腐蚀和断裂。其中断裂的危害最大。一、断裂的分类根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小，可分为韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂：断裂前产生较大的塑性变形，断口呈暗灰色的纤维状。脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口平齐，呈光亮的结晶状。韧性断裂与脆性断裂过程的显著区别是裂纹扩散的情况不同。韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，脆性断裂在断裂前基本上不发生塑性变形，是一种突然发生的断裂，没有明显征兆，因而危害性很大。韧性断裂和脆性断裂只
2、是相对的概念，在实际载荷下，不同的材料都有可能发生脆性断裂；同一种材料又由于温度、应力、环境等条件的不同，会出现不同的断裂。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为脆性断裂；大于 5为韧性断裂。可见，金属材料的韧性与脆性是依据一定条件下的塑性变形量来规定的，随着条件的改变，材料的韧性与脆性行为也将随之变化。按断裂机制又可分为解理断裂与剪切断裂两类。解理断裂是金属材料在一定条件下（如体心立方金属、密排六方金属与合金处于低温、冲击载荷作用），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的穿晶断裂。解理面一般是低指数或表面能最低的晶面。对于面心立方金属来说
3、，在一般情况下不发生解理断裂，但面心立方金属在非常苛刻的环境条件下也可能产生解理破坏。剪切断裂是金属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，它又分为滑断（又称切离或纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。纯金属尤其是单晶体金属常发生滑断断裂；钢铁等工程材料多发生微孔聚集型断裂，如低碳钢拉伸所致的断裂即为这种断裂，是一种典型的韧性断裂。二、拉伸断口分析断口分析是金属材料断裂失效分析的重要方法。记录了断裂产生原因，扩散的途径，扩散过程及影响裂纹扩散的各内外因素。所以通过断口分析可以找出断裂的原因及其影响因素，为改进构件设计、提高材料性能、改善制作工艺提供依据。断口分析可分为宏观断口分析和微观
4、断口分析。材料力学性能作业断口三要素：纤维区，放射区，剪切唇。纤维区：呈暗灰色，无金属光泽，表面粗糙，呈纤维状，位于断口中心，是裂纹源。放射区：宏观特征是表面呈结晶状，有金属光泽，并具有放射状纹路，纹路的放射方向与裂纹扩散方向平行，而且这些纹路逆指向裂源。剪切唇：宏观特征是表面光滑，断面与外力呈 45，位于试样断口的边缘部位。三、断裂强度的裂纹理论和格雷菲斯公式：断裂强度的裂纹理论：格雷菲斯认为实际材料中总存在许多细小的裂纹或缺陷，在外力作用下，这些裂纹和缺陷附近就会产生应力集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹就开始扩展而导致断裂。这就是著名的格雷菲斯微裂纹理论。 根据格雷菲斯微裂纹理论可知，
5、断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面拉断，而是裂纹扩展的结果格雷菲斯公式：21aEsc（1）对长为 2a 的中心穿透裂纹计算所得的断裂应力公式。（2）对长为 a 的表面半椭圆裂纹也适用，此时式中的 a 即为裂纹长度。只适用于脆性固体，如玻璃、金刚石、超高强度钢等，即那些裂纹尖端无塑性变形情况。对工程用金属材料（钢）：裂纹尖端产生较大塑性变形，要消耗大量塑性变形功，其值远比表面能大，为此格雷菲斯公式需要进行修正。四、脆性断裂的条件（1）温度 任何一种断裂都具有两个强度指标，屈服强度和表征裂纹失稳扩散的临界断裂强度。温度高，原子运动热能大，位错源释放出位错，移动吸收能量；温度低反之。（2）缺陷 材料
6、韧性 裂纹尖端应力大，韧性好发生屈服，产生塑性变形，限制裂纹进一步扩散。裂纹长度 裂纹越长，越容易发生脆性断裂。缺陷尖锐程度 越尖锐，越容易发生脆性断裂。（3）厚度 钢板越厚，冲击韧性越低，韧-脆性转变温度越高。原因：1）越厚，在厚度方向的收缩变形所受到的约束作用越大，使约束应力增加，在钢板厚度范围内形成平面应变状态。2）冶金效应，厚板中晶粒较粗大，内部产生的偏析较多。（4）加载速度 低强度钢，速度越快，韧-脆性转变温度降低。6 防止金属脆性断裂失效的途径(1）材料的设计防止脆性断裂应控制下列因素来进行合理结构设计，即材料的断裂韧性水平、构件的材料力学性能作业工作温度和应力状态、载荷类型及环境
7、因素等。温度是引起构件脆断的重要因素之一，设计者必须考虑使构件的工作温度高于材料的脆性转变温度（Tc）。若所设计的构件工作温度低于 Tc 时，则必须降低设计应力水平，使应力低于不会发生裂纹的扩展。若其设计应力不能降低，则应更换材料，选择韧性更高，Tc 更低的材料。在选择材料时，应保证材料具有良好的强韧性，良好的工艺性能。从减少构件脆性断裂上，在进行构件设计时，应使缺陷所产生的应力集中减少到最低限度，如减少尖角及结构尺寸的不连续性，合理布置焊缝的位置。冶金生产方面要减少钢中的夹杂物、气孔及钢材的表面缺陷。结构加工后不应存在缺口、凹槽、过深的刀痕等缺陷。焊接时要防止裂纹、焊瘤、未焊透等缺陷，减小和
8、消除钢结构中的残余应力，尤其在条件允许的情况下焊接结构应尽量消除焊接残余应力，这对于防止低温脆断具有非常重要的意义。（2 )调整化学成分钢的化学成分中的有益元素含量在合金设计中应给以重视，而 C、N、H、O、P 等有害夹杂含量增加均会提高脆性转变温度，降低冲击韧性，所以应减少其含量。要对脆断事故进行分析，首先应该要看是否含量超标，不超标时也要考虑合金配比是否合适，因为成分落在牌号规范内，但配比不合适（如 Mn/C 比），其工艺性能或使用性能上达不到要求并引起失效的事例是很多的，如在设计钢的成分时应尽可能地控制一些对钢的回火脆性影响较大元素的配比，使钢的回火脆性不致过大，以及向回火脆性敏感性较大
9、的钢中添加钼和钨，对回火脆性敏感性较大的铬镍钢，铬锰钢、硅锰钢、铬钒钢等加钼便是如此。镍被认为是降低钢的脆性转变温度作用最大的元素。低碳钢的脆性转变温度因镍量增加而降低，淬火后低温回火的镍钢含 4.5%镍，高温回火的钢含 2.5镍时，脆性转变温度可降到最低。在合金结构钢中，铜的作用与镍相似。锰对钢的脆性转变温度的影响因含量不同而异。低碳钢含锰在 1.5以下时可使脆性转变温度降低，所以，降碳增锰可以减少钢中的碳化物、细化晶粒，有利于低碳钢获得较高的低温冲击韧性，但含锰高时又使钢的脆性转变温度提高。此外，钢中偏析、夹杂物。白点、微裂纹等缺陷越多，韧性越低。综上所述，碳、氮、磷。硅等元素增大钢的冷脆
10、性倾向，镍、少量锰、铜等元素有利于钢获得较高的低温冲击韧性。由于合金元素对钢的冷脆性的影响很复杂，加之还要受其他方面因素的影响，还需具体分折。总之，调整合金元素，降低杂质含量，提高钢的纯净度是降低材料脆断的有效途径。材料力学性能作业(3) 细化晶粒细化晶粒是控制材料韧性避免脆断的重要手段。粗晶粒的钢脆性转变温度较细晶粒的为高，如粗晶粒的中碳钢的脆性转变温度，可较细晶粒的钢高 40。细晶粒强化符合Hall-Petch 关系，当晶粒越细，晶界面积就越大，晶界对位错运动的阻碍也越大，从而使强度升高。此外，晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目越多，在同样变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行，晶粒内部和晶界附近的应变度相差较小，变形较均匀，相对来说引起应力集中减小，使材料在断裂之前能承受较大的变形量，因而有较好的塑性；又因为晶粒越细，晶界的曲折越多，越不利于裂纹的传播。从而在断裂过程中可吸收更多的能量，表现出较高的韧性；当晶粒细小时，晶界面积增加。又使晶界杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。在铸造生产中可通过加大过冷度，在铸铁中加入硅铁或硅钙合金，在铝合金中加入钛、锆、钒等或在合金钢中加入碳化物形成元素（Ti、V 等)，阻止加热时对晶粒长大，从而细化晶粒提高韧性。
