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1、第四章第四章 材料的断裂材料的断裂4.1断裂分类与宏观断口特征断裂分类与宏观断口特征4.2断裂强度断裂强度4.3脆性断裂脆性断裂4.4韧性断裂韧性断裂4.6缺口效应缺口效应4.7材料的低温脆性材料的低温脆性断裂是材料的一种十分复杂的行为，断裂是材料的一种十分复杂的行为，不仅出现在高应力不仅出现在高应力和高应变条件下，也发生在低应力和无明显塑性变形条和高应变条件下，也发生在低应力和无明显塑性变形条件下，所以件下，所以在不同的力学、物理和化学环境下，会有不在不同的力学、物理和化学环境下，会有不同的断裂形式，如静载断裂、冲击断裂、冷脆断裂、疲同的断裂形式，如静载断裂、冲击断裂、冷脆断裂、疲劳断裂、蠕
2、变断裂、应力腐蚀断裂和氢脆断裂。劳断裂、蠕变断裂、应力腐蚀断裂和氢脆断裂。研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构件在服役过研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构件在服役过程中的安全。程中的安全。机械和工程构件三种主要机械和工程构件三种主要失效形式失效形式：磨损、腐蚀、断裂：磨损、腐蚀、断裂前 言4.1 4.1 断裂分类与宏观断口特征断裂分类与宏观断口特征一、断裂一、断裂(fracture)分类分类u根据断裂前塑性变形大小分类：脆性断裂；韧性断裂根据断裂前塑性变形大小分类：脆性断裂；韧性断裂u根据裂纹扩展的途径分类：根据裂纹扩展的途径分类：穿晶断裂；沿晶断裂穿晶断裂；沿晶断裂u根据断裂机理分类：
3、解理断裂；微孔聚集型断裂；纯根据断裂机理分类：解理断裂；微孔聚集型断裂；纯剪切断裂剪切断裂u根据断裂面的取向分类：根据断裂面的取向分类：正断；切断正断；切断u实际断裂很复杂，常不是单一机制，而是多种机制的实际断裂很复杂，常不是单一机制，而是多种机制的混合断裂。混合断裂。u 韧性断裂与脆性断裂韧性断裂与脆性断裂韧性断裂：断裂前有明显宏观塑性变形，断裂是一韧性断裂：断裂前有明显宏观塑性变形，断裂是一个缓慢撕裂过程，裂纹扩展过程中，不断消耗能量；个缓慢撕裂过程，裂纹扩展过程中，不断消耗能量；脆性断裂：断裂前不发生明显塑性变形，无明显征脆性断裂：断裂前不发生明显塑性变形，无明显征兆，危害性大。兆，危害
4、性大。实际上，金属的脆性断裂与韧性断裂并无明显的界实际上，金属的脆性断裂与韧性断裂并无明显的界限，一般规定，断面收缩率小于限，一般规定，断面收缩率小于5者为脆性断裂，者为脆性断裂，大于大于5者，为韧性材料。者，为韧性材料。u穿晶断裂与沿晶断裂穿晶断裂与沿晶断裂穿晶断裂：裂纹穿过晶内（韧断穿晶断裂：裂纹穿过晶内（韧断或脆断）或脆断）沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展（多沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展（多为脆断）为脆断）沿晶断裂产生原因：沿晶断裂产生原因：晶界上的一薄层连续或不连续脆晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物破坏了晶界的连性第二相、夹杂物破坏了晶界的连续性；或杂质元素向晶界偏聚引起。续性；或杂质
5、元素向晶界偏聚引起。剪切断裂：在切应力作用下沿剪切断裂：在切应力作用下沿滑移面滑移面分离而造成的滑分离而造成的滑移面分离断裂。移面分离断裂。纯剪切断裂：完全由滑移流变造成断裂（如纯金属尤纯剪切断裂：完全由滑移流变造成断裂（如纯金属尤其是单晶体）；其是单晶体）；微孔聚集型断裂：通过微孔形核、长大聚合而导致分微孔聚集型断裂：通过微孔形核、长大聚合而导致分离（如常用金属材料）离（如常用金属材料）解理断裂：金属材料在一定条件下（如低温等），当解理断裂：金属材料在一定条件下（如低温等），当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体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（学平面（解理面解
6、理面）产生的）产生的穿晶断裂穿晶断裂脆断。脆断。解理断裂常见于解理断裂常见于bcc和和hcp金属中。金属中。解理面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面，如解理面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面，如bcc金属的金属的解理面为解理面为(100)。u纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂正断：断口与最大正应力相垂直；正断：断口与最大正应力相垂直；切断：宏观断口的取向与最大切应力方向平行。切断：宏观断口的取向与最大切应力方向平行。注意：正断不一定就是脆性断裂，正断也可以有注意：正断不一定就是脆性断裂，正断也可以有明显的塑性变形。而切断一定是韧性断裂。明显的塑性变形。而
7、切断一定是韧性断裂。u正断与切断正断与切断二、断口的宏观特征二、断口的宏观特征宏观断口：肉眼或宏观断口：肉眼或20倍以下的放大镜观察的断口；倍以下的放大镜观察的断口；微观断口：用光学显微镜或扫描电镜观察的断口。微观断口：用光学显微镜或扫描电镜观察的断口。宏观韧性断口（拉伸试样）宏观韧性断口（拉伸试样）材料断裂的实际情况往往比较复杂，宏观断裂形态不一定与微材料断裂的实际情况往往比较复杂，宏观断裂形态不一定与微观断口特征完全相符。因此，宏观上的韧、脆断裂不能与微观上观断口特征完全相符。因此，宏观上的韧、脆断裂不能与微观上的韧、脆断裂机理混为一谈。的韧、脆断裂机理混为一谈。宏观脆性断口宏观脆性断口纤
8、维区：在试样的中心位置，裂纹纤维区：在试样的中心位置，裂纹首先在该区形成，该区颜色灰暗，首先在该区形成，该区颜色灰暗，表面有较大的表面有较大的起伏起伏，裂纹在该区扩，裂纹在该区扩展时伴有较大的塑性变形，裂纹扩展时伴有较大的塑性变形，裂纹扩展也较慢；展也较慢；剪切唇：接近试样边缘时，应力状态改变了剪切唇：接近试样边缘时，应力状态改变了(平面应力状态平面应力状态)，最后沿着与拉力轴向成，最后沿着与拉力轴向成45剪剪切断裂，表面光滑。切断裂，表面光滑。放射区：表面较光亮平坦，有较细放放射区：表面较光亮平坦，有较细放射状条纹，裂纹在该区扩展较快；射状条纹，裂纹在该区扩展较快；断口特征三要素：断口特征三
9、要素：纤维区纤维区F、放射区、放射区R、剪切唇、剪切唇S杯锥状断口的形成：杯锥状断口的形成：a.颈缩导致三向应力，塑变难以进行，颈颈缩导致三向应力，塑变难以进行，颈部中心真应力部中心真应力S；b.试样中心部位夹杂等第二相粒子破碎或试样中心部位夹杂等第二相粒子破碎或质点等与基体分离；质点等与基体分离；c.微孔长大形成显微裂纹，早期显微裂纹微孔长大形成显微裂纹，早期显微裂纹端部有较大塑性变形；端部有较大塑性变形；d.剪切变形带与横向裂纹在带内形成长大，剪切变形带与横向裂纹在带内形成长大，与其他裂纹连接成锯齿状纤维区与其他裂纹连接成锯齿状纤维区;e.边缘剪切断裂。边缘剪切断裂。放射区较大，材料的塑性
10、低。脆性断口纤维区很小，放射区较大，材料的塑性低。脆性断口纤维区很小，几乎无剪切唇。塑性好的材料，纤维区和剪切唇占很几乎无剪切唇。塑性好的材料，纤维区和剪切唇占很大比例，甚至中间的放射区可以消失。大比例，甚至中间的放射区可以消失。影响断口三区域的形态、大小和相对位置与试样影响断口三区域的形态、大小和相对位置与试样形状、尺寸和材料的性能、试验温度、加载速率和形状、尺寸和材料的性能、试验温度、加载速率和应力状态有关。应力状态有关。试样塑性的好坏由三个区域的比例而定：试样塑性的好坏由三个区域的比例而定：板状试样板状试样4.2 4.2 断裂强度断裂强度一、晶体的理论断裂强度一、晶体的理论断裂强度原子间
11、距随应力的增加而原子间距随应力的增加而增大，在某点处，应力克服增大，在某点处，应力克服了原子之间的作用力，达到了原子之间的作用力，达到一个最大值，这一最大值即一个最大值，这一最大值即为理论断裂强度为理论断裂强度m。从原子间的结合力入手，从原子间的结合力入手，当克服了原子间的结合力，当克服了原子间的结合力，材料断裂。材料断裂。式中式中E为弹性模量；为弹性模量；a0为原子间的平衡距离。为原子间的平衡距离。=msin(2x/)=m(2x/)=E=Ex/a0m=E/2a0如果在弹性状态下晶体被破坏，位移如果在弹性状态下晶体被破坏，位移x很小，则很小，则根据虎克定律，在弹性状态下：根据虎克定律，在弹性状
12、态下：作为一级近似，该曲线可用正作为一级近似，该曲线可用正弦曲线表示：弦曲线表示：式中式中x x为原子间位移，为原子间位移，为为正弦曲线的波长。正弦曲线的波长。这就是理想晶体脆性（解理）断裂的理论断裂强这就是理想晶体脆性（解理）断裂的理论断裂强度。可见，度。可见，m m与表面能与表面能s s有关，解理面往往有关，解理面往往是表面能最小的面，可由此式得到理解。是表面能最小的面，可由此式得到理解。断裂发生过程中，必须提供足够的能量以形成两个新断裂发生过程中，必须提供足够的能量以形成两个新表面。如材料的单位表面能为表面。如材料的单位表面能为s，即外力作功消耗在，即外力作功消耗在断口形成上的能量至少等
13、于断口形成上的能量至少等于2s:m=E/2a0公式公式 的应用：的应用：例：铁的例：铁的E=2105MPa，a0=2.510-10m，s=1J/m2,则则m28.3GPa。目前强度最高的钢材为目前强度最高的钢材为4500MPa左右，即实际材料左右，即实际材料的断裂强度比其理论值低的断裂强度比其理论值低13个数量级。个数量级。实际的材料不是完整的晶体，即基本假设不正确。实实际的材料不是完整的晶体，即基本假设不正确。实际的材料总会存在各种缺陷和裂纹等不连续的因素，际的材料总会存在各种缺陷和裂纹等不连续的因素，缺陷引起的应力集中对断裂的影响是不容忽视的。缺陷引起的应力集中对断裂的影响是不容忽视的。晋
14、代刘昼在晋代刘昼在刘子刘子慎隙慎隙中作了这样的归纳中作了这样的归纳:“墙墙之崩隤，必因其隙；剑之毁折，皆由于璺（之崩隤，必因其隙；剑之毁折，皆由于璺（wen）。尺）。尺蚓穿堤，能漂一邑蚓穿堤，能漂一邑”。意思是说：墙的倒塌是因为有缝隙，剑的折断是因意思是说：墙的倒塌是因为有缝隙，剑的折断是因为有裂纹，小小的蚯蚓洞穿大堤，会使它崩溃、淹没为有裂纹，小小的蚯蚓洞穿大堤，会使它崩溃、淹没城市。城市。1）Griffith发现刚拉制玻璃棒的弯曲强度为发现刚拉制玻璃棒的弯曲强度为6GPa；而在空；而在空气中放置几小时后强度下降为气中放置几小时后强度下降为0.4GPa。其原因是由于大气。其原因是由于大气腐蚀
15、形成了表面裂纹。腐蚀形成了表面裂纹。2)约飞等人用温水溶去氯化钠表面的缺陷，强度即由约飞等人用温水溶去氯化钠表面的缺陷，强度即由5MPa提高到提高到1.6103MPa，提高了，提高了300多倍。多倍。3)有人把石英玻璃纤维分割成几段不同的长度，测其强度有人把石英玻璃纤维分割成几段不同的长度，测其强度时发现，长度为时发现，长度为12cm时，强度为时，强度为275MPa；长度为；长度为0.6cm时，时，强度可达强度可达760MPa。这是由于试件长，含有危险裂纹的机。这是由于试件长，含有危险裂纹的机会增多。会增多。4)块体材料和晶须材料的强度块体材料和晶须材料的强度FeCu冶金熔炼材料冶金熔炼材料3
16、00MPa140MPa晶须晶须35000MPa28000MPa试验证据：试验证据：二、材料的实际断裂强度（二、材料的实际断裂强度（Griffith理论）理论）固体材料中裂纹的存在，导致其实际断裂强度与固体材料中裂纹的存在，导致其实际断裂强度与理论强度至少相差一个数量级。为了解决裂纹体理论强度至少相差一个数量级。为了解决裂纹体的断裂强度问题，的断裂强度问题，Griffith在在1921年从能量平衡的年从能量平衡的观点出发，研究了陶瓷、玻璃等脆性材料的断裂观点出发，研究了陶瓷、玻璃等脆性材料的断裂问题。问题。Griffith假定在实际材料中存在着裂纹，当条件假定在实际材料中存在着裂纹，当条件应力还
17、很低时，裂纹尖端的局部应力已达到很高应力还很低时，裂纹尖端的局部应力已达到很高的数值，从而使裂纹快速扩展，并导致脆性断裂。的数值，从而使裂纹快速扩展，并导致脆性断裂。在此基础上提出了裂纹理论，后来逐渐成为脆性在此基础上提出了裂纹理论，后来逐渐成为脆性断裂的主要理论基础。断裂的主要理论基础。设想有一单位厚度的设想有一单位厚度的无限宽薄板无限宽薄板，对其施加一拉应力，对其施加一拉应力后将其两端固定，并与外界隔绝能源。后将其两端固定，并与外界隔绝能源。Griffith裂纹模型裂纹模型形成新表面所需的表面能为：形成新表面所需的表面能为：Ue=-2a2/E割开一长度为割开一长度为2a的裂纹，则的裂纹，则
18、原来弹性拉紧的平板就要释放原来弹性拉紧的平板就要释放弹性能。根据弹性理论计算，弹性能。根据弹性理论计算，释放出来的弹性能为：释放出来的弹性能为：W=4as板材每单位体积的弹性能为板材每单位体积的弹性能为2/2E；整个系统的能量变化为整个系统的能量变化为:Ue+W=4as-2a2/E（Ue+W）/a=4s-22a/E=0由图可知，当裂纹增长到由图可知，当裂纹增长到2ac后，后，若再增长，则系统的总能量下若再增长，则系统的总能量下降。从能量观点来看，裂纹长降。从能量观点来看，裂纹长度的继续增长将是自发过程，度的继续增长将是自发过程，则临界状态为则临界状态为:裂纹失稳扩展的临界应力为裂纹失稳扩展的临
19、界应力为:Griffith公式公式c是含裂纹板材的实际断裂强度，与裂纹尺寸的平方根成反比。是含裂纹板材的实际断裂强度，与裂纹尺寸的平方根成反比。系统能量随裂纹半长系统能量随裂纹半长a的变化的变化当裂纹长度当裂纹长度a一定，一定，c时，裂纹即失稳扩展。时，裂纹即失稳扩展。当承受拉伸应力当承受拉伸应力一定时，则临界裂纹一定时，则临界裂纹ac为：为：a2ac时，裂纹自动扩展，发生断裂；时，裂纹自动扩展，发生断裂；a2ac时，不会发生断裂。时，不会发生断裂。（将理论断裂强度公式中（将理论断裂强度公式中a0以以a/2代替即变代替即变成成Griffith公式。）公式。）Griffith公式适用于陶瓷、玻璃
20、、超高强度钢等脆性材料。公式适用于陶瓷、玻璃、超高强度钢等脆性材料。对于厚板：对于厚板：Griffith理理论论的的前前提提是是材材料料中中已已存存在在着着裂裂纹纹，但但不不涉涉及及裂裂纹纹来来源源。对对于于不不存存在在裂裂纹纹的的金金属属，Griffith理理论论无无法法解解释释它它们们实实际际强强度度低低的的原原因因。后后来来人人们们根根据据这这类类金金属属断断裂裂前前存存在在塑塑性性变变形形，提提出出位位错错塞塞积积和和反反应应理理论论，当当裂裂纹纹扩扩展展到到Griffith裂裂纹长度时，就会发生断裂。纹长度时，就会发生断裂。对于塑性材料，由于在裂纹尖端处产生较大塑性变形，对于塑性材料
21、，由于在裂纹尖端处产生较大塑性变形，吸收大量的变形功，这部分变形功是裂纹扩展需要克吸收大量的变形功，这部分变形功是裂纹扩展需要克服的主要阻力，所以服的主要阻力，所以Griffith公式修正为：公式修正为：式中，式中，p为单位面积裂纹表面吸收的塑性变形功，为单位面积裂纹表面吸收的塑性变形功，2sp称为有效表称为有效表面能。一般面能。一般p比表面能大几个数量级。上式是塑性金属材料的断裂判比表面能大几个数量级。上式是塑性金属材料的断裂判据。据。Griffith-Orowan-Irwin公式公式思考题：思考题：1、一薄板内有一条长、一薄板内有一条长3mm的裂纹，且的裂纹，且a0=3*10-8mm，试求
22、脆性断裂时的断，试求脆性断裂时的断裂应力裂应力C（设（设th=E/10=2*105MPa）。）。2、有一材料、有一材料E=2*1011N/m2，S=8N/m，试计算在，试计算在7*107N/m2的拉力的拉力作用下，该材料的临界裂纹长度。作用下，该材料的临界裂纹长度。脆脆性性断断裂裂的的宏宏观观特特征征，理理论论上上讲讲，是是断断裂裂前前不不发发生生塑性变形，而裂纹的扩展速度往往很快，接近音速。塑性变形，而裂纹的扩展速度往往很快，接近音速。脆脆性性断断裂裂前前无无明明显显的的征征兆兆可可寻寻，且且断断裂裂是是突突然然发发生生的，因而往往引起严重的后果。因此，要防止脆断。的，因而往往引起严重的后果
23、。因此，要防止脆断。4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂脆性断裂的两种主要机理：脆性断裂的两种主要机理：解理断裂解理断裂和和沿晶断裂沿晶断裂。对对解解理理断断裂裂：实实验验结结果果表表明明，尽尽管管解解理理断断裂裂是是典典型型的的脆脆性性断断裂裂，但但解解理理裂裂纹纹的的形形成成却却与与材材料料的的塑塑性性变变形形有有关关，而而塑塑性性变变形形是是位位错错运运动动的的结结果果，因因此此，为为了了探探讨讨解解理理裂裂纹纹的的产产生生，不不少少学学者者采采用用位位错错理理论论来来解解释释解解理理裂纹形成机理。裂纹形成机理。一、脆性断裂机理一、脆性断裂机理(1)甄纳斯特罗甄纳斯特罗(Zener-Stro
24、h)理论（位错塞积理论）理论（位错塞积理论）解理面解理面滑移面滑移面70.5甄纳和斯特罗认为，在切应甄纳和斯特罗认为，在切应力作用下，滑移面上的刃型力作用下，滑移面上的刃型位错运动遇到障碍（晶界或位错运动遇到障碍（晶界或者第二相颗粒），产生位错者第二相颗粒），产生位错塞积，当塞积头的应力集中塞积，当塞积头的应力集中不能通过塑性变形得到松弛不能通过塑性变形得到松弛时，塞积端点处的最大拉应时，塞积端点处的最大拉应力可以达到理论断裂强度而力可以达到理论断裂强度而形成楔行裂纹。形成楔行裂纹。解理裂纹解理裂纹FCC滑移系多，塞积群少，应力集中不大，滑移系多，塞积群少，应力集中不大，所以不易形成解理裂纹。
25、所以不易形成解理裂纹。解理裂纹形成机理：解理裂纹形成机理：形成裂纹的有效切应力形成裂纹的有效切应力必须满足以下关系式：必须满足以下关系式：裂纹扩展并导致解理断裂的条件是外加正应力裂纹扩展并导致解理断裂的条件是外加正应力达到临达到临界应力界应力c：其中其中G为切变模量，为切变模量，Ky 是是Hall Petch关系式中的钉扎常数。关系式中的钉扎常数。由上式可以看出，晶粒越小，断裂应力提高，材料脆性降低。由上式可以看出，晶粒越小，断裂应力提高，材料脆性降低。（2）柯垂尔）柯垂尔(Cottrell)理论理论(位错反应理论位错反应理论)在在bcc晶体晶体中，有两个相交的滑移中，有两个相交的滑移面面和和
26、(101)与解理面与解理面(001)相相交，三面交线为交，三面交线为010。现有位错。现有位错群群和和相遇于相遇于010轴，并轴，并产生下列反应：产生下列反应：不动位错不动位错该位错反应是能量降低的过程，该位错反应是能量降低的过程，因而裂纹成核是自动进行的，但因而裂纹成核是自动进行的，但对对fcc来说，也有类似的位错反应，来说，也有类似的位错反应，但不是能量降低的过程，所以但不是能量降低的过程，所以fcc没有这样的裂纹成核机理。没有这样的裂纹成核机理。（3）史密斯）史密斯(Smith)理论理论(脆性第二相开裂理论脆性第二相开裂理论)碳化物开裂的力学条件：碳化物开裂的力学条件：碳化物裂纹向铁素体
27、中扩展碳化物裂纹向铁素体中扩展的力学条件：的力学条件：c0为碳化物厚度为碳化物厚度考虑显微组织不均匀造成的影响，考虑显微组织不均匀造成的影响，史密斯提出低碳钢中因铁素体塑史密斯提出低碳钢中因铁素体塑性变形导致晶界碳化物开裂形成性变形导致晶界碳化物开裂形成解理裂纹的理论：铁素体中的位解理裂纹的理论：铁素体中的位错源在切应力作用下开动，位错错源在切应力作用下开动，位错运动至晶界碳化物处受阻而形成运动至晶界碳化物处受阻而形成塞积，在塞积头处拉应力作用下塞积，在塞积头处拉应力作用下使碳化物开裂。使碳化物开裂。二、脆性断裂的微观特征二、脆性断裂的微观特征（1）解理断裂）解理断裂(cleavagefrac
28、ture)解理断裂是穿晶的脆性断裂。解理断裂是穿晶的脆性断裂。由于多晶体的位向取向不一，解理断裂后形成由于多晶体的位向取向不一，解理断裂后形成许多无规则取向的晶粒大小为单位许多无规则取向的晶粒大小为单位“小刻面小刻面”，在强光照射下出现金属闪光，宏观上常形容，在强光照射下出现金属闪光，宏观上常形容为为“结晶状结晶状”断口。断口。解理断裂的三个微观特征：解理台阶、河流花解理断裂的三个微观特征：解理台阶、河流花样、舌状花样。样、舌状花样。解理台阶解理台阶河流花样河流花样解理断裂微观断口解理断裂微观断口:解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交
29、时形成的。展的解理裂纹相交时形成的。其形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺型其形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺型位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。解理台阶解理台阶解理裂纹与螺型位错相交形成台阶解理裂纹与螺型位错相交形成台阶河流花样是判断是否为解理断裂的重要微观依据。河流花样是判断是否为解理断裂的重要微观依据。“河流河流”的流向与裂纹扩展方向一致，所以可根据的流向与裂纹扩展方向一致，所以可根据“河流河流”流向确定在流向确定在微观范围内解理裂纹的扩展方向，而按微观范围内解理裂纹的扩展方向，而按“河流河流”反方向去寻找反方向去寻找断裂源。断裂源。异号台阶
30、相遇相互抵消，同号异号台阶相遇相互抵消，同号台阶相遇便汇合长大台阶相遇便汇合长大。当汇合台。当汇合台阶足够高时，便形成河流花样。阶足够高时，便形成河流花样。河流花样河流花样它类似于伸出来的小舌头，是解理裂纹沿孪晶界扩展而留它类似于伸出来的小舌头，是解理裂纹沿孪晶界扩展而留下的舌状凸台成凹坑。下的舌状凸台成凹坑。舌状花样舌状花样准准解解理理与与解解理理的的不不同同点点：真真正正解解理理裂裂纹纹常常源源于于晶晶界界，而而准准解解理理裂裂纹纹则则常常源源于于晶晶内内硬硬质质点点，形形成成从从晶晶内内某某点点发发源源的的放放射射状状河流花样。河流花样。准解理不是一种独立的断裂机准解理不是一种独立的断裂
31、机理，而是解理断裂的变种。理，而是解理断裂的变种。（2）准解理断裂准解理断裂其微观形态特征，似解理河流但又非真正解理，故称为准解理；其微观形态特征，似解理河流但又非真正解理，故称为准解理；当裂纹在晶内扩展时，难以严格地沿一定晶面扩展，准解理小当裂纹在晶内扩展时，难以严格地沿一定晶面扩展，准解理小刻面不是晶体学解理面。刻面不是晶体学解理面。（3 3）沿晶断裂沿晶断裂沿沿晶晶断断裂裂是是裂裂纹纹沿沿晶晶界界扩扩展展的的一一种种脆脆性性断断裂裂，最最基基本本微微观观特特征征是是冰冰糖糖状形貌状形貌。裂纹扩展总是沿着原子结合力最弱裂纹扩展总是沿着原子结合力最弱的区域进行的。一般情况下，晶界的区域进行的
32、。一般情况下，晶界不会开裂。发生沿晶断裂，势必由不会开裂。发生沿晶断裂，势必由于某种原因降低了晶界结合强度。于某种原因降低了晶界结合强度。原因大致有：原因大致有：晶界存在连续分布晶界存在连续分布的脆性第二相，的脆性第二相，微量有害杂质元微量有害杂质元素在晶界上偏聚，素在晶界上偏聚，由于环境介质由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。界造成损伤。沿晶断裂的断口形貌沿晶断裂的断口形貌4.4 4.4 韧性断裂韧性断裂（1）纯剪切断裂）纯剪切断裂 某些纯金属尤其是单晶体金属在某些纯金属尤其是单晶体金
33、属在断裂过程中，内部不产生孔洞，无断裂过程中，内部不产生孔洞，无新界面产生，位错只能从表面放出，新界面产生，位错只能从表面放出，断裂靠试样横截面积减到断裂靠试样横截面积减到0为止，为止，所以断口呈锋利的楔形，断面收缩所以断口呈锋利的楔形，断面收缩率几乎达率几乎达100。一、韧性断裂机理一、韧性断裂机理（2）微孔聚集型韧性断裂）微孔聚集型韧性断裂实际金属中总有第二相粒子存在，它们是微孔成核的源。实际金属中总有第二相粒子存在，它们是微孔成核的源。微孔成核过程：微孔成核过程：微孔聚集型韧性断裂：微孔聚集型韧性断裂：微孔形核微孔形核长大长大聚合聚合断裂断裂韧韧性性断断裂裂的的微微观观特特征征是是韧韧窝
34、窝形形貌貌，在在电电子子显显微微镜镜下下，可可以以看看到到断断口口由由许许多多凹凹进进或或凸凸出出的的微微坑坑组组成成，在在微微坑中有第二相粒子。坑中有第二相粒子。等等轴轴韧韧窝窝二、韧性断裂的微观特征二、韧性断裂的微观特征1、夹杂物或第二相粒子、夹杂物或第二相粒子尺寸较小，且分布密集，形成小而多的韧窝花样；尺寸较小，且分布密集，形成小而多的韧窝花样；尺寸较大，且分布变化不大，形成较大的韧窝花样；尺寸较大，且分布变化不大，形成较大的韧窝花样；2、基体材料的韧性、基体材料的韧性韧性差、塑性变形能力差，韧窝尺寸较小、较浅；韧性差、塑性变形能力差，韧窝尺寸较小、较浅；3、试验温度、试验温度T、有利于
35、韧窝的成核与扩展，韧窝宽度和深度增加；、有利于韧窝的成核与扩展，韧窝宽度和深度增加；4、应力状态、应力状态拉应力、切应力、撕裂应力。拉应力、切应力、撕裂应力。影响韧窝形貌的因素：影响韧窝形貌的因素：扭转扭转(或双向不或双向不等等)应力状态应力状态正应力正应力微孔微孔的平面的平面宏观上常为脆断宏观上常为脆断注意：微观上出现韧窝，宏观上不一定是韧性断裂。注意：微观上出现韧窝，宏观上不一定是韧性断裂。拉、弯应力拉、弯应力状态状态拉长韧窝拉长韧窝在机械零件或构件上，不可避免地存在着各种类型在机械零件或构件上，不可避免地存在着各种类型的缺口如键槽、台阶、螺纹、油孔、刀痕、铸造或的缺口如键槽、台阶、螺纹、
36、油孔、刀痕、铸造或焊焊接接所带来的孔洞、砂眼以及裂纹等。这些缺口有的是所带来的孔洞、砂眼以及裂纹等。这些缺口有的是结构设计上所必须的，有的是原材料或制造工艺过程结构设计上所必须的，有的是原材料或制造工艺过程中所不可避免的。中所不可避免的。由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态将会发生变化，产生所谓的应力状态将会发生变化，产生所谓的“缺口效应缺口效应”，从而影响金属材料的力学性能。从而影响金属材料的力学性能。4.6 4.6 缺口效应缺口效应缺口效应：缺口效应：应力应变集中、改变缺口前方的应力状应力应变集中、改变缺口前方的应力状态、缺口强化
37、。态、缺口强化。Kt值与材料性质无关，只取值与材料性质无关，只取决于缺口的几何形状。决于缺口的几何形状。缺口越尖，曲率半径越小，缺口越尖，曲率半径越小，Kt越大，塑性变形区愈小。越大，塑性变形区愈小。第一个效应：应力应变集中第一个效应：应力应变集中 一、缺口对应力分布的影响一、缺口对应力分布的影响1）在弹性状态下的应力状态在弹性状态下的应力状态用理论应力集中系数用理论应力集中系数Kt来表示缺来表示缺口产生的应力集中影响：口产生的应力集中影响：两向或三向应力状态两向或三向应力状态薄板缺口前方的弹性应力分布薄板缺口前方的弹性应力分布对于薄板，应力集中的结果导致对于薄板，应力集中的结果导致在在x方向
38、出现了横向拉应力方向出现了横向拉应力x，以，以保证薄板的连续性；保证薄板的连续性；对于薄板，在垂直于板面方向上对于薄板，在垂直于板面方向上可自由伸缩变形，所以可自由伸缩变形，所以z0；在薄板中心位置为两向拉伸的应在薄板中心位置为两向拉伸的应力状态；力状态；但在缺口根部（但在缺口根部（x0）为单向）为单向拉伸状态。拉伸状态。对厚板，在厚度方向的变形受对厚板，在厚度方向的变形受到约束，即在到约束，即在z轴方向上的应变轴方向上的应变z=0。由虎克定律，由虎克定律，z=z-(x+y)=0，故有，故有z=（x+y）。）。缺口根部为两向应力状态；缺口根部为两向应力状态；厚板中心为三向的应力状态。厚板中心为
39、三向的应力状态。厚板缺口前方的弹性应力分布厚板缺口前方的弹性应力分布第二个效应：第二个效应：改变缺口前方的应力状态改变缺口前方的应力状态平面应力状态与平面应变状态平面应力状态与平面应变状态平面应力状态：平面应力状态：所有的应力都在一个平面内，所有的应力都在一个平面内，平面应力问题主要讨论的弹性体是薄板，薄壁厚度平面应力问题主要讨论的弹性体是薄板，薄壁厚度远远小于另外两个方向的尺度。远远小于另外两个方向的尺度。平面应变状态：平面应变状态：所有的应变都在一个平面内，所有的应变都在一个平面内，当试样厚度足够大时，可认为整个试样或构件处当试样厚度足够大时，可认为整个试样或构件处于平面应变状态。于平面应
40、变状态。平面应变状态使缺口内侧处于三向拉伸应力状态，应平面应变状态使缺口内侧处于三向拉伸应力状态，应力状态软性系数小，因而是危险的应力状态。力状态软性系数小，因而是危险的应力状态。塑性较好的材料，若根部产生塑塑性较好的材料，若根部产生塑性变形，应力将重新分布，并随载性变形，应力将重新分布，并随载荷的增大，塑性区逐渐扩大，直至荷的增大，塑性区逐渐扩大，直至整个截面。整个截面。应力最大处转移到离缺口根部应力最大处转移到离缺口根部ry距距离处。此时离处。此时y，x，z均为最大值。均为最大值。三向拉应力约束了三向拉应力约束了塑性变形塑性变形，试样，试样的屈服应力比单向拉伸时高，出现的屈服应力比单向拉伸
41、时高，出现“缺口强化缺口强化”现象，但材料本身的现象，但材料本身的s值未变，所以不是强化金属材料的值未变，所以不是强化金属材料的手段。手段。2）塑性状态下的应力分布）塑性状态下的应力分布平面应变状态平面应变状态下缺口根部下缺口根部发生屈服时的应力分布发生屈服时的应力分布第三个效应：缺口强化（塑性材料）第三个效应：缺口强化（塑性材料）缺口使材料强度提高，但塑性降低，即脆性增缺口使材料强度提高，但塑性降低，即脆性增大，因此缺口是一种脆化因素。大，因此缺口是一种脆化因素。缺口敏感性：金属材料因存在缺口造成三向应缺口敏感性：金属材料因存在缺口造成三向应力状态和应力应变集中而变脆的倾向。力状态和应力应变
42、集中而变脆的倾向。常用的缺口试样静载力学性能试验方法，有缺常用的缺口试样静载力学性能试验方法，有缺口静拉伸、缺口偏斜拉伸及缺口静弯曲等。口静拉伸、缺口偏斜拉伸及缺口静弯曲等。压缩和扭转实验，不能显示缺口的敏感性。压缩和扭转实验，不能显示缺口的敏感性。二、缺口敏感性及其表示方法二、缺口敏感性及其表示方法缺口试样静拉伸试验时，常用缺口试样的抗拉强度缺口试样静拉伸试验时，常用缺口试样的抗拉强度bN与等与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度截面尺寸光滑试样的抗拉强度b的比值作为材料的缺口敏感的比值作为材料的缺口敏感性指标，称为缺口敏感度，用性指标，称为缺口敏感度，用qe或或NSR(NotchSensitivi
43、tyRatio)表示：表示：比值比值qe越大，缺口敏感性越小。越大，缺口敏感性越小。对于脆性材料如铸铁，高碳工具钢，对于脆性材料如铸铁，高碳工具钢，qel。缺口敏感性除与材料本身有关外，还和应力缺口敏感性除与材料本身有关外，还和应力状态、缺口形状、尺寸、试验温度有关。状态、缺口形状、尺寸、试验温度有关。随加载速度的增加，塑性形变来不及充分进行，随加载速度的增加，塑性形变来不及充分进行，因此冲击力学性能试验可以揭示材料的变脆倾因此冲击力学性能试验可以揭示材料的变脆倾向。向。冲击载荷：加载速率高，应变率大于冲击载荷：加载速率高，应变率大于10-2/s（静载荷时为（静载荷时为10-410-2/s），
44、材料力学性能），材料力学性能会发生显著变化。会发生显著变化。常用的缺口试样冲击试验是冲击弯曲。常用的缺口试样冲击试验是冲击弯曲。三、缺口试样冲击弯曲及冲击韧性三、缺口试样冲击弯曲及冲击韧性试样：试样：夏比（夏比（Charpy）U型缺口（型缺口（Aku）夏比夏比V型缺口（型缺口（AkV）注意：铸铁或工具钢等脆性材料，常采用无缺口冲注意：铸铁或工具钢等脆性材料，常采用无缺口冲击试样。击试样。冲击弯曲试验冲击弯曲试验:冲击弯曲试验的原理图冲击弯曲试验的原理图冲击吸收功：冲击吸收功：AKV(AKU)=G（H1-H2）冲击韧性或冲击值冲击韧性或冲击值KV（KU）：）：1）用于控制材料的冶金质量和铸造、锻
45、造、焊接及热）用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。处理等热加工工艺的质量。2）用来评定材料的冷脆倾向（测定韧脆转变温度）。）用来评定材料的冷脆倾向（测定韧脆转变温度）。设计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。设计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。3)对对s大致相同的材料，根据大致相同的材料，根据Ak值可以评定材料对大能值可以评定材料对大能量冲击破坏的缺口敏感性。量冲击破坏的缺口敏感性。4）利用）利用CharpyV缺口冲击试验试样尺寸小、加工方便、缺口冲击试验试样尺寸小、加工方便、操作容易、试验快捷等优点，通过建立冲击功与其他力操作容易、试验快捷
46、等优点，通过建立冲击功与其他力学性能指标间的联系，代替较复杂的试验如学性能指标间的联系，代替较复杂的试验如KIC。冲击弯曲试验的应用：冲击弯曲试验的应用：KV（KU）是一个综合性的力学性能指标，不仅与材料的）是一个综合性的力学性能指标，不仅与材料的强度和塑性有关，试样的形状、尺寸、缺口形式等都会对强度和塑性有关，试样的形状、尺寸、缺口形式等都会对其值产生很大的影响，因此它只是材料抗冲击断裂的一个其值产生很大的影响，因此它只是材料抗冲击断裂的一个参考性指标，只能在规定条件下进行相对比较，而不能代参考性指标，只能在规定条件下进行相对比较，而不能代换到具体零件上进行定量计算，单位为换到具体零件上进行
47、定量计算，单位为Jcm2。寒冷地带、野外作业的机械常发生低温脆断事故，寒冷地带、野外作业的机械常发生低温脆断事故，约为总事故的约为总事故的30%40%。材料因温度的降低由韧性断裂转变为脆性断裂，冲材料因温度的降低由韧性断裂转变为脆性断裂，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状的现象，称晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状的现象，称为低温脆性或冷脆。转变温度为低温脆性或冷脆。转变温度tK称为韧脆转变温度。称为韧脆转变温度。低温脆性对压力容器、桥梁和船舶结构以及在低温低温脆性对压力容器、桥梁和船舶结构以及在低温下服
48、役的机件是非常重要的。下服役的机件是非常重要的。4.7 4.7 材料的低温脆性材料的低温脆性 一、一、低温脆性现象低温脆性现象屈服强度和断裂强度随温度屈服强度和断裂强度随温度降低而变化的速率不同；降低而变化的速率不同；温度对表面能温度对表面能和弹性模量和弹性模量E的影响不大，所以对断裂强度的影响不大，所以对断裂强度影响不大；影响不大；屈服强度随温度降低急剧增屈服强度随温度降低急剧增加，主要是因为温度有助于激加，主要是因为温度有助于激活活F-R位错源，有利于位错运位错源，有利于位错运动，使滑移易于进行。动，使滑移易于进行。低温脆性的本质：低温脆性的本质：韧脆转变温度韧脆转变温度tK在低温下服役的
49、零件，其最低工作温度应高于韧在低温下服役的零件，其最低工作温度应高于韧-脆转变温脆转变温度，韧脆转变温度是一个温度区间。度，韧脆转变温度是一个温度区间。研究低温脆性的主要问题是确定韧脆转变研究低温脆性的主要问题是确定韧脆转变温度温度tK，只能通过试验来确定。，只能通过试验来确定。二、材料的韧脆转变温度二、材料的韧脆转变温度采用标准采用标准CharpyV冲击试样，将冲击试样从高温冲击试样，将冲击试样从高温(通常为室温通常为室温)到低温的一系列温度下进行冲击试验，到低温的一系列温度下进行冲击试验，以测定材料冲击功随温度变化的规律，揭示材料的以测定材料冲击功随温度变化的规律，揭示材料的低温脆性倾向。
50、低温脆性倾向。实验方法：系列温度冲击试验实验方法：系列温度冲击试验冷脆转化温度的确定冷脆转化温度的确定:（1）能量准则）能量准则4)高阶能与低阶能的平均值所对应的温度定义为韧高阶能与低阶能的平均值所对应的温度定义为韧-脆转化温度，记为脆转化温度，记为FTE。2)对应于能量曲线的下平台（低阶能）对应于能量曲线的下平台（低阶能）的温度，称为无塑性或零塑性转变的温度，称为无塑性或零塑性转变温度温度NDT。在。在NDT以下，试件的断以下，试件的断口为口为100的结晶状断口。的结晶状断口。1)以以V型缺口冲击试件测定的冲型缺口冲击试件测定的冲击功击功AK=20.3J对应的温度作为韧对应的温度作为韧脆转变