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1、会计学1材料材料(cilio)的断裂的断裂第一页，共33页。4.1 理论理论(lln)断裂强度断裂强度 从从宏宏观观力力学学分分析析的的角角度度，关关于于材材料料的的强度面临着以下两个重要问题：强度面临着以下两个重要问题：一一是是完完整整晶晶体体(jngt(jngt)沿沿原原子子面面正正断断的的理理论论断断裂裂强强度度和和实实际际材材料料的的断断裂裂强强度度为为什什么么会有很大的差异？会有很大的差异？二二是是对对有有初初始始缺缺陷陷的的实实际际晶晶体体(jngt(jngt)（主主要要是是裂裂纹纹体体），断断裂裂时时将将取取决决于于什什么么参量，其断裂强度又具有何种含义？参量，其断裂强度又具有何
2、种含义？第1页/共33页第二页，共33页。理论理论(lln)断裂强度断裂强度（P45）基于弹性变形的双原子基于弹性变形的双原子基于弹性变形的双原子基于弹性变形的双原子模型给出的原子内结合模型给出的原子内结合模型给出的原子内结合模型给出的原子内结合力随原子间距的变化关力随原子间距的变化关力随原子间距的变化关力随原子间距的变化关系可得晶体沿某晶面被系可得晶体沿某晶面被系可得晶体沿某晶面被系可得晶体沿某晶面被拉开产生纯弹性正断的拉开产生纯弹性正断的拉开产生纯弹性正断的拉开产生纯弹性正断的理论断裂强度理论断裂强度理论断裂强度理论断裂强度 ：可可可可见见见见，金金金金属属属属(jnsh(jnsh)晶晶晶
3、晶体体体体纯纯纯纯弹弹弹弹性性性性正正正正断断断断的的的的理理理理论论论论断断断断裂裂裂裂强强强强度度度度是由三个材料常数决定的。是由三个材料常数决定的。是由三个材料常数决定的。是由三个材料常数决定的。例：纯铁的理论例：纯铁的理论例：纯铁的理论例：纯铁的理论(lln)(lln)断裂强度为断裂强度为断裂强度为断裂强度为40000MPa40000MPa，经过一系列，经过一系列，经过一系列，经过一系列强化，实际断裂强度也大致在强化，实际断裂强度也大致在强化，实际断裂强度也大致在强化，实际断裂强度也大致在2000 MPa2000 MPa左右。左右。左右。左右。第2页/共33页第三页，共33页。问题问题
4、(wnt)？n n钢的实际断裂强度比理论断裂强钢的实际断裂强度比理论断裂强度小一个数量级以上。度小一个数量级以上。n n对一般的工程材料，实际断裂强对一般的工程材料，实际断裂强度也只有理论断裂强度的度也只有理论断裂强度的1/1001/1000。只有很细、几乎。只有很细、几乎不存在缺陷的金属晶须和碳纤维不存在缺陷的金属晶须和碳纤维的实际断裂强度才能接近于其理的实际断裂强度才能接近于其理论断裂强度。论断裂强度。n n对实际材料而言，必有晶体缺陷对实际材料而言，必有晶体缺陷存在，其断裂问题从本质存在，其断裂问题从本质(bnzh)上讲应该是含有缺陷的上讲应该是含有缺陷的物体的断裂问题，可认为是裂纹物体
5、的断裂问题，可认为是裂纹体的断裂问题。体的断裂问题。第3页/共33页第四页，共33页。n nGriffith理论的出发点：理论的出发点：n n 假定在实际材料中已经存假定在实际材料中已经存在裂纹在裂纹(可视为裂纹体可视为裂纹体)，当名义，当名义应力很低时，在裂纹尖端的局部应力很低时，在裂纹尖端的局部应力已经达到很高数值（达到理应力已经达到很高数值（达到理论断裂强度论断裂强度 ），从而使裂纹），从而使裂纹快速扩展快速扩展(kuzhn)并导致材料并导致材料脆性断裂。脆性断裂。4.2裂纹裂纹(li wn)体的断裂强度体的断裂强度-Griffith准则准则 第4页/共33页第五页，共33页。Griff
6、ith准则准则(zhnz)如图，如图，如图，如图，设有一单位厚度的无限宽设有一单位厚度的无限宽设有一单位厚度的无限宽设有一单位厚度的无限宽平板，先使其受均匀拉应力作用平板，先使其受均匀拉应力作用平板，先使其受均匀拉应力作用平板，先使其受均匀拉应力作用而弹性伸长后，将两端固定形成而弹性伸长后，将两端固定形成而弹性伸长后，将两端固定形成而弹性伸长后，将两端固定形成一个隔离系统。一个隔离系统。一个隔离系统。一个隔离系统。然后在此平板上然后在此平板上然后在此平板上然后在此平板上开一开一开一开一垂直于拉应力的、长度为垂直于拉应力的、长度为垂直于拉应力的、长度为垂直于拉应力的、长度为2a2a的裂纹的裂纹的
7、裂纹的裂纹，则平板内总能量为：，则平板内总能量为：，则平板内总能量为：，则平板内总能量为：释放的弹性应变能释放的弹性应变能释放的弹性应变能释放的弹性应变能：裂纹新表面形成消耗的能量：裂纹新表面形成消耗的能量：裂纹新表面形成消耗的能量：裂纹新表面形成消耗的能量：则系统总能量：则系统总能量：则系统总能量：则系统总能量：第5页/共33页第六页，共33页。由由弹弹性性理理论论(lln)计计算算，据据裂裂纹纹处处于于临临界界失失稳稳状状态态下下的的能能量量平平衡条件衡条件 可可得得该该裂裂纹纹体体的的断断裂裂强强 度度（即即 著著 名名 的的Griffith判据）为：判据）为：GRIFFITH平板及其中
8、裂纹(LI WN)的能量变化第6页/共33页第七页，共33页。n ngriffithgriffith公式解释了公式解释了公式解释了公式解释了 的问题的问题的问题的问题(如：如：如：如：a=0.1mm)a=0.1mm)。n nGriffithGriffith准准准准则则则则的的的的重重重重要要要要(zhngyo)(zhngyo)意意意意义义义义还还还还在在在在于于于于它它它它对对对对脆脆脆脆性性性性断断断断裂提出了一个新的判据：裂提出了一个新的判据：裂提出了一个新的判据：裂提出了一个新的判据：n n 该该该该式式式式表表表表明明明明：在在在在理理理理想想想想脆脆脆脆性性性性材材材材料料料料中中中
9、中的的的的裂裂裂裂纹纹纹纹失失失失稳稳稳稳扩扩扩扩展展展展（即即即即断断断断裂裂裂裂）是是是是受受受受远远远远处处处处外外外外加加加加应应应应力力力力与与与与裂裂裂裂纹纹纹纹长长长长度度度度的的的的平平平平方方方方根根根根的的的的乘乘乘乘积积积积和和和和材材材材料料料料常常常常数数数数所所所所控控控控制制制制的的的的。由由由由于于于于对对对对给给给给定定定定的的的的理理理理想想想想脆脆脆脆性性性性材材材材料料料料，E E和和和和 是是是是定定定定值值值值，GriffithGriffith从从从从能能能能量量量量平平平平衡衡衡衡的的的的意意意意义义义义上上上上给给给给出出出出了了了了理理理理想脆
10、性断裂的必要条件。即：想脆性断裂的必要条件。即：想脆性断裂的必要条件。即：想脆性断裂的必要条件。即：n n GriffithGriffith断断断断裂裂裂裂准准准准则则则则：裂裂裂裂纹纹纹纹失失失失稳稳稳稳扩扩扩扩展展展展（断断断断裂裂裂裂）是是是是在在在在 达到一恒定的临界值时产生的。达到一恒定的临界值时产生的。达到一恒定的临界值时产生的。达到一恒定的临界值时产生的。第7页/共33页第八页，共33页。n n据据据据以以以以上上上上讨讨讨讨论论论论可可可可知知知知，GriffithGriffith理理理理论论论论分分分分析析析析仅仅仅仅限限限限于于于于完完完完全全全全脆脆脆脆性性性性的的的的情
11、情情情况况况况，而而而而实实实实际际际际上上上上绝绝绝绝大大大大多多多多数数数数的的的的金金金金属属属属材材材材料料料料断断断断裂裂裂裂前前前前和和和和断断断断裂裂裂裂过过过过程程程程中中中中裂裂裂裂尖尖尖尖区区区区都都都都会会会会产产产产生生生生塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形，从从从从而而而而使使使使裂裂裂裂尖尖尖尖钝钝钝钝化化化化。因因因因此此此此，在在在在实实实实际际际际金金金金属属属属材材材材料料料料中中中中，应应应应对对对对GriffithGriffith断断断断裂裂裂裂准准准准则进行修正。则进行修正。则进行修正。则进行修正。n n在在在在GriffithGriffith理理理理论
12、论论论提提提提出出出出3030年年年年后后后后，OrowanOrowan通通通通过过过过(tnggu)(tnggu)对对对对金金金金属属属属材材材材料料料料裂裂裂裂纹纹纹纹扩扩扩扩展展展展的的的的研研研研究究究究，指指指指出出出出裂裂裂裂纹纹纹纹扩扩扩扩展展展展前前前前其其其其尖尖尖尖端端端端附附附附近近近近要要要要产产产产生生生生一一一一个个个个塑塑塑塑性性性性区区区区。因因因因此此此此，提提提提供供供供裂裂裂裂纹纹纹纹扩扩扩扩展展展展的的的的能能能能量量量量不不不不仅仅仅仅用用用用于于于于形形形形成成成成新新新新表表表表面面面面所所所所需需需需的的的的表表表表面面面面能能能能，而而而而且且
13、且且还还还还要要要要用用用用于于于于引引引引起起起起塑塑塑塑性性性性区区区区塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形所所所所需需需需的的的的塑塑塑塑性性性性功功功功。据据据据此此此此，塑塑塑塑性性性性功功功功P P和和和和表表表表面面面面能能能能一一一一起起起起成成成成为为为为了了了了裂裂裂裂纹纹纹纹扩扩扩扩展展展展的的的的阻阻阻阻力力力力。经经经经OrowanOrowan修修修修正正正正后后后后，材材材材料料料料的的的的断断断断裂裂裂裂强强强强度度度度为为为为：或或或或 第8页/共33页第九页，共33页。n n材材料料的的宏宏观观断断裂裂类类型型根根据据不不同同的的分分类类方法而异。方法而异。n n
14、断断裂裂按按断断前前有有无无产产生生明明显显的的塑塑性性变变形形可可分分为为韧韧性性断断裂裂和和脆脆性性断断裂裂。可可以以光光滑滑拉拉伸伸试试样样断断面面(dun min)收收缩缩率率等等于于5%为界。为界。n n断断裂裂按按断断裂裂面面的的取取向向或或按按作作用用力力方方式式不同可分为正断和切断。不同可分为正断和切断。4.34.3材料材料材料材料(cilio)(cilio)的宏观断裂类型和力学状态图的宏观断裂类型和力学状态图的宏观断裂类型和力学状态图的宏观断裂类型和力学状态图第9页/共33页第十页，共33页。典型典型(dinxng)断裂的宏观断口断裂的宏观断口(不同断裂形式下不同断裂形式下
15、的意义的意义)1.1.1.1.宏宏宏宏观观观观正正正正判判判判：断断断断面面面面在在在在宏宏宏宏观观观观上上上上表表表表现现现现为为为为与与与与试试试试样样样样轴轴轴轴向向向向（加加加加载载载载方方方方向向向向）垂垂垂垂直直直直。但但但但在在在在微微微微观观观观上上上上不不不不一一一一定定定定是是是是垂垂垂垂直直直直于于于于晶晶晶晶面面面面的的的的正正正正断断断断（解解解解理理理理）。有有有有可可可可能能能能(knng)(knng)(knng)(knng)是剪切型断裂，形成韧窝。是剪切型断裂，形成韧窝。是剪切型断裂，形成韧窝。是剪切型断裂，形成韧窝。2.2.2.2.宏宏宏宏观观观观切切切切断断
16、断断：断断断断面面面面在在在在宏宏宏宏观观观观上上上上表表表表现现现现为为为为与与与与试试试试样样样样轴轴轴轴向向向向（加加加加载载载载方方方方向向向向）约呈约呈约呈约呈 。第10页/共33页第十一页，共33页。韧性断裂韧性断裂(dun li)的宏观的宏观断口形态断口形态 n n通常，具有一定通常，具有一定通常，具有一定通常，具有一定(ydng)(ydng)塑性的材料，拉伸实验塑性的材料，拉伸实验塑性的材料，拉伸实验塑性的材料，拉伸实验时都会产生不同程度的颈缩，从而在宏观上产生时都会产生不同程度的颈缩，从而在宏观上产生时都会产生不同程度的颈缩，从而在宏观上产生时都会产生不同程度的颈缩，从而在宏
17、观上产生宏观切断或与宏观正断相混合的断裂。可以认为宏观切断或与宏观正断相混合的断裂。可以认为宏观切断或与宏观正断相混合的断裂。可以认为宏观切断或与宏观正断相混合的断裂。可以认为产生的断裂是韧性断裂。产生的断裂是韧性断裂。产生的断裂是韧性断裂。产生的断裂是韧性断裂。n n断口断口断口断口(形态形态形态形态)一般可由以下三部分组成：一般可由以下三部分组成：一般可由以下三部分组成：一般可由以下三部分组成：韧性断裂韧性断裂(dun li)(dun li)的宏观断口的宏观断口 1 1纤维区：纤维区：纤维区：纤维区：因颈缩后试样心部的应力最大，因颈缩后试样心部的应力最大，因颈缩后试样心部的应力最大，因颈缩
18、后试样心部的应力最大，所以裂纹开始于试样心部。实际上试样中心所以裂纹开始于试样心部。实际上试样中心所以裂纹开始于试样心部。实际上试样中心所以裂纹开始于试样心部。实际上试样中心 部部部部分分分分最最最最先先先先出出出出现现现现一一一一些些些些已已已已明明明明显显显显可可可可见见见见的的的的显显显显微微微微空空空空洞洞洞洞（微微微微孔孔孔孔或或或或微微微微裂裂裂裂纹纹纹纹），随随随随后后后后长大、聚集而形成锯齿状纤维断口。通常立体上呈环状。长大、聚集而形成锯齿状纤维断口。通常立体上呈环状。长大、聚集而形成锯齿状纤维断口。通常立体上呈环状。长大、聚集而形成锯齿状纤维断口。通常立体上呈环状。2 2放放
19、放放射射射射区区区区：环环环环状状状状纤纤纤纤维维维维区区区区发发发发展展展展到到到到一一一一定定定定尺尺尺尺寸寸寸寸（临临临临界界界界裂裂裂裂纹纹纹纹尺尺尺尺寸寸寸寸）后后后后，裂裂裂裂纹纹纹纹开开开开始始始始快快快快速速速速扩扩扩扩展展展展（失失失失稳稳稳稳扩扩扩扩展展展展）而而而而形形形形成成成成放放放放射射射射区区区区。表表表表现现现现为为为为宏宏宏宏观观观观正正正正断断断断，但但但但微微微微观观观观上上上上并并并并非非非非正正正正断断断断（解解解解理理理理）。与纤维区不同，放射区是在裂纹到达临界尺寸后进行快速低能撕裂的结果。与纤维区不同，放射区是在裂纹到达临界尺寸后进行快速低能撕裂的
20、结果。与纤维区不同，放射区是在裂纹到达临界尺寸后进行快速低能撕裂的结果。与纤维区不同，放射区是在裂纹到达临界尺寸后进行快速低能撕裂的结果。3 3剪剪剪剪切切切切唇唇唇唇：放放放放射射射射区区区区形形形形成成成成后后后后，试试试试样样样样承承承承载载载载面面面面积积积积只只只只剩剩剩剩下下下下最最最最外外外外侧侧侧侧的的的的环环环环状状状状面面面面积积积积，最最最最后后后后由拉伸应力的分切应力所切断，形成剪切唇。由拉伸应力的分切应力所切断，形成剪切唇。由拉伸应力的分切应力所切断，形成剪切唇。由拉伸应力的分切应力所切断，形成剪切唇。第11页/共33页第十二页，共33页。韧性韧性(rn xn)断裂（
21、杯锥状）断口的形成断裂（杯锥状）断口的形成n n光光光光滑滑滑滑(gung(gung hu)hu)圆圆圆圆柱柱柱柱试试试试样样样样受受受受拉拉拉拉伸伸伸伸力力力力作作作作用用用用，产产产产生生生生缩缩缩缩颈颈颈颈时时时时试试试试样样样样的的的的应应应应力力力力状状状状态态态态也也也也由由由由单单单单向向向向变变变变为为为为三三三三向向向向，且且且且中心区轴向应力最大。中心区轴向应力最大。中心区轴向应力最大。中心区轴向应力最大。n n在在在在中中中中心心心心三三三三向向向向拉拉拉拉应应应应力力力力作作作作用用用用下下下下，塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形难难难难于于于于进进进进行行行行，致致致致
22、使使使使其其其其中中中中的的的的夹夹夹夹杂杂杂杂物物物物或或或或第第第第二二二二相相相相质质质质点点点点本本本本身身身身碎碎碎碎裂裂裂裂，或或或或使使使使夹夹夹夹杂杂杂杂物物物物与与与与基基基基体体体体界界界界面面面面脱脱脱脱离离离离而而而而形形形形成成成成微微微微孔孔孔孔。微微微微孔孔孔孔不不不不断断断断长长长长大大大大和和和和聚聚聚聚合合合合就就就就形形形形成成成成显显显显微微微微裂裂裂裂纹纹纹纹。显显显显微微微微裂裂裂裂纹纹纹纹形形形形成成成成、扩展过程重复进行就形成锯齿状的纤维区。扩展过程重复进行就形成锯齿状的纤维区。扩展过程重复进行就形成锯齿状的纤维区。扩展过程重复进行就形成锯齿状的
23、纤维区。n n裂裂裂裂纹纹纹纹达达达达临临临临界界界界尺尺尺尺寸寸寸寸后后后后就就就就快快快快速速速速扩扩扩扩展展展展而而而而形形形形成成成成有有有有放放放放射射射射线线线线花花花花样样样样特特特特征征征征的的的的放放放放射射射射区区区区。放放放放射射射射线线线线平平平平行行行行于于于于裂裂裂裂纹纹纹纹扩扩扩扩展展展展方方方方向向向向而而而而垂垂垂垂直直直直于于于于裂裂裂裂纹纹纹纹前前前前端端端端（每每每每一一一一瞬瞬瞬瞬间间间间）的的的的轮轮轮轮廓廓廓廓线线线线，并逆指向裂纹源。并逆指向裂纹源。并逆指向裂纹源。并逆指向裂纹源。n n最最最最后后后后由由由由拉拉拉拉伸伸伸伸应应应应力力力力的的
24、的的分分分分切切切切应应应应力力力力切切切切断断断断，形形形形成成成成与与与与拉拉拉拉伸伸伸伸轴呈轴呈轴呈轴呈4545的杯状或锥状剪切唇。的杯状或锥状剪切唇。的杯状或锥状剪切唇。的杯状或锥状剪切唇。杯锥状断口杯锥状断口(dunku)形成示形成示意图意图第12页/共33页第十三页，共33页。脆性断裂的宏观断口脆性断裂的宏观断口(dunku)形态形态 脆性断裂断口(dunku)的放射状花样 脆性断裂断口(dunku)的人字纹花样圆柱形拉伸试样：断裂面与正应力垂直，断口平齐、光亮。断面上的放射状条纹汇聚于一个中心，此中心区域(qy)就是裂纹源。板状矩形截面拉伸试样:“人人”字纹花样的放射方向与裂纹扩
25、展方字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行，但其尖顶指向裂纹源。向平行，但其尖顶指向裂纹源。裂纹裂纹裂纹裂纹源源源源第13页/共33页第十四页，共33页。宏观断裂类型宏观断裂类型(lixng)及特征总结及特征总结n n宏观断裂的分类宏观断裂的分类宏观断裂的分类宏观断裂的分类 n n 按断裂前的塑性变形程度或按断裂过程中所吸按断裂前的塑性变形程度或按断裂过程中所吸按断裂前的塑性变形程度或按断裂过程中所吸按断裂前的塑性变形程度或按断裂过程中所吸收的能量大小可将断裂划分为韧性断裂和脆性断裂收的能量大小可将断裂划分为韧性断裂和脆性断裂收的能量大小可将断裂划分为韧性断裂和脆性断裂收的能量大小可将断裂划分为
26、韧性断裂和脆性断裂二种类型。也可按宏观断口与最大正应力垂直或与二种类型。也可按宏观断口与最大正应力垂直或与二种类型。也可按宏观断口与最大正应力垂直或与二种类型。也可按宏观断口与最大正应力垂直或与最大切应力平行最大切应力平行最大切应力平行最大切应力平行(pngxng)(pngxng)而分为正断和切断二种而分为正断和切断二种而分为正断和切断二种而分为正断和切断二种方式。方式。方式。方式。n n 1 1宏观韧性断裂宏观韧性断裂宏观韧性断裂宏观韧性断裂n n 一般地，典型光滑圆柱试样的宏观韧性断裂一般地，典型光滑圆柱试样的宏观韧性断裂一般地，典型光滑圆柱试样的宏观韧性断裂一般地，典型光滑圆柱试样的宏观
27、韧性断裂的断口呈杯锥形。由纤维区（裂纹产生）、放射区的断口呈杯锥形。由纤维区（裂纹产生）、放射区的断口呈杯锥形。由纤维区（裂纹产生）、放射区的断口呈杯锥形。由纤维区（裂纹产生）、放射区（裂纹快速扩展）和剪切唇区（剪切断裂）三部分（裂纹快速扩展）和剪切唇区（剪切断裂）三部分（裂纹快速扩展）和剪切唇区（剪切断裂）三部分（裂纹快速扩展）和剪切唇区（剪切断裂）三部分组成。组成。组成。组成。n n 通常，韧性断裂是一种缓慢发展、耗能较高的通常，韧性断裂是一种缓慢发展、耗能较高的通常，韧性断裂是一种缓慢发展、耗能较高的通常，韧性断裂是一种缓慢发展、耗能较高的撕裂过程，是结构件失效的主要形式之一。撕裂过程，
28、是结构件失效的主要形式之一。撕裂过程，是结构件失效的主要形式之一。撕裂过程，是结构件失效的主要形式之一。第14页/共33页第十五页，共33页。2 2宏观脆性断裂宏观脆性断裂宏观脆性断裂宏观脆性断裂 与与与与韧韧韧韧性性性性断断断断裂裂裂裂相相相相反反反反，脆脆脆脆性性性性断断断断裂裂裂裂的的的的宏宏宏宏观观观观断断断断口口口口平平平平齐齐齐齐而而而而光光光光亮亮亮亮，与与与与主主主主应应应应力力力力垂垂垂垂直直直直；也也也也是是是是由由由由纤纤纤纤维维维维区区区区、放放放放射射射射区区区区和和和和剪剪剪剪切切切切唇唇唇唇三三三三部部部部分分分分组组组组成成成成，但但但但主主主主要要要要是是是是
29、放放放放射射射射区区区区，特特特特别别别别是是是是剪剪剪剪切切切切唇唇唇唇几几几几乎乎乎乎看看看看不不不不见见见见，所所所所占断口比例极小。占断口比例极小。占断口比例极小。占断口比例极小。脆脆脆脆性性性性断断断断裂裂裂裂时时时时，放放放放射射射射花花花花样样样样(huyng)(huyng)也也也也是是是是由由由由于于于于材材材材料料料料剪剪剪剪切切切切变变变变形形形形而而而而形形形形成成成成的的的的，只只只只是是是是与与与与韧韧韧韧性性性性断断断断裂裂裂裂不不不不同同同同，它它它它是是是是快快快快速速速速低低低低能能能能撕撕撕撕裂裂裂裂的的的的结结结结果果果果。材材材材料料料料越越越越脆脆脆脆
30、，放放放放射射射射线线线线越越越越细细细细。当当当当材材材材料料料料处处处处于于于于极极极极脆脆脆脆状状状状态态态态（纯纯纯纯解解解解理理理理或或或或晶晶晶晶间间间间断断断断裂裂裂裂），则则则则放放放放射射射射线线线线消消消消失失失失。若若若若晶晶晶晶粒粒粒粒较较较较粗粗粗粗，可可可可在在在在解解解解理理理理断断断断口口口口上上上上看看看看到到到到许许许许多多多多强强强强烈烈烈烈的的的的反反反反光光光光小小小小平平平平面面面面（刻刻刻刻面面面面）。这些小平面实质上是一个晶粒内的解理面。这些小平面实质上是一个晶粒内的解理面。这些小平面实质上是一个晶粒内的解理面。这些小平面实质上是一个晶粒内的解理
31、面。解解解解理理理理断断断断裂裂裂裂和和和和沿沿沿沿晶晶晶晶断断断断裂裂裂裂（晶晶晶晶间间间间断断断断裂裂裂裂）是是是是脆脆脆脆性性性性断断断断裂裂裂裂的的的的重重重重要形式。工程中，脆性断裂是一种灾难性的破坏。要形式。工程中，脆性断裂是一种灾难性的破坏。要形式。工程中，脆性断裂是一种灾难性的破坏。要形式。工程中，脆性断裂是一种灾难性的破坏。第15页/共33页第十六页，共33页。3 3材料材料材料材料(cilio)(cilio)脆性或韧性的相对性脆性或韧性的相对性脆性或韧性的相对性脆性或韧性的相对性 工工工工程程程程材材材材料料料料(cilio)(cilio)的的的的韧韧韧韧脆脆脆脆是是是是由
32、由由由内内内内在在在在和和和和外外外外在在在在二二二二方方方方面面面面因因因因素素素素共共共共同决定的。同决定的。同决定的。同决定的。内内内内在在在在因因因因素素素素：主主主主要要要要是是是是材材材材料料料料(cilio)(cilio)的的的的塑塑塑塑性性性性和和和和强强强强度度度度。如如如如纯纯纯纯铁铁铁铁与与与与玻玻玻玻璃璃璃璃。前前前前者者者者塑塑塑塑性性性性优优优优良良良良、强强强强度度度度较较较较高高高高，通通通通常常常常呈呈呈呈韧韧韧韧性性性性断断断断裂裂裂裂；后后后后者者者者塑塑塑塑性性性性差差差差、强强强强度度度度较较较较低低低低，则则则则一一一一般般般般呈呈呈呈脆脆脆脆性性性
33、性断断断断裂裂裂裂。特特特特别别别别是是是是在在在在冲冲冲冲击击击击条条条条件件件件下。下。下。下。外外外外在在在在因因因因素素素素：主主主主要要要要是是是是温温温温度度度度、加加加加载载载载速速速速度度度度和和和和应应应应力力力力状状状状态态态态（加加加加载载载载方方方方式式式式）等等等等。如如如如：同同同同一一一一灰灰灰灰铸铸铸铸铁铁铁铁材材材材料料料料(cilio)(cilio)试试试试样样样样，分分分分别别别别进进进进行行行行拉拉拉拉伸伸伸伸和和和和硬硬硬硬度度度度（相相相相当当当当于于于于侧侧侧侧压压压压）实实实实验验验验，结结结结果果果果是是是是前前前前者者者者呈呈呈呈脆脆脆脆性性
34、性性断断断断裂裂裂裂，后后后后者者者者可只压出压痕而不断裂。可只压出压痕而不断裂。可只压出压痕而不断裂。可只压出压痕而不断裂。因因因因此此此此，工工工工程程程程材材材材料料料料(cilio)(cilio)的的的的韧韧韧韧性性性性或或或或脆脆脆脆性性性性是是是是相相相相对对对对的的的的，没没没没有有有有绝绝绝绝对对对对的脆性或韧性材料的脆性或韧性材料的脆性或韧性材料的脆性或韧性材料(cilio)(cilio)。第16页/共33页第十七页，共33页。力学力学(l xu)状态图状态图 n n力力力力学学学学状状状状态态态态图图图图是是是是把把把把二二二二种种种种强强强强度度度度理理理理论论论论（最最
35、最最大大大大切切切切应应应应力力力力理理理理论论论论和和和和最最最最大大大大正正正正应应应应力力力力理理理理论论论论）、材材材材料料料料性性性性能能能能（切切切切变变变变抗抗抗抗力力力力、切切切切断断断断抗抗抗抗力力力力、正正正正断断断断抗抗抗抗力力力力）、加加加加载载载载方方方方式式式式（应应应应力力力力状状状状态态态态）、断断断断裂裂裂裂类类类类型型型型及及及及方方方方式式式式都都都都联联联联系系系系起起起起来来来来(q(q li)li)表表表表征征征征材料力学特征的图形。材料力学特征的图形。材料力学特征的图形。材料力学特征的图形。如图所示，力学状态图被如图所示，力学状态图被如图所示，力学
36、状态图被如图所示，力学状态图被 、三个力性指标分成了三三个力性指标分成了三三个力性指标分成了三三个力性指标分成了三个区，即弹性个区，即弹性个区，即弹性个区，即弹性(tnxng)(tnxng)变形区、弹塑性变形区和断裂区。变形区、弹塑性变形区和断裂区。变形区、弹塑性变形区和断裂区。变形区、弹塑性变形区和断裂区。1 1在单向拉伸加载的情况下，正断式的韧性断裂。在单向拉伸加载的情况下，正断式的韧性断裂。在单向拉伸加载的情况下，正断式的韧性断裂。在单向拉伸加载的情况下，正断式的韧性断裂。2 2在扭转加载的情况下，切断式的韧性断裂。在扭转加载的情况下，切断式的韧性断裂。在扭转加载的情况下，切断式的韧性断
37、裂。在扭转加载的情况下，切断式的韧性断裂。3 3在三向不等拉伸（如缺口拉伸在三向不等拉伸（如缺口拉伸在三向不等拉伸（如缺口拉伸在三向不等拉伸（如缺口拉伸 ）的情况下，正断式的脆性断裂。）的情况下，正断式的脆性断裂。）的情况下，正断式的脆性断裂。）的情况下，正断式的脆性断裂。因此，利用力学状态图可以描述材料的断裂倾向。因此，利用力学状态图可以描述材料的断裂倾向。因此，利用力学状态图可以描述材料的断裂倾向。因此，利用力学状态图可以描述材料的断裂倾向。材料的力学状态图第17页/共33页第十八页，共33页。温度温度(wnd)对力学状态图的影对力学状态图的影响响n n温度和加载速率通常对材料的温度和加载
38、速率通常对材料的温度和加载速率通常对材料的温度和加载速率通常对材料的n n 影响很大，而对影响很大，而对影响很大，而对影响很大，而对 和和和和 n n 影响较小。影响较小。影响较小。影响较小。n n温温温温度度度度降降降降低低低低，增增增增大大大大，在在在在单单单单向向向向拉拉拉拉伸伸伸伸时时时时，材材材材料料料料由由由由正正正正断断断断式式式式韧韧韧韧性性性性断断断断裂裂裂裂(dun(dun li)li)转转转转变变变变为为为为正正正正断断断断式式式式脆脆脆脆性性性性断断断断裂裂裂裂(dun(dun li)li)。这这这这种种种种情情情情况况况况表表表表明明明明，材材材材料料料料由由由由室室
39、室室温温温温到到到到某某某某一一一一低低低低温温温温时时时时将将将将发发发发生生生生由由由由韧韧韧韧性性性性断断断断裂裂裂裂(dun(dun li)li)到到到到脆脆脆脆性性性性断断断断裂裂裂裂(dun(dun li)li)的的的的过过过过渡渡渡渡，即即即即冷冷冷冷脆脆脆脆转转转转变。变。变。变。n n力力力力学学学学状状状状态态态态图图图图为为为为定定定定性性性性分分分分析析析析材材材材料料料料断断断断裂裂裂裂(dun li)(dun li)问题的一种有用方法。问题的一种有用方法。问题的一种有用方法。问题的一种有用方法。温度对断裂温度对断裂(dun li)图的图的影响影响第18页/共33页第
40、十九页，共33页。4.4 断裂断裂(dun li)的微观机制及形貌特征的微观机制及形貌特征 n n根据裂纹扩展的途径根据裂纹扩展的途径根据裂纹扩展的途径根据裂纹扩展的途径晶间断裂和穿晶断裂晶间断裂和穿晶断裂晶间断裂和穿晶断裂晶间断裂和穿晶断裂n n 1 1晶间断裂（沿晶断裂）：指裂纹沿晶界扩展。晶间断裂（沿晶断裂）：指裂纹沿晶界扩展。晶间断裂（沿晶断裂）：指裂纹沿晶界扩展。晶间断裂（沿晶断裂）：指裂纹沿晶界扩展。n n 断断断断口口口口的的的的基基基基本本本本特特特特征征征征：呈呈呈呈冰冰冰冰糖糖糖糖状状状状形形形形貌貌貌貌，显显显显示示示示多多多多晶晶晶晶体体体体各各各各晶晶晶晶粒粒粒粒多多
41、多多面面面面体体体体的的的的特特特特征征征征（晶晶晶晶粒粒粒粒立立立立体体体体感感感感很很很很强强强强）。但但但但当当当当晶晶晶晶粒粒粒粒很很很很细细细细小小小小时时时时，则则则则冰冰冰冰糖糖糖糖状状状状特征不明显，通常可呈结晶状。特征不明显，通常可呈结晶状。特征不明显，通常可呈结晶状。特征不明显，通常可呈结晶状。n n 断断断断裂裂裂裂机机机机制制制制：通通通通常常常常是是是是由由由由于于于于晶晶晶晶界界界界上上上上存存存存在在在在(cnzi)(cnzi)脆脆脆脆性性性性冷冷冷冷凝凝凝凝相相相相、高高高高温温温温晶晶晶晶界界界界变变变变弱弱弱弱或或或或腐腐腐腐蚀蚀蚀蚀环环环环境境境境下下下下
42、晶晶晶晶界界界界首首首首先先先先被被被被腐腐腐腐蚀蚀蚀蚀等等等等原原原原因因因因使使使使晶晶晶晶界界界界脆脆脆脆化化化化或或或或弱化所致。弱化所致。弱化所致。弱化所致。n n 2 2穿晶断裂：指裂纹沿晶内（穿过晶粒）扩展。穿晶断裂：指裂纹沿晶内（穿过晶粒）扩展。穿晶断裂：指裂纹沿晶内（穿过晶粒）扩展。穿晶断裂：指裂纹沿晶内（穿过晶粒）扩展。n n 穿穿穿穿晶晶晶晶断断断断裂裂裂裂可可可可依依依依据据据据不不不不同同同同的的的的微微微微观观观观断断断断裂裂裂裂机机机机制制制制而而而而具具具具有有有有不不不不同同同同的的的的微微微微观观观观断断断断口口口口形形形形貌貌貌貌特特特特征征征征，主主主主
43、要要要要有有有有解解解解理理理理、微微微微孔孔孔孔聚聚聚聚集集集集、准准准准解解解解理理理理等等等等。一一一一般般般般地地地地，从从从从宏宏宏宏观观观观上上上上看看看看，沿沿沿沿晶晶晶晶断断断断裂裂裂裂多多多多为为为为脆脆脆脆性性性性断断断断裂裂裂裂，而而而而穿穿穿穿晶晶晶晶断断断断裂裂裂裂则则则则既既既既可可可可以以以以是是是是脆脆脆脆性断裂，也可以是韧性断裂。性断裂，也可以是韧性断裂。性断裂，也可以是韧性断裂。性断裂，也可以是韧性断裂。第19页/共33页第二十页，共33页。n n根据微观断裂机制根据微观断裂机制根据微观断裂机制根据微观断裂机制解理断裂和剪切断裂解理断裂和剪切断裂解理断裂和剪
44、切断裂解理断裂和剪切断裂n n 1 1解解解解理理理理断断断断裂裂裂裂：指指指指在在在在拉拉拉拉伸伸伸伸应应应应力力力力作作作作用用用用下下下下，沿沿沿沿一一一一定定定定结结结结晶晶晶晶面面面面而而而而分分分分离离离离的断裂。所分离的结晶面称为解理面。的断裂。所分离的结晶面称为解理面。的断裂。所分离的结晶面称为解理面。的断裂。所分离的结晶面称为解理面。n n 一一一一般般般般地地地地，解解解解理理理理断断断断裂裂裂裂是是是是脆脆脆脆性性性性断断断断裂裂裂裂，而而而而脆脆脆脆性性性性断断断断裂裂裂裂却却却却不不不不一一一一定定定定是是是是解解解解理理理理断断断断裂裂裂裂，且且且且解解解解理理理理
45、断断断断裂裂裂裂也也也也可可可可以以以以是是是是在在在在有有有有一一一一定定定定塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形后后后后产产产产生生生生，所所所所以，解理断裂与脆性断裂不能完全等同。以，解理断裂与脆性断裂不能完全等同。以，解理断裂与脆性断裂不能完全等同。以，解理断裂与脆性断裂不能完全等同。n n 解解解解理理理理面面面面一一一一般般般般是是是是低低低低指指指指数数数数晶晶晶晶面面面面，原原原原因因因因是是是是低低低低指指指指数数数数晶晶晶晶面面面面一一一一般般般般表表表表面面面面能能能能低低低低，理理理理论论论论断断断断裂裂裂裂强强强强度度度度最最最最低低低低，优优优优先先先先产产产产生生生生
46、断断断断裂裂裂裂。通通通通常常常常，体体体体心心心心立立立立方方方方和和和和密密密密排排排排六六六六方方方方金金金金属属属属中中中中易易易易发发发发生生生生解解解解理理理理断断断断裂裂裂裂，而而而而面面面面心心心心立立立立方方方方金金金金属属属属只只只只在在在在特特特特殊殊殊殊情情情情况况况况(qngkung)(qngkung)下才产生。下才产生。下才产生。下才产生。n n解理断口的微观形貌特征解理断口的微观形貌特征解理断口的微观形貌特征解理断口的微观形貌特征n n 对对对对于于于于理理理理想想想想单单单单晶晶晶晶体体体体而而而而言言言言，解解解解理理理理断断断断裂裂裂裂可可可可以以以以是是是
47、是完完完完全全全全沿沿沿沿单单单单一一一一结结结结晶晶晶晶面面面面的的的的分分分分离离离离，其其其其解解解解理理理理断断断断口口口口是是是是一一一一毫毫毫毫无无无无特特特特征征征征的的的的理理理理想想想想平平平平面面面面。但但但但在在在在实实实实际际际际晶晶晶晶体体体体中中中中，由由由由于于于于缺缺缺缺陷陷陷陷的的的的存存存存在在在在，断断断断裂裂裂裂并并并并不不不不是是是是沿沿沿沿单单单单一一一一的的的的晶晶晶晶面面面面解解解解理理理理，而而而而是是是是沿沿沿沿一一一一组组组组平平平平行行行行的的的的晶晶晶晶面面面面解解解解理理理理，从从从从而而而而在在在在不不不不同同同同高高高高度度度度上
48、上上上平平平平行行行行的的的的解解解解理理理理面面面面之之之之间间间间形形形形成成成成解解解解理理理理台台台台阶阶阶阶。从从从从垂垂垂垂直直直直断断断断面面面面上上上上看看看看，台台台台阶阶阶阶汇汇汇汇合合合合形形形形成成成成一一一一种种种种所所所所谓谓谓谓的的的的河河河河流花样，这是解理断裂最主要的微观特征。流花样，这是解理断裂最主要的微观特征。流花样，这是解理断裂最主要的微观特征。流花样，这是解理断裂最主要的微观特征。第20页/共33页第二十一页，共33页。2微孔聚合剪切断裂微孔聚合剪切断裂 剪剪切切断断裂裂一一般般是是韧韧性性断断裂裂，有有微微孔孔聚聚合合型型剪剪切切断断裂裂和和纯纯剪剪
49、切切断断裂裂两两类类。后后者者主主要要是是在在单单晶晶体体或或高高纯纯金金属属中中出出现现。前前者者则则是是在在常常 用用 金金 属属 材材 料料 中中 出出 现现 的的 形形 式式(xngsh)。微观特征：主要是韧窝。微观特征：主要是韧窝。通通常常，对对微微观观断断口口上上的的韧韧窝窝内内部部进进行行仔仔细细观观察察，观观察察到到的的韧韧窝窝只只是是显显微微空空洞洞的的一一半半，而而在在对对应应的的断断口口上上必必有有一一对对应应的的韧韧窝窝，二二者者的的底底部部，至至少少其其中中之之一一有有夹夹杂杂物物粒粒子子存存在在。此此外外，韧韧窝窝也也可可在在晶晶界界、孪孪晶晶界界及及相相界界处处形
50、形核核，此此时韧窝中可能没有第二相粒子。时韧窝中可能没有第二相粒子。第21页/共33页第二十二页，共33页。微孔聚合断裂（韧窝形成微孔聚合断裂（韧窝形成微孔聚合断裂（韧窝形成微孔聚合断裂（韧窝形成(xngchng)(xngchng)）过程）过程）过程）过程 多多多多数数数数情情情情况况况况下下下下在在在在钢钢钢钢中中中中都都都都能能能能看看看看到到到到有有有有非非非非金金金金属属属属夹夹夹夹杂杂杂杂物物物物等等等等异异异异相相相相的的的的存存存存在在在在。因因因因此此此此，韧韧韧韧窝窝窝窝的的的的形形形形成成成成与与与与异异异异相相相相粒粒粒粒子子子子有有有有关关关关。在在在在外外外外力力力力