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1、关于材料的断裂第一页，本课件共有33页4.1 理论断裂强度理论断裂强度 从宏观力学分析的角度，关于材料的强度面临着以下两个重要问题：一一是是完整晶体沿原子面正断的理论断裂强度和实际材料的断裂强度为什么会有很大的差异？二二是是对有初始缺陷的实际晶体（主要是裂纹体），断裂时将取决于什么参量，其断裂强度又具有何种含义？第二页，本课件共有33页理论断裂强度理论断裂强度（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系可得晶体沿某晶面被系可得晶体沿某晶面被拉开拉开产生纯产生纯弹性正断弹性正断的的理论断裂强度理论断裂强度：可
2、见，金属晶体纯弹性正断的理论断裂强度可见，金属晶体纯弹性正断的理论断裂强度是由三个材料常数决定的。是由三个材料常数决定的。vv例：纯铁的理论断裂强度为例：纯铁的理论断裂强度为40000MPa40000MPa，经过一系经过一系经过一系经过一系列强化，列强化，列强化，列强化，实际断裂强度也大致在实际断裂强度也大致在实际断裂强度也大致在实际断裂强度也大致在2000 MPa2000 MPa左右。左右。左右。左右。第三页，本课件共有33页问题？问题？vv钢的实际断裂强度比理论断裂强度小一个数量钢的实际断裂强度比理论断裂强度小一个数量级以上。级以上。vv对一般的工程材料，实际断裂强度也只有理论对一般的工程
3、材料，实际断裂强度也只有理论断裂强度的断裂强度的1/1001/1000。只有很细、几乎不。只有很细、几乎不存在缺陷的金属晶须和碳纤维的实际断裂强度才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论断裂强度。能接近于其理论断裂强度。vv对实际材料而言，必有晶体缺陷存在，其断裂对实际材料而言，必有晶体缺陷存在，其断裂问题从本质上讲应该是含有缺陷的物体的断裂问题从本质上讲应该是含有缺陷的物体的断裂问题，可认为是问题，可认为是裂纹体的断裂裂纹体的断裂问题。问题。第四页，本课件共有33页vvGriffith理论的出发点：理论的出发点：假定在实际材料中已经存在裂纹(可视为可视为裂纹体裂纹体)，当名
4、义应力很低时，在裂纹尖端的局部应力已经达到很高数值（达到理论断裂强度 ），从而使裂纹快速扩展并导致材料脆性断裂。4.2裂纹体的断裂强度裂纹体的断裂强度-Griffith准则准则 第五页，本课件共有33页Griffith准则准则如图，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开一开一垂直于拉应力的、长度为垂直于拉应力的、长度为2a的裂纹的裂纹，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：裂纹新表
5、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：第六页，本课件共有33页 由由弹弹性性理理论论计计算算，据据裂裂纹纹处处于于临临界界失失稳稳状状态下的能量平衡条件态下的能量平衡条件 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判据判据）为：）为：Griffith平板及其中裂纹的能量变化第七页，本课件共有33页vGriffith公式公式解释了解释了 的问题的问题(如：如：a=0.1mm)。vvGriffith准准则则的的重重要要意意义义还还在在于于它它对对脆脆性性断断裂裂提提出出了了一一个新的判据：个新的判据：该该式式表表明明：在在理理想
6、想脆脆性性材材料料中中的的裂裂纹纹失失稳稳扩扩展展（即即断断裂裂）是是受受远远处处外外加加应应力力与与裂裂纹纹长长度度的的平平方方根根的的乘乘积积和和材材料料常常数数所所控控制制的的。由由于于对对给给定定的的理理想想脆脆性性材材料料，E和和 是是定定值值，Griffith从从能能量量平平衡衡的的意意义义上上给给出出了了理理想脆性断裂的必要条件。即：想脆性断裂的必要条件。即：Griffith断断裂裂准准则则：裂裂纹纹失失稳稳扩扩展展（断断裂裂）是是在在 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。第八页，本课件共有33页vv据据以以上上讨讨论论可可知知，Griffith理理论论分分析
7、析仅仅限限于于完完全全脆脆性性的的情情况况，而而实实际际上上绝绝大大多多数数的的金金属属材材料料断断裂裂前前和和断断裂裂过过程程中中裂裂尖尖区区都都会会产产生生塑塑性性变变形形，从从而而使使裂裂尖尖钝钝化化。因因此此，在在实实际际金金属属材材料料中中，应应对对Griffith断裂准则进行修正断裂准则进行修正。vv在在Griffith理理论论提提出出30年年后后，Orowan通通过过对对金金属属材材料料裂裂纹纹扩扩展展的的研研究究，指指出出裂裂纹纹扩扩展展前前其其尖尖端端附附近近要要产产生生一一个个塑塑性性区区。因因此此，提提供供裂裂纹纹扩扩展展的的能能量量不不仅仅用用于于形形成成新新表表面面所
8、所需需的的表表面面能能，而而且且还还要要用用于于引引起起塑塑性性区区塑塑性性变变形形所所需需的的塑塑性性功功。据据此此，塑塑性性功功P和和表表面面能能一一起起成成为为了了裂裂纹纹扩扩展展的的阻阻力力。经经Orowan修修正正后后，材材料料的的断断裂裂强强度度为为：或或 第九页，本课件共有33页v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方法而异。法而异。v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伸试样断面收缩率等于拉伸试样断面收缩率等于5%为界为界。v断断裂裂按按断断裂裂面面的的
9、取取向向或或按按作作用用力力方方式式不同不同可分为可分为正断和切断正断和切断。4.3材料的宏观断裂类型和力学状态图材料的宏观断裂类型和力学状态图第十页，本课件共有33页典型断裂的宏观断口典型断裂的宏观断口(不同断裂形式下不同断裂形式下 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
10、断（解解解解理理理理）。有有有有可可可可能是剪切型断裂，形成能是剪切型断裂，形成能是剪切型断裂，形成能是剪切型断裂，形成韧窝韧窝韧窝韧窝。2.2.宏宏宏宏观观观观切切切切断断断断：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）约约约约呈呈呈呈 。第十一页，本课件共有33页韧性断裂的宏观断口形态韧性断裂的宏观断口形态 vv通常，具有一定塑性的材料，拉伸实验时都会产生通常，具有一定塑性的材料，拉伸实验时都会产生通常，具有一定塑性的材料，拉伸实验时都会产生通常，具有一定塑性的材料，拉伸实验时都
11、会产生不同程度的颈缩，从而在宏观上产生宏观切断或与不同程度的颈缩，从而在宏观上产生宏观切断或与不同程度的颈缩，从而在宏观上产生宏观切断或与不同程度的颈缩，从而在宏观上产生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宏观正断相混合的断裂。可以认为产生的断裂是宏观正断相混合的断裂。可以认为产生的断裂是宏观正断相混合的断裂。可以认为产生的断裂是韧韧韧韧性断裂性断裂性断裂性断裂。vv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：韧性断裂的宏观断口韧性断裂的宏观断口 1 1纤维区：纤维区：纤维区：纤维区：因颈
12、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长长长大大大大、聚集而形成锯齿状纤维断口。通常立体上呈环状。聚集而形成锯齿状纤维断口。通常立体上呈环状。聚集而形成锯齿状纤
13、维断口。通常立体上呈环状。聚集而形成锯齿状纤维断口。通常立体上呈环状。2 2放放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）。与与与与纤纤纤纤维维维维区区区区不不不不同同同
14、同，放放放放射射射射区区区区是是是是在在在在裂裂裂裂纹纹纹纹到到到到达达达达临临临临界界界界尺尺尺尺寸寸寸寸后后后后进进进进行行行行快快快快速低能撕裂的结果。速低能撕裂的结果。速低能撕裂的结果。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，最后由拉伸应力的分切应力所切断，形成剪切唇。积，最后由拉伸应力的分切应力所切断，形成剪切唇。积，最后由拉伸应力的分切应力所切断，形成剪切唇。积，最后由拉伸应力的分切应力所切断
15、，形成剪切唇。第十二页，本课件共有33页韧性断裂（杯锥状）断口的形成韧性断裂（杯锥状）断口的形成v光光滑滑圆圆柱柱试试样样受受拉拉伸伸力力作作用用，产产生生缩缩颈颈时时试试样样的的应应力力状状态态也也由由单单向向变变为为三三向向，且且中中心心区轴向应力最大。区轴向应力最大。v在在中中心心三三向向拉拉应应力力作作用用下下，塑塑性性变变形形难难于于进进行行，致致使使其其中中的的夹夹杂杂物物或或第第二二相相质质点点本本身身碎碎裂裂，或或使使夹夹杂杂物物与与基基体体界界面面脱脱离离而而形形成成微微孔孔。微微孔孔不不断断长长大大和和聚聚合合就就形形成成显显微微裂裂纹纹。显显微微裂裂纹纹形形成成、扩扩展展
16、过过程程重重复复进进行行就形成锯齿状的就形成锯齿状的纤维区纤维区。v裂裂纹纹达达临临界界尺尺寸寸后后就就快快速速扩扩展展而而形形成成有有放放射射线线花花样样特特征征的的放放射射区区。放放射射线线平平行行于于裂裂纹纹扩扩展展方方向向而而垂垂直直于于裂裂纹纹前前端端（每每一一瞬瞬间间）的的轮轮廓廓线线，并逆指向裂纹源。并逆指向裂纹源。v最最后后由由拉拉伸伸应应力力的的分分切切应应力力切切断断，形形成成与与拉拉伸轴呈伸轴呈45的杯状或锥状的杯状或锥状剪切唇剪切唇。杯锥状断口形成示意图杯锥状断口形成示意图第十三页，本课件共有33页脆性断裂的宏观断口形态脆性断裂的宏观断口形态 脆性断裂断口的放射状花样
17、脆性断裂断口的人字纹花样v圆柱形拉伸试样：断裂面与正应力垂直，断口平齐、断裂面与正应力垂直，断口平齐、断裂面与正应力垂直，断口平齐、断裂面与正应力垂直，断口平齐、光亮。光亮。光亮。光亮。断面上的放射状条纹汇聚于断面上的放射状条纹汇聚于一个中心，此中心区域就是裂纹源。一个中心，此中心区域就是裂纹源。v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。裂纹源裂纹源裂纹源裂纹源第十四页，本课件共有33页宏观断裂类型及特征总结宏观断裂类型及特征总结vv宏观断裂的分类宏观断裂的分类 按按断断裂裂前前的的塑塑性
18、性变变形形程程度度或或按按断断裂裂过过程程中中所所吸吸收收的的能能量量大大小小可可将将断断裂裂划划分分为为韧韧性性断断裂裂和和脆脆性性断断裂裂二二种种类类型型。也也可可按按宏宏观观断断口口与与最最大大正正应应力力垂垂直直或或与与最大切应力平行而分为正断和切断二种方式。最大切应力平行而分为正断和切断二种方式。1宏观韧性断裂宏观韧性断裂 一般地，典型光滑圆柱试样的宏观韧性断裂的一般地，典型光滑圆柱试样的宏观韧性断裂的断口呈杯锥形。由纤维区（裂纹产生）、放射区断口呈杯锥形。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）三部分组成。组成。
19、通常，通常，韧性断裂是一种缓慢发展、耗能较高的韧性断裂是一种缓慢发展、耗能较高的撕裂过程撕裂过程，是结构件失效的主要形式之一。，是结构件失效的主要形式之一。第十五页，本课件共有33页 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 与与韧韧性性断断裂裂相相反反，脆脆性性断断裂裂的的宏宏观观断断口口平平齐齐而而光光亮亮，与与主主应应力力垂垂直直；也也是是由由纤纤维维区区、放放射射区区和和剪剪切切唇唇三三部部分分组组成成，但但主主主主要要要要是是是是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，所占断口比例极小。所占断口比例
20、极小。所占断口比例极小。所占断口比例极小。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速速低低能能撕撕裂裂的的结结果果。材材料料越越脆脆，放放射射线线越越细细。当当材材料料处处于于极极脆脆状状态态（纯纯解解理理或或晶晶间间断断裂裂），则则放放射射线线消消失失。若若晶晶粒粒较较粗粗，可可在在解解理理断断口口上上看看到到许许多多强强烈烈的的反反光光小小平平面面（刻
21、刻面面）。这这些些小小平平面面实实质质上上是一个晶粒内的解理面。是一个晶粒内的解理面。解解理理断断裂裂和和沿沿晶晶断断裂裂（晶晶间间断断裂裂）是是脆脆性性断断裂裂的的重重要形式。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。第十六页，本课件共有33页3材料脆性或韧性的相对性材料脆性或韧性的相对性材料脆性或韧性的相对性材料脆性或韧性的相对性 工工程程材材料料的的韧韧脆脆是是由由内内在在和和外外在在二二方方面面因因素素共共同决定的。同决定的。vv内内在在因因素素：主主主主要要要要是是是是材材材材料料料料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
22、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。vv外外在在因因素素：主主要要是是温温度度、加加载载速速度度和和应应力力状状态态（加加载载方方式式）等等。如如：同同一一灰灰铸铸铁铁材材料料试试样样，分分别别进进行行拉拉伸伸和和硬硬度度（相相当当于
23、于侧侧压压）实实验验，结结果果是是前前者者呈呈脆脆性性断断裂裂，后者可只压出压痕而不断裂。后者可只压出压痕而不断裂。因因此此，工工程程材材料料的的韧韧性性或或脆脆性性是是相相对对的的，没没有有绝绝对对的的脆性或韧性材料。脆性或韧性材料。第十七页，本课件共有33页力学状态图力学状态图 vv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
24、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表表表表征征征征材材材材料料料料力力力力学学学学特特特特征征征征的的的的图形。图形。图形。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，力学状态图被如图所示，力学状态图被 、三个力性指标分成了三个区，三个力性指标分成了三个区，三个力性指标分成了三个区，三个力性指标分成了三个区，即弹性变形区、弹塑性变形区和断裂区。即弹性变形区、弹塑性变形区和断裂区。即弹性变形区、
25、弹塑性变形区和断裂区。即弹性变形区、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，切断式的韧性断裂。在扭转加载的情况下，切断式的韧性断裂。3 3在在在在三三三三向向向向不不不不等等等等拉拉拉拉伸伸伸伸（如如如如缺缺缺缺口口口口拉拉拉拉伸伸伸伸 ）的的的的情情情情况况况况下下下下，正正正正断断断断式式式式的的的的脆脆脆脆性性性性断断断断裂。裂。裂。
26、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十八页，本课件共有33页温度对力学状态图的影响v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 影响很大，而对影响很大，而对 和和 影响较小。影响较小。v温温度度降降低低，增增大大，在在单单向向拉拉伸伸时时，材材料料由由正正断断式式韧韧性性断断裂裂转转变变为为正正断断式式脆脆性性断断裂裂。这这种种情情况况表表明明，材材料料由由室室温温到到某某一一低低温温时时将将发发生生由由韧韧性性断断裂裂到到
27、脆脆性性断断裂裂的的过过渡渡，即即冷冷脆转变脆转变。v力力学学状状态态图图为为定定性性分分析析材材料料断断裂裂问问题的一种有用方法。题的一种有用方法。温度对断裂图的影响温度对断裂图的影响第十九页，本课件共有33页4.4 断裂的微观机制及形貌特征断裂的微观机制及形貌特征 vv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 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。断断断断口口口
28、口的的的的基基基基本本本本特特特特征征征征：呈呈冰冰糖糖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状特征不明显，通常可呈结晶状。糖状特征不明显，通常可呈结晶状。糖状特征不明显，通常可呈结晶状。糖状特征不明显，通常可呈结晶状。断断断断裂裂裂裂机机机机制制制制：通通常常是是由由于于晶晶界界上上存存在在脆脆性性冷冷凝凝相相、高高温温晶晶界界变变弱弱或或腐腐蚀蚀环环境
29、境下下晶晶界界首首先先被被腐腐蚀蚀等等原原因因使使晶晶界界脆脆化化或弱化所致。或弱化所致。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。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具具有有不不同同的的微微观观断断口口形形貌貌特特征征，主主主主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
30、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是脆性断裂，也可以是韧性断裂。以是脆性断裂，也可以是韧性断裂。以是脆性断裂，也可以是韧性断裂。以是脆性断裂，也可以是韧性断裂。第二十页，本课件共有33页vv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切断裂解理断裂和剪切断裂 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
31、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的断裂。所分离的结晶面称为的断裂。所分离的结晶面称为的断裂。所分离的结晶面称为解理面解理面解理面解理面。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，所所所所以以以以，解理断裂与脆性断裂不能完全等
32、同。解理断裂与脆性断裂不能完全等同。解理断裂与脆性断裂不能完全等同。解理断裂与脆性断裂不能完全等同。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
33、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下下下下才产生。才产生。才产生。才产生。vv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 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
34、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一种所谓的成一种所谓的
35、成一种所谓的成一种所谓的河流花样河流花样河流花样河流花样，这，这，这，这是解理断裂最主要的微观特征。是解理断裂最主要的微观特征。是解理断裂最主要的微观特征。是解理断裂最主要的微观特征。第二十一页，本课件共有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料中出现的形式。材料中出现的形式。微观特征：微观特征：主要是韧窝。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
36、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形核核，此此时时韧韧窝窝中中可能没有第二相粒子。可能没有第二相粒子。第二十二页，本课件共有33页微孔聚合断裂（微孔聚合断裂（韧窝形成韧窝形成）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
37、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作作作作用用用用下下下下产产产产生生生生塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形时时时时，异异异异相相相相阻阻阻阻碍碍碍碍基基基基体体体体滑滑滑滑移移移移，便便便便在在在在异异异异相相相相与与与与基基基基体体体体滑滑滑滑移移移移面面面面交交交交界界界界处处处处造造造造成成成成应应应应力力力力集集集集中中中中，当当当当应应应应力力力力集集集集中中中中达达达达到到到到异异异异相相相相与与与与基基基基
38、体体体体界界界界面面面面结结结结合合合合强强强强度度度度或或或或异异异异相相相相本本本本身身身身强强强强度度度度时时时时，会会会会使使使使二二二二者者者者界界界界面面面面脱脱脱脱离离离离或或或或异异异异相相相相自自自自身身身身断断断断裂裂裂裂，从从从从而而而而形形形形成成成成裂裂裂裂纹纹纹纹（微微微微孔孔孔孔），并并并并不不不不断断断断扩扩扩扩大大大大，最最最最后后后后使使使使夹夹夹夹杂杂杂杂物物物物之之之之间间间间基基基基体体体体金金金金属属属属产产产产生生生生“内内内内颈颈颈颈缩缩缩缩”，当当当当颈颈颈颈缩缩缩缩达达达达到到到到一一一一定定定定程程程程度度度度后后后后基基基基体金属被撕裂或
39、剪切断裂，使空洞体金属被撕裂或剪切断裂，使空洞体金属被撕裂或剪切断裂，使空洞体金属被撕裂或剪切断裂，使空洞连接连接连接连接，从而形成韧窝断口形貌。，从而形成韧窝断口形貌。，从而形成韧窝断口形貌。，从而形成韧窝断口形貌。微孔微孔形核形核示意图示意图微孔微孔长大长大和和连接连接第二十三页，本课件共有33页影响韧窝形成的因素影响韧窝形成的因素 vv韧韧韧韧窝窝窝窝的的的的形形形形成成成成位位位位置置置置、形形形形状状状状、大大大大小小小小和和和和深深深深浅浅浅浅受受受受很很很很多多多多因因因因素素素素影影影影响响响响，大大大大致致致致归归归归纳纳纳纳起起起起来来来来可可可可分分分分为为为为三三三三个
40、个个个方方方方面面面面。一一一一是是是是成成成成核核核核粒粒粒粒子子子子的的的的大大大大小小小小和和和和分分分分布布布布；二二二二是是是是材材材材料料料料的的的的塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形能能能能力力力力，尤尤尤尤其其其其是是是是形形形形变变变变硬硬硬硬化化化化的的的的能能能能力力力力；三三三三是是是是外外外外部部部部因素（包括应力大小、应力状态、温度、变形速度等）。因素（包括应力大小、应力状态、温度、变形速度等）。因素（包括应力大小、应力状态、温度、变形速度等）。因素（包括应力大小、应力状态、温度、变形速度等）。vv韧窝的形状主要取决于应力状态或应力与断面的相对取向。韧窝的形状主要取决
41、于应力状态或应力与断面的相对取向。韧窝的形状主要取决于应力状态或应力与断面的相对取向。韧窝的形状主要取决于应力状态或应力与断面的相对取向。如如如如图图图图，当当当当正正正正应应应应力力力力垂垂垂垂直直直直于于于于微微微微孔孔孔孔的的的的平平平平面面面面，使使使使微微微微孔孔孔孔在在在在此此此此平平平平面面面面上上上上各各各各方方方方向向向向长长长长大大大大倾倾倾倾向向向向相相相相同同同同时时时时，则形成等轴韧窝（图则形成等轴韧窝（图则形成等轴韧窝（图则形成等轴韧窝（图 a a）；当切应力平行于微孔截面时，）；当切应力平行于微孔截面时，）；当切应力平行于微孔截面时，）；当切应力平行于微孔截面时，
42、在切应力作用下微孔被拉长，断裂在切应力作用下微孔被拉长，断裂在切应力作用下微孔被拉长，断裂在切应力作用下微孔被拉长，断裂 时形成的韧窝必是抛物线状，且在时形成的韧窝必是抛物线状，且在时形成的韧窝必是抛物线状，且在时形成的韧窝必是抛物线状，且在 对应断面上的抛物线方向相反（图对应断面上的抛物线方向相反（图对应断面上的抛物线方向相反（图对应断面上的抛物线方向相反（图 b b）；当微孔在不均匀拉伸或弯曲）；当微孔在不均匀拉伸或弯曲）；当微孔在不均匀拉伸或弯曲）；当微孔在不均匀拉伸或弯曲 加载的拉应力作用下时，断口上也加载的拉应力作用下时，断口上也加载的拉应力作用下时，断口上也加载的拉应力作用下时，断
43、口上也 形成被拉长的抛物线状韧窝，但对形成被拉长的抛物线状韧窝，但对形成被拉长的抛物线状韧窝，但对形成被拉长的抛物线状韧窝，但对 应断面上的抛物线方向相同，都指应断面上的抛物线方向相同，都指应断面上的抛物线方向相同，都指应断面上的抛物线方向相同，都指 向裂纹源（图向裂纹源（图向裂纹源（图向裂纹源（图c c）。）。）。）。不同应力状态下的韧窝形态不同应力状态下的韧窝形态不同应力状态下的韧窝形态不同应力状态下的韧窝形态 第二十四页，本课件共有33页 3 3准解理准解理准解理准解理：指解理和微孔聚合断裂的混合。：指解理和微孔聚合断裂的混合。：指解理和微孔聚合断裂的混合。：指解理和微孔聚合断裂的混合。
44、vv微微微微观观观观特特特特征征征征：有有有有辐辐辐辐射射射射状状状状的的的的河河河河流流流流花花花花样样样样，也也也也有有有有韧韧韧韧窝窝窝窝，且且且且在在在在小小小小平平平平面面面面内内内内和和和和小小小小平面之间还有撕裂棱。平面之间还有撕裂棱。平面之间还有撕裂棱。平面之间还有撕裂棱。vv与解理的主要区别：与解理的主要区别：与解理的主要区别：与解理的主要区别：准准准准解解解解理理理理断断断断裂裂裂裂起起起起始始始始于于于于断断断断裂裂裂裂小小小小平平平平面面面面内内内内部部部部，并并并并逐逐逐逐渐渐渐渐长长长长大大大大，最最最最后后后后被被被被撕撕撕撕裂裂裂裂棱棱棱棱连连连连接接接接起起起
45、起来来来来；而而而而解解解解理理理理裂裂裂裂纹纹纹纹则则则则起起起起始始始始于于于于断断断断裂裂裂裂的的的的一一一一侧侧侧侧，并并并并向向向向另另另另一一一一侧侧侧侧扩扩扩扩展展展展，直直直直至至至至断裂。断裂。断裂。断裂。准准准准解解解解理理理理是是是是通通通通过过过过解解解解理理理理台台台台阶阶阶阶和和和和撕撕撕撕裂裂裂裂棱棱棱棱把把把把解解解解理理理理和和和和微微微微孔孔孔孔聚聚聚聚合合合合两两两两种种种种断断断断裂裂裂裂机机机机理理理理掺掺掺掺和在一起，二者没有截然的划分。和在一起，二者没有截然的划分。和在一起，二者没有截然的划分。和在一起，二者没有截然的划分。vv注注注注意意意意：微
46、微微微孔孔孔孔聚聚聚聚合合合合剪剪剪剪切切切切断断断断裂裂裂裂一一一一定定定定有有有有韧韧韧韧窝窝窝窝存存存存在在在在，但但但但在在在在微微微微观观观观断断断断口口口口上上上上有有有有韧韧韧韧窝窝窝窝的的的的断断断断裂裂裂裂，宏宏宏宏观观观观上上上上不不不不一一一一定定定定就就就就是是是是韧韧韧韧性性性性断断断断裂裂裂裂。因因因因为为为为宏宏宏宏观观观观上上上上的的的的脆脆脆脆性性性性断断断断裂裂裂裂在在在在局局局局部部部部区区区区域域域域也也也也可可可可以以以以有有有有塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形而而而而呈呈呈呈现现现现出出出出韧韧韧韧窝窝窝窝特特特特征征征征的的的的微微微微观观观观断断
47、断断口的形貌。因此，微孔聚合剪切断裂与韧性断裂不能完全等同。口的形貌。因此，微孔聚合剪切断裂与韧性断裂不能完全等同。口的形貌。因此，微孔聚合剪切断裂与韧性断裂不能完全等同。口的形貌。因此，微孔聚合剪切断裂与韧性断裂不能完全等同。vv综综综综上上上上所所所所述述述述，在在在在断断断断裂裂裂裂失失失失效效效效分分分分析析析析时时时时，一一一一定定定定要要要要宏宏宏宏观观观观和和和和微微微微观观观观结结结结合合合合起起起起来来来来，以得出正确的判断。以得出正确的判断。以得出正确的判断。以得出正确的判断。第二十五页，本课件共有33页材料的断裂类型及其特点总结第二十六页，本课件共有33页理论断裂强度推导
48、理论断裂强度推导原子间结合力与原子间位移的关系曲线可用正弦曲线表示：如果原子位移很小，有 ，则 。当原子间位移很小时，根据虎克定律：合并上述二式，得：另一方面，晶体脆性断裂时所消耗的功用来供给形成两个新表面所需之表面能。设裂纹面上单位面积的表面能为 。形成单位裂纹表面外力所作的功应为曲线下所包围的面积，即：整理得：代入 得：这就是完整的理想晶体脆性（解理）断裂的理论断裂强度。可见，晶体弹性模量越大，表面能越大、原子间距越小，即结合越紧密，则理论断裂强度就越大。返回返回第二十七页，本课件共有33页冰塘状断口形貌返回返回第二十八页，本课件共有33页河流花样形貌下一页下一页小角晶界扭转晶界大角晶界台阶汇集成河流第二十九页，本课件共有33页返回返回解理断裂形貌解理断裂形貌-解理舌状花样解理舌状花样第三十页，本课件共有33页韧窝形貌返回返回第三十一页，本课件共有33页准解理断口形貌返回返回第三十二页，本课件共有33页感感谢谢大大家家观观看看第三十三页，本课件共有33页