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1、1孙朝阳机械工程学院孙朝阳机械工程学院mbm_(62334197)金属的断裂行为金属的断裂行为工程材料的力学行为系列专题讲座之五工程材料的力学行为系列专题讲座之五23北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！?金属的断裂金属的断裂?断裂类型及断口特征断裂类型及断口特征?脆性断裂脆性断裂?韧性断裂韧性断裂?断裂强度断裂强度讲座内容讲座内容4北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！1.金属的断裂1.金属的断裂2009年年4月月7日列车脱轨日列车脱轨工程上最危险的失效形式轧辊断裂轧辊断裂5北京科技大学机械工
2、程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！1.金属的断裂1.金属的断裂材料完全破断为两个部分以上的现象，使材料失去完整 性。?断裂断裂断裂的基本类型断裂的基本类型断前塑性变形大小断前塑性变形大小脆性断裂韧性断裂断裂面取向断裂面取向正断切断裂纹扩展途径裂纹扩展途径沿晶断裂穿晶断裂断裂机理断裂机理解理断裂微孔聚集型断裂纯剪切断裂6北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！?金属的断裂金属的断裂?断裂类型及断口特征断裂类型及断口特征?脆性断裂脆性断裂?韧性断裂韧性断裂?断裂强度断裂强度讲座内容讲座内容7北京科技大学机械工程学院
3、版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！特点：断裂前产生明显宏观变形；过程缓慢；断裂面平行于最大切应力，与主应力成45o角。断口特征：断口呈纤维状，灰暗色。杯-锥状。断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇 纤维区：裂纹快速扩展。撕裂时塑性变形量 大。放射区：线粗。剪切唇：切断。危害：不及脆性断裂，断裂前机件已变形失效。2.断裂类型及断口特征2.断裂类型及断口特征?韧性断裂韧性断裂8北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！特点：特点：断裂前基本不发生塑性变形，无明显前兆，裂纹扩展速 度快，断口与正应力垂直。断口特征：断口特征
4、：平齐光亮，常呈放射状或结晶状；人字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行。材料的韧性与脆性行为会随环境条件而改变。例如：T、脆性。一般是变形75%为韧性断 裂。危害：危害：突然发生，后果严重。2.断裂类型及断口特征2.断裂类型及断口特征?脆性断裂脆性断裂9北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！特点：?穿晶断裂，裂纹穿过晶界。可以是韧性或脆性断裂；两者有时可混合发生。?沿晶断裂，裂纹沿晶扩展。多数是脆性断裂。2.断裂类型及断口特征2.断裂类型及断口特征?穿晶断裂与沿晶断裂（微观）穿晶断裂与沿晶断裂（微观）10北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传
5、播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！纯剪切断裂：纯剪切断裂：沿滑移面分离而造成的分离断裂。微孔聚集型断裂：微孔聚集型断裂：微孔形核、长大、聚合导致材料分离。解理断裂：解理断裂：以极快速率沿一定晶体学平面，产生穿晶断裂。解理面一般是指低指数晶面或表面能量低的晶面。FCC金属一般不发生解理断裂。解理断裂总是脆性断裂。2.断裂类型及断口特征2.断裂类型及断口特征?纯剪切断裂，微孔聚集型断裂，解理断裂（机理）纯剪切断裂，微孔聚集型断裂，解理断裂（机理）111.金属的断裂12?金属的断裂金属的断裂?断裂类型及断口特征断裂类型及断口特征?脆性断裂脆性断裂?韧性断裂韧性断裂?断裂强度断裂强度讲座
6、内容13北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！3.脆性断裂3.脆性断裂?解理断裂的宏观特征解理断裂的宏观特征?解理断口的宏观平面与最大拉应力垂直，断口由许多小晶面组成，这些小晶面就是解理面，大小与晶粒尺寸相对应。?解理面都是低指数晶面，如体心立方点阵金属的(100）面，密排六方占阵金属的(0001)面。解理断裂是材料在拉应力的作用下，由于原子间结 合键遭到破坏，严格地沿一定的结晶学平面(即解理 面)劈开而造成的。14北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！河流状河流状解理台阶汇合台阶高度足够大形成
7、 河流状花样。裂纹跨越若干相互平 行且位于不同高度的解理面。3.脆性断裂3.脆性断裂?解理断裂的微观断口特征解理断裂的微观断口特征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时形成的。通 过解理裂纹与螺位错相交、二次解理或 撕裂形成。15北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！?晶界对解理断口的影响晶界对解理断口的影响（1）小角度倾斜晶界裂纹能越过晶界，“河流”可延续到相邻晶粒内。（2）扭转晶界（位向差大）裂纹不能直接穿过晶界，必须重新形核。裂纹将沿若 干组新的相互平等的解理面扩展，形成新的“河流”。3.脆性断裂3.脆性断裂?解理断
8、裂的微观断口特征解理断裂的微观断口特征16北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！3.脆性断裂3.脆性断裂?解理裂纹扩展过程解理裂纹扩展过程?设晶体内有一螺型位错，并设想解理裂纹为一刃型。设晶体内有一螺型位错，并设想解理裂纹为一刃型。?形成二个高度为形成二个高度为b 的台阶。的台阶。?很多螺塑位错相交截便形成为数众多的台阶。很多螺塑位错相交截便形成为数众多的台阶。?同号台阶汇合长大，异号台阶汇合抵消。同号台阶汇合长大，异号台阶汇合抵消。?当汇合台阶高度足够大时，形成河流花样当汇合台阶高度足够大时，形成河流花样17北京科技大学机械工程学院版权所有，
9、请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！舌状花样舌状花样它类似于伸出来的小舌头，解理裂 纹沿孪晶界扩展留下的舌状凹坑或 凸台。?解理断裂的微观断口特征解理断裂的微观断口特征3.脆性断裂3.脆性断裂在体心立方金属中，解理面是(001)，挛 晶面是(112)，孪晶方向是111。当解 理裂纹沿(001)面扩展遇到挛晶面时，即 沿孪晶面扩展，越过孪晶后再在(00 l)解理面扩展，于是形成舌状凸台。18北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！3.脆性断裂3.脆性断裂（1）解理裂纹的形成是以塑性变形为先导。（2）解理裂纹于晶内形成并在晶内扩展。
10、（3）解理裂纹越过晶界扩展时，需在晶界重新形 成小裂纹并沿解理面扩展。（4）解理台阶连结形成河流花样，但若裂纹平面 与孪晶相遇，沿孪晶与基体界面扩展，则形成 舌状花样。?解理裂纹扩展过程解理裂纹扩展过程19北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！3.脆性断裂3.脆性断裂由于晶体内存在弥散硬质点，解理裂纹起源于晶内硬 质处点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。准解理不是独立的断裂机制，是解理断裂的变种。?准解理准解理准解理裂纹常起源于晶内硬质点，向四周放射状地扩展，而解理裂纹则 自晶界一侧向另一侧延伸。准解理断口有许多撕裂棱。准解理断口上局部区域
11、出现韧窝，是解理与微孔聚合的混合型断裂。?与解理断裂区别与解理断裂区别：20北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！?位错塞积理论位错塞积头处，应力集中，超过材料的强度极限。从而裂纹形成。21max)2/)(rdif=3.脆性断裂3.脆性断裂?解理裂纹形成和扩展理论解理裂纹形成和扩展理论裂纹扩展的临界条件为（能量分析法导出）：nb=2为外加应力，n 为滑移带内位错个数，b 为位错柏氏矢 量，为材料表面能。晶粒细化，材料的脆性减小，第二相质点的平均自由程入 越小，材料的强度。材料断裂前总会产生一定塑性变形，而塑性变形与位错运动有关21北京科技大学机
12、械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！?位错反应理论位错反应，形成新的位错，能量降低，有利于裂纹形核。?史密斯理论（脆性材料萌生裂纹）位错塞积，在脆性相内萌生裂纹。裂纹向塑性材料中扩展的力学条件为（实际上是弹塑性条件下，格雷菲斯公式）3.脆性断裂3.脆性断裂?解理裂纹形成和扩展理论解理裂纹形成和扩展理论22北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！?金属的断裂金属的断裂?断裂类型及断口特征断裂类型及断口特征?脆性断裂脆性断裂?韧性断裂韧性断裂?断裂强度断裂强度讲座内容讲座内容23北京科技大学机械工程学院版权所有，
13、请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！（1）微孔形核 点缺陷聚集；第二相质点碎裂或脱落；位错引起的应力集中，不均匀塑性形 变。（2）微孔长大 滑移面上的位错向微孔运动，使其长 大。（3）微孔聚合 应力集中处，裂纹向前推进一定长度。4.韧性断裂4.韧性断裂?断裂机理断裂机理24北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！（a）等轴韧窝：由正应力垂直于微 孔平面形成；拉伸试样中心纤维区 就是等轴韧窝。（b）拉长韧窝：由切应力形成；扭 转或双向不等应力状态。（c）撕裂韧窝：拉、弯应力状态。4.韧性断裂4.韧性断裂?微观断口特征微观断口特征-
14、韧窝形状韧窝形状25北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！4.韧性断裂4.韧性断裂韧窝形貌：火山口式，圆形，椭圆形?微观断口特征微观断口特征-韧窝形状韧窝形状26北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！?基体材料的塑性变形能力和应变硬化指数；?第二相质点的大小和密度。?微观上出现韧窝，宏观上不一定是韧性断裂。4.韧性断裂4.韧性断裂?影响韧窝大小因数影响韧窝大小因数27北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！4.韧性断裂4.韧性断裂?微孔形核、长大和
15、聚合微孔形核、长大和聚合（1）应力作用下位错线遇到第2相质点 时形成位错环。（2）质点两边位错塞积与质点内镜像力平衡。（3）领先的位错环向界面推进。（4）若干位错合并成微孔。（5）位错运动是立体，位错塞积也是立体的。（6）形成的微孔。位错源不断激发新的位错，新的位错并 人微孔，微孔就不断长大位错源不断激发新的位错，新的位错并 人微孔，微孔就不断长大28北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！?金属的断裂金属的断裂?断裂类型及断口特征断裂类型及断口特征?脆性断裂脆性断裂?韧性断裂韧性断裂?断裂强度断裂强度讲座内容讲座内容29北京科技大学机械工程学院
16、版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！5.断裂强度5.断裂强度xSinm2=xxSin22 0mxEEa=?原子间结合力原子间结合力(弗兰克模型弗兰克模型完整晶体，原子间作用力与 原子间位移关系式位移很小22xxSin20022NmmxUSindx=1/20(/)mEa=表面能为,形成单位裂纹表面的功虎克定律(2/)mx=02mEa=30北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！5.断裂强度5.断裂强度?出发点脆性材料的实际断裂强度与理论断裂强度的 很大差异。?格雷菲斯裂纹理论格雷菲斯裂纹理论材料中已存在裂纹局部应力集中裂
17、纹扩展(增加新的表面)系统是弹性的?假设31北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！5.断裂强度5.断裂强度EaUe22=?1)单位厚度、无限宽薄板，仅施加一拉应力(平面应力)。板内有一长度为2a，并垂直于应力的裂纹。?拉紧平板，已存在裂纹的平板，将释放弹性能物理方程几何方程物理方程几何方程 =)()()()(GFffii?格雷菲斯裂纹理论格雷菲斯裂纹理论32北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！5.断裂强度5.断裂强度dxdyFUae)(2010 =21)2(aEsc=释放的弹性能aEaWUe422+=+=+裂纹形成产生新表面所需要的能量W=4a整个系统能量守恒临界应力?格雷菲斯裂纹理论格雷菲斯裂纹理论33北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！小结小结?金属的断裂金属的断裂?断裂类型及断口特征断裂类型及断口特征?脆性断裂脆性断裂?韧性断裂韧性断裂?断裂强度断裂强度