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1、第4章 金属构件失效形式及判断4.3 韧性断裂失效韧性断裂：在构件断裂之前产生明显的宏观塑性变形的断裂。金属铝中的杯锥断口输送管韧性断裂4.3 韧性断裂失效一、韧性断裂特征 是一个缓慢的断裂过程，塑性变形与裂纹成长同时进行；裂纹萌生及亚稳扩展阻力大、速度慢，材料在断裂过程中需要不断消耗相当多的能量；随着塑性变形的不断增加，承载截面积减小，至材料承受的载荷超过了强度极限b时，裂纹扩展达到临界长度，发生断裂；断裂过程中需要不断消耗相当多的能量；断口呈暗灰色纤维状，无闪烁金属光泽，断口不平齐，与主应力成45。4.3 韧性断裂失效二、韧性断裂的类型（1）正断型断裂：宏观断面取向与最大正应力相垂直，又称
2、平面断裂。这种断裂出现在形变约束较大的场合，如平面应变条件下的断裂。（2）切断：宏观断面取向与最大切应力方向相一致，即与最大正应力约呈45角，又称斜断裂。这种断裂出现在滑移形变不受约束或约束较小的情况，如平面应力条件下的断裂。杯锥状断裂（正断与切断结合）纯剪切断裂4.3 韧性断裂失效三、韧性断裂的宏观断口形貌(1)断口附近有明显宏观塑性变形。(2)大多数断口外形呈杯锥状，杯底垂直于主应 力，锥面平行于最大切应力，与主应力成45角；纯剪切断裂断口平行于最大切应力，与主应力成45。(3)断口表面呈纤维状，其颜色呈暗灰色。以拉伸载荷造成的韧性断裂为例，其断裂的宏观特征主要有：4.3 韧性断裂失效大直
3、径圆棒钢试样拉伸断口上能观察到三个区：凹凸不平暗灰色且无光泽的纤维区、放射线纹理的灰色有光放射区及平滑丝光的亮灰色剪切唇区。4.3 韧性断裂失效纤维区：是材料内部处在平面应变三向应力作用下启裂，在试样中心形成很多小裂纹及裂纹缓慢扩展而形成的。放射区：是中心裂纹向四周放射状快速扩展的结果。剪切唇区：是当裂纹快速扩展到试样表面附近时，由于试样剩余厚度很小，故变为平面应力状态，从而剩余的外围部分剪切断裂，断裂面沿最大切应力面，和拉伸轴成45 角。4.3 韧性断裂失效根据纤维区、放射区及剪切唇区在断口上所占的比例可初步评价材料的性能。如纤维区较大，材料的塑性和韧性比较好；如放射区比较大，则材料的塑性降
4、低，而脆性增大。4.3 韧性断裂失效韧性断裂失效4.3 韧性断裂失效四、韧性断裂断口微观形貌韧性断裂微观断裂机理有滑断和微孔聚集型两类1、滑断（纯剪断）滑断主要出现在杂质和缺陷少的金属材料中。在韧性断裂前晶体产生大量的位错滑移，过量的滑移变形导致零件沿滑移面剪切分离。主要微观特征是滑移带、蛇行花样、涟波花样等。4.3 韧性断裂失效滑移带：由数目不等的滑移线或滑移台阶组成的条带。滑移带中各滑移线之间的区域为滑移层，滑移层宽度在550nm之间。4.3 韧性断裂失效蛇行花样：多晶体材料受到较大的塑形变形产生交滑移，形成起伏弯曲的条纹，通常称为蛇行滑移花样。4.3 韧性断裂失效涟波花样：随变形程度加剧
5、，则蛇行滑移花样因变形而平滑化，形成“涟波”花样。如果继续变形，涟波花样进一步平坦化，在断口上留下没有特殊形貌的平坦面，称为“延伸区”或“平直区”。4.3 韧性断裂失效2、微孔聚集型微观形貌：断口上有大量韧窝，在韧窝中心常有夹杂物或第二相质点。材料在塑性变形时，在夹杂物、析出物等第二相粒子周围或有缺陷地区先出现裂纹，形成微孔，进一步塑性变形时，微孔长大、聚集、断裂，形成韧窝。4.3 韧性断裂失效（1）韧窝的形成 微孔聚集模型：显微空穴的形核、长大和聚集三个阶段。4.3 韧性断裂失效 第二相粒子形核模型4.3 韧性断裂失效（2）韧窝的形状 韧窝的形状主要取决于所受的应力状 态，最基本的韧窝形状有
6、等轴韧窝、剪切韧窝和撕裂韧窝三种。4.3 韧性断裂失效（2）韧窝的形状 等轴韧窝是在正应力作用下形成的。在正应力的作用下，显微空洞周边均匀增长，断裂之后形成近似圆形的等轴韧窝。拉伸韧性断裂纤维区大多是等轴韧窝。4.3 韧性断裂失效 剪切韧窝是在切应力作用下形成的，通常出现在拉伸或冲击断口的剪切唇 区，其形状呈抛物线形，匹配断面上抛物线的凸向相反。（2）韧窝的形状4.3 韧性断裂失效 撕裂韧窝是在撕裂应力的作用下形成，常见于尖锐裂纹的前端及平面应变条件下低能撕裂断口上，放射区一般为撕裂韧窝，也呈抛物线形，但在匹配断口上抛物线的凸向相同。（2）韧窝的形状4.3 韧性断裂失效韧性断裂失效等轴韧窝等轴
7、韧窝拉长韧窝拉长韧窝4.3 韧性断裂失效（3）韧窝的大小及深浅韧窝的大小及深浅取决于材料断裂时空洞核心的数量、材料的韧性和温度 材料韧性差，断口上韧窝尺寸较小、浅 夹杂物、第二相粒子密度增大或间距减小，则韧窝尺寸减小 温度降低，材料韧性降低，韧窝尺寸减小4.3 韧性断裂失效金属零件韧性断裂的本质是零件危险截面处的实际应力超过材料的屈服强度所致。因此，下列因素之一均有可能引起金属零件韧性断裂失效：(1)零件所用材料强度不够。(2)零件所承受的实际载荷超过原设计要求。(3)零件在使用中出现了非正常载荷。五、韧性断裂的影响因素4.3 韧性断裂失效(4)零件存在偶然的材质或加工缺陷而引起应力集中，使其不能承受正常载荷而导致韧性断裂失效。(5)零件存在不符合技术要求的铸造、锻造、焊接和热处理等热加工缺陷导致材料实际承载能力降低。五、韧性断裂的影响因素4.3 韧性断裂失效（1）设计时充分考虑构件承载能力，合理选材。（2）保证材料的组织和冶金质量，严格控制加工缺陷。（3）操作时保持仪表完好状态，准确显示操作工况。（4）遵守操作规程，严禁超载、超温、超速。（5）随时注意有无异常变形。（6）定期测厚，尤其是有腐蚀、高温氧化等引起壁厚减薄的工况。六、韧性断裂的防止措施谢谢大家！