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1、1,金属力学性能 第6章 金属的断裂过程,2,本章内容,6.1 断裂的分类 6.2 金属的延性断裂 6.3 解理断裂 6.4 准解理断裂 6.5 沿晶断裂 6.6 断裂的宏观强度理论,3,6.1 断裂的分类,材料的失效：过量弹性变形；过量塑性变形；断裂。以弹性零件和车轴为例。 材料完全破断为两个部分以上的现象，叫断裂。（断裂使材料失去完整性）（机件三大失效形式之一） 断裂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件下 应力、温度、加载方式、环境介质等都影响断裂行为 一次加载断裂；疲劳断裂；高温蠕变断裂；低温脆性断裂；应力腐蚀断裂,4,断裂的基本类型 1、根据断裂前塑性变形
2、大小分类：脆性断裂；韧性断裂 2、根据断裂面的取向分类：正断；切断 3、根据裂纹扩展的途径分类：穿晶断裂；沿晶断裂 4、根据断裂机理分类：解理断裂，微孔聚集型断裂；纯剪切断裂,5,切离,6,断裂类型的划分一般从两个层次： 一是宏观断裂特征，如脆性和韧性； 二是微观断裂过程/机制 举例：SiCw/Al复合材料的断裂分析 宏观脆性断裂，断裂应变小于1 但微观上呈现微孔聚集型断裂特征 因此不能说微孔聚集型断裂一定为韧性断裂,7,6.2 金属的延性断裂,纯剪切断裂（切离） 一般发生在纯金属或较软金属中，如PbSn金属中 单晶体：单系滑移，沿滑移面分离 多晶体：多个滑移系同时开动 微孔聚集型断裂过程中也
3、会 发生切离过程,8,微孔聚集型断裂及断口特征 （1）断裂特点： 断裂前产生明显宏观变形；过程缓慢； 中心断裂面垂直于最大正应力； 边缘断裂面平行于最大 切应力，与主应力成45度 发生在低碳钢、调质或退火 中碳钢、时效铝合金等,杯,锥,9,（2）断口特征 杯锥状 断口三要素：纤维区、星芒区（放射区）、剪切唇 纤维区：纤维状，灰暗色： 星芒区：裂纹快速扩展。撕裂时塑性变形量大，放射线粗 剪切唇：切断。 （3）危害： 不及脆性断裂 断裂前机件已变形失效,杯,锥,a b c d,10,微孔聚集型断裂机理和微观断口特征 1、断裂机理 （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
4、，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。,11,微孔形成方式 1）第二相与基体的界面结合较弱时，通过界面脱粘在第二相/基体界面形成裂纹 2）第二相与基体的界面结合较强时，通过变形协调位错产生 3）第二相质点的断裂 4）晶界处（往往由应力集中导致）,12,微孔扩展和长大过程 1）在第二相界面处 形成裂纹后，外加应 力作用下，裂纹首先 沿着界面扩展，形成 围绕第二相的圆环，形成微孔（红）； 2）拉应力作用下，微孔沿应力方向伸长，形成椭圆形（蓝）；,13,3）随着椭圆增大，质点 面上的承载面积减小， 变形逐渐集中到质
5、点 面上，在此处形成水平 椭圆，得到颈缩区域 （阴影线区域） 4）阴影线区域类似于颈缩后拉伸试样，发生切离断裂，微孔聚合，形成宏观断裂裂纹,14,讨论： “ 2）拉应力作用下，微孔 沿应力方向伸长，形成椭 圆形”过程决定了韧窝的 深浅； 抑制颈缩的能力决定韧窝深浅！ “4）阴影线区域发生切离断裂， 形成宏观断裂裂纹”过程发生材料的切离，尽管材料内含有第二相，在此颈缩区域，没有第二相的影响，类似于纯金属。因此基体金属对断裂过程的影响主要通过此过程实现； “4）过程”主要与微区切离过程，而与宏观变形能力无关，因此宏观脆性材料也有可能产生微孔聚集型断裂特征。如金属基复合材料。,15,拉伸宏观杯锥状断
6、口的形成 颈缩后，颈缩区域应力集中，变成三向应力状态，且应力在中心处最大微孔在中心处萌生微孔在拉应力作用下从中心向边缘长大达到边缘时，应力变成平面应力状态，裂纹沿45度方向长大，形成杯锥状断口,16,微观断口特征 韧窝（等轴韧窝，椭圆形）形貌取决于应力状态 （1）韧窝形状 （a）正应力 微孔的平面，形成等轴韧窝； 拉伸试样中心纤维区就是等轴韧窝。 （b）拉长韧窝 扭转、或双向不等应力状态；切应力，形成 拉长韧窝； （c）撕裂韧窝 拉、弯应力状态；,17,（2）韧窝大小影响参数 基体材料的塑性变形能力和应变强化指数 第二相质点的大小和密度。 注意：微观上出现韧窝，宏观上不一定是韧性断裂。,18,
7、19,20,21,6.3 解理断裂,（1）断裂特点 断裂前基本不发生塑性变形，无明显前兆； 断口与正应力垂直，属于正断。 断口平齐光亮，常呈放射状或结晶状；断口由许多小晶面构成；晶面的大小与晶粒大小对应。 解理面都是特定的晶体学平面，如bcc金属中为001面，hcp金属中为0001，前者是较密排面，后者为密排面 材料的韧性与脆性行为会随环境条件而改变。 例如：T、脆性。如低碳钢的低温脆性。,22,（2）断口微观特征 解理面形成的每个小晶面都是穿晶断裂形成的，在同一个晶粒内裂纹沿同一晶面发展； 同一晶粒内部，界面不是一个平坦表面，而是一系列晶面族，即位于不同高度的平行的晶面构成 每个解理面上都能
8、见到河流花样，发源于晶界，中止于晶界 解理面附近的金属中能见到显著的塑性变形痕迹，塑性变形量可达1015。,23,（3）解理裂纹形成过程 裂纹形成基于以下事实：解理面附近的金属中能见到显著的塑性变形痕迹，塑性变形量可达1015；解理面都是密排面或较密排面（这意味着这些面间距较大，晶面间结合力 较小，形成裂纹需要的能量较低）。 上述事实可能说明解理裂纹的形成是由于塑性变形引起的。 即：材料断裂前总会产生一定的塑性变形，而塑性变形与位错运动有关。,24,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。,25,新形成的a001 位错的可动性？ a001位错布氏矢量从下向上，而在此方
9、向上只有正应力，没有切应力，因此a001位错是不可动位错； 后续位错反应不断进行，在交叉点处形成位错,26,解理裂纹形成的能量关系 解理裂纹一旦形成，位错塞积群b1和b2将会消失，同时产生两个新的表面，位错塞积群b1位错塞积群b2两个新表面，反应是： nb1+ nb2nb（ 形成的nb,能量是nb） 这部分弹性能转变成两个新表面的能量2 ： nb 2,27,28,对 讨论： 1）密排面的表面能最小，最容易产生解理裂纹； bcc金属产生解理裂纹还需要满足位错反应的几何条件，仅能在（001)次密排面产生 G（单晶） 2）d大，晶粒粗大，容易产生解理裂纹。因此细小晶粒能够强化金属，还能够韧化金属 3
10、）解理裂纹的形成离不开位错滑移。,29,（4）解理裂纹扩展过程 解理裂纹形成后， 在晶粒A内部扩展只需要 克服表面张力，而表面张力数值较小，因此可以迅速扩展，达到晶界； 晶粒B的晶体取向与A不同，因此解理裂纹遇到晶界后停止扩展，外加应力进一步增大，克服晶界阻力，裂纹才能穿越晶界。 穿越晶界过程满足以下条件：B晶粒内仍沿着解理面（001）扩展；转折的角度尽量小,30,在晶界处，B晶粒内部的多个位置产生裂纹，裂纹都在（001）面内形成，分别沿着（001）面扩展,31,穿越晶界后，上述不同高度的（001）面上有许多裂纹，当这些面上的裂纹相遇时，中间夹着一层金属 这层金属受到很大的 应力作用，可以通过
11、二次解理 或者切离方式断裂，从而 造成裂纹汇合，从支流变 成干流，形成河流花样,32,解理断裂的微观断口特征电镜观察 （1）河流花样 解理台阶，汇合台阶高度足够大形成河流状花样。 裂纹跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面。 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。 其方式为：切离断裂或 二次解理,晶界,33,晶界对解理断口的影响 （a）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。 （b）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”。,34,解理断裂强度 A）一个完整的
12、解理断裂过程包含以下步骤： 位错运动形成位错塞积（s）解理裂纹形成解理裂纹穿越晶界（ ） B）解理断裂过程能否进行取决于上述三个阻力中的最大阻力 C）解理裂纹形成需要的应力解理裂纹穿越晶界的应力,35,考虑温度对s和b 的影响,36,考虑温度对s和 的影响 4：塑性变形，无解理 5 ：塑性变形，无解理 6 ：塑性变形，无解理 1 ：塑性变形，无解理 2 ：塑性变形，无解理 3 ：解理,37,材料的低温脆性 核心在于温度影响s和c 举例：低碳钢的低温脆性,38,解理断口,39,40,6.4 沿晶断裂,产生条件：晶界上有脆性第二相薄膜或杂质元素偏聚。断口上形成具有晶界刻面的冰糖状形貌,41,脆性第
13、二相引起沿晶断裂时，断裂可以从第二相与基体界面开始，也可以通过第二相解理来进行。此时晶界上可以见到网状脆性第二相或第二相质点； 杂质元素引起沿晶断裂时，晶界光滑，看不到特殊的花样。 穿晶断裂与沿晶断裂（微观） 特点：穿晶断裂，裂纹穿过晶界。沿晶断裂，裂纹沿晶扩展。 穿晶断裂，可以是韧性或脆性断裂；两者有时可混合发生。 沿晶断裂，多数是脆性断裂。,42,思考题,1）叙述韧性断裂和脆性断裂的区别。 2）何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口形态的因素有哪些？ 3）在什么条件下容易出现沿晶断裂？ 4）解理断裂河流花样形成过程的位错机制是什么？ 5）叙述微孔聚集型断裂裂纹萌生与扩展过程 6）查找文献，说明峰时效2024Al合金和SiCp/2024Al复合材料断裂过程和断口特征,
