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1、Chapter 4 Fracture of Metals 金属的断裂 cargo ship货船 问题的提出：构件失效、灾难性的后果 挤压制品的周期裂纹 Plastic deformation Plastic deformation 塑性成形塑性成形 surface/ internal cracks in surface/ internal cracks in working materials integral working materials integral failure.failure. 加工材料出现表面加工材料出现表面/ /内部裂纹内部裂纹整整 体破断体破断 This happen
2、s in rollingThis happens in rolling轧制轧制 ,extrusion,extrusion挤压挤压, drawing, drawing拉拔拉拔 ,forging,forging锻造锻造and so on. and so on. It will largely reduce the rate of It will largely reduce the rate of finished products and production finished products and production raterate成品率成品率/ /生产率生产率 . . We conc
3、ern about fracture for two We concern about fracture for two reasons. One is cracks reasons. One is cracks destructive effectdestructive effect, , the other one is that fracture is related to the other one is that fracture is related to materials materials formabilityformability . . (1) (1)破坏；破坏； (2
4、)(2)成形性。成形性。 n n In this chapter ,we will analyze the In this chapter ,we will analyze the physical essence and laws of fracture.physical essence and laws of fracture. 断裂的断裂的物理本质物理本质/ /规律规律 Definition of fracture When metallic material deformation forereach its plastic limit , it will divide complet
5、ely. Then the interatomic force is damaged. 断裂金属材料在变形超过其塑性极限完全分 开.原子间结合力遭受破坏。 related subjects n断裂力学 fracture mechanics - macroscopic Stress field 应力场 Strain field 应变场 Fracture criterion 断裂判据 n n 断裂物理断裂物理 fracture physics - fracture physics - micromicroscopicscopic Fracture mechanism Fracture mechan
6、ism 断裂机制断裂机制 Microstructure Microstructure 组织组织 4.1 Basic types of fracture 断裂的基本类型 uAccording to whether the metal has obvious plastic deformation before fracture, it can be sorted as following : 根据断裂前金属是否有明显的塑性变形可分为 brittle fracture 脆性断裂5% uuAccording to the orientation relationship According to t
7、he orientation relationship between fracture and acting forcebetween fracture and acting force uu按断裂面相对作用力的取向关系可分为按断裂面相对作用力的取向关系可分为 normal failure normal failure 正断正断 against to 1against to 1 shearing failure shearing failure 剪断剪断 along the direction of along the direction of maximum shearmaximum sh
8、ear 宏观断裂微观断裂 正断与剪断的宏观与微观形式 u According to crack trend in microscopic view 从微观上按照裂纹的走向可分为 transgranular fracture 穿晶断裂/晶间 intergranular fracture 沿晶 grain晶粒 穿晶断裂 沿晶断裂 从晶体学特征上分： 切变断裂、解理断裂 从断口形貌上分： 纤维状断口、结晶状断裂 疲劳断裂、应力腐蚀断口 u裂纹穿过晶粒内部crack cross the interior of grain 穿晶脆性断裂 low speed , high temperature and
9、stress concentration. along some crystal plane- cleavage plane解理面 穿晶韧性断裂 micropore coalescence 微孔聚合 4.1.1 解理断裂 当应力达到某一临界值沿一特定结晶学方向发生 的突然断裂 宏观特征：断口平滑光亮、一般在体心、六方中易 于出现。 温度越低、应变速度越大易于出现。 电镜下形貌为河流状花样 准解理 介于解理与韧性材料之间 例：低碳钢发生解理断裂时，常沿铁素体例：低碳钢发生解理断裂时，常沿铁素体100100晶面发生。晶面发生。 密排六方密排六方 00010001 解理面：解理面：原子间距最大、原子
10、结合键最弱的晶面。原子间距最大、原子结合键最弱的晶面。 4.1.2 韧性断裂 ductile fracture n材料经明显的变形后发生的断裂称为韧性断裂。 拉伸时以 “颈缩” necking为先导,当应变硬化strain hardening产生的强度增加不足以补偿截面积的减少时,产 生集中变形,出现“细颈”。 n细颈中心承受三向拉应力, 显微空洞cavity首 先在此形成, 随后长大聚合成 裂纹, 最终在 细颈边缘处,沿与拉伸轴45。方向被剪断, 形 成“杯锥”断口 cup and cone fracture surface, n 微观形态:韧窝dimple n 原因：多起源于空洞cavit
11、y。 单相金属单相金属 single phase single phase 熔炼时混入夹杂物熔炼时混入夹杂物 inclusioninclusion 多相合金多相合金 multi-phase multi-phase 难变形第二相粒子难变形第二相粒子second-second- phase particlephase particle。 n n Characters of ductile fracture Characters of ductile fracture 韧性断裂韧性断裂特点特点: : (1) (1)断裂前发生较大塑性变形断裂前发生较大塑性变形高能量吸收高能量吸收 过程过程. . (2
12、) (2)裂纹产生裂纹产生nucleation nucleation 扩展扩展propagation.propagation. 聚合聚合coalescence.coalescence. 生成新裂纹生成新裂纹多裂纹源多裂纹源 (3)(3)裂纹扩展临界应力裂纹扩展临界应力 裂纹形核应力裂纹形核应力缓缓 慢过程慢过程 4.2 脆性断裂 brittle fracture 材料塑性变形能力很低，裂纹尖端的应 力集中不能因塑性变形而松弛。 4.2.14.2.1理论断裂强度理论断裂强度 theoretical fracture strengththeoretical fracture strength 完整
13、晶体在正应力作用下沿某一晶面拉断的强完整晶体在正应力作用下沿某一晶面拉断的强 度。度。 Under the pulling force, the force which can help Under the pulling force, the force which can help two adjacent atomic planes overcome two adjacent atomic planes overcome interatomicinteratomic bonding force, and separate the two atomic planes.bonding for
14、ce, and separate the two atomic planes. 两相邻原子面在拉力两相邻原子面在拉力 作用下，克服原子间键合作用下，克服原子间键合 力作用力作用 ，使原子面分开的应力。，使原子面分开的应力。 完整晶体拉断示意图 mn为断裂面的迹线；a表示原子面间距 u 原子间作用模型：原子间作用力与位移间 的 关系满足正弦规律 - 将原子拉开所需的最大应力， 即断裂理论强度。 u 原子间作用模型：原子间作用力与位移 间的关系满足正弦规律 (1-1) - 将原子拉开所需的最大应力，即断 裂理 论强度 (1-2) 断裂后出现两个 新的断裂面，表面能为2 晶体中的内聚力与原子间距的关系 u外力抵抗原子间结合力做的功 = 产生断裂新面的 表面能 (1-3) 将 替换 由虎克定律 将(1-1)对x求导 (1-4) 在正弦曲线初期 E(Youngs modulus) aE(Youngs modulus) a 10dyn/cm2 103erg/cm210d
