工程材料力学性能 第四章 金属的断裂

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1、第四章 金属的断裂韧度金属的断裂知识v断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一。 失效形断式：磨损、腐蚀和断裂 。断裂的危害最大 。断裂是工程构件最危险的一种失效方式，尤其是脆性 断裂，它是突然发生的破坏，断裂前没有明显的征兆 ，这就常常引起灾难性的破坏事故 断裂是材料的一种十分复杂的行为，在不同的力学、 物理和化学环境下，会有不同的断裂形式。v研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构件在服役 过程中的安全。一 断裂类型 在应力作用下 金属材料被分成两个或几个部分，称为 完全断裂；内部存在裂纹，则为不完全断裂。断裂过程都包括裂纹形成与扩展两个阶段。(一)韧性断裂与脆性断裂 1.韧性断裂 断裂前产生

2、明显宏观塑性变形，有一个缓 慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量。v 韧性断裂的断裂面 一般平行于最大切应力并与主应力 成45角。用肉眼或放大镜观察时，断口呈纤维状，灰暗 色。v 意义：研究韧性断裂对于正确制订金属压力加工工艺( 如挤压、拉深等)规范还是重要的，因为在这些加工工 艺中材料要产生较大的塑性变形，并且不允许产生断裂 。2 脆性断裂 突然发生，前基本上不发生塑性变形，没有明 显征兆，危害性很大。v 脆性断裂断裂面 与正应力垂直，断口平齐而光亮，常 呈放射状或结晶状。放射线平行裂纹扩展方向。v一般规定 光滑拉伸试样的断面收缩率小于5者为脆性 断裂；反之，大于5者为韧性断裂 (二

3、)穿晶断裂与沿晶断裂 穿晶断裂的裂纹穿过晶内，沿晶断裂的裂纹沿晶界扩展 。 穿晶断裂：韧性断裂 或是脆性断裂。沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。 v裂纹扩展总是沿着消耗能量最小，即原子结合力最 弱的区域进行的。一般情况下，晶界不会开裂。发 生沿晶断裂，势必由于某种原因降低了晶界结合强 度。晶界弱化。 沿晶断裂原因：v晶界存在连续分布的脆性第二相v微量有害杂质元素在晶界上偏聚，v由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力 腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。三)纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂剪切断裂:v 在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的断裂 ，又分滑断(纯剪切断裂)和微孔聚

4、集型断裂。v 1 . 纯剪切断裂， 如纯金属，断口呈锋利的楔形( 单晶体金属)或刀尖型 (多晶体金属的完全韧性断裂) 。v2.微孔聚集型断裂：通过微孔形核、长大聚合而导 致分离 。v 常用金属材料如低碳钢室温下的拉伸断裂。v3.解理断裂 v 材料在拉应力的作用下，由于原于间结合键遭到 破坏，严格地沿一定的结晶学平面(即所谓“解理面 ”)劈开而造成的。 v解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数 的晶面。v 解理断裂总是脆性断裂，有时显示一定的塑性变 形。v 解理断裂与脆性断裂不是同义词，前者指断裂机 理，后者则指断裂宏观性态。v 二、金属断裂强度v理论断裂强度就是把金属原子分离开所需的最大

5、应 力v金属的理论断裂强度可由原子间结合力的图形算出 ，如图。图中纵坐标表示原子间结合力，纵轴上方 为吸引力下方为斥力，当两原子间距为a即点阵常 数时，原子处于平衡位置，原子间的作用力为零。 如金属受拉伸离开平衡位置，位移越大需克服的引 力越大，引力和位移的关系如以正弦函数关系表示 ，当位移达到Xm时吸力最大以C表示，拉力超过此值以后 ，引力逐渐减小，在位移达到正弦周期之半 时，原子 间的作用力为零，即原子的键合已完全破坏，达到完全 分离的程度。可见理论断裂强度即相当于克服最大引力 C。该力和位移的关系为图中正弦曲线下所包围的面积代表使金属原子完全分离 所需的能量。分离后形成两个新表面，表面能

6、为 。v可得出 。v 若以 = 10-8J/m2 ，a =3.010-8 cm代入 ，可算出 。 （一）、格里菲斯(Griffith)断裂理论v 金属的实际断裂强度要比理论计算的断裂强度低得 多，粗略言之，至少低一个数量级，即 。陶 瓷、玻璃的实际断裂强度则更低。v 实际断裂强度低的原因是因为材料内部存在有裂纹 。玻璃结晶后，由于热应力产生固有的裂纹；陶瓷粉 末在压制烧结时也不可避免地残存裂纹。金属结晶是 紧密的，并不是先天性地就含有裂纹。金属中含有裂 纹来自两方面：一是在制造工艺过程中产生，如锻压 和焊接等；一是在受力时由于塑性变形不均匀，当变 形受到阻碍(如晶界、第二相等)产生了很大的应力

7、集 中，当应力集中达到理论断裂强度，而材料又不能通 过塑性变形使应力松弛，这样便开始萌生裂纹。v材料内部含有裂纹对材料强度有多大影响呢?早在20 年代格里菲斯(Griffith)首先研究了含裂纹的玻璃 强度，并得出断裂应力和裂纹尺寸的关系：v这就是著名的格里菲斯(Griffith)公式，其中c 是 裂纹尺寸。vGriffith成功地解释了材料的实际断裂强度远低于 其理论强度的原因，定量地说明了裂纹尺寸对断裂 强度的影响，但他研究的对象主要是玻璃这类很脆 的材料，因此这一实验结果在当时并未引起重视。 直到40年代之后，金属的脆性断裂事故不断发生， 人们又重新开始审视格里菲斯的断裂理论了。 v对于

8、大多数金属材料，虽然裂纹尖端由于应力集中 作用，局部应力很高，但是一旦超过材料的屈服强 度，就会发生塑性变形。在裂纹尖端有一塑性区， 材料的塑性越好强度越低，产生的塑性区尺寸就越 大。裂纹扩展必须首先通过塑性区，裂纹扩展功主 要耗费在塑性变形上，金属材料和陶瓷的断裂过程 不同，主要区别也在这里。由此，奥罗万修正了格 里菲斯的断裂公式，得出：v 金属中含有裂纹来自两方面：一是在制造 工艺过程中产生，如锻压和焊接等；一是 在受力时由于塑性变形不均匀，当变形受 到阻碍(如晶界、第二相等)产生了很大的 应力集中，当应力集中达到理论断裂强度 ，而材料又不能通过塑性变形使应力松弛 ，这样便开始萌生裂纹。v

9、（二） 裂纹形成的位错理论v裂纹形成可能与位错运动有关。v1甄纳斯特罗位错塞积理论v 甄纳(Gzener)1948年提出. v 如果塞积头处的应力集中不能为塑性变形所松弛，则塞积头处 的最大拉应力能够等于理论断裂强度而形成裂纹。 v v v 解理断裂过程包括如下三个阶段：塑性变形形成裂纹；裂纹在同一晶粒内初期长大； 裂纹越过晶界向相邻晶粒扩展。v甄纳斯特罗理论存在的问题：v 在那样大的位错塞积下，将同时产生很大切应力 的集中，完全可以使相邻晶粒内的位错源开动，产 生塑性变形而将应力松弛，使裂纹难以形成。v2柯垂耳位错反应理论v 柯垂耳(AHcottral)为了解释晶内解理而提出。v在bcc晶体

10、中，产生下列反应， v 结果两相交滑移面上的v位错群产生塞积。当塞积v位错较多时其多余半原v子面如同楔子一样插入解v理面中间形成高度为nb的v裂纹。v 3史密斯理论 v 史密斯提出了低碳钢通过铁素体塑性变形在晶界碳 化物处形成解理裂纹的模型 。v铁素体中的位错源在切 应力作用下开动位错运 动至晶界碳化物处受阻而 形成塞积在塞积头处拉 应力作用下使碳化物开裂。上述解理裂纹形成模型的共同点：v1裂纹形核前都有塑性变形；v2位错运动受阻，在一定条件下形成裂纹；v3裂纹多在晶界、亚晶界、孪晶交叉处形成。真实断裂强度和静力韧度1、真实断裂强度Sk： 是用静拉伸时的实际断裂拉伸力Fk除以试样最终断裂 截面

11、积Ak而得。Sk视断口情况含义不同。与静力韧度有关2、静力韧度：通常将静拉伸的-曲线下包围的 面积减试样断裂前吸收的弹性定义为静力韧度D为形变强化模数v韧度是度量材料韧性的力学性能指标静力韧度、冲击韧度与断裂韧度v韧性与韧度区别v韧性是指金属断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能 力或指材料抵抗裂纹扩展的能力v静力韧度对于按屈服应力设计、但在服役中不可避 免地存在偶然过载的机件如链条、起重机吊钩等必 须考虑的力学性能指标v冲击韧度是材料抵抗冲击载荷的能力，用Ak表示， 用摆锤冲断试样所作的冲击吸收功除以试样横截面 积的比值。v按照传统力学设计，只要求工作应力小于许用应 力，即1200MPa高强度钢。

12、 v 2 厚截面的中强度钢（ 屈服强度在 5001000MPa之间） v 3 低温下的中低强度钢 线弹性断裂力学分析裂纹体断裂问题的方法：v 1 应力应变分析方法：分析裂纹尖端的 应力场； v 2 能量分析方法：分析系统的能量转换。v裂纹体的三种变形模式 根据受载和变形情况,三种情况v1)型或张开型 拉应力与裂纹面垂直使裂纹张开 ，最危险,最重要的一种；v2)型或滑开型 切应力平行于裂纹面并 垂直于裂 纹前缘线，或为剪切型；v3)型或撕开型 切应力既平行于裂纹面又平行于 裂纹前缘线。v 裂纹扩展的基本形式vA 张开型 （） vb 滑开型 （）vc 撕裂型 （）v常见裂纹:I型或裂纹体同时受到正

13、应力与切 应力的作用，或裂纹面与拉应力成一定的角 度，即为I型与II型的复合。vI型裂纹扩展最危险引起脆性断裂二、应力场强度因子KI及断裂韧度KIC 1、 I型裂纹尖端的应力场 Irwin得出离裂纹尖端为( r， )的一点的应力和位 移为v平面应力状态 （薄板）：vz=0，xzyz=0,v即 x 、y、xy三个应力分量作用在xoy平面内 ；v平面应变状态 （厚板）：z=0，z（ xy）， xzyz=0v即 x x、yy、xy三个应变分量作用在xoy平面 内；v在裂纹延长线上即X轴方向,=0，切应力为0，拉应 力却最大，裂纹容易沿着该平面扩展。v2、 应力场强度因子K1v由上述裂纹尖端应力场可知

14、，如给定裂纹尖端某点的 位置时(即距离( r, )已知),裂纹尖端某点的应力 、位移和应变完全由K1决定，如将应力写成一般通式v v v裂纹尖端某一点的应力、位移、应变，由K1决定：vK1称应力强度因子，应力应变场的强弱程度完全由K1 决定。vY：裂纹形状系数v v(1) K1决定于裂纹的形状和尺寸，也决定于应力的 大小。K1越大，该点的应力越高；v (2)材料一定，裂纹尖端某一点的位置(r,)给定 时，应力分量唯一地决定于KI之值；v (3)K1综合表示外加应力、裂纹长度对裂纹尖端应力 场的大小或强度的影响。v (4)K1：加载方式不同，几何形状不同，K1的表达式 不同。v表4-1几种裂纹K

15、1的表达式v量纲MPa.m-2/1v注意 ：和材料本身的固有性能无关。 3、应力强度因子K1 和断裂韧度K1c 对于受载的裂纹体，应力强度因子K1是描写裂纹尖端应力场 强弱程度的力学参量， 可以推断当应力增大时，K1也逐渐 增加，当K1达到某一临界值时，带裂纹的构件就断裂了。这 一临界值便称为断裂韧度K1c或Kc 。应当注意，Kc和K1c是不 同的。 K1c 为平面应变下的断裂韧度.Kc是平面应力状态下的断裂韧性，它和板材或试样 厚度有关。v当板材厚度增加到达到平面应变状态时，断裂韧性 就趋于一稳定的最低值，这时与厚度无关，称为平 面应变的断裂韧性K1c， 是真正的材料常数,反映阻 止裂纹扩展的能力。只和材料成分组织结构有关。v 同一材料:Kc(平面应力)K1c（平面应变）v KIc 反映了最危险的平面应变断裂情况v在临界状态下所对应的平均应力，称为临界断裂应 力或裂纹体断裂强度 c。v4 断裂判据当应力强度因子增大到一临界值，这一临界值在数 值上等于材料的平面应变断裂韧度时，裂纹就立即 失稳扩展，构件发生脆断。v断裂判据 应用工程：对无限大平板中心含有尺寸为2a的穿透裂 纹时 5.意义 v（1）材料是否断裂的判据： K1K1c,脆性断裂；K1r）v 总耗能 R=rp+2rv外力对系统做功 vW=弹性应变功Ue+克服阻力RvW=Ue+ (rp+2r)A,