《材料成型金属学Chat.6-1 金属的断裂2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料成型金属学Chat.6-1 金属的断裂2（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Chapter 6 Fracture of Metals 金属的断裂 货船 cargo ship 问题的提出：构件失效、灾难性的后果 bridge bridge 桥梁桥梁 挤压制品的周期裂纹 塑性成形塑性成形plastic deformationplastic deformation 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体整体 破断破断 surface/ internal cracks in working surface/ internal cracks in working materials integral failure.materials integral fa
2、ilure. 轧制轧制rolling ,rolling ,挤压挤压extrusion,extrusion,拉拔拉拔 drawing, drawing, 锻造锻造forging. forging. 成品率成品率/ /生产率生产率 . . the rate of finished products and the rate of finished products and production rateproduction rate We concern about fracture for two We concern about fracture for two reasons. One is
3、 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 materialsmaterials formabilityformability . . (1) (1)破坏；破坏； (2)(2)成形性。成形性。 n n In this chapter ,we will analyze the In this chapter ,we wil
4、l 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 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。 When metallic material deformation forereach its plastic limit , it will divide completely. Then the interatomic force is damaged.
5、 related subjects p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 mechanism 断裂机制断裂机制 Microstructure Microstructure 组织组织 6.1断裂的基本类型 Basic types of fra
6、cture u根据断裂前金属是否有明显的塑性变形可分为 According to whether the metal has obvious plastic deformation before fracture, it can be sorted as following : brittle fracture 脆性断裂5% 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 According to the orientation relationship between According to the orientation relationship between
7、 fracture and acting forcefracture and acting force 正断正断 normal failure against to normal failure against to 1 1 剪断剪断 shearing failure along the direction of shearing failure along the direction of maximum shearmaximum shear 宏观断裂微观断裂 正断与剪断的宏观与微观形式 u从微观上按照裂纹的走向可分为 According to crack trend in microsco
8、pic view transgranular fracture 穿晶断裂/晶间 intergranular fracture 沿晶 grain晶粒 穿晶断裂 沿晶断裂 uu多晶材料沿晶界发生的断裂多晶材料沿晶界发生的断裂 Fracture along grain-boundary in Fracture along grain-boundary in polycrystalpolycrystal material material - - 沿晶韧性断裂晶界弱化沿晶韧性断裂晶界弱化 - - 沿晶脆性断裂沿晶脆性断裂 intergranularintergranular precipitated
9、brittle precipitated brittle continuous film continuous film 沿晶析出脆性连续膜沿晶析出脆性连续膜 u裂纹穿过晶粒内部crack cross the interior of grain 穿晶脆性断裂 high speed , low temperature and stress concentration. along some crystal plane-cleavage plane 解理面 穿晶韧性断裂 micropore coalescence 微孔聚合 6.2 脆性断裂 brittle fracture 材料塑性变形能力很低，
10、裂纹尖端的应力集 中不能因塑性变形而松弛。 解理断裂：金属在一定条件下（低温/高速/强的 应力集中），当应力达到一定值，快速沿一定的 结晶平面（解理面）而发生的变形。 例：低碳钢-沿铁素体100 密排六方0001 6.2.1理论断裂强度 theoretical fracture strength p 完整晶体在正应力作用下沿某一晶面拉断的强 度。 Under the tensile force, two adjacent atomic planes overcome interatomic bonding force, and separate into the two atomic plan
11、es. p 两相邻原子面在拉力作用下，克服原子间键合 力作用 ，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 (1-1) - 将原子拉开所需的最大应力， 即断裂理论强度。 晶体中的内聚力与原子间距的关系 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) u断裂后出现两个新的断裂面，表面能为2 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)
12、 在正弦曲线初期 E(Youngs modulus) aE(Youngs modulus) a 10dyn/cm10dyn/cm 2 2 10 10 3 3 erg/cmerg/cm 2 2 310 310-8 -8cm cm 实际金属强度实际金属强度 铝合金铝合金 300600MPa 300600MPa 低碳微合金钢低碳微合金钢 400500MPa400500MPa 合金钢合金钢1000MPa1000MPa 6.2.2 Griffith裂纹理论 基点基点: :材料中已存在裂纹材料中已存在裂纹crackcrack 在裂纹尖端引起应力集中，在外加应力小于理论断裂强度在裂纹尖端引起应力集中，在外加
13、应力小于理论断裂强度 时裂纹扩展，实际断裂强度大大降低。时裂纹扩展，实际断裂强度大大降低。 能量平衡能量平衡 裂纹裂纹 弹性能弹性能 表面能表面能 elastic energy surface energyelastic energy surface energy 释放的弹性能释放的弹性能 弹性能密度弹性能密度 裂纹体积裂纹体积 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。 晶体中的内聚力与原子间距的关系 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
14、理 论 强度 (1-2) u断裂后出现两个新的断裂面，表面能为2 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/cm10dyn/cm 2 2 103erg/cm 103erg/cm 2 2 310 310-8 -8cm cm 实际金属强度实际金属强度 铝合金铝合金 200200300MPa 300MPa 低碳钢低碳钢400-500MPa400-500MPa 合金钢合金钢1000MPa1000MPa 6.2.2 G
15、riffith裂纹理论 基点基点: :材料中已存在裂纹材料中已存在裂纹crackcrack 在裂纹尖端引起应力集中，在外加应力小于理论断裂强度在裂纹尖端引起应力集中，在外加应力小于理论断裂强度 时裂纹扩展，实际断裂强度大大降低。时裂纹扩展，实际断裂强度大大降低。 能量平衡能量平衡 裂纹裂纹 弹性能弹性能 表面能表面能 elastic energy surface energyelastic energy surface energy 释放的弹性能释放的弹性能 弹性能密度弹性能密度 裂纹体积裂纹体积 基点:材料中已存在裂纹crack 在一块大的平板上的穿透裂纹 形成新表面的功U2 能量变化U1+
16、U2 释放的弹性能U1 2Ck 能 量 t 裂纹生长时能量变化示意图 增加的表面能 GriffithGriffith公式公式 在正应力作用下只有弹性能的减少在正应力作用下只有弹性能的减少 表面能表面能 的增加的增加 裂纹扩展裂纹扩展 uGriffith公式物理意义：裂纹两端引起的应 力集中，相当将外力放大了 倍，使局部达 到了理论断裂强度. 比较理论断裂强度公式比较理论断裂强度公式 u修正modification :伴随一定的塑性变形,裂纹的形核 和传播与局部塑性变密切相关. OrowanOrowan考虑塑性变形能考虑塑性变形能 P- P- 断口表面附近的塑性应变能断口表面附近的塑性应变能plastic strain plastic strain energyenergy Q:Q: P P P P + + - - 裂纹形核 p原始材料无大裂纹 p裂纹由塑性变形产生 p塑性变形应力集中裂纹 Mobile dislocations meet some obstacles, then stress concentration ocurrs .When the stress becomes g
