第三章材料的断裂

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1、第三章第三章材料的断裂材料的断裂v一、断裂概述v二、断裂机理v三、断裂韧度v断断裂裂 ：固固体体材材料料在在力力的的作作用用下下变变形形超超过过其其塑塑性性极极限而呈现完全分开的状态限而呈现完全分开的状态称为断裂称为断裂v材材料料受受力力时时，原原子子相相对对位位置置发发生生了了改改变变，当当局局部部变变形形量量超超过过一一定定限限度度时时，原原于于间间结结合合力力遭遭受受破破坏坏，使其出现了裂纹，裂纹经过扩展而使金属断开。使其出现了裂纹，裂纹经过扩展而使金属断开。v材料的断裂是力对材料作用的最终结果，它意味着材料的彻底失效v因材料断裂与其他失效方式（如磨损、腐蚀等）相比危害性最大，可能出现灾

2、难性的后果因此，研究材料断裂的宏观与微观特征、断裂机理、断裂的力学条件，以及影响材料断裂的各种因素不仅具有重要的科学意义，而且也有很大的实用价值一、断裂概述一、断裂概述现象：扁担从弹性变形到塑性变形，再到断裂现象：扁担从弹性变形到塑性变形，再到断裂 飞机发动机涡轮叶片从损伤到断裂飞机发动机涡轮叶片从损伤到断裂断裂远比弹塑性失稳、磨损、腐蚀等，更具有危险性断裂远比弹塑性失稳、磨损、腐蚀等，更具有危险性! v金金属属塑塑性性的的好好坏坏表表明明了了它它抑抑制制断断裂裂能能力力的高低。的高低。v在在塑塑性性加加工工生生产产中中，尤尤其其对对塑塑性性较较差差的的材材料料，断断裂裂常常常常是是引引起起人

3、人们们极极为为关关注注的的问问题题。加加工工材材料料的的表表面面和和内内部部的的裂裂纹纹，以以至至整整体体性性的的破破坏坏皆皆会会使使成成品品率率和和生生产产率率大大大大降降低低。为为此此，有有必必要要了了解解断断裂裂的的物物理理本本质质及及其其规规律律，有有效效地地防防止止断断裂裂，尽可能地发挥金属材料的潜在塑性。尽可能地发挥金属材料的潜在塑性。 断裂断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一。是机械和工程构件失效的主要形式之一。 其它失效形式：如弹塑性失稳、磨损、腐蚀等。其它失效形式：如弹塑性失稳、磨损、腐蚀等。 断裂是材料的一种十分复杂的行为，在不同的力断裂是材料的一种十分复杂的行为，在不同

4、的力 学、物理和化学环境下，会有不同的断裂形式。学、物理和化学环境下，会有不同的断裂形式。 研究断裂的主要目的：研究断裂的主要目的：防止断裂，以保证构件在服役防止断裂，以保证构件在服役 过程中的安全。过程中的安全。 1 1、断裂的类型、断裂的类型（一）、断裂分类（一）、断裂分类 按照断裂性态断裂性态分：断裂分为脆性断裂脆性断裂与韧性断裂韧性断裂； 按照裂纹扩展途径裂纹扩展途径分：穿晶断裂穿晶断裂和沿晶（晶界）沿晶（晶界） 断裂断裂； 按照微观断裂机理微观断裂机理分：解理断裂、微孔聚合断裂解理断裂、微孔聚合断裂和 剪切断裂剪切断裂； 按作用力的性质作用力的性质分:正断正断和切断切断（二）关于各种

5、断裂（二）关于各种断裂 韧性断裂与脆性断裂韧性断裂与脆性断裂 最常用，直接表明材料的韧、脆性。最常用，直接表明材料的韧、脆性。v韧韧性性断断裂裂：是是材材料料断断裂裂前前及及断断裂裂过过程程中中产产生生明明显显宏观塑性变形的断裂过程宏观塑性变形的断裂过程韧性断裂的特点：韧性断裂的特点：韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大量塑性变形能韧性断裂的断口用肉眼或放大镜观察时，往往呈暗灰色、纤维状纤维状是变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成的，而灰暗色则是纤维断口表面对光反射能力很弱所致。不易造成重大事故，易被人察觉v 一些塑性较好的金属材料及高分子材料在室温下的静拉伸断裂具有典型的韧性断裂特

6、征v脆脆性性断断裂裂：是是材材料料断断裂裂前前基基本本上上不不产产生生明明显显的的宏宏观观塑塑性性变变形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程脆性断裂的特点：脆性断裂的特点：因为没有明显的预兆，所以脆性断裂具有很大的危险性脆性断裂的断口一般与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状裂纹扩展速度大，往往受到的应力低于设计要求的许用应力v一般淬火钢、灰铸铁、陶瓷、玻璃等脆性材料的断裂过程的断口常具有上述特征 穿晶断裂与沿晶断裂穿晶断裂与沿晶断裂v 穿穿晶晶断断裂裂可以是韧韧性性断断裂裂，也可以是脆脆性性断断裂裂。如常用金属材料在

7、常温下发生韧性穿晶断裂，低温下发生脆性穿晶断裂。v 沿沿晶晶断断裂裂则多数为脆脆性性断断裂裂沿晶断裂是晶界上的一薄层连续或不连续的脆性第二相、夹杂物等破坏了材料的连续性造成的，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起，是晶界结合力较弱的一种表现。应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹等都是沿晶断裂。共共价价键键陶瓷晶界较弱，断裂方式主要是晶晶界界断断裂裂离离子子键键晶体的断裂往往具有以穿穿晶晶解解理理为主的特征 剪切断裂、微孔聚合断裂与解理断裂剪切断裂、微孔聚合断裂与解理断裂v 剪切断裂、微孔聚合断裂与解理断裂按不同的微观断裂方式，是材料断裂的重要微观机理v 剪剪切切断断裂裂： 剪剪切切断断裂裂是是材材料料

8、在在切切应应力力作作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂v某些纯金属尤其是单晶体金属可产生纯剪切断裂，其断断口口呈呈锋锋利利的的楔楔形形，是充分发挥塑性的韧性断裂，如低碳钢拉伸断口上的剪切唇。但实际工程材料中很少见。 微孔聚合型断裂：微孔聚合型断裂：剪切断裂的另一种形式为微孔聚集型微孔聚集型断裂断裂，其断口在宏观上常呈现暗灰色、纤维状，微观断口特征花样则是断口上分布大量“韧窝”。是通过微孔形核、长大、聚合而导致的断裂，属于比较典型的韧性断裂韧性断裂，常用金属材料大多属于此类。 解解理理断断裂裂： 在正应力作用下，由于原子间结合键的破坏而引起的沿特定晶体学平面发生分离

9、而导致断裂。类似大理石断裂，故叫解理断裂。这种晶面称为解理面解理面v属于典型的脆断，多发生在陶瓷、玻璃以及低温下的金属中。v脆性穿晶断裂一般为解理断裂解理裂纹的扩展往往是沿着晶面指数相同的一族相互平行，但位于“不同高度”的晶面进行的不同高度的解理面之间存在台阶，众多台阶的汇合便形成河流花样河流花样 正断和切断正断和切断正断：正应力引起正断：正应力引起切断：切应力引起切断：切应力引起正断与剪断的宏观与微观形式正断与剪断的宏观与微观形式 2 2、断裂强度、断裂强度（一）理论断裂强度（一）理论断裂强度理论断裂强度是指完整晶体在正应力作用下沿其一晶面拉断的强度，如图所示。此强度就是两相邻原子面在拉应力

10、作用下克服原子间键合力作用，使原子面分开的应力。材料的理论结合强度，应从原子间的结合力入手，只有克服了原子间的结合力，材料才能断裂。原子间作用力随原间距的变化曲线平衡位置平衡位置原子间作用力最大原子间作用力最大达到破坏达到破坏v由由外外力力抵抵抗抗原原子子间间结结合合力力所所做做的的功功等等于于产产生生断断裂新表面的表面能，可以求得理论断裂强度为：裂新表面的表面能，可以求得理论断裂强度为： 式中式中 a断裂面间的原子间距；断裂面间的原子间距； g g表面能；表面能； E弹性模量。弹性模量。 理论断裂强度只与理论断裂强度只与弹性模量、表面能弹性模量、表面能和和晶格间距晶格间距等材料等材料常数有关

11、常数有关对于铁，可以估算理论断裂强度对于铁，可以估算理论断裂强度mE/10。目前。目前强度最高的钢材为强度最高的钢材为4500MPa左右，即实际材料的左右，即实际材料的断裂强度比其理论值低断裂强度比其理论值低13个数量级。个数量级。只有毫无缺陷的晶须才能近似达到理论断裂强度。只有毫无缺陷的晶须才能近似达到理论断裂强度。原因：原因：大多数材料都是在大多数材料都是在较低的应力水平较低的应力水平下首先发生塑性变形，下首先发生塑性变形，最后因这种不可逆的损伤的积累而破坏，塑性较好的金属最后因这种不可逆的损伤的积累而破坏，塑性较好的金属就属于这种。就属于这种。实际的材料不是完整的晶体实际的材料不是完整的

12、晶体，存在晶界、位错、空穴等，存在晶界、位错、空穴等材料缺陷和擦伤、碰伤等加工缺陷。这些缺陷将在较低的材料缺陷和擦伤、碰伤等加工缺陷。这些缺陷将在较低的应力水平上发展成裂纹并长大，最终导致断裂。而且缺陷应力水平上发展成裂纹并长大，最终导致断裂。而且缺陷会引起应力集中，对断裂的影响也是不容忽视的。会引起应力集中，对断裂的影响也是不容忽视的。金属结晶是紧密的，并不是先天性地就含有裂纹。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：金属中含有裂纹来自两方面：一：一：在制造工艺过程中产生在制造工艺过程中产生，如锻压和焊接等；，如锻压和焊接等；二：在受力时由于二：在受力时由于塑性

13、变形不均匀塑性变形不均匀，当变形受到，当变形受到阻碍阻碍( (如晶界、第二相等如晶界、第二相等) )产生了很大的产生了很大的应力集中应力集中，当应力集中达到理论断裂强度，而材料又不能通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。过塑性变形使应力松弛，这样便开始萌生裂纹。 为了解决裂纹体的断裂强度问题，为了解决裂纹体的断裂强度问题，Griffith在在1921年从年从能量平衡的观点出发，首先研究了能量平衡的观点出发，首先研究了含裂纹的玻璃强度含裂纹的玻璃强度，提出了这样的设想：由于材料中已有现成裂纹存在，提出了这样的设想：由于材料中已有现成裂纹存在，在裂纹

14、尖端会引起强大的应力集中。在外加平均应力在裂纹尖端会引起强大的应力集中。在外加平均应力小于理论断裂强度时，裂纹尖端已达到理论断裂强度，小于理论断裂强度时，裂纹尖端已达到理论断裂强度，因而引起裂纹的急剧扩展，使实际断裂强度大为降低。因而引起裂纹的急剧扩展，使实际断裂强度大为降低。并得出断裂应力和裂纹尺寸的关系：并得出断裂应力和裂纹尺寸的关系：c=(2E/a)1/2 c是含裂纹板材的实际断裂强度，它与裂纹半长的平方根成反比格里菲斯公式（二）Griffith理论试验证据：试验证据：1 1）Griffith发现刚拉制玻璃棒的弯曲强度为发现刚拉制玻璃棒的弯曲强度为6GPa；而；而在空气中放置几小时后强度

15、下降为成在空气中放置几小时后强度下降为成0.4GPa。其原因。其原因是由于大气腐蚀形成了表面裂纹。是由于大气腐蚀形成了表面裂纹。2) 有人把石英玻璃纤维分割成几段不同的长度，测其有人把石英玻璃纤维分割成几段不同的长度，测其强度时发现，长度为强度时发现，长度为12cm时，强度为时，强度为275MPa；长度；长度为为0.6cm时，强度可达时，强度可达760MPa。这是由于试件。这是由于试件长，含长，含有危险裂纹的机会就多。有危险裂纹的机会就多。GriffithGriffith成功解释了材料实际断裂强度远低于理论强度的成功解释了材料实际断裂强度远低于理论强度的原因，说明了原因，说明了脆性断裂的本质：

16、微裂纹扩展脆性断裂的本质：微裂纹扩展，且与实验相，且与实验相符。符。这一理论应用于玻璃等脆性材料上取得了很大成功，这一理论应用于玻璃等脆性材料上取得了很大成功，但用于金属和非晶体聚合物时遇到了新的问题。但用于金属和非晶体聚合物时遇到了新的问题。对金属材料等韧性较好的材料，裂纹尖端的应力集中一旦对金属材料等韧性较好的材料，裂纹尖端的应力集中一旦超过屈服强度，将会借微区塑性变形而使裂纹局部应力松超过屈服强度，将会借微区塑性变形而使裂纹局部应力松弛下来。弛下来。裂纹扩展功主要耗费在塑性变形（塑性变形功裂纹扩展功主要耗费在塑性变形（塑性变形功Wp，大约是，大约是表面能表面能的的10001000倍）上，

17、金属和陶瓷的断裂过程的主要区倍）上，金属和陶瓷的断裂过程的主要区别也在这里。别也在这里。Griffith-Orowan-Irwin公式v断口分析是重要的分析手段。断口分析是重要的分析手段。 宏观断口宏观断口 : : 用肉眼或放大镜观察到的断口形貌3 3、断口分析、断口分析 微观断口微观断口: 借助于扫描电镜或其它分析手段来研究 的断口形貌v韧断前有明显的颈缩，断裂前有大量的塑性变形。上下断口分别呈杯状和锥状，合称为杯锥状断口。v断口上分三个典型的区域：纤维区、放射纤维区、放射区、剪切唇区、剪切唇断口三要素。v纤维区纤维区F：位于断口中央，呈粗糙的纤维状。v与拉力轴垂直，裂纹首先在该区域形成；v

18、颜色灰暗，表面有较大颜色灰暗，表面有较大的起伏的起伏，如山脊状如山脊状，表明裂纹在该区扩展时伴有较大的塑性变形，裂纹扩展也较慢；放射区放射区R R：紧挨着纤维区。表面较光亮平坦，有较细的放表面较光亮平坦，有较细的放射状条纹射状条纹，放射线发散方向为裂纹扩展方向，裂纹在该区扩展较快，塑性变形量小，表现为脆性断裂部分；剪切唇剪切唇S S：接近试样边缘。应力状态为平面应力状态，最后沿着与拉力轴向成40-50，裂纹失稳扩展，塑性变形量较大，韧断区。表面粗糙发深表面粗糙发深灰色灰色。三区域的大小、形态随试样三区域的大小、形态随试样和实验条件而变化。和实验条件而变化。放射区较大，则材料的塑性放射区较大，则

19、材料的塑性低低（该区是裂纹快速扩展部（该区是裂纹快速扩展部分，伴随的塑性变形也小）。分，伴随的塑性变形也小）。塑性好的材料，必然表现为塑性好的材料，必然表现为纤维区和剪切唇占很大比例，纤维区和剪切唇占很大比例，甚至中间的辐射区可以消失。甚至中间的辐射区可以消失。脆性材料纤维区很小，剪切脆性材料纤维区很小，剪切唇几乎没有。唇几乎没有。 塑性材料塑性材料 脆性材料脆性材料材料尺寸加大，放射区明显增大，纤维区变化不大；材料尺寸加大，放射区明显增大，纤维区变化不大；试样表面存在缺口，各区比例变化，而且裂纹将在缺口处产生。试样表面存在缺口，各区比例变化，而且裂纹将在缺口处产生。断裂过程：断裂过程： 裂纹

20、萌生裂纹萌生：力的作用下，材料内部v断裂断裂某些薄弱区域产生微小裂纹，作为核心。裂纹扩展裂纹扩展：已形核的或者原先存在的裂纹在力的作用下扩张、长大的过程。 二、断裂机理二、断裂机理v金属发生断裂，先要形成微裂纹。这些微裂纹主要来自金属发生断裂，先要形成微裂纹。这些微裂纹主要来自两个方面：两个方面： 一是材料内部原有的，如实际金属材料内部的气孔、一是材料内部原有的，如实际金属材料内部的气孔、夹杂、微裂纹等缺陷；夹杂、微裂纹等缺陷； 二是在塑性变形过程中，由于位错的运动和塞积等二是在塑性变形过程中，由于位错的运动和塞积等原因而使裂纹形核。原因而使裂纹形核。v随着变形的发展导致裂纹不断长大，当裂纹长

21、大到一定随着变形的发展导致裂纹不断长大，当裂纹长大到一定尺寸后，便失稳扩展，直至最终断裂。尺寸后，便失稳扩展，直至最终断裂。稳态扩展：从微小裂纹扩展到临界尺寸，较为缓慢韧性较好的材料或承受的压力的材料存在较长的稳态扩展阶段失稳扩展：临界尺寸的裂纹快速扩展到最终断裂脆性材料或者加载速度较快的材料稳态扩展阶段较短，主要是失稳扩展阶段一、断裂分类一、断裂分类按照断裂性态断裂性态分：断裂分为脆性断裂脆性断裂与韧性断裂韧性断裂；按照裂纹扩展途径裂纹扩展途径分：穿晶断裂穿晶断裂和沿晶（晶界）沿晶（晶界） 断裂断裂；按照微观断裂机理微观断裂机理分：解理断裂、微孔聚合断裂解理断裂、微孔聚合断裂和 剪切断裂剪切

22、断裂；按作用力的性质作用力的性质分:正断正断和切断切断1、韧断脆断2、沿晶断裂大多是脆断，晶界结合力大多是脆断，晶界结合力穿晶断裂可能是韧断，可能是脆断（解理断裂）可能是韧断，可能是脆断（解理断裂）3、剪切断裂韧断韧断微孔聚合型断裂韧断韧断解理断裂脆断脆断4、正断切断二、断口分析二、断口分析v断口上分三个典型的区域：纤维区、放射纤维区、放射区、剪切唇区、剪切唇断口三要素。三区域的大小、形态随试样三区域的大小、形态随试样和实验条件而变化。和实验条件而变化。放射区较大，则材料的塑性放射区较大，则材料的塑性低低（该区是裂纹快速扩展部（该区是裂纹快速扩展部分，伴随的塑性变形也小）。分，伴随的塑性变形也

23、小）。塑性好的材料，必然表现为塑性好的材料，必然表现为纤维区和剪切唇占很大比例，纤维区和剪切唇占很大比例，甚至中间的辐射区可以消失。甚至中间的辐射区可以消失。脆性材料纤维区很小，剪切脆性材料纤维区很小，剪切唇几乎没有。唇几乎没有。 塑性材料塑性材料 脆性材料脆性材料脆性断裂脆性断裂 韧性断裂韧性断裂 1 1解理断裂解理断裂 2沿晶断裂沿晶断裂1变温引起的韧变温引起的韧-脆转变脆转变 2环境引起的韧环境引起的韧-脆转变脆转变 3影响韧脆转变的因素影响韧脆转变的因素 脆性脆性-韧性转变韧性转变 1韧性断口韧性断口 2微孔成核、长大和聚合微孔成核、长大和聚合 3影响韧性断裂扩展的因素影响韧性断裂扩展

24、的因素 3.2 3.2 断裂过程及机制断裂过程及机制1、脆性断裂v脆性断裂的宏观特征：脆性断裂的宏观特征：断裂前没有明显的塑性变形断裂前没有明显的塑性变形，直接由弹性变形状态过渡到断裂，直接由弹性变形状态过渡到断裂，裂纹的扩展速度裂纹的扩展速度往往很快往往很快，接近音速。断裂面和拉伸轴接近正交，接近音速。断裂面和拉伸轴接近正交，断口平齐。断口平齐。 v根根据据断断裂裂前前金金属属是是否否呈呈现现有有明明显显的的塑塑性性变变形形，可可将将断断裂裂分分为为韧韧性性断断裂裂与与脆脆性性断断裂裂两两大大类类。通通常常以以单单向向拉拉伸伸时时的的断断面面收收缩缩率率大大于于5%者者为为韧韧性性断断裂裂，

25、而而小小于于5%者为者为脆性断裂脆性断裂。v脆脆性性断断裂裂前前无无明明显显的的征征兆兆可可寻寻，且且断断裂裂是是突突然然发发生生的，往往引起严重的后果。因此，需要防止脆断。的，往往引起严重的后果。因此，需要防止脆断。 在单晶体试样中常表现为沿解理面的在单晶体试样中常表现为沿解理面的解理断裂解理断裂。在多晶体试样中则可能出现两种情况：在多晶体试样中则可能出现两种情况： 一是裂纹沿解理面横穿晶粒的穿晶断裂，断口一是裂纹沿解理面横穿晶粒的穿晶断裂，断口可以看到解理亮面；若晶粒较粗，则可以看到许可以看到解理亮面；若晶粒较粗，则可以看到许多强烈反光的小平面多强烈反光的小平面(或称刻面或称刻面)，这些小

26、平面就，这些小平面就是解理面或晶界面，可叫做晶状断口。是解理面或晶界面，可叫做晶状断口。 二是裂纹沿晶界的晶间断裂，断口呈颗粒状。二是裂纹沿晶界的晶间断裂，断口呈颗粒状。u脆性断裂的微观机制：脆性断裂的微观机制：解理断裂解理断裂和和沿晶断裂沿晶断裂（一）解理断裂（一）解理断裂v解解理理断断裂裂：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“解理面”)劈开的过程。v通常，解理断裂总是脆性断裂，但有时在解理断裂前也显示一定的塑性变形，所以解理断裂和脆性断裂不是同义词，前者指的是断裂机理，后者则指断裂的宏观形貌。v解理断裂常见于解理断裂常见于体心立方体心立方和和密排六

27、方金属密排六方金属中。中。v当当处于低温处于低温，或者，或者应变速率较高应变速率较高，或者是有，或者是有三三向拉应力状态向拉应力状态，都能促使解理断裂，在宏观，都能促使解理断裂，在宏观上表现为脆性断裂。上表现为脆性断裂。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解解理理断断裂裂中中裂裂纹纹萌萌生生理理论论都都有有一一个个共共同同点点：在在材材料料内内部部存存在在强强阻阻碍碍，阻阻止止位位错错滑滑移移，造造成成不不均均匀匀塑塑性性变变形形，从从而而导导致致高高应应力力集集中中并并诱发微裂纹形核。诱发微裂纹形核。v位错塞积理论位错塞积理论 v位错反应理论位错反应理论 （1）裂纹形核）

28、裂纹形核v位位错错塞塞积积理理论论位位错错在在运运动动过过程程中中，遇遇到到了了障障碍碍（如如晶晶界界、相相界界面面等等）而而被被塞塞积积，在在位位错错塞塞积积群群前前端端就就会会引引起起应应力力集集中中。塞塞积积位位错错越越多多，应应力力集集中中程程度度越越大大。当当此此应应力力大大于于界界面面结结合合力力或或脆脆性性第第二二相相或或夹夹杂杂物物本本身身的的结结合合力力时时，就就会会在界面或脆性相中形成裂纹核。在界面或脆性相中形成裂纹核。v位位错错反反应应理理论论在在相相交交的的滑滑移移面面上上，由由于于位位错错反反应应发发生生了了同同号号位位错错的的聚聚合合，便便形形成成了了微微裂裂纹。纹

29、。（2）裂纹扩展）裂纹扩展v解理裂纹通过两种基本方式扩展解理方式，速度很快。裂纹前端存在微裂纹或微孔，通过塑性撕裂方式互相连接，开始很慢，达到临界状态后迅速扩展。微观上是韧性的，宏观上是脆性的。（3）解理断裂的形貌特征）解理断裂的形貌特征解理断裂是沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂，所以解理断裂是沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂，所以解理断口的解理断口的宏观形貌宏观形貌：较为平坦的、发亮的结晶状断面较为平坦的、发亮的结晶状断面。解理断裂实际上不是沿单一的晶面，而是由许多大致相当于晶解理断裂实际上不是沿单一的晶面，而是由许多大致相当于晶粒大小的晶面粒大小的晶面( (均为解理面均为解理面) )解理而引起的。

30、因为各个晶粒取向解理而引起的。因为各个晶粒取向不同，所以断口呈现发光的结晶状。不同，所以断口呈现发光的结晶状。在解理刻面内部只从一个解理面发生解理破在解理刻面内部只从一个解理面发生解理破坏实际很少。多数情况下，裂纹要跨越若干相坏实际很少。多数情况下，裂纹要跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面，从而在互平行的而且位于不同高度的解理面，从而在不同高度上的平行解理面之间形成了所谓的解不同高度上的平行解理面之间形成了所谓的解理台阶。理台阶。河流花样是解理台阶的一种标志。河流花样是解理台阶的一种标志。河流花样河流花样和和舌状花样舌状花样是解理断裂的两种基本微观特征。是解理断裂的两种基本微观特征。解

31、理断烈的微观特征之一：解理断烈的微观特征之一：河流状花样河流状花样河流状花样是由解理台阶的侧面汇合而形成的。河流状花样是由解理台阶的侧面汇合而形成的。断裂过程中，台阶合并是一个逐步的过程。许多较小的支流断裂过程中，台阶合并是一个逐步的过程。许多较小的支流到下游又汇合成较大的主流。到下游又汇合成较大的主流。所以河流的流向所以河流的流向( (一些支流的汇合方向一些支流的汇合方向) )即为裂纹扩展方向即为裂纹扩展方向，v当河流遇到大角晶界时，由于晶界两侧晶粒的解理面取向不当河流遇到大角晶界时，由于晶界两侧晶粒的解理面取向不同，解理裂纹不能沿原始位向跨越晶界，而需重新形核，致同，解理裂纹不能沿原始位向

32、跨越晶界，而需重新形核，致使相邻晶粒的河流花样剧增。如果遇到小角晶界、亚晶界时，使相邻晶粒的河流花样剧增。如果遇到小角晶界、亚晶界时，河流可连续穿过晶界，不发生激增。河流可连续穿过晶界，不发生激增。v裂纹多萌生于晶界或亚晶界。裂纹多萌生于晶界或亚晶界。解理断裂的另一个微观特征：解理断裂的另一个微观特征：舌状花样舌状花样它是它是解理裂纹沿孪晶界扩展，越过孪晶解理裂纹沿孪晶界扩展，越过孪晶后再在解理面扩展，后再在解理面扩展，形成舌状凸台。形成舌状凸台。这种断口形貌常见于马氏体回火钢中，或组织为贝氏体的钢这种断口形貌常见于马氏体回火钢中，或组织为贝氏体的钢中，宏观上属于脆性断裂。中，宏观上属于脆性断

33、裂。准解理断裂：准解理断裂：由于回火后碳化物质点的作用，当裂纹在晶内扩展时，难以严格地沿一定晶面扩展其微观形态特征，似解理河流但又非真正解理，故称为准解理准解理与解理的不同点准解理与解理的不同点是：v准解理小平面不是晶体学解理面真正解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹则常源于晶晶内内硬硬质质点点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样准解理不是一种独立的断裂机理，而是解理断裂的变种（4 4）准解理断裂）准解理断裂与解理断裂有相同的解理面，也有河与解理断裂有相同的解理面，也有河流花样。流花样。区别：区别：1)1)主裂纹的走向不太清晰，主裂纹的走向不太清晰，河流花样河流花样源已不十分明显源已不十分明显（主

34、裂纹前方常产生许多（主裂纹前方常产生许多二次裂纹，这些二次裂纹彼此连接或与主裂二次裂纹，这些二次裂纹彼此连接或与主裂纹相连）纹相连）2)2)在晶粒内部有许多短而弯曲的撕裂在晶粒内部有许多短而弯曲的撕裂棱棱。3)3)裂纹多萌生于晶粒内部，裂纹的扩裂纹多萌生于晶粒内部，裂纹的扩展从解理台阶逐渐过渡向撕裂棱。展从解理台阶逐渐过渡向撕裂棱。 准解理裂纹常起源于晶内硬质点准解理裂纹常起源于晶内硬质点，向四周放射状地扩展向四周放射状地扩展（解理裂纹则（解理裂纹则自晶界一侧向另一侧延伸）；自晶界一侧向另一侧延伸）；准解理断口上局部区域出现韧窝准解理断口上局部区域出现韧窝，是解理与微孔聚合的混合型断裂。是解理

35、与微孔聚合的混合型断裂。准解理断裂的主要机制仍是解理，准解理断裂的主要机制仍是解理，其宏观表现是脆性。其宏观表现是脆性。 当当晶晶界界成成为为组组织织中中最最薄薄弱弱的的部部位位时时，那那么么在在解解理理或或滑滑移移前前就就会会发发生生晶晶界界开开裂裂，多多数数晶晶界界开开裂裂形形成成的的微微裂裂纹纹互互相相连连接接就就导导致致了沿晶断裂。了沿晶断裂。沿晶断裂是沿晶断裂是裂纹沿晶界裂纹沿晶界扩展扩展的一种脆性断裂。的一种脆性断裂。（二）沿晶断裂（二）沿晶断裂沿晶断裂的断口形貌沿晶断裂特点：沿晶断裂特点：在断面上可看到在断面上可看到晶粒轮廓线或多边体晶粒的截面晶粒轮廓线或多边体晶粒的截面图，如图

36、示。图，如图示。沿晶断裂成因：沿晶断裂成因：晶粒边界的结晶粒边界的结合强度远比晶内要低，脆性裂合强度远比晶内要低，脆性裂纹就会择优在晶界形核，并沿纹就会择优在晶界形核，并沿晶界扩展。晶界扩展。晶界存在连续分布的脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连晶界存在连续分布的脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性。如高碳钢或铸铁，晶界上有网状碳化物。续性。如高碳钢或铸铁，晶界上有网状碳化物。 杂质元素在晶界上偏聚，降低晶界结合强度。杂质元素在晶界上偏聚，降低晶界结合强度。由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐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。蚀、应力

37、和高温的复合作用在晶界造成损伤。 举举例例：钢钢的的高高温温回回火火脆脆性性微微量量有有害害元元素素P,Sb,As,Sn等等偏偏聚聚于于晶晶界界，降降低低了了晶晶界界原原子子间间的的结结合合力力，从从而而大大大大降降低低了了裂裂纹纹沿沿晶晶界界扩扩展展的的抗抗力力，导导致沿晶断裂。致沿晶断裂。v沿沿晶晶（晶晶界界）断断裂裂的断口形貌一般呈冰糖状，但如果晶粒很小，肉眼无法辨认出冰糖状形貌，此时判断端口一般呈结结晶晶状状，颜色较明亮，但比纯脆性断口要灰暗点，因为他们没有反光能力的小平面。2、韧性断裂、韧性断裂v韧性断裂在断裂前金属经受了较大韧性断裂在断裂前金属经受了较大的塑性变形，其断口呈纤维状，

38、灰的塑性变形，其断口呈纤维状，灰暗无光。暗无光。v韧性断裂主要是微孔聚合断裂。韧性断裂主要是微孔聚合断裂。v如果是单晶体，可能是纯剪切断裂。如果是单晶体，可能是纯剪切断裂。 韧性断裂的过程是：韧性断裂的过程是： “微孔形核微孔形核微孔长大微孔长大微孔聚合微孔聚合”（一）韧性断裂的过程（一）韧性断裂的过程v（1）微孔成核）微孔成核v实实际际金金属属中中总总有有第第二二相相粒粒子子存存在在，它它们们是是微微孔孔成成核的源。核的源。很脆的夹杂物很脆的夹杂物本本身身坚坚实实，与与基基体体结结合合牢牢固固的强化相的强化相在在不不大大的的应应力力作作用用下下，夹夹杂杂物物粒粒子子便便与与基基体体脱脱开开，

39、或本身裂开而成为微孔或本身裂开而成为微孔是是位位错错塞塞积积引引起起的的应应力力集集中中或或在在高高应应变变条条件件下下，第第二二相相与与基基体体塑塑性性变变形形不不协协调调而而萌萌生微孔的。生微孔的。第第二二相相粒粒子子如钢中的硫化物如钢中的碳化物v（2）微孔长大）微孔长大位错源不断激发新的位错源不断激发新的位错，新的位错，新的位错并入微孔，微孔就不断长大位错并入微孔，微孔就不断长大 若干位错合并成微孔若干位错合并成微孔，图图 (d) 领先的位错环向界面领先的位错环向界面推进，图推进，图(c) 位错在质点两边塞积起位错在质点两边塞积起来，与质点内的镜像力来，与质点内的镜像力相平衡相平衡，图图

40、 (b) 位错线运动遇到第二相质点时，在位错线运动遇到第二相质点时，在其周围形成位错环，图其周围形成位错环，图 (a) 位位错错长长大大模模型型v（3）微孔聚合）微孔聚合裂纹尖端与裂纹尖端与微孔、微孔微孔、微孔与微孔间产与微孔间产生局部滑移生局部滑移 局局部部变变形形量量大大，产产生生了了快快速速剪剪切切裂裂开开。微微孔孔聚聚合合速速度度快快，消消耗耗的的能能量量也较少，所以韧性差。也较少，所以韧性差。 正常聚合正常聚合 过程过程在在较较大大应应力力下下，微微孔孔继继续续长长大大，直直至其边缘连在一起，聚合成裂纹。至其边缘连在一起，聚合成裂纹。 变变形形均均匀匀的的，速速度度较较慢慢，消消耗耗

41、的的能能量量较较多多，韧韧性性较较好好。基基体体的的形形变变强强化化指指数数越越高高，微微孔孔长长大大直直至至聚聚合合的的过程越慢，韧性越好。过程越慢，韧性越好。 特点特点v当当拉拉伸伸载载荷荷达达到到最最大大值值时时，试试样样发发生生颈颈缩缩。在在颈颈缩缩区区形形成成三三向向拉拉应应力力状状态态，且在试样的心部轴向应力最大。且在试样的心部轴向应力最大。v在在三三向向应应力力的的作作用用下下，使使得得试试样样心心部部的的夹夹杂杂物物或或第第二二相相质质点点破破裂裂，或或者者夹夹杂杂物物或或第第二二相相质质点点与与基基体体界界面面脱脱离离结结合而形成微孔合而形成微孔。v增增大大外外力力，微微孔孔

42、在在纵纵向向与与横横向向均均长长大大；微微孔孔不不断断长长大大并并发发生生联联接接而而形形成成大大的的中中心心空空腔腔。最最后后，沿沿45450 0方方向向切切断断，形形成杯锥状断口。成杯锥状断口。空空洞洞形形核核、长长大大并并连连接接就就导导致致韧韧断断，在断口上就显示出韧窝结构在断口上就显示出韧窝结构 一般说来，韧窝断口是韧断的标志，但也有例外。一般说来，韧窝断口是韧断的标志，但也有例外。例如例如A1-Fe-Mo以及含以及含SiC的的A1合金，断裂应变很小，合金，断裂应变很小，属于脆断，但微观断口由韧窝构成。属于脆断，但微观断口由韧窝构成。 （二）韧性断口形貌（二）韧性断口形貌杯锥状断口杯

43、锥状断口光滑圆柱拉伸试样光滑圆柱拉伸试样 放射区放射区 纤维区纤维区 剪切唇剪切唇 断口宏观特征断口宏观特征韧性断裂的微观特征：韧性断裂的微观特征： 韧窝形貌韧窝形貌 断断口口由由许许多多凹凹进进或或凸凸出出的的微微坑坑组组成成。在在微微坑坑中中可可以以发现有第二相粒子。发现有第二相粒子。 韧窝的形状因应力状态而异：韧窝的形状因应力状态而异：正应力作用：韧窝是等轴形；正应力作用：韧窝是等轴形；扭转载荷作用：韧窝被拉长为椭圆形扭转载荷作用：韧窝被拉长为椭圆形v由于孔洞主要是在夹杂颗粒处产生的，所由于孔洞主要是在夹杂颗粒处产生的，所以韧窝底部常残留有夹杂物颗粒。以韧窝底部常残留有夹杂物颗粒。韧窝的

44、韧窝的形状形状取决于应力状态取决于应力状态韧窝的韧窝的大小和深浅大小和深浅取决于取决于第第二相的数量分布以及基体的二相的数量分布以及基体的塑性变形能力。塑性变形能力。第二相较少、均匀分布以及第二相较少、均匀分布以及基体的塑性变形能力强，则基体的塑性变形能力强，则韧窝大而深；韧窝大而深；基体的加工硬化能力很强，基体的加工硬化能力很强，则得到大而浅的韧窝。则得到大而浅的韧窝。 （三）影响韧性断裂的因素（三）影响韧性断裂的因素 v第二相粒子第二相粒子v随随第第二二相相体体积积分分数数的的增增加加，钢钢的的韧韧性性都都下下降降，硫硫化化物物比比碳碳化化物物对对钢钢的的塑塑性性下下降降的的的的影影响响要

45、要明明显显得得多多。同同时时碳碳化化物物形形状状也也对对断断裂裂应应变变有有很很大大影影响响，球球状状的的要要比比片状的好得多。片状的好得多。 v基体的形变强化基体的形变强化v基基体体的的形形变变强强化化指指数数越越大大，塑塑性性变变形形后后的的强强化化越越强强烈烈，变变形形更更均均匀匀。微微孔孔长长大大后后的的聚聚合合，将将按按正正常常模模式式进进行行，韧韧性性好好。相相反反地地，如如果果基基体体的的形形变变强强化化指指数数小小，变变形形容容易易局局部部化化，较易出现快速剪切裂开，韧性低。较易出现快速剪切裂开，韧性低。 （四）韧性断裂的特点（四）韧性断裂的特点v韧韧性性断断裂裂前前已已发发生

46、生了了较较大大的的塑塑性性变变形形，断断裂裂时时要要消消耗耗相相当当多多的的能能量量，所所以以韧韧性性断断裂裂是是一一种种高高能能量量的的吸吸收过程；收过程；v在在小小裂裂纹纹不不断断扩扩大大和和聚聚合合过过程程中中，又又有有新新裂裂纹纹不不断断产生，所以韧性断裂通常表现为多断裂源；产生，所以韧性断裂通常表现为多断裂源；v韧韧性性断断裂裂的的裂裂纹纹扩扩展展的的临临界界应应力力大大于于裂裂纹纹形形核核的的临临界应力，所以韧性断裂是个缓慢的撕裂过程；界应力，所以韧性断裂是个缓慢的撕裂过程；v随随着着变变形形的的不不断断进进行行裂裂纹纹不不断断生生成成、扩扩展展和和集集聚聚，变形一旦停止，裂纹的扩

47、展也将随着停止。变形一旦停止，裂纹的扩展也将随着停止。工程上总是希望构件在韧性状态下工作，避免危工程上总是希望构件在韧性状态下工作，避免危险的脆性断裂。险的脆性断裂。构件或材料是韧性或脆性状态，取决于：构件或材料是韧性或脆性状态，取决于： 材料本身的组织结构材料本身的组织结构 应力状态应力状态、温度温度、加载速率加载速率等因素等因素 并不是固定不变而是可以互相转化的并不是固定不变而是可以互相转化的3、脆性、脆性韧性转变韧性转变v体体心心立立方方金金属属及及合合金金或或某某些些密密排排六六方方晶晶体体金金属属及及合合金金，尤尤其其是是工工程程上上常常用用的的中中、低低强强度度结结构构钢钢，当当试

48、试验验温温度度低低于于某某一一温温度度t tc c时时，材材料料由由韧韧性性状状态态变变为为脆脆性性状状态态，冲冲击击吸吸收收功功明明显显下下降降，断断裂裂机机理理由由微微孔孔聚聚集集变变为为穿穿晶晶解解理理，断断口口特特征征由由纤纤维维状状变变为为结结晶晶状状，这这就就是是低低温温脆脆性性，又又称称韧韧脆脆转转变变现现象象转转变变温温度度t tc c称为称为韧脆转变温度或冷脆转变温度韧脆转变温度或冷脆转变温度v面心立方金属及合金一般没有低温脆性现象v系列冲击试验系列冲击试验可以评定材料的低温脆性（一）韧脆转化现象（一）韧脆转化现象冲击试样冲断后，其断口形貌如图所示如同拉伸试验一样，冲击试样断

49、口也有纤维区、放射区（结晶区）和剪切唇几部分。靠近根部的是脚跟形纤维状区，它是开裂的起始区域；中间部位为结晶区，是裂纹快速扩展区，此区越大，脆性就越大；底部和边缘为最后断裂的剪切唇。在不同试验温度下，3个区之间的相对面积是不同的温度越低，纤维面积越小，结晶区面积增大，材料由韧变脆。v韧脆转变温度反映了温度对韧脆性的影响，可以估计材料的最低使用温度，与Ak，NSR等一样，都是安全性指标。vTc可用于抗脆断设计，但不能直接用来设计计算机件的承载能力或截面尺寸。v机件工作的最低温度必须高于Tc，两者相差越大越好。需要测量Tc含锰含锰1.39%的低碳钢在的低碳钢在-10010范围内的系列冲击试验结果范

50、围内的系列冲击试验结果（二）韧脆转化温度评价方法（二）韧脆转化温度评价方法v系列冲击试验结果表明温度降低，冲击值迅速下降。v温度到-25时，冲击值下降一半，处于韧性向脆性转变的过渡状态。v温度降到-60时，冲击值非常低，为完全的脆性状态。v但是不会发生突变，而是在一段时间范围内逐渐改变。有多种方法可以定义韧脆转变温度有多种方法可以定义韧脆转变温度v（1）当低于某一温度材料吸收的冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台，该能量称为“低阶能”以低阶能开始上升的温度定义tc，并记为NDT，称为无塑性或者零塑性转变温度。这是最严格定义tc的方法。NDT以下，断口由100%结晶区组成。v（2）高于某一温度

51、材料吸收的能量也基本不变，形成一个上平台，称为“高阶能”以高阶能对应的温度为tc，记为 FTP 。这是最保守定义tc的方法。FTP以上，断口为100%的纤维区.v（3）以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义，并记为FTEv（4）以Akv=20.3Nm对应的温度定义tc ，记为V15TT。这一规定主要针对船用钢板，是根据大量实践经验总结出来的。实践表明，低碳钢船用钢板服役时，若冲击韧度大于20.3Nm，或在V15TT以上温度工作就不易发生脆性断裂。v温度降低纤维区面积减小结晶区增大。v（5）通常取）通常取结晶区面积占整结晶区面积占整个断口面积个断口面积50时的温度为时的温度为tc ，并记为并记为5

52、0FATT。v50%FATT与与断裂韧度开始急断裂韧度开始急剧降低的温度有剧降低的温度有较好的对应关系，较好的对应关系，所以应用广泛。所以应用广泛。(1)(1)晶格类型晶格类型晶晶体体结结构构越越复复杂杂，对对称称性性越越差差，位位错错运运动动时时晶晶格格阻阻力力越越高高，且随温度变化越敏感，本质上脆性越大。且随温度变化越敏感，本质上脆性越大。v面面心心立立方方晶晶格格金金属属塑塑性性、韧韧性性好好，如如铜铜、铝铝、奥奥氏氏体体钢钢，一一般般不不出出现现解解理理断断裂裂而而处处于于韧韧性性状状态态，也也没没有有韧韧- -脆脆转转变变，其韧性可以维持到低温。为本质韧性材料。其韧性可以维持到低温。

53、为本质韧性材料。v体体心心立立方方晶晶格格金金属属，如如铁铁、铬铬、钨钨和和普普通通钢钢材材，韧韧脆脆转转变变受受温温度度及及加加载载速速率率的的影影响响很很大大，在在低低温温和和高高加加载载速速率率下下，它它们们易易发发生生孪孪晶晶，也也容容易易激激发发解解理理断断裂裂。为为本本质质脆脆性材料。性材料。（三）材料低温脆性的影响因素（三）材料低温脆性的影响因素(2)(2)成分成分v间间隙隙溶溶质质元元素素含含量量增增加加，高高阶阶能能下下降降，韧韧脆脆转转变变温温度度提高提高. . v钢钢中中含含碳碳量量增增加加，塑塑性性变变形形抗抗力力增增加加，不不仅仅冲冲击击韧韧性性降降低低，而而且且韧韧

54、脆脆转转变变温温度度明明显显提提高高，转转变变的的温温度度范范围围也加宽。也加宽。(2)成分成分v钢钢中中的的氧氧、氮氮、磷磷、硫硫、砷砷、锑锑和和锡锡等等杂杂质质对对韧韧性性也也不不利利。这这是是由由于于它它们们偏偏聚聚于于晶晶界界，降降低低晶晶界界表表面面能能，产产生生沿沿晶晶脆脆性性断断裂裂，同同时时降低脆断应力所致。降低脆断应力所致。v镍、锰镍、锰以固溶状态存在，氮、碳等原子被吸以固溶状态存在，氮、碳等原子被吸收到收到NiNi、MnMn所造成的局部畸变区中去，减少所造成的局部畸变区中去，减少了它们对位错运动的钉扎作用，提高了裂纹了它们对位错运动的钉扎作用，提高了裂纹表面能，降低韧脆转变

55、温度；表面能，降低韧脆转变温度；(3)晶粒大小晶粒大小 晶晶粒粒细细，滑滑移移距距离离短短，在在障障碍碍物物前前塞塞积积的的位位错错数数目目较较少少，相相应应的的应应力力集集中中较较小小，而而且且由由于于相相邻邻晶晶粒粒取取向不同，裂纹越过晶界有转折，需要消耗更多的能量向不同，裂纹越过晶界有转折，需要消耗更多的能量 晶晶粒粒细细化化提提高高了了脆脆断断强强度度，有有利利于于发发生生延延性性断断裂裂，降低韧降低韧- -脆转变温度。脆转变温度。研究表明，不仅铁素体晶粒大小与韧脆转变温度呈线研究表明，不仅铁素体晶粒大小与韧脆转变温度呈线性关系，而且马氏体板条束宽度、上贝氏体铁素体条性关系，而且马氏体

56、板条束宽度、上贝氏体铁素体条束宽度、原始奥氏体晶粒尺寸和韧脆转变温度之间也束宽度、原始奥氏体晶粒尺寸和韧脆转变温度之间也呈线性关系。减小亚晶粒和脑状结构尺寸也能提高材呈线性关系。减小亚晶粒和脑状结构尺寸也能提高材料的韧性料的韧性v（4 4）显微组织：）显微组织：v钢中碳化物及夹杂物等第二相对钢的脆性的影钢中碳化物及夹杂物等第二相对钢的脆性的影响程度取决于第二相质点的大小、形状、分布、响程度取决于第二相质点的大小、形状、分布、第二相性质及其与基体的结合力等因素。第二相性质及其与基体的结合力等因素。v一般第二相尺寸增加，材料的韧性下降。韧脆一般第二相尺寸增加，材料的韧性下降。韧脆转化温度升高。转化

57、温度升高。v第二相的形状对材料脆性也有影响，球状第二第二相的形状对材料脆性也有影响，球状第二相材料的韧性较好。相材料的韧性较好。球化处理能改善钢的韧性球化处理能改善钢的韧性（5）加载速度的影响）加载速度的影响v提高加载速率如同降低温度，使材料脆性增提高加载速率如同降低温度，使材料脆性增大，韧脆转变温度提高。大，韧脆转变温度提高。v 中、低强度钢的韧脆转变温度对加载速率中、低强度钢的韧脆转变温度对加载速率比较敏感，而高强度钢和超高强度钢的韧脆比较敏感，而高强度钢和超高强度钢的韧脆转变温度则对加载速率的敏感性较小。转变温度则对加载速率的敏感性较小。v3.3非金属材料的断裂自学三、断裂韧度三、断裂韧

58、度v断裂是工程上最危险的失效形式，尤其是脆性断裂，无明显征兆，常常引起灾难性的破坏事故。v20世纪50年代，美国发射北极星导弹，其固体燃料发动机壳体采用了超高强度钢，屈服强度达到1400MPa，按照传统的强度设计和验收时，各项性能指标符合要求，设计时的工作应力远低于屈服强度。但发射点火不久，就发生了爆炸。传统力学无法解释。按传统的强度设计方法，只要工作应力小于需用应力，就认为按传统的强度设计方法，只要工作应力小于需用应力，就认为是安全的了。是安全的了。对塑性材料以屈服强度为标准对塑性材料以屈服强度为标准 ：许用应力：许用应力 = = S S/ /n n n n一一般取般取2 2或更大。或更大。

59、对脆性材料，以抗拉强度为标准：许用应力对脆性材料，以抗拉强度为标准：许用应力 = = b b/ /n n n n一般取一般取6 6v因为传统力学中把材料看成是均匀的均匀的，没有缺陷没有裂纹的理想固体理想固体，但是实际工程材料，在加工及使用过程中，都会产生宏观缺宏观缺陷乃至宏观裂纹陷乃至宏观裂纹。v低应力脆断总是与材料内部含有一定尺寸的裂纹相联系的。当裂纹在给定作用力下扩展到一临界尺寸时，就会产生破裂。v特点：（a）突然性或不可预见性（b）低于屈服力，发生断裂（c）由宏观裂纹扩展引起断裂力学断裂力学v作为对经典强度设计理论的补充，发展了新作为对经典强度设计理论的补充，发展了新的断裂力学设计方法。

60、的断裂力学设计方法。v断裂力学是断裂力学是假设存在固有裂纹假设存在固有裂纹，对裂纹体的，对裂纹体的不均匀分布应力场进行分析，提出描述裂纹不均匀分布应力场进行分析，提出描述裂纹体应力场强的力学参量和计算方法。从而建体应力场强的力学参量和计算方法。从而建立裂纹几何、材料本身抵抗裂纹扩展能力、立裂纹几何、材料本身抵抗裂纹扩展能力、裂纹扩展引起结构破坏时的应力水平等之间裂纹扩展引起结构破坏时的应力水平等之间的关系。的关系。v断裂力学：研究断裂力学：研究裂纹体裂纹体的力学，的力学， 引入引入断裂韧度断裂韧度。（一）裂纹扩展的基本形式（一）裂纹扩展的基本形式v张开型：拉应力垂直作用于裂纹扩展面，张开型：拉

61、应力垂直作用于裂纹扩展面，裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展。裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展。 最常见、最危险最常见、最危险v滑开型：切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹滑开型：切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹线垂直，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展，又称前后剪线垂直，裂纹沿裂纹面平行滑开扩展，又称前后剪切性裂纹。齿轮根部沿切线方向的裂纹、受剪力的切性裂纹。齿轮根部沿切线方向的裂纹、受剪力的铆钉等属于此类情况。铆钉等属于此类情况。v 撕开型：切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹撕开型：切应力平行作用于裂纹面，而且与裂纹面平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展，又称横向剪切型面平行，裂纹沿裂纹面撕开扩展，又称横向

62、剪切型裂纹。受扭转作用的构件裂纹属于此类。裂纹。受扭转作用的构件裂纹属于此类。v实际裂纹扩展并不局限于这三种形式，往往是它们的组合。在这些不同的裂纹扩展形式中，以张开型裂纹扩展最危险，容易引起脆性断裂。因此，在研究裂纹体的脆断时，总是以这种裂纹为对象。（二）应力场强度因子（二）应力场强度因子K和断裂韧度和断裂韧度KCv前面分析缺口试样的拉伸和弯曲时指出，缺口根部会出现两向或三向应力状态，增加材料的脆性。v对于型裂纹试样，其裂纹尖端处于复杂的应力状态。v力学指出，对于受拉应力的裂纹体，沿裂纹线平面上y方向的应力y与所研究点到裂纹尖端距离r有如下关系。r0，则，则y K应力强度因子应力强度因子v欧

63、文等人对欧文等人对型裂纹尖端应力进行分析，得出裂纹型裂纹尖端应力进行分析，得出裂纹周围的应力场为周围的应力场为距离裂纹尖端越近，各应力分量越大。距离裂纹尖端越近，各应力分量越大。裂纹前端为复杂应力，若直接建立裂纹扩展应力判据，十裂纹前端为复杂应力，若直接建立裂纹扩展应力判据，十分复杂。分复杂。v、r一定，则各应力分量与K有关，K越大，则应力场各应力分量也越大。vK可以表示应力场的强弱程度，即之前的应力强应力强度因子度因子。K表示表示型裂纹，同理，型裂纹，同理， K K分别表示为分别表示为型和型和型裂型裂纹的应力场强度因子。纹的应力场强度因子。v应力强度因子K是取决于名义应力和裂纹尺寸a的复合参

64、量。v当应力和裂纹尺寸a增大时，应力强度因子也增大，各应力分量也随之增大。v当增加到临界值c或者a增大到临界值ac时，K达到某一临界值，此时裂纹尖端前沿足够大的范围内应力达到了材料的解理断裂应力，裂纹便失稳扩展导致材料断裂。v这个临界应力强度因子便称为断裂韧度断裂韧度KC 表征了材料抵抗断裂的能力表征了材料抵抗断裂的能力。Y裂纹形状系数；裂纹形状系数；a裂纹半长裂纹半长K和和KC的区别的区别vK和和KC是不同的量。是不同的量。 K是受外界条件影响的反是受外界条件影响的反映裂纹尖端应力场强弱程度的力学度量。与外加应映裂纹尖端应力场强弱程度的力学度量。与外加应力和裂纹长度有关。当应力力和裂纹长度有

65、关。当应力和裂纹尺寸和裂纹尺寸a增大时，增大时，应力强度因子应力强度因子K也增大。但它与材料的固有性能无也增大。但它与材料的固有性能无关。关。v而而 KC表征了材料阻止裂纹扩展的能力，是材料本表征了材料阻止裂纹扩展的能力，是材料本身的特性，只与材料成分、热处理及加工工艺有关，身的特性，只与材料成分、热处理及加工工艺有关，而与裂纹本身大小、形状及外应力大小无关。而与裂纹本身大小、形状及外应力大小无关。（三）断裂判据（书3.4.5）v当应力场强度因子增大到临界值KC时，裂纹就失稳扩展，构件发生断裂。所以，裂纹失稳扩展脆断的断裂判据断裂判据可表达为：K=KCC 所以，要保证所以，要保证KKC或或 K

66、C,不会发生断裂，不会发生断裂，这种情况叫做破损安全。这种情况叫做破损安全。（四）（四） 断裂韧性断裂韧性K KI Ic c的应用的应用v断裂判据可以直接用于工程设计中，为结构设计、材料断裂判据可以直接用于工程设计中，为结构设计、材料选择、安全校核等提供依据。选择、安全校核等提供依据。（1 1） 确定构件的安全性确定构件的安全性 v材料的K KI Ic c是已知的，构件的形状一定，Y已知，构件的受力也已知，只要通过超声波探伤测出a，就可以求出K1，然后对K KI I和K KI Ic c进行比较，v 若若 K KI I K KI Ic c ， 构件是安全的，构件是安全的， 若若 K KI I K

67、 KI Ic c ， 构件是危险的构件是危险的（2 2）确定构件的承载能力，即计算构件的断裂）确定构件的承载能力，即计算构件的断裂强度（强度（c c） v材料的K1c是已知的，通过超声波探伤测出a，v根据公式 计算出断裂强度即可。（3 3）确定裂纹允许存在的最大尺寸（）确定裂纹允许存在的最大尺寸（a ac c）v若已知最大工作应力为，已知材料的KIc ， 根据公式 可计算出ac ，然后，与实际探伤获得的a相比较v若若 a aa ac c ，构件是安全的；构件是安全的； v若若 a aa ac c ，构件是危险的构件是危险的3 3、影响材料断裂韧度的因素（拓展）、影响材料断裂韧度的因素（拓展）

68、断裂韧度作为评价材料抵抗断裂的能力的力学性能指标，它取决于材料的化学成分、组织结构等内在因素，同时也受到温度、应变速率等外部因素的影响v（一）化学成分、组织结构对断裂韧度的影响（一）化学成分、组织结构对断裂韧度的影响v 对于金属材料、非金属材料、高分子材料和复合材料，化学成分、基体相的结构和尺寸、第二相的大小和分布都将影响其断裂韧度，并且影响的方式和结果既有共同点，也有差异之处除金属材料外，对其他材料的断裂韧度的研究还比较少（1 1）化学成分的影响）化学成分的影响 对于金属材料，化学成分对断裂韧度的影响类似于对冲击韧度的影响其大致规律是：规律是：v细化晶粒的合金元素因提高强度和塑性，可使断裂韧

69、度提高；v强烈固溶强化的合金元素因大大降低塑性而使断裂韧度降低，并且随合金元素的浓度的提高，降低的作用更加明显；v形成金属间化合物并呈第二相析出的合金元素，因降低塑性有利于裂纹扩展而使断裂韧度降低（2）基体相结构和晶粒尺寸的影响）基体相结构和晶粒尺寸的影响va. 一般来说，基体相晶体结构易于发生塑性变形，产生韧性断裂，材料的断裂韧度就高v如钢铁材料，基体可以是面心立方固溶体，也可以是体心立方固溶体，面心立方固溶体容易发生滑移塑性变形而不产生解理断裂，并且形变硬化指数较高，其断裂韧度较高.v 又例如：奥氏体钢的断裂韧度高于铁素体钢和马氏体钢对于陶瓷材料，可以通过改变晶体类型，调整断裂韧度的高低v

70、b. 细化晶粒既可以提高强度，又可以提高塑性，那么断裂韧度也可以得到提高（3 3）夹杂和第二相的影响）夹杂和第二相的影响v 对于金属材料，非金属夹杂物和第二相的存在对断裂韧度的影响可以归纳为：第一，非金属夹杂物往往使断裂韧度降低；第二，脆性第二相随着体积分数的增加，使得断裂韧度降低；第三，韧性第二相当其形态和数量适当时，可以提高材料的断裂韧度 （4 4）显微组织的影响）显微组织的影响v 显显微微组组织织的的类类型型和和亚亚结结构构将将影影响响材材料的断裂韧度料的断裂韧度v 如钢铁材料中，板条马氏体主要是位错亚结构，具有较高的强度和塑性，裂纹扩展阻力较大，呈韧性断裂，因而断裂韧度较高；针状马氏体

71、主要是孪晶亚结构，硬度高而脆性大，裂纹扩展阻力小，呈准解理或解理断裂，因而断裂韧度较低（二）外界因素对断裂韧度的影响（二）外界因素对断裂韧度的影响v 环境因素、加载条件对材料的断裂韧度都有影响（1 1）温度）温度v 对于大多数材料，温度的降低通常会降低断裂韧度，大多数结构钢就是如此，在韧脆转变温度以上，材料主要是微孔聚集型的断裂机制，发生韧性断裂， KIc较高；在韧脆转变温度以下，材料主要是解理型断裂机制，发生脆性断裂， KIc较低。（2 2）应变速率）应变速率v 应变速率对断裂韧度的影响类似于温度增加应变速率相当于降低温度，也可使KIc下降一般认为应变速率每增加一个数量级， KIc约降低 10v但是，当应变速率很大时，形变热量夹不及传导造成绝热状态，导致局部温度升高， KIc又回升。课后作业课后作业Homeworkv画图说明何为沿晶断裂、穿晶断裂？画图说明何为沿晶断裂、穿晶断裂？v说明解理断裂、沿晶断裂和微孔聚集断裂的说明解理断裂、沿晶断裂和微孔聚集断裂的形貌特征。形貌特征。v列举三种韧脆转变温度的评价方法列举三种韧脆转变温度的评价方法v什么叫断裂韧度，并说明什么叫断裂韧度，并说明K和和KC的区别的区别v书书P141，第，第14题题