第三章-材料的断裂.ppt

第三章材料的断裂 一、断裂概述 二、断裂机理 三、断裂韧度 断裂 ：固体材料在力的作用下变形超过其塑性极限而呈现完全分开的状态称为断裂． 材料受力时，原子相对位置发生了改变，当局部变形量超过一定限度时，原于间结合力遭受破坏，使其出现了裂纹，裂纹经过扩展而使金属断开。 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． 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． 金属塑性的好坏表明了它抑制断裂能力的高低。 在塑性加工生产中，尤其对塑性较差的材料，断裂常常是引起人们极为关注的问题。加工材料的表面和内部的裂纹，以至整体性的破坏皆会使成品率和生产率大大降低。为此，有必要了解断裂的物理本质及其规律，有效地防止断裂，尽可能地发挥金属材料的潜在塑性。 1、断裂的类型 （一）、断裂分类 ⑴ 按照断裂性态分：断裂分为脆性断裂与韧性断裂； ⑵ 按照裂纹扩展途径分：穿晶断裂和沿晶（晶界） 断裂； ⑶ 按照微观断裂机理分：解理断裂、微孔聚合断裂和 剪切断裂； ⑷ 按作用力的性质分:正断和切断 （二）关于各种断裂 ⑴ 韧性断裂与脆性断裂 最常用，直接表明材料的韧、脆性。 韧性断裂：是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程． 韧性断裂的特点： Ⅰ?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． Ⅱ?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。 Ⅲ??不易造成重大事故，易被人察觉 　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征． 脆性断裂：是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，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： Ⅰ??因为没有明显的预兆，所以脆性断裂具有很大的危险性． Ⅱ?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． Ⅲ?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 　　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． ⑵ 穿晶断裂与沿晶断裂 穿晶断裂可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。如常用金属材料在常温下发生韧性穿晶断裂，低温下发生脆性穿晶断裂。 沿晶断裂则多数为脆性断裂．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。 共价键陶瓷晶界较弱，断裂方式主要是晶界断裂． 离子键晶体的断裂往往具有以穿晶解理为主的特征． ⑶ 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按不同的微观断裂方式，是材料断裂的重要微观机理． Ⅰ 剪切断裂： 剪切断裂是材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂． 某些纯金属尤其是单晶体金属可产生纯剪切断裂，其断口呈锋利的楔形，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。 Ⅱ 微孔聚合型断裂：剪切断裂的另一种形式为微孔聚集型断裂，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，常用金属材料大多属于此类。 Ⅲ 解理断裂： 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 属于典型的脆断，多发生在陶瓷、玻璃以及低温下的金属中。 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． ⑷ 正断和切断 2、断裂强度 （一）理论断裂强度 由外力抵抗原子间结合力所做的功等于产生断裂新表面的表面能，可以求得理论断裂强度为： 式中 a——断裂面间的原子间距； g——表面能； E——弹性模量。 断口分析是重要的分析手段。 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。 断口上分三个典型的区域：纤维区、放射区、剪切唇——断口三要素。 纤维区F：位于断口中央，呈粗糙的纤维状。 与