第五章断裂课件.ppt

1、第五章第五章 断裂断裂 5.1 5.1 前言前言 断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一。断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一。失效形式：如弹塑性失稳、磨损、腐蚀等。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，会有不同的断裂形力学、物理和化学环境下，会有不同的断裂形式。式。研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构件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。在服役过程中的安全。断裂破坏的严重性断裂破坏的严重性普及断裂的基本知识，可减少损失普及断裂的基本知识，可减少损失29%(345

2、亿亿/年年)。设计、制造人员了解断裂，主动采取改进措施，设计、制造人员了解断裂，主动采取改进措施，如设计；材料断裂韧性；冷、热加工质量等。如设计；材料断裂韧性；冷、热加工质量等。利用现有研究成果，可再减少损失利用现有研究成果，可再减少损失24%(285亿亿/年年)。包括提高对缺陷影响、材料韧性、工作应力的预测包括提高对缺陷影响、材料韧性、工作应力的预测能力；改进检查、使用、维护；建立力学性能数据能力；改进检查、使用、维护；建立力学性能数据库；改善设计方法更新标准规范等。库；改善设计方法更新标准规范等。剩余的剩余的47%，有待于进一步基础研究的突破。有待于进一步基础研究的突破。如裂纹起始、扩展的

3、进一步基础研究；高强度、如裂纹起始、扩展的进一步基础研究；高强度、高韧性、无缺陷材料的研究等。高韧性、无缺陷材料的研究等。7金属的断裂金属的断裂 材料完全破断为两个部分以上的现象，叫断裂。（断材料完全破断为两个部分以上的现象，叫断裂。（断裂使材料失去完整性）（机件三大失效形式之一）。裂使材料失去完整性）（机件三大失效形式之一）。断裂不仅出现在高应力和高应变条件下，也发生在低应断裂不仅出现在高应力和高应变条件下，也发生在低应力和无明显塑性变形条件下。力和无明显塑性变形条件下。一、断裂的基本类型一、断裂的基本类型 1 1、根据断裂前塑性变形大小分类、根据断裂前塑性变形大小分类 脆性断裂；韧性脆性断

4、裂；韧性断裂断裂 2 2、根据断裂面的取向分类、根据断裂面的取向分类 正断；切断正断；切断 3 3、根据裂纹扩展的途径分类、根据裂纹扩展的途径分类 穿晶断裂；沿晶断穿晶断裂；沿晶断裂裂 4 4、根据断裂机理分类解理断裂，微孔聚集型断裂；、根据断裂机理分类解理断裂，微孔聚集型断裂；纯剪切断裂纯剪切断裂解理断裂、沿晶断裂和微孔聚合型的解理断裂、沿晶断裂和微孔聚合型的延性断裂，是指断裂的微观机制。延性断裂，是指断裂的微观机制。穿晶断裂和沿晶断裂，是指裂纹扩展穿晶断裂和沿晶断裂，是指裂纹扩展路线。路线。正断和切断，是指引发断裂的缘因和正断和切断，是指引发断裂的缘因和断裂面的取向；断裂面的取向；正断是由

5、正应力引起的，断裂面与最大正断是由正应力引起的，断裂面与最大主应力方向垂直；主应力方向垂直；切断是由切应力引起的，断裂面在最大切断是由切应力引起的，断裂面在最大切应力作用面内，而与最大主应力方向切应力作用面内，而与最大主应力方向呈呈45450 0。本章讨论在室温、单向加载时的金属的本章讨论在室温、单向加载时的金属的断裂，按脆性断裂和延性断裂分别进行断裂，按脆性断裂和延性断裂分别进行论述，包括断裂过程与微观机制，断裂论述，包括断裂过程与微观机制，断裂的基本理论以及韧的基本理论以及韧脆转化。脆转化。微孔聚合型断口解理型断口晶间断裂晶内断裂 以以14MnMoNbB14MnMoNbB为例（图为例（图1

6、111）5.2 5.2 脆性断裂脆性断裂 脆性断裂的宏观特征，理论上脆性断裂的宏观特征，理论上讲，是断裂前不发生塑性变形，而裂讲，是断裂前不发生塑性变形，而裂纹的扩展速度往往很快，接近音速。纹的扩展速度往往很快，接近音速。脆性断裂前无明显的征兆可寻，脆性断裂前无明显的征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的后果。因此，防止脆断。严重的后果。因此，防止脆断。16 2 2、脆性断裂、脆性断裂（1 1）断裂特点）断裂特点 断裂前基本不发生塑性变形，无明显前兆；断裂前基本不发生塑性变形，无明显前兆；断口与正应力垂直。断口与正应力垂直。（2 2）断口特征）断口特征

7、 平齐光亮，常呈放射状或结晶状；平齐光亮，常呈放射状或结晶状；人字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行。人字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行。材料的韧性与脆性行为会随环境条件而改变。材料的韧性与脆性行为会随环境条件而改变。例如：例如：TT、脆性、脆性。一般是变形。一般是变形75%75%为韧性为韧性断裂。断裂。5.2.1 5.2.1 解理断裂解理断裂 脆性断裂的微观机制有解理断裂和晶脆性断裂的微观机制有解理断裂和晶间断裂。间断裂。解理断裂是材料在拉应力的作用下，解理断裂是材料在拉应力的作用下，由于原于间结合键遭到破坏，严格地由于原于间结合键遭到破坏，严格地沿一定的结晶学平面沿一定的结晶学平面(即

8、所谓即所谓“解理解理面面”)劈开而造成的。劈开而造成的。解理面一般是表面能最小的晶面，且解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数的晶面。往往是低指数的晶面。解理断口的宏观形貌是较为平坦的、发解理断口的宏观形貌是较为平坦的、发亮的结晶状断面。亮的结晶状断面。解理断口的微观形貌似应为一个平坦完解理断口的微观形貌似应为一个平坦完整的晶面。但实际晶体总是有缺陷存在，整的晶面。但实际晶体总是有缺陷存在，如位错、第二相粒子等等。如位错、第二相粒子等等。解理断裂实际上不是沿单一的晶面，而解理断裂实际上不是沿单一的晶面，而是沿一族相互平行的晶面是沿一族相互平行的晶面(均为解理面均为解理面)解理而引起的。在

9、不同高度上的平行解解理而引起的。在不同高度上的平行解理面之间形成了所谓的解理台阶。在电理面之间形成了所谓的解理台阶。在电子显微镜下，解理断口的特征是河流状子显微镜下，解理断口的特征是河流状花样，如图花样，如图5-15-1所示。河流状花样是由所示。河流状花样是由解理台阶的侧面汇合而形成的。解理台阶的侧面汇合而形成的。20解理断裂的微观断口特征电镜观察解理断裂的微观断口特征电镜观察（1 1）河流状）河流状 解理台阶，汇合台阶高度足够大形成河流状花样。解理台阶，汇合台阶高度足够大形成河流状花样。裂纹跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面。裂纹跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面。解理台阶是

10、沿两个高度不同解理台阶是沿两个高度不同 的平行解理面上扩展的解理的平行解理面上扩展的解理 裂纹相交时形成的。裂纹相交时形成的。其方式为：解理裂纹与螺其方式为：解理裂纹与螺 位错相交形成；通过二次位错相交形成；通过二次 解理成撕裂形成。解理成撕裂形成。2122返回24 晶界对解理断口的影响。晶界对解理断口的影响。（a a）小角度倾斜晶界）小角度倾斜晶界 裂纹能越过晶界，裂纹能越过晶界，“河流河流”可延续到相邻可延续到相邻晶粒内。晶粒内。（b b）扭转晶界（位向差大）扭转晶界（位向差大）裂纹不能直接穿过晶界，必须重新形核。裂纹不能直接穿过晶界，必须重新形核。裂纹将沿若干组新的相互平等的解理面扩裂纹

11、将沿若干组新的相互平等的解理面扩展，形成新的展，形成新的“河流河流”。25（2 2）舌状花样）舌状花样 解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌状凹坑解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌状凹坑或凸台。或凸台。解理台阶可认为是通过解理裂纹与螺旋位错解理台阶可认为是通过解理裂纹与螺旋位错交割而形成；也可认为通过二次解理或撕裂而交割而形成；也可认为通过二次解理或撕裂而形成。解理断裂的另一个微观特征是舌状花样；形成。解理断裂的另一个微观特征是舌状花样；它类似于伸出来的小舌头，是解理裂纹沿孪晶它类似于伸出来的小舌头，是解理裂纹沿孪晶界扩展而留下的舌状凸台成凹坑。界扩展而留下的舌状凸台成凹坑。5.2.2 5.2.2 准解理断

12、裂准解理断裂 准解理断裂多在马氏体回火钢中出现。回准解理断裂多在马氏体回火钢中出现。回火产物中细小的碳化物质点影响裂纹的产火产物中细小的碳化物质点影响裂纹的产生和扩展。生和扩展。准解理断裂时，其解理面除准解理断裂时，其解理面除(001)(001)面外，面外，还有还有(110)(110)、(112)(112)等晶面。等晶面。解理小平面间有明显的撕裂棱。河流花样解理小平面间有明显的撕裂棱。河流花样已不十分明显。撕裂棱的形成过程可用图已不十分明显。撕裂棱的形成过程可用图5-85-8示意地说明，它是由一些单独形核的示意地说明，它是由一些单独形核的裂纹相互连接而形成的。裂纹相互连接而形成的。返回29由于

13、晶体内存在弥散硬质点，解理裂纹起由于晶体内存在弥散硬质点，解理裂纹起源于晶内硬质处点，形成从晶内某点发源源于晶内硬质处点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。的放射状河流花样。准解理不是独立的断裂机制。是解理断准解理不是独立的断裂机制。是解理断裂的变种。裂的变种。准解理的细节尚待研究，但已知它和解理断裂准解理的细节尚待研究，但已知它和解理断裂有如下的不同：有如下的不同：准解理裂纹常起源于晶内硬质点，向四周放射准解理裂纹常起源于晶内硬质点，向四周放射状地扩展，而解理裂纹则自晶界一侧向另一侧状地扩展，而解理裂纹则自晶界一侧向另一侧延伸；延伸；准解理断口有许多撕裂棱；准解理断口有许多撕裂棱；准解理断

14、口上局部区域出现韧窝，是解理与微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。孔聚合的混合型断裂。准解理断裂的主要机制仍是解理，其宏观表现准解理断裂的主要机制仍是解理，其宏观表现是脆性的。所以，常将准解理断裂归入脆性断是脆性的。所以，常将准解理断裂归入脆性断裂。裂。5.2.3 5.2.3 沿晶断裂沿晶断裂 沿晶断裂是裂纹沿晶界扩展的一种沿晶断裂是裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。脆性断裂。裂纹扩展总是沿着消耗能量最小，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。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。发生一般情况下，晶界不会开裂。发生沿晶断裂，势必由于

15、某种原因降低沿晶断裂，势必由于某种原因降低了晶界结合强度。了晶界结合强度。沿晶断裂的原因大致有：晶界存沿晶断裂的原因大致有：晶界存在连续分布的脆性第二相，微量在连续分布的脆性第二相，微量有害杂质元素在晶界上偏聚，由有害杂质元素在晶界上偏聚，由于环境介质的作用损害了晶界，如于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐蚀、应力和高温的复氢脆、应力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。合作用在晶界造成损伤。钢的高温回火脆性是微量有害元素钢的高温回火脆性是微量有害元素P,Sb,As,SnP,Sb,As,Sn等偏聚于晶界，降低了等偏聚于晶界，降低了晶界原子间的结合力，从而大大降晶界原子间的结合力，从而

16、大大降低了裂纹沿晶界扩展的抗力，导致低了裂纹沿晶界扩展的抗力，导致沿晶断裂。沿晶断裂。图图5-9 沿晶断裂的断口形貌沿晶断裂的断口形貌返回35穿晶断裂与沿晶断裂（微观）比较穿晶断裂与沿晶断裂（微观）比较特点：穿晶断裂，裂纹特点：穿晶断裂，裂纹穿过晶界。沿晶断裂，裂穿过晶界。沿晶断裂，裂纹沿晶扩展。纹沿晶扩展。穿晶断裂，可以是韧性穿晶断裂，可以是韧性或脆性断裂；两者有时可或脆性断裂；两者有时可混合发生。混合发生。沿晶断裂，多数是脆性断裂。沿晶断裂，多数是脆性断裂。5.3 5.3 理论断裂强度和脆断强度理论理论断裂强度和脆断强度理论5.3.1 5.3.1 理论断裂强度理论断裂强度 晶体的理论强度应

17、由原子间结晶体的理论强度应由原子间结合力决定，现估算如下：一完合力决定，现估算如下：一完整晶体在拉应力作用下，会产整晶体在拉应力作用下，会产生位移。原子间作用力与位移生位移。原子间作用力与位移的关系如图。的关系如图。曲线上的最高点代表晶体的最大结合力，即理论断曲线上的最高点代表晶体的最大结合力，即理论断裂强度。作为一级近似，该曲线可用正弦曲线表示裂强度。作为一级近似，该曲线可用正弦曲线表示 =m msin(2x/d)sin(2x/d)（5-15-1）式中式中x x为原子间位移为原子间位移,d,d为正弦曲线的波长。为正弦曲线的波长。如位移很小，则如位移很小，则sin(2x/d)=(2x/d)si

18、n(2x/d)=(2x/d)，于是，于是 =m m(2x/d)(2x/d)（5-25-2）根据虎克定律，在弹性状态下，根据虎克定律，在弹性状态下，=EE=Ex/a=Ex/a0 0 (5-3)(5-3)式中式中E E为弹性模量；为弹性模量；为弹性应变；为弹性应变；a a。为原子间的。为原子间的平衡距离。合并式（平衡距离。合并式（5-25-2）和（）和（5-35-3），消去），消去x x，得，得 m m=E/2a=E/2a0 0 (5-4)(5-4)另一方面，晶体脆性断裂时，形成两个另一方面，晶体脆性断裂时，形成两个新的表面，需要表面形成功新的表面，需要表面形成功22，其值，其值应等于释放出的弹性

19、应变能，可用图应等于释放出的弹性应变能，可用图5-5-1010中曲线下所包围的面积来计算得中曲线下所包围的面积来计算得:m m=（E/aE/a0 0）1/21/2 (5 56)6)这就是理想晶体解理断裂的理论断裂强这就是理想晶体解理断裂的理论断裂强度。可见，在度。可见，在E E，a a0 0一定时，一定时，mm与表面与表面能能有关，解理面往往是表面能最小的有关，解理面往往是表面能最小的面，可由此式得到理解。面，可由此式得到理解。如用实际晶体的如用实际晶体的E E，a a。，。，值代入式值代入式(5-6)(5-6)计算，例如铁，计算，例如铁，E=2E=2105 105 Pa,aPa,a0 0=2

20、.5=2.510-10-1010 m m，=2 J/m2,=2 J/m2,则则m m4 4104 104 MPaE/5MPaE/5。高强度钢，其强度只相当于高强度钢，其强度只相当于E/100E/100，相差，相差2020倍。倍。在实际晶体中必有某种缺陷在实际晶体中必有某种缺陷,使其断裂强使其断裂强度降低。度降低。5.3.2 5.3.2 格雷菲斯裂纹理论（格雷菲斯裂纹理论（GriffithGriffith）Griffith在1921年提出了裂纹理论。（1）出发点 材料中已存在裂纹；局部应力集 中；裂纹扩展（增加新的表面），系统弹性 （2）格雷菲斯模型a）单位厚度、无限宽薄板，仅施加一拉应力（平面

21、应力）。板内有一长度为2a，并垂直于应力的裂纹。板材每单位体积的弹性能为2/2E。长度为2a的裂纹，则原来弹性拉紧的平板就要释放弹性能。根据弹性理论计算，释放出来的弹性能为Ue=-2a2/E (5-7)形成新表面所需的表面能为W=4a (5-8)整个系统的能量变化为Ue+W=4a-2a2/E （5-9）系统能量随裂纹半长a的变化,如图 当裂纹增长到2ac后，若再增长，则系统的总能量下降。从能量观点来看，裂纹长度的继续增长将是自发过程。临界状态为:（Ue+W）/a=4-22a/E=0 （5-10）于是，裂纹失稳扩展的临界应力为:c=(2E/a)1/2 (5-11)临界裂纹半长为ac=2E/2 (

22、5-12)式(5-11)便是著名的Griffith公式。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;对于定裂纹长度a，外加应力达到c时,裂纹即失稳扩展。承受拉伸应力时，板材中半裂纹长度也有一个临界值ac，当a ac时，就会自动扩展。而当aac时，要使裂纹扩展须由外界提供能量，即增大外力。Griffith公式和理论断裂强度公式比较 m=（E/a0）1/2 c=(2E/a)1/2 在形式上两者是相同的。在研究裂纹扩展的动力和阻力时，基本概念都是基于能量的消长与变化。Griffith认为，裂纹尖端局部区域的材料强度可达其理论强度值。倘若由于应力集中的作用而使裂纹尖端的应力超过材料的理论

23、强度值，则裂纹扩展，引起断裂。根据弹性应力集中系数的计算,可以得到相似公式Griffith公式适用于陶瓷、玻璃这类脆性材料。Griffith-Orowan-Irwin公式实际金属材料在纹尖端处发生塑性变形，需要塑性变形功Wp，Wp的数值往往比表面能大几个量级，是裂纹扩展需要克服的主要阻力。因而，需要修正为:c=E（2+Wp）/a 1/2 (5-17)这就是Griffith-Orowan-Irwin公式。需要强调的是，Griffith理论的前提是材料中已存在着裂纹，但不涉及裂纹来源。5.3.3 5.3.3 脆性断裂的位错理论脆性断裂的位错理论*如果晶体原来并无裂纹，在应力作用下，如果晶体原来并无

24、裂纹，在应力作用下，能否形成裂纹，裂纹形成和扩展的机制，能否形成裂纹，裂纹形成和扩展的机制，正应力和切应力在裂纹形成及扩展过程正应力和切应力在裂纹形成及扩展过程中的作用，以及断裂前是否会产生局部中的作用，以及断裂前是否会产生局部的塑性变形等问题，需要研究解决。的塑性变形等问题，需要研究解决。用位错运动、塞积和相互作用来解释裂用位错运动、塞积和相互作用来解释裂纹的成核和扩展。纹的成核和扩展。5051材料断裂前总会产生一定的塑性变形。而塑性变形与位材料断裂前总会产生一定的塑性变形。而塑性变形与位错运动有关。错运动有关。1 1、位错塞积理论位错塞积头处，应力集中，超过材、位错塞积理论位错塞积头处，应

25、力集中，超过材料的强度极限，裂纹形成。料的强度极限，裂纹形成。该式与霍尔该式与霍尔培奇关系或同源；与格雷菲斯公式相同。培奇关系或同源；与格雷菲斯公式相同。21max)2/)(rdif 52 柯垂耳用能量分析法导出裂纹扩展的临界条件为：柯垂耳用能量分析法导出裂纹扩展的临界条件为：nnb b=2 =2 晶粒细化，材料的脆性减小。晶粒细化，材料的脆性减小。第二相质点的平均自由程入越小，材料的强度第二相质点的平均自由程入越小，材料的强度。该理论的缺点，在上述应力状态，相邻晶粒中的位该理论的缺点，在上述应力状态，相邻晶粒中的位错源能够开动。错源能够开动。2 2、位错反应理论、位错反应理论 位错反应，形成

26、新的位错，能量降低，有利于裂纹位错反应，形成新的位错，能量降低，有利于裂纹形核。形核。3 3、史密斯理论（脆性材料萌生裂纹）、史密斯理论（脆性材料萌生裂纹）位错塞积，在脆性相内萌生裂纹。位错塞积，在脆性相内萌生裂纹。裂纹向塑性材料中扩展的力学条件实际上是弹塑性条裂纹向塑性材料中扩展的力学条件实际上是弹塑性条件下，格雷菲斯公式件下，格雷菲斯公式53 延性断裂延性断裂 断口特征断口特征（一）韧性断裂（宏观）（一）韧性断裂（宏观）1 1、韧性断裂；、韧性断裂；（1 1）断裂特点：）断裂特点：断裂前产生明显断裂前产生明显宏观变形；过程缓慢；宏观变形；过程缓慢；断裂面一般平行于最大切应力，断裂面一般平行

27、于最大切应力，并与主应力成并与主应力成4545o o角。角。（2 2）断口特征）断口特征 断口呈纤维状，灰暗色。杯断口呈纤维状，灰暗色。杯锥状。锥状。断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇 纤维区：裂纹快速扩展。撕裂时塑性变形量大，放射纤维区：裂纹快速扩展。撕裂时塑性变形量大，放射线粗。线粗。剪切唇：切断。剪切唇：切断。（3 3）危害，不及脆性断裂，断裂前机件已变形失效。）危害，不及脆性断裂，断裂前机件已变形失效。5.4.1 5.4.1 延性断裂特征及过程延性断裂特征及过程 延性断裂的过程是：延性断裂的过程是：“微孔形核微孔形核微孔长微孔长大大微孔聚合微孔

28、聚合”三部曲。三部曲。当拉伸载荷达到最大值时，试样发生颈缩。当拉伸载荷达到最大值时，试样发生颈缩。在颈缩区形成三向拉应力状态，且在试样在颈缩区形成三向拉应力状态，且在试样的心部轴向应力最大。的心部轴向应力最大。在三向应力的作用下，使得试样心部的夹在三向应力的作用下，使得试样心部的夹杂物或第二相质点破裂，或者夹杂物或第杂物或第二相质点破裂，或者夹杂物或第二相质点与基体界面脱离结合而形成微孔。二相质点与基体界面脱离结合而形成微孔。增大外力，微孔在纵向与横向均长大；微增大外力，微孔在纵向与横向均长大；微孔不断长大并发生联接而形成大的中心空孔不断长大并发生联接而形成大的中心空腔。最后，沿腔。最后，沿4

29、5450 0方向切断，形成杯锥状断方向切断，形成杯锥状断口，见图口，见图5-16(e).5-16(e).延性断裂的微观特征是韧窝形貌，延性断裂的微观特征是韧窝形貌，在电子显微镜下，可以看到断口由许多在电子显微镜下，可以看到断口由许多凹进或凸出的微坑组成。在微坑中可以凹进或凸出的微坑组成。在微坑中可以发现有第二相粒子。发现有第二相粒子。一般情况下，宏观断裂是韧性的，断口一般情况下，宏观断裂是韧性的，断口的宏观形貌大多呈纤维状。的宏观形貌大多呈纤维状。韧窝的形状因应力状态而异。韧窝的形状因应力状态而异。在正应力作用下，韧窝是等轴形的；在正应力作用下，韧窝是等轴形的；在扭转载荷作用下，韧窝被拉长为椭

30、圆在扭转载荷作用下，韧窝被拉长为椭圆形。形。5.4.2 5.4.2 微孔形核，长大与聚合微孔形核，长大与聚合 实际金属中总有第二相粒子存在，它们是微孔成实际金属中总有第二相粒子存在，它们是微孔成核的源。核的源。第二相粒子分为两大类，第二相粒子分为两大类，一类是夹杂物，如钢中的硫化物，在不大的应力一类是夹杂物，如钢中的硫化物，在不大的应力作用下便与基体脱开或本身裂开而形成微孔；作用下便与基体脱开或本身裂开而形成微孔；另一类是强化相，如钢中的弥散的碳化物，另一类是强化相，如钢中的弥散的碳化物，合金合金中的弥散的强化相中的弥散的强化相,它们本身比较坚实，与基体结它们本身比较坚实，与基体结合比较牢固，

31、是位错塞积引起的应力集中或在高合比较牢固，是位错塞积引起的应力集中或在高应变条件下，第二相与基体塑性变形不协调而萌应变条件下，第二相与基体塑性变形不协调而萌生微孔的。生微孔的。微孔成核与长大的位错模型，如图微孔成核与长大的位错模型，如图5-18(a)-(f)5-18(a)-(f)所所示。示。58 微观断口特征微观断口特征 韧窝（火山口式，圆形，椭圆形）韧窝（火山口式，圆形，椭圆形）（1 1）韧窝形状）韧窝形状（a a）正应力）正应力 微孔的平面，形成等轴韧窝；微孔的平面，形成等轴韧窝；拉伸试样中心纤维区就是等轴韧窝。拉伸试样中心纤维区就是等轴韧窝。（b b）拉长韧窝）拉长韧窝 扭转、或双向不等

32、应力状态；切应扭转、或双向不等应力状态；切应力，形成拉长韧窝；力，形成拉长韧窝；（c c）撕裂韧窝）撕裂韧窝 拉、弯应力状态；拉、弯应力状态；（2 2）影响韧窝大小因数）影响韧窝大小因数 基体材料的塑性变形能力和应变硬化指数；基体材料的塑性变形能力和应变硬化指数；第二相质点的大小和密度。第二相质点的大小和密度。注意：微观上出现韧窝，宏观上不一定是韧性断裂。注意：微观上出现韧窝，宏观上不一定是韧性断裂。5960 微孔成核并逐渐长大，有两种不同的聚合模式。微孔成核并逐渐长大，有两种不同的聚合模式。一种是正常的聚合，即微孔长大后出现了一种是正常的聚合，即微孔长大后出现了“内内颈缩颈缩”，使实际承载的

33、面积减少而应力增加，使实际承载的面积减少而应力增加，起了起了“几何软化几何软化”作用。另一种聚合模式是裂作用。另一种聚合模式是裂纹尖端与微孔、或微孔与微孔之间产生了局部纹尖端与微孔、或微孔与微孔之间产生了局部滑移，由于这种局部的应变量大，产生了快速滑移，由于这种局部的应变量大，产生了快速剪切裂开。这种模式的微孔聚合速度快，消耗剪切裂开。这种模式的微孔聚合速度快，消耗的能量也较少，所以塑性韧性差。的能量也较少，所以塑性韧性差。目前,快速剪切裂开的认识还不够深入，但知道应变强化指数低的材料容易产生剪切裂开。这是因为应变强化阻碍已滑移区的进一步滑移，使滑移均匀，不易产生局部的剪切变形。此外,多向拉应

34、力促使材料处于脆性状态，也容易产生剪切断开。5.4.3 5.4.3 影响延性断裂的因素影响延性断裂的因素(1)(1)基体的形变强化，基体的形变强化指基体的形变强化，基体的形变强化指数越大，则塑性变形后的强化越强烈，哪数越大，则塑性变形后的强化越强烈，哪里变形，哪里便强化，其结果是各处均匀里变形，哪里便强化，其结果是各处均匀的变形。的变形。相反地，如果基体的形变强化指数小，则相反地，如果基体的形变强化指数小，则变形容易局部化，较易出现快速剪切裂开。变形容易局部化，较易出现快速剪切裂开。这种聚合模式塑性韧性低。这种聚合模式塑性韧性低。（2 2）第二相粒子）第二相粒子,钢的塑性下降；硫化物钢的塑性下

35、降；硫化物比碳化物的影响要明显得多。同时碳化物比碳化物的影响要明显得多。同时碳化物形状也对断裂应变有很大影响，球状的要形状也对断裂应变有很大影响，球状的要比片状的好很多。比片状的好很多。5.5 5.5 脆性脆性韧性转变韧性转变 工程上总是希望构件在韧性状态下工作，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。避免危险的脆性断裂。航空航天事业，安全第一。航空航天事业，安全第一。构件或材料是韧性或脆性状态，取决材构件或材料是韧性或脆性状态，取决材料本身的组织结构，还取决于应力状态，料本身的组织结构，还取决于应力状态，温度和加载速率等因素，并不是固定不温度和加载速率等因素，并不是固定不变的

36、，而是可以互相转化的。变的，而是可以互相转化的。5.5.1 5.5.1 应力状态及其柔度系数应力状态及其柔度系数 由材料力学可知，任何复杂的应力状态由材料力学可知，任何复杂的应力状态都可以用切应力和正应力表示。都可以用切应力和正应力表示。切应力促进塑性变形，对塑性韧性有利；拉应力切应力促进塑性变形，对塑性韧性有利；拉应力促进断裂，不利于塑性和韧性。促进断裂，不利于塑性和韧性。最大切应力最大切应力maxmax=（1 1-3 3）与最大当量正应力）与最大当量正应力S Smaxmax（S Smaxmax=1 1-（2 2+3 3）之比称为应力状）之比称为应力状态的柔度系数态的柔度系数(亦叫软性系数亦

37、叫软性系数)，即，即=maxmax/S/Smaxmax (5-21)(5-21)值愈大，应力状态愈值愈大，应力状态愈“柔柔”，愈易变形而较不，愈易变形而较不易开裂，即愈易处于韧性状态。易开裂，即愈易处于韧性状态。值愈小，则相反，愈易倾向脆性断裂。值愈小，则相反，愈易倾向脆性断裂。佛里德曼佛里德曼()力学状态图力学状态图00三向不等 拉伸 2sKsk=s5.5.2 5.5.2 温度和加载速率的影响温度和加载速率的影响 表面能表面能和弹性模量和弹性模量E E是决定断裂强度的主要因素。是决定断裂强度的主要因素。温度对表面能温度对表面能和弹性模量和弹性模量E E的影响不大，所以对断的影响不大，所以对断

38、裂强度影响不大。裂强度影响不大。温度对屈服强度影响很大，主要是因为温度有助于温度对屈服强度影响很大，主要是因为温度有助于激活激活F-RF-R位错源，有利于位错运动，使滑移易于进行。位错源，有利于位错运动，使滑移易于进行。所以，普通碳钢在室温或高温下，断裂前有较大的所以，普通碳钢在室温或高温下，断裂前有较大的塑性变形，是韧断。但低于某一温度，位错源激活塑性变形，是韧断。但低于某一温度，位错源激活受阻，难以产生塑性变形，断裂便可能变为脆性的受阻，难以产生塑性变形，断裂便可能变为脆性的了。了。00qsscnotchno notchStressTemperature 提高加载速率起着与温度相似的作用。

39、提高加载速率起着与温度相似的作用。加载速率提高，则相对形变速率增加，加载速率提高，则相对形变速率增加，相对形变速率超过某一限度相对形变速率超过某一限度(如如1010-1-1s)s)会限制塑性变形发展，使塑性变形极会限制塑性变形发展，使塑性变形极不均匀，结果变形抗力提高了，并在不均匀，结果变形抗力提高了，并在局部高应力区形成裂纹。局部高应力区形成裂纹。5.5.3 5.5.3 材料的微观结构的影响材料的微观结构的影响 影响韧性影响韧性-脆性转变的组织因素很多，也比较复脆性转变的组织因素很多，也比较复杂，主要有：杂，主要有：(1)(1)晶格类型的影响晶格类型的影响 面心立方晶格金属塑性、韧性好，体心

40、立方和密面心立方晶格金属塑性、韧性好，体心立方和密排六方金属的塑性、韧性较差。排六方金属的塑性、韧性较差。面心立方晶格的金属，如铜、铝、奥氏体钢，一面心立方晶格的金属，如铜、铝、奥氏体钢，一般不出现解理断裂而处于韧性状态，也没有韧般不出现解理断裂而处于韧性状态，也没有韧-脆转变，其韧性可以维持到低温。脆转变，其韧性可以维持到低温。体心立方晶格的金属，如铁、铬、钨和普通钢材，体心立方晶格的金属，如铁、铬、钨和普通钢材，韧脆转变受温度及加载速率的影响很大，因为在韧脆转变受温度及加载速率的影响很大，因为在低温和高加载速率下，它们易发生孪晶，也容易低温和高加载速率下，它们易发生孪晶，也容易激发解理断裂

41、。激发解理断裂。(2)2)成分的影响成分的影响 钢中含碳量增加，塑性变形钢中含碳量增加，塑性变形抗力增加，不仅冲击韧性降低，而且韧脆转抗力增加，不仅冲击韧性降低，而且韧脆转变温度明显提高，转变的温度范围也加宽了。变温度明显提高，转变的温度范围也加宽了。钢中的氧、氮、磷、硫、砷、锑和锡等杂质钢中的氧、氮、磷、硫、砷、锑和锡等杂质对韧性也是不利的。磷降低裂纹表面能，硅对韧性也是不利的。磷降低裂纹表面能，硅可限制交滑移，促进出现孪生，都起着提高可限制交滑移，促进出现孪生，都起着提高韧韧-脆转变温度的不利作用。脆转变温度的不利作用。合金元素的影响比较复杂，镍、锰以固溶状态存在，降低韧脆转变温度，这可能

42、与下列因素有关，提高了裂纹表面能；氮、碳等原子被吸收到Ni、Mn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。在钢中形成化合物的合金元素，如铬、钼、钛等，是通过细化晶粒和形成第二相质点来响韧脆转变温度的，它和热处理后的组织密切相关。(3)晶粒大小的影响 晶粒细，滑移距离短，在障碍物前塞积的位错数目较少，相应的应力集中较小，而且由于相邻晶粒取向不同，裂纹越过晶界有转折，需要消耗更多的能量；晶界对裂纹扩展有阻碍作用，裂纹能否越过晶界，往往是产不产生失稳扩展的关键。晶粒越细，则晶界越多，阻碍作用越大。晶粒细化既提高了材料的强度，又提高了它的塑性和韧性。形变强化、固溶强化。弥散强化(沉淀强化)等方法，在提高材料强度的同时，总要降低一些塑性和韧性。76油压式拉伸试验机油压式拉伸试验机下一张下一张返返 回回77传感器式拉伸试验机传感器式拉伸试验机下一张下一张78下一张下一张高温拉伸试验机高温拉伸试验机79高温抗弯试验机高温抗弯试验机返返 回回