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1、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,一、断裂概述,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
2、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!,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。,断裂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。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。研究断裂的主要目的：防止断裂，以保证构件在服役 过程中的安全。,1、断裂的类型,（一）
3、、断裂分类 按照断裂性态分：断裂分为脆性断裂与韧性断裂；按照裂纹扩展途径分：穿晶断裂和沿晶（晶界）断裂；按照微观断裂机理分：解理断裂、微孔聚合断裂和 剪切断裂；按作用力的性质分:正断和切断,（二）关于各种断裂,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：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 一些塑性较好的金属
4、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：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
5、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,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 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。,微孔聚合型断裂：剪切断裂的
6、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。,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,正断和切断,正断：正应力引起切断：切应
7、力引起,正断与剪断的宏观与微观形式,2、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,原子间作用力最大,达到破坏,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。,理论断裂强度只与弹性模量、表面能和晶格间距等材料常数有关,对于铁，可以估算理论断裂强度mE
8、/10。目前强度最高的钢材为4500MPa左右，即实际材料的断裂强度比其理论值低13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。原因：大多数材料都是在较低的应力水平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，塑性较好的金属就属于这种。实际的材料不是完整的晶体，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。,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：在制造工艺过程中产生，如锻压和焊接等；二：在受力时由于塑性变形不均匀，当变形
9、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。,为了解决裂纹体的断裂强度问题，Griffith在1921年从能量平衡的观点出发，首先研究了含裂纹的玻璃强度，提出了这样的设想：由于材料中已有现成裂纹存在，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，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：,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：
10、1）Griffith发现刚拉制玻璃棒的弯曲强度为6GPa；而在空气中放置几小时后强度下降为成0.4GPa。其原因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，测其强度时发现，长度为12cm时，强度为275MPa；长度为0.6cm时，强度可达760MPa。这是由于试件长，含有危险裂纹的机会就多。,Griffith成功解释了材料实际断裂强度远低于理论强度的原因，说明了脆性断裂的本质：微裂纹扩展，且与实验相符。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。,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
11、塑性变形而使裂纹局部应力松弛下来。裂纹扩展功主要耗费在塑性变形（塑性变形功Wp，大约是表面能的1000倍）上，金属和陶瓷的断裂过程的主要区别也在这里。,Griffith-Orowan-Irwin公式,断口分析是重要的分析手段。,宏观断口:用肉眼或放大镜观察到的断口形貌3、断口分析 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,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。与拉力轴垂直，裂纹首先在该区域形成；颜色灰暗，表面有较大的起伏，如山脊状
12、，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R：紧挨着纤维区。表面较光亮平坦，有较细的放射状条纹，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。表面粗糙发深灰色。,三区域的大小、形态随试样和实验条件而变化。放射区较大，则材料的塑性低（该区是裂纹快速扩展部分，伴随的塑性变形也小）。塑性好的材料，必然表现为纤维区和剪切唇占很大比例，甚至中间的辐射区可以消失。脆性材料纤维区很小，剪切唇几乎没有。,塑性材料 脆性材料,材料尺寸
13、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。,断裂过程：裂纹萌生：力的作用下，材料内部断裂 某些薄弱区域产生微小 裂纹，作为核心。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,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：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；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。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。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
14、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、断裂分类按照断裂性态分：断裂分为脆性断裂与韧性断裂；按照裂纹扩展途径分：穿晶断裂和沿晶（晶界）断裂；按照微观断裂机理分：解理断裂、微孔聚合断裂和 剪切断裂；按作用力的性质分:正断和切断,1、韧断 脆断2、沿晶断裂 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）3、剪切断裂 韧断 微孔聚合型断裂 韧断 解理断裂 脆断4、正断 切断,二、断口分析,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。,三区域的大小、形态
15、随试样和实验条件而变化。放射区较大，则材料的塑性低（该区是裂纹快速扩展部分，伴随的塑性变形也小）。塑性好的材料，必然表现为纤维区和剪切唇占很大比例，甚至中间的辐射区可以消失。脆性材料纤维区很小，剪切唇几乎没有。,塑性材料 脆性材料,脆性断裂,韧性断裂,1解理断裂 2沿晶断裂,1变温引起的韧-脆转变 2环境引起的韧-脆转变 3影响韧脆转变的因素,脆性-韧性转变,1韧性断口 2微孔成核、长大和聚合 3影响韧性断裂扩展的因素,3.2 断裂过程及机制,1、脆性断裂,脆性断裂的宏观特征：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，裂纹的扩展速度往往很快，接近音速。断裂面和拉伸轴接近正交，断口
16、平齐。根据断裂前金属是否呈现有明显的塑性变形，可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂两大类。通常以单向拉伸时的断面收缩率大于5%者为韧性断裂，而小于5%者为脆性断裂。脆性断裂前无明显的征兆可寻，且断裂是突然发生的，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解理断裂。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(或称刻面)，这些小平面就是解理面或晶界面，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。脆性断裂的微观机制：解理断裂和沿晶断裂,（一）解理断裂,解理断裂：材料在拉应
17、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。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。,解理断裂常见于体心立方和密排六方金属中。当处于低温，或者应变速率较高，或者是有三向拉应力状态，都能促使解理断裂，在宏观上表现为脆性断裂。解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数的晶面。,解理断裂中裂纹萌生理论都有一个共同点：在材料内部存在强阻碍，阻止位错滑移，造成不均匀塑性变形，从而导致高应力集中并诱发微裂纹形核。位错塞积理论 位错反应理论,（1）裂纹形核
18、,位错塞积理论位错在运动过程中，遇到了障碍（如晶界、相界面等）而被塞积，在位错塞积群前端就会引起应力集中。塞积位错越多，应力集中程度越大。当此应力大于界面结合力或脆性第二相或夹杂物本身的结合力时，就会在界面或脆性相中形成裂纹核。位错反应理论在相交的滑移面上，由于位错反应发生了同号位错的聚合，便形成了微裂纹。,（2）裂纹扩展,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是沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂，所以解理断口的宏观形貌：较为平坦的、发亮的
19、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粒大小的晶面(均为解理面)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。,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理台阶。河流花样是解理台阶的一种标志。河流花样和舌状花样是解理断裂的两种基本微观特征。,解理断烈的微观特征之一：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。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。所以河流的流向(一些支流的汇合方向)即为裂
20、纹扩展方向，,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。裂纹多萌生于晶界或亚晶界。,解理断裂的另一个微观特征：舌状花样,它是解理裂纹沿孪晶界扩展，越过孪晶后再在解理面扩展，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中，宏观上属于脆性断裂。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是：准解理小平面不是晶体学解理
21、面真正解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹则常源于晶内硬质点，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）准解理断裂,与解理断裂有相同的解理面，也有河流花样。区别：1)主裂纹的走向不太清晰，河流花样源已不十分明显（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纹相连）2)在晶粒内部有许多短而弯曲的撕裂棱。3)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。,准解理裂纹常起源于晶内硬质点，向四周放射状地扩展（解理裂纹则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，是解理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
22、，其宏观表现是脆性。,当晶界成为组织中最薄弱的部位时，那么在解理或滑移前就会发生晶界开裂，多数晶界开裂形成的微裂纹互相连接就导致了沿晶断裂。沿晶断裂是裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。,（二）沿晶断裂,沿晶断裂的断口形貌,沿晶断裂特点：在断面上可看到晶粒轮廓线或多边体晶粒的截面图，如图示。,沿晶断裂成因：晶粒边界的结合强度远比晶内要低，脆性裂纹就会择优在晶界形核，并沿晶界扩展。,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。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。,
23、举例：钢的高温回火脆性微量有害元素P,Sb,As,Sn等偏聚于晶界，降低了晶界原子间的结合力，从而大大降低了裂纹沿晶界扩展的抗力，导致沿晶断裂。,沿晶（晶界）断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晶状，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,韧性断裂在断裂前金属经受了较大的塑性变形，其断口呈纤维状，灰暗无光。韧性断裂主要是微孔聚合断裂。如果是单晶体，可能是纯剪切断裂。,韧性断裂的过程是：“微孔形核微孔长大微孔聚合”,（一）韧性断裂的过程,（1）微孔成核实际金属中总有第二相粒子存在，它们是微孔成核的源。
24、,很脆的夹杂物,本身坚实，与基体结合牢固的强化相,在不大的应力作用下，夹杂物粒子便与基体脱开，或本身裂开而成为微孔,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生微孔的。,第二相粒子,如钢中的硫化物,如钢中的碳化物,（2）微孔长大,位错源不断激发新的位错，新的位错并入微孔，微孔就不断长大,位错线运动遇到第二相质点时，在其周围形成位错环，图(a),位错长大模型,（3）微孔聚合,裂纹尖端与微孔、微孔与微孔间产生局部滑移,局部变形量大，产生了快速剪切裂开。微孔聚合速度快，消耗的能量也较少，所以韧性差。,正常聚合,过程,在较大应力下，微孔继续长大，直至其边缘连在一起，聚合成
25、裂纹。,变形均匀的，速度较慢，消耗的能量较多，韧性较好。基体的形变强化指数越高，微孔长大直至聚合的过程越慢，韧性越好。,特点,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。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腔。最后，沿450方向切断，形成杯锥状断口。,空洞形核、长大并连接就导致韧断，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。例如A1-Fe-Mo以及含SiC的A1合金，断裂应
26、变很小，属于脆断，但微观断口由韧窝构成。,（二）韧性断口形貌杯锥状断口,光滑圆柱拉伸试样,放射区,纤维区,剪切唇,断口宏观特征,韧性断裂的微观特征：韧窝形貌 断口由许多凹进或凸出的微坑组成。在微坑中可以发现有第二相粒子。,韧窝的形状因应力状态而异：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,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。,韧窝的形状取决于应力状态韧窝的大小和深浅取决于第二相的数量分布以及基体的塑性变形能力。第二相较少、均匀分布以及基体的塑性变形能力强，则韧窝大而深；基体的加工硬化能力很强，则得到大而浅的韧窝。,（三）影响韧性断裂的因素,第二相
27、粒子随第二相体积分数的增加，钢的韧性都下降，硫化物比碳化物对钢的塑性下降的的影响要明显得多。同时碳化物形状也对断裂应变有很大影响，球状的要比片状的好得多。,基体的形变强化基体的形变强化指数越大，塑性变形后的强化越强烈，变形更均匀。微孔长大后的聚合，将按正常模式进行，韧性好。相反地，如果基体的形变强化指数小，变形容易局部化，较易出现快速剪切裂开，韧性低。,（四）韧性断裂的特点,韧性断裂前已发生了较大的塑性变形，断裂时要消耗相当多的能量，所以韧性断裂是一种高能量的吸收过程；在小裂纹不断扩大和聚合过程中，又有新裂纹不断产生，所以韧性断裂通常表现为多断裂源；韧性断裂的裂纹扩展的临界应力大于裂纹形核的临
28、界应力，所以韧性断裂是个缓慢的撕裂过程；随着变形的不断进行裂纹不断生成、扩展和集聚，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，避免危险的脆性断裂。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 应力状态、温度、加载速率等因素 并不是固定不变而是可以互相转化的,3、脆性韧性转变,体心立方金属及合金或某些密排六方晶体金属及合金，尤其是工程上常用的中、低强度结构钢，当试验温度低于某一温度tc时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性，又称韧脆转变现象转变温度tc称为韧脆转变温
29、度或冷脆转变温度面心立方金属及合金一般没有低温脆性现象系列冲击试验可以评定材料的低温脆性,（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。,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。Tc可用于抗脆断设计，但不能直接用来设
30、计计算机件的承载能力或截面尺寸。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1.39%的低碳钢在-10010范围内的系列冲击试验结果,（二）韧脆转化温度评价方法,系列冲击试验结果表明温度降低，冲击值迅速下降。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。温度降到-60 时，冲击值非常低，为完全的脆性状态。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,（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
31、最严格定义tc的方法。NDT以下，断口由100%结晶区组成。（2）高于某一温度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.,（3）以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义，并记为FTE（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。,温度降低纤维区面积减小结晶区增大。,（5）通常取结晶区面积占整个断口面积50时
32、的温度为tc，并记为50FATT。50%FATT与断裂韧度开始急剧降低的温度有较好的对应关系，所以应用广泛。,(1)晶格类型晶体结构越复杂，对称性越差，位错运动时晶格阻力越高，且随温度变化越敏感，本质上脆性越大。面心立方晶格金属塑性、韧性好，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-脆转变，其韧性可以维持到低温。为本质韧性材料。体心立方晶格金属，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，在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。为本质脆性材料。,（三）材料低温脆性的影响因素,(2)成分间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度提高.钢
33、中含碳量增加，塑性变形抗力增加，不仅冲击韧性降低，而且韧脆转变温度明显提高，转变的温度范围也加宽。,(2)成分钢中的氧、氮、磷、硫、砷、锑和锡等杂质对韧性也不利。这是由于它们偏聚于晶界，降低晶界表面能，产生沿晶脆性断裂，同时降低脆断应力所致。镍、锰以固溶状态存在，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，提高了裂纹表面能，降低韧脆转变温度；,(3)晶粒大小 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 晶粒细化提高了脆断强度，有利于发生延性断裂，降低韧-脆转变温
34、度。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料的韧性,（4）显微组织：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、第二相性质及其与基体的结合力等因素。一般第二相尺寸增加，材料的韧性下降。韧脆转化温度升高。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。球化处理能改善钢的韧性,（5）加载速度的影响,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。中、低强度钢的韧脆转变温度对加载速率比较敏感，而高
35、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。,3.3 非金属材料的断裂 自学,三、断裂韧度,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。20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，就认为是安全的了。对塑性材料以屈服强度为标准：许用应力=S/n n一般取2或更大。对脆性材料，以抗拉强度为标准：许用应力=b/n
36、 n一般取6,因为传统力学中把材料看成是均匀的，没有缺陷没有裂纹的理想固体，但是实际工程材料，在加工及使用过程中，都会产生宏观缺陷乃至宏观裂纹。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。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,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。断裂力学是假设存在固有裂纹，对裂纹体的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的关系。断
37、裂力学：研究裂纹体的力学，引入断裂韧度。,（一）裂纹扩展的基本形式张开型：拉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。最常见、最危险,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。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，又称横向剪切型裂纹。受扭转作用的构件裂纹属于此类。,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。
38、,（二）应力场强度因子K和断裂韧度KC,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。对于型裂纹试样，其裂纹尖端处于复杂的应力状态。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y K应力强度因子,欧文等人对型裂纹尖端应力进行分析，得出裂纹周围的应力场为,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，十分复杂。,、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。K可以表示应力场的强弱程度，即之前的应力强度因子。,K表示型裂纹，同理，K K分别
39、表示为型和型裂纹的应力场强度因子。,应力强度因子K是取决于名义应力和裂纹尺寸a的复合参量。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。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。这个临界应力强度因子便称为断裂韧度KC 表征了材料抵抗断裂的能力。,Y裂纹形状系数；a裂纹半长,K和KC的区别,K和KC是不同的量。K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。与外加应力和裂纹长度有关。当应力和裂纹尺寸a增大时，应力强度因子K也增大。但它与材料的固有性能无关。而
40、KC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，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）,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可表达为：K=KC C 所以，要保证K KC或 KC,不会发生断裂，这种情况叫做破损安全。,（四）断裂韧性KIc的应用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。（1）确定构件的安全性 材料的KIc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KI和KIc
41、进行比较，若 KI KIc，构件是安全的，若 KI KIc，构件是危险的,（2）确定构件的承载能力，即计算构件的断裂强度（c）材料的K1c是已知的，通过超声波探伤测出a，根据公式 计算出断裂强度即可。,（3）确定裂纹允许存在的最大尺寸（ac）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相比较若 aac，构件是安全的；若 aac，构件是危险的,3、影响材料断裂韧度的因素（拓展）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（一）化学成分、组织结构对断裂韧度的影响 对
42、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）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：细化晶粒的合金元素因提高强度和塑性，可使断裂韧度提高；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；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a.一般来说，基体相晶体
43、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.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）夹杂和第二相的影响 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
44、时，可以提高材料的断裂韧度,（4）显微组织的影响 显微组织的类型和亚结构将影响材料的断裂韧度 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 环境因素、加载条件对材料的断裂韧度都有影响（1）温度 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）应变速率 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 10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Homework,画图说明何为沿晶断裂、穿晶断裂？说明解理断裂、沿晶断裂和微孔聚集断裂的形貌特征。列举三种韧脆转变温度的评价方法什么叫断裂韧度，并说明K和KC的区别书P141，第14题,
