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1、1,材料断口分析Fracture and Fractography,潘 清 林中南大学材料学院,2,断 裂 现 象,3,4,5,6,7,送检的爆裂金属件残骸（燃烧室内腔）,燃烧室复原形貌,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,概 述一、基本概念断裂：材料在特定条件（、T、介质）下分成两个或 几个部分的现象。或具有有限面积的几何表面发生 分离的过程。断口：断裂后的自由表面或横截面。断裂与断口的关系：1.断裂是裂纹萌生和扩展的过程；断口是裂纹所扫过的 面积。2.断裂是动态的变化过程；断口是断裂的静态反映。,30,断口
2、分析：对断口形貌（宏观、微观）进行分析研究的 方法。或称为断口学（Fractography）。它是 研究材料断口形貌、断裂原因与断裂机理之 间关系的一门科学。断口忠实地记录了断裂的动态变化过程，如果对其形貌特征进行全面的分析研究，就可以了解断裂的全过程，这样就将一个复杂的动态问题断裂，简化为用静态方法断口分析来研究。,31,二、学习本门课程的目的与意义目的：寻找断裂原因；分析研究断裂机理；提出有效的改进措施。意义：防止事故发生，减少损失；提出改进方法和预防措施，提高产品使用寿命。,32,三、主要内容1.金属断裂（类型、过程、机理、形貌特征、实例）2.断口分析方法和技术3.断裂失效分析具体分八章
3、：1.金属的断裂（类型、断口三要素、过程、断裂强度）2.韧性断裂（滑移分离）3.解理断裂（准解理断裂）4.沿晶断裂5.环境断裂（SCC、氢脆、蠕变等）6.疲劳断裂7.工程实际断裂分析（材料加工、P/M）8.断口分析技术,33,四、教学方法、教材与参考书教学方法：讲授与自学相结合教材：崔约贤编著：金属断口分析，哈工大出版社，1998参考书：上交大，金属断口分析，国防工业出版社，1979 哈宽富著，断裂物理基础，科学出版社，2000 钟群鹏编著，断口学，高等教育出版社，2006 金属损伤图谱（An Atlas of Metals Damage),34,第一章 金属的断裂 1 断裂分类 2 断口三要
4、素 3 断裂过程 4 断裂强度,35,1 断裂分类1.断裂性质 塑性断裂：断裂前发生较大的塑性变形，断口呈暗灰色纤维状 脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口为光亮的结晶状，较平整 一般地：断面收缩率2-5%称之为脆断，这种材料称为脆性材 料，反之成为韧性材料。脆断是一种突发性断裂，断裂前基本上不发生明显的塑性变形，没有明显的征兆，因而危害性很大。,36,脆断的特点：1.断裂时承受的工作应力很低，一般低于0.22.裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始3.T，脆断倾向4.断口平齐、光亮，且与正应力垂直，断口上常 呈人字纹或放射性花样,37,2、断裂路径沿晶断裂：裂纹萌生和发展是在晶界处发生的过程穿
5、晶断裂：裂纹萌生和发展是在晶粒内部处发生的过程穿晶断裂可以是韧性的（微孔聚集型断裂），也可以是脆性的（解理 断裂、穿晶应力腐蚀断裂）沿晶断裂多为脆断（氢脆断裂），少数为韧性断裂（高温蠕变断裂）,38,3、断裂方式正断：断裂的宏观表面垂直于max方向，断口较平 整。电子图象可能出现韧窝花样、河流花样切断：断裂宏观表面平行于max方向。断口宏观形貌为抛物线状的韧窝花样,39,4.断裂机理 韧窝断裂（dimple fracture)解理断裂（cleavage fracture)疲劳断裂（fatigue fracture)环境断裂（蠕变、SCC、氢脆）解理断裂：这是一种在正应力作用下所产生的穿晶断裂，
6、通常断裂面是严格 沿一定的晶面（解理面）而分离。bcc、hcp在低温、冲击载荷作用下常发生解理断裂注意：通常解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂,40,剪切断裂：在切应力作用下，沿滑移面滑移而造成的滑 移面分离的断裂。它包括：滑断（纯剪切型断裂）纯金属、单晶体金属。断口呈锋利楔形或刀尖形微孔聚集型断裂大多数钢铁材料、有色金属材料,41,5.其它应力状态：静载断裂（拉伸、剪切、扭转）动载断裂（冲击、疲劳）裂纹扩展速度：快速断裂（拉伸、冲击）缓慢断裂（疲劳）延迟断裂（SCC、氢脆）断裂能量：低能断裂（结晶学断裂）中能断裂 高能断裂（非结晶学断裂）,42,2 断口三要素一、断口三要素的内
7、容与特点光滑园柱形试样的拉伸变形过程：均匀变形缩颈断裂（杯锥状断口）,cup and cone,43,断口三要素,44,三要素：纤维状区（fibrous zone）;放射状区（radial zone）;剪切唇区（shear lip）纤维区：位于断口中央，与外加应力垂直，呈粗糙的纤维状园环形花样；暗灰色，常可观察到显微空洞和锯齿状；其底部晶粒被拉长象纤维一样，为裂纹萌生区放射区：具有放射花样特征（脆断特征）放射线的发散或收敛方向为裂纹扩展方向 纤维区与放射区交界线标志着裂纹由稳定 扩展向快速扩展（失稳扩展的转化）剪切唇：表面较光滑，与拉应力方向呈45 切断区域，有金属光泽，呈灰色鹅毛状,45,二
8、、断口三要素的分布类型F、R、SF、S160光滑园柱拉伸试样断口R、S低合金钢在160条件拉伸或冲击断口S纯剪切型断口或薄板拉伸断口,46,三、影响因素1.试验温度 T，F S R2.试样尺寸 t，F S R3.试样形状,试 样 形 状,47,四、断口三要素的应用 根据断口三要素可以判断裂纹源的位置及宏观裂纹扩展方向裂纹源的确定：利用纤维区，通常情况裂源位于纤维区的中心部位，因此找到纤维 区的位置就找到了裂源的位置；利用放射区形貌特征，一般情况下，放射条纹的收敛处为裂源位 置；根据剪切唇形貌特征来判断，通常情况下裂纹处无剪切唇形貌特 征，而裂源在材料表面上萌生。,48,裂纹扩展方向的确定：纤维
9、区指向剪切唇放射条纹的发散方向板状样呈现人字纹（chevron pattern）其反方向为 源扩展方向,49,3 断裂过程 裂纹形成 裂纹扩展：亚稳扩展（亚临界扩展阶段）失稳扩展,50,裂纹形成的位错理论（裂纹形成模型或机制）1.位错塞积理论stroh理论2.位错反应理论cottrel理论3.位错墙侧移理论4.位错交滑移成核理论5.同号刃位错聚集成核理论,51,问题：裂纹形成只与外加切应力有关，而与应力状态无关，与实际不符；未考虑第二相粒子的影响。,位错塞积理论stroh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
10、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。,52,问题：未考虑材料中的第二相粒子，因它们 的形状和分布影响断裂性质,位错反应理论cottrel理论,如图所示，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。在体心立方中，两位错相遇反应的结果，可在解理面上形成不易滑移的001刃型位错，刃型位错的合并即是体心立方的解理面（001）面上形成解理裂纹。,53,位错墙侧移理论,由于刃型位错的垂直排列构成了位错墙，同时引起滑移面的弯折而使裂口形核，裂口面将是和滑移面重合。密排六方金属沿滑移面断裂的原因正是这一理论。,位错消毁理论,在
11、外力作用下位错发生相对运动，若两个相距为h10个原子间距的平行滑移面上，存在有异号刃型位错，当它们相互接近后，就会彼此合并而消毁，便在中心处形成孔隙，随着滑移的进行，孔隙逐渐扩大，形成长条形空洞。,55,其 它 模 型,位错交滑移,同号位错聚集,56,裂纹扩展两阶段：亚稳扩展：裂纹自形成而扩展至临界长度的过程特点：扩展速度慢，停止加载，裂纹停止扩展 裂纹总是沿需要消耗扩展功最小的路径，条 件不同，亚稳扩展方式、路径、速度也各不相同失稳扩展：裂纹自临界长度扩展至断裂特点：速度快，最大可达声速；扩展功小，消耗的能量小；危害性大，总是脆断,57,第四节 断裂强度,一、理论断裂强度m1.定义：如果一个
12、完整的晶体，在拉应力作用下，使材料沿某原子面发生分离，这时的f就是理论断裂强度。,断裂强度f：指原子面发生分离时所需要的真应力 大小。,58,当 x很小时，sinx=x,则：,其中:m理论断裂强度 x为原子偏离平衡位置的位移xaa0,假设原子间结合力随原子间距按正弦曲线变化，周期为，则:,2.断裂强度计算,（1）,59,当 x很小时，和之间仍符合虎克定律，则：,（2）,由（1）、（2）式可得：,（3）,60,当晶体材料在外力作用下，产生很小的变形，原子面就发生分离，这时分离过程所作的功，应等于形成两个新表面所需要的能量。形成单位裂纹表面外力所做的功应为x曲线下所包围的面积。根据能量守恒：,代入
13、（3）式得：,（4）,理论断裂强度,61,一般固体材料,而实际材料的,?,材料中存在原始裂纹、缺口、夹杂物等缺陷，造成局部应力集中，达到m 而断裂,62,二、Griffith 缺口强度理论,为了解决 m比f 值大23个数量级的问题，早在1920年就提出了缺口强度理论。,1.Griffith 理论的基本观点 在试验之前，材料中原来就存在裂纹，由于裂纹存在将引起应力集中，裂纹尖端处的应力比平均应力高得多，当此处应力达到 m值时，裂纹将迅速扩展而断裂，因此断裂时的平均应力远小于理论强度值。,63,由图可知：当裂纹达到临界尺寸ac时，总能量变化达到极大值。根据求极值的方法，可求出带裂纹的断裂强度c,2
14、.Griffith缺口强度c的计算,驱动力：裂纹形成时释放的弹性应变能 Ue阻力：裂纹形成时新增的表面能 W,此时物体中的总能量变化为,64,令,即,可得,Griffith判据,对于一定尺寸的裂纹，有一临界应力值c,当外加应力 裂纹不能扩展,裂纹迅速扩展，最终导致断裂,65,讨论：1.在脆性材料中，裂纹扩展所需的应力与裂纹半长的平方根成反比，裂纹越长，越容易失稳。2.如外加应力不变，而裂纹在物体服役时不断长大，则当裂纹长大到也达到失稳扩展的临界状态。,66,3.比较m和c,由于裂纹长度aa0，因此mc,Griffith 公式的物理意义：裂纹尖端引起的应力集中相当于将外力放大 倍，使局部地区达到m而导致断裂。,67,3.Griffith理论优缺点：Griffith公式只适用脆性材料，如玻璃，金刚石，超高强钢等，也就是只适用于那些裂纹尖端塑性变形功可以忽略的情况。对于一些断裂前产生明显塑性变形的金属，为了采用Griffith判据，需修正,up为塑性变形功,68,Griffith判据只是个必要条件，但它不是个充分条件，因为当裂纹满足能量条件时，裂纹尖端应力并不一定等于m；对于一些不存在原始裂纹的金属，Griffith公式无法解释实际f低的原因。,完,
