第1章 金属断裂.ppt

* 第一章 金属材料的断裂过程（4学时） 第一节 晶体（金属）的断裂强度 1. 理论断裂强度（完整晶体拉断） 定义：将晶体的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的力σth。 下面求σth： 1）原子力的正弦化（近似） x很小时， → ， 。 → 2）能量平衡法求σth与E关系 ① σth与拉断外力做功W外关系 → ② W外与表面能及E的关系能量平衡， 通常， → ③ σth与E关系 实际金属的断裂应力仅为理论σth值的1/10~1/1000。原因何在？ 2. 实际断裂强度（格雷菲斯裂纹理论） 有裂纹，拉断（裂纹失稳扩展）看强度到底有什么变化。 条件：无限大板，单位厚度（面积为只乘长度） σth大小：晶须大小差不多, 大块材料 σc与σth差别原因：引出Griffith理论。 1）弹性体裂纹失稳扩展判据 无限大板拉紧再固定拉应力σ，单位厚度 主要研究有2c长裂纹后强度情况 ① 开长2c裂纹能量情况 a. 弹性能减少量（能量释放率） b. 表面能增加 Ws=(2c·1·γ)×2=4cγ ② 裂纹扩展 2c→2c+2dc a. 扩展单位面积释放能量（弹性能变化） We→We+dWe 2c·1→(2c+2dc) ·1 b. 形成单位新表面所需表面能 Ws→Ws+dWs 2c·1→(2c+2dc) ·1 c. 失稳条件（临界条件） → → ③ 有裂纹强度解释 从上面的公式，若加力前有2c裂纹，这时加到应力σc就断了。 例：典型陶瓷材料，E=3×1011Pa，γ=1J·m-2，σth= E/10= 3×1010Pa。有长度2c=2μm裂纹，由上公式得σc= 4×108 Pa，σc比σth低多了。 2）塑性体塑性扩展条件 临界条件： 实际金属中断裂前一定存在裂纹（或相当于裂纹），使断裂强度显著下降。 第二节 初生微裂纹来源（机制） 大量实验观察表明，显微裂纹总是在强烈塑变区产生，即裂纹形成与金属局部塑变有关，也就是与位错运动有关。 1. 甄纳-斯特罗位错塞积理论 (解理裂纹) 当σfmax达到材料的理论断裂强度σth时，则在σth作用下将使塞积群前端形成微裂纹。 以上所述主要涉及解理裂纹的形成，并不意味着由此形成的裂纹将迅速扩展而导致金属材料完全断裂。 滑移面上有效切应力 甄纳认为nb、长为r的楔形裂纹（空洞形位错），斯特罗应力形成裂纹 解理断的过程（三各阶段）： a) 塑性变形形成微裂纹； b) 裂纹在同一个晶粒内初期长大； c) 裂纹越过晶界向相邻晶粒扩展。 a) b) c) 2. 柯垂耳位错反应理论 (解理裂纹) 在α-Fe (bcc)中： 滑移面(110)，滑移方向[111]。 右图中两个正交滑移面（101）与（101）相交于解理面（001）中的[010]轴线。 若沿（101）和（101）各有柏氏矢量为a/2[111]和a/2[111]的平行位错列在交叉线上相遇，即可形成新位错a[001]，其反应式如下： a/2[111] + a/2[111] a[001] 因为反应后能量有所降低，故合成的新位错是稳定的，是不动位错。当塞积位错较多时，其多余的半原子排象楔子一样插入（001）中，使之解理开裂，形成裂纹。 3. 夹杂物边界形成微裂纹的Smith理论 (解理裂纹) 上述微裂纹形成模型都忽略了材料中的硬而脆的第二相粒子。这些粒子的形状、尺寸、分布将影响材料断裂的性质。粗碳化物粒子将促进钢发生解理断裂，而含细碳化物粒子的钢却表现出较好的韧性。基于此Smith提出了新的解理断模型。 σ 晶 界 碳 化 物 γc τ τ 铁素体γp 晶粒直径 d 裂纹 碳化物边界形成裂纹的Smith模型 根据Smith理论，塞积头前端造成拉应力集中，此应力将使碳化物开裂，其条件（此时τ=τc）： 碳化物中形成裂纹后，要使裂纹扩展到相邻铁素体中，还需克服铁素体的表面能，令γp为铁素体的比表面能与γc之和，则上式为： 若外加切应力分量处于上两式所确定的应力 和 之 间，则碳化物中形成裂纹后，尚需经过裂纹扩展阶段裂纹才 能通过相邻铁素体，这是一种裂纹扩展所控制的断裂。类似 柯垂耳模型的推导，可得到裂纹扩展所控制的断裂判据： 式中c0为碳化物片层厚度， c0↑， σm ↓，即该模型认为碳化物厚度是控制断裂的主要组织参数。 由上述几种裂纹形成模型可看出：裂纹一般均在有界面存在的地方，如晶界、相界、孪晶界等，因这些地方易造成位错塞积。实验结果也支持了这种观点。观察表明，裂纹经常都在晶界、亚晶界、孪晶界，孪晶交叉处