金属材料力学性能第一章 单向静拉伸课件.ppt

沿晶断裂原因： ①晶界存在连续分布的脆性第二相；②微量有害杂质元素在晶界上偏聚；③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。 钢的高温回火脆性：微量元素晶界偏聚：P,Sb,As,Sn等。 纯剪切断裂：应变强化指数低产生剪切裂开。原因：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,多向拉应力促使材料处于脆性状态，也容易产生剪切断开。 4.4 断裂机理：纯剪切、微孔聚集型、解理 4.4.1 解理断裂 1. 概念：金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值时，以极快速率沿一定的晶体学平面产生的穿晶断裂。 * 解理面：解理断裂中产生穿晶断裂的一定晶体学平面。一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数的晶面。 解理断口的宏观形貌是较为平坦的、发亮的结晶状断面。 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，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，而是沿一族相互平行的晶面(均为解理面)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。在电子显微镜下，解理断口的特征是河流状花样，如图5-1所示。河流状花样是由解理台阶的侧面汇合而形成的。 解理台阶可认为是通过解理裂纹与螺旋位错交割而形成，见图5-2；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，见图5-5；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。 4.4.2 准解理断裂 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生和扩展。 准解理断裂时，其解理面除(001)面外，还有(110)、(112)等晶面。 解理小平面间有明显的撕裂棱。河流花样已不十分明显。撕裂棱的形成过程是由一些单独形核的裂纹相互连接而形成的。 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： 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延伸； 准解理断口有许多撕裂棱； 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，其宏观表现是脆性的。所以，常将准解理断裂归入脆性断裂。 断裂机理（裂纹形成与扩展） 裂纹形成的位错理论 1）甄纳-斯特罗位错塞积理论 2）柯垂耳位错反应理论 微孔长大：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。 二） 微孔聚集型断裂 延性断裂的过程是：“微孔形核—微孔长大—微孔聚合”三部曲。 微孔形核：颈缩区，三向拉应力状态。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。 微孔形核-长大模型 延性断裂的微观特征是韧窝形貌 a)等轴韧窝 b) 等轴韧窝 c)等轴韧窝 等轴韧窝 拉长韧窝 5.3 理论断裂强度和脆断强度理论 5.3.1 理论断裂强度 原子间作用力与原子间位移关系曲线 σ=σmsin(2πx/ λ) （5-1） σ=σm(2πx/ λ) （5-2） σ=Eε=Ex/a0 (5-3) σm=λE/2πa0 (5-4) 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2γ，其值应等于释放出的弹性应变能，可用图5-10中曲线下所包围的面积来计算得: σm=（Eγ/a0）1/2 (5—6) 这就是理想晶体解理断裂的理论断裂强度。可见，在E，a0一定时，σm与表面能γ有关，解理面往往是表面能最小的面，可由此式得到理解。 如用实际晶体的E，a。，γ值代入式(5-6)计算，例如铁，E=2×105 MPa,a0=2.5×10-10 m，γ=2 J/m2, 则σm＝4×104 MPa≈E/5。 高强度钢，其强度只相当于E/100，相差20倍。 在实际晶体中必有某种缺陷,使其断裂强度降低。 5.3.2 Griffith理论 Griffith在1921年提出了裂纹理论。 Griffith假定在实际材料中存在着裂纹，当名义应力还很低时，裂纹尖端的局部应力已达到很高的数值，从而使裂纹快速扩展，并导致脆性断裂。 设想有一单位厚度的无限宽形板，对其施加一拉应力后，与外界隔绝能源（图5-11)。 板材每单位体积的弹性能为σ2/2E。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=-πσ2a2/E (5-7) 形成新表面所需的