第6章金属的断裂过程——本科要点解析.ppt

金属力学性能 第6章 金属的断裂过程 本章内容 6.1 断裂的分类 6.2 金属的延性断裂 6.3 解理断裂 6.4 准解理断裂 6.5 沿晶断裂 6.6 断裂的宏观强度理论 6.1 断裂的分类 材料的失效：过量弹性变形；过量塑性变形；断裂。以弹性零件和车轴为例。 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） 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 应力、温度、加载方式、环境介质等都影响断裂行为 一次加载断裂；疲劳断裂；高温蠕变断裂；低温脆性断裂；应力腐蚀断裂 断裂的基本类型 1、根据断裂前塑性变形大小分类：脆性断裂；韧性断裂 2、根据断裂面的取向分类：正断；切断 3、根据裂纹扩展的途径分类：穿晶断裂；沿晶断裂 4、根据断裂机理分类：解理断裂，微孔聚集型断裂；纯剪切断裂 断裂类型的划分一般从两个层次： 一是宏观断裂特征，如脆性和韧性； 二是微观断裂过程/机制 举例：SiCw/Al复合材料的断裂分析 宏观脆性断裂，断裂应变小于1％ 但微观上呈现微孔聚集型断裂特征 因此不能说微孔聚集型断裂一定为韧性断裂 6.2 金属的延性断裂 纯剪切断裂（切离） 一般发生在纯金属或较软金属中，如Pb－Sn金属中 单晶体：单系滑移，沿滑移面分离 多晶体：多个滑移系同时开动 微孔聚集型断裂过程中也会 发生切离过程 微孔聚集型断裂及断口特征 （1）断裂特点： 断裂前产生明显宏观变形；过程缓慢； 中心断裂面垂直于最大正应力； 边缘断裂面平行于最大 切应力，与主应力成45度 发生在低碳钢、调质或退火 中碳钢、时效铝合金等 （2）断口特征 杯——锥状 断口三要素：纤维区、星芒区（放射区）、剪切唇 纤维区：纤维状，灰暗色： 星芒区：裂纹快速扩展。撕裂时塑性变形量大，放射线粗 剪切唇：切断。 （3）危害： 不及脆性断裂 断裂前机件已变形失效 微孔聚集型断裂机理和微观断口特征 1、断裂机理 （1）微孔形核 点缺陷聚集；第二相质点碎裂或脱落；位错引起的应力集中，不均匀塑性形变。 （2）微孔长大 滑移面上的位错向微孔运动，使其长大。 （3）微孔聚合 应力集中处，裂纹向前推进一定长度。 微孔形成方式 1）第二相与基体的界面结合较弱时，通过界面脱粘在第二相/基体界面形成裂纹 2）第二相与基体的界面结合较强时，通过变形协调位错产生 3）第二相质点的断裂 4）晶界处（往往由应力集中导致） 微孔扩展和长大过程 1）在第二相界面处 形成裂纹后，外加应 力作用下，裂纹首先 沿着界面扩展，形成 围绕第二相的圆环，形成微孔（红）； 2）拉应力作用下，微孔沿应力方向伸长，形成椭圆形（蓝）； 3）随着椭圆增大，质点 面上的承载面积减小， 变形逐渐集中到质点 面上，在此处形成水平 椭圆，得到颈缩区域 （阴影线区域） 4）阴影线区域类似于颈缩后拉伸试样，发生切离断裂，微孔聚合，形成宏观断裂裂纹 讨论： “ 2）拉应力作用下，微孔 沿应力方向伸长，形成椭 圆形”过程决定了韧窝的 深浅； 抑制颈缩的能力决定韧窝深浅！ “4）阴影线区域发生切离断裂， 形成宏观断裂裂纹”过程发生材料的切离，尽管材料内含有第二相，在此颈缩区域，没有第二相的影响，类似于纯金属。因此基体金属对断裂过程的影响主要通过此过程实现； “4）过程”主要与微区切离过程，而与宏观变形能力无关，因此宏观脆性材料也有可能产生微孔聚集型断裂特征。如金属基复合材料。 拉伸宏观杯锥状断口的形成 颈缩后，颈缩区域应力集中，变成三向应力状态，且应力在中心处最大——微孔在中心处萌生——微孔在拉应力作用下从中心向边缘长大——达到边缘时，应力变成平面应力状态，裂纹沿45度方向长大，形成杯锥状断口 （2）韧窝大小影响参数 基体材料的塑性变形能力和应变强化指数 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。 6.3 解理断裂 （1）断裂特点 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，属于正断。 断口平齐光亮，常呈放射状或结晶状；断口由许多小晶面构成；晶面的大小与晶粒大小对应。 解理面都是特定的晶体学平面，如bcc金属中为{001}面，hcp金属中为{0001}，前者是较密排面，后者为密排面 材料的韧性与脆性行为会随环境条件而改变。 例如：T↓↓、脆性↑。如低碳钢的低温脆性。 （2）断口微观特征 解理面形成的每个小晶面都是穿晶断裂形成的，在同一个晶粒内裂纹沿同一晶面发展； 同一晶粒内部，界面不是一个平坦表面，而是一系列晶面族，即位于不同高度的平行的晶面构成 每个解理面上都能见到河流花样，发源于晶界，中止于晶界 解理面附近的金属中能见