第5章 断裂.ppt

5.1 前言 断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一。 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是防止断裂，以保证构件在服役过程中的安全。 正断是由正应力引起的，断裂面与最大主应力方向垂直； 切断是由切应力引起的，断裂面在最大切应力作用面内，而与最大主应力方向呈450。 本章讨论在室温、单向加载时的金属的断裂，按脆性断裂和延性断裂分别进行论述，包括断裂过程与微观机制，断裂的基本理论以及韧—脆转化。 5.2.1 解理断裂 脆性断裂的微观机制有解理断裂和晶间断裂。 解理断裂是材料在拉应力的作用下，由于原于间结合键遭到破坏，严格地沿一定的结晶学平面(即所谓“解理面”)劈开而造成的。 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。 5.2.2 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。撕裂棱的形成过程可用图5-8示意地说明，它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。 5.2.3 沿晶断裂 沿晶断裂是裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。 裂纹扩展总是沿着消耗能量最小，即原子结合力最弱的区域进行的。一般情况下，晶界不会开裂。发生沿晶断裂，势必由于某种原因降低了晶界结合强度。 5.3 理论断裂强度和脆断强度理论 5.3.1 理论断裂强度 晶体的理论强度应由原子间结合力决定，现估算如下：一完整晶体在拉应力作用下，会产生位移。原子间作用力与位移的关系如图。 曲线上的最高点代表晶体的最大结合力，即理论断裂强度。作为一级近似，该曲线可用正弦曲线表示 σ=σmsin(2πx/d) （5-1） 式中x为原子间位移,d为正弦曲线的波长。 如位移很小，则sin(2πx/d)=(2πx/d)，于是 σ=σm(2πx/d) （5-2） 根据虎克定律，在弹性状态下， σ=Eε=Ex/a0 (5-3) 式中E为弹性模量；ε为弹性应变；a。为原子间的平衡距离。合并式（5-2）和（5-3），消去x，得 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。 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) 形成新表面所需的表面能为 W=4aγ (5-8) 整个系统的能量变化为 Ue+W=4aγ-πσ2a2/E （5-9） 系统能量随裂纹半长a的变化,如图 当裂纹增长到2ac后，若再增长，则系统的总能量下降。从能量观点来看，裂纹长度的继续增长将是自发过程。临界状态为: ?（Ue+W）/ ? a =4γ-2πσ2a/