材料力学第一章(三)-材料的断裂优秀课件.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,1,第一章、,材料在单向静拉伸载荷下的力学性能,材料的断裂,主讲人：刘桂武,江苏大学材料学院,Email:,gwliu76,电话：,15952898923,材料力学性能,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,2,1,、材料的断裂理论,2,、材料的断裂类型,第一章（三）知识要点,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,3,一、基本概念,（,1,）,断裂（,fracture,）,：,物体在外力作用下,产生裂纹,以至,断开,的现象,。,（,2,）,韧性,断裂（,ductile fracture,，延性断裂）,：,是材料断裂前产生明显宏观,塑性变形,的断裂。如断口呈纤维状、灰暗色，断裂面平行于最大切应力，并与主应力成,45,o,角。,（,3,）,脆性,断裂（,brittlefracture,）,:,突然发生的断裂，未发生较明显的塑性变形。断口平齐而光亮，断裂面与正应力垂直。,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,4,一、基本概念,（,4,）,穿晶断裂（,trans,granularfracture,）,：裂纹穿过晶内,。,（,5,）,沿晶断裂（,inter,granular fracture,）,：裂纹沿晶界扩展。,（,6,）,剪切断裂（剪断，,shear fracture,）,：在,切应力,作用下沿滑移面（实际）分离而造成的,滑移面分离,断裂（滑断,/,纯剪切断裂（单晶）、微孔聚集型断裂（有孔材料）,（,7,）,解理断裂（,cleavage fracture,）,：在一定条件下（如低温），当外加应力达到一定数值后，以极,快速,率（一般为脆性断裂）沿着,一定晶体学平面,（理论上）产生的,穿晶断裂,（与大理石断裂类似）。解理面一般是低指数晶面或,表面能最低,的界面。,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,5,一、基本概念,（,8,）,正断型断裂,（,normalfault,）,：断裂面取向垂直于最大正压力,max,方向,。,（,9,）,切断型断裂,（,shearfault,）,：断裂面取向平行于最大切压力,max,方向，与最大正压力方向约成,45,o,C,。,（,10,）,理论断裂强度（,Theoretical fracture strength,）,：在外加正应力作用下，将,晶体的两个原子,面沿着垂直于外力方向拉断所需的应力,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,6,二、知识点,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,7,断裂类型及其特征,类型,概念,/,典型特征,宏观,形态,韧性,断裂,（,1,）,材料,断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂。,（,2,）,韧性,断裂断口呈纤维状、灰暗色。,（,3,）,断裂,面平行于最大切应力，并与主应力成,45,o,角。如中、低强度钢室温拉伸断裂，为典型的韧性断裂，其宏观断口成杯锥形（有颈缩现象），由纤维区、放射区和剪切唇三个区域。,（,4,）,韧性,断裂的微观特征韧窝,脆性断裂,（,1,）,突然,发生的断裂，未发生较明显的塑性变形。,（,2,）,脆性断裂,断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。,（,3,）,断裂,面与正应力垂直。,（,4,）,板,状矩形拉伸试样断口,:,人字纹花样,断裂,机理,穿晶断裂,（,1,）,裂纹,穿过晶粒内部。,（,2,）,宏观,上，穿晶断裂可以是,韧性,断裂（如韧脆转变温度以上的穿晶断裂），也可以是,脆性,断裂（如低温下穿晶,解理断裂,）。,沿,晶,断裂,（,1,）,裂纹,沿晶界扩展。,（,2,）,沿,晶断裂则,大多数是脆性断裂,。,（,3,）,断口,呈冰糖状，如细晶材料则呈晶粒状，,颜色,比,纤维状断口,明亮，比纯脆性断口灰暗。,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,8,断裂,机理,剪切断裂,（,1,）,在,切应力作用下沿滑移面分离而造成的,滑移面分离断裂,。,（,2,）,（,纯金属、单晶）滑断,/,纯剪切断裂，断口呈楔形或刀尖型。,（,3,）,微孔,聚集型断裂（含微孔材料），多为,韧性断裂,，如低碳钢的拉伸断裂（缩颈现象）。,解理断裂,（,1,）,在,一定条件下（如低温），当外加应力达到一定数值后，以极,快速,率,沿着一定晶体学平面,产生的,穿晶断裂,。,（,2,）,无,明显塑性变形，为典型的,脆性断裂,（,3,）,解理,面一般是低指数晶面或表面能最低的界面,。,（,4,）微观特征：,解理台阶,、,河流花样、舌状花样,断裂面的取向或作用力方式,正断型断裂,（,1,）,断裂,面垂直于最大切压力,方向,（,2,）,如,解理断裂,切断型断裂,（,1,）,断裂,面平行于最大,切,应,力方向,，与最大,正,应,力,方向约成,45,o,C,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,9,1,、,解理裂纹的形成与扩展,观察解理断口发现，断口附近仍然有少量塑性变形。事实上，绝对脆性断裂是不存在的。可以想像，,裂纹形成必然与塑性变形有关,（这对单晶体金属和多晶体金属都是正确的）。,而金属材料的塑性变形是,位错运动,的反映，因此裂纹形成可能与位错运动有关，这就是,裂纹形成的位错理论,考虑问题的,出发点,。,龙门石窟解理面,裂纹形成,塑性变形,位错运动,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,10,2,、,几种裂纹形成理论,（,1,）甄纳,-,斯特罗（,G.Zener-,A.N.Stroh,）,位错塞积,理论,G.Zener,：,在滑移面上的,切应力,作用下，刃型位错在,晶界前受阻,并互相靠近形成位错,塞积,。,当切应力达到某 一临界值时,，塞积头处的位错互相挤紧聚合而成为一高为,n,b,、长为,r,的楔形裂纹（或孔洞位错）。（,核心思想：位错塞积形成解理裂纹,）,A.N.Stroh,：如果塞积头处的,应力集中不能,为,塑性变形所,松弛,，则,塞积头处的最大拉应力,f,max,能够等于理论断裂强度而形成裂纹,。,解理断裂过程,：通过塑性变形,形成,裂纹；裂纹在同一晶粒内初期,长大,；以及越过晶界向相邻晶粒,扩展,三个阶段。,解理,裂纹扩展,基本方式,：,（,a,）解理方式，裂纹扩展速度较快（脆性材料在低温下试验）,（,b,）先在裂纹前沿（尖端）形成一些微裂纹或微孔，而后通过,塑性撕裂,方式互相联结，,开始,时裂纹扩展速度比较,缓慢,，但到达,临界状态,时也,迅速,扩展而产生脆性断裂,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,11,c,：裂纹长度相当于长度,d,的裂纹扩展时的临界应力，或断裂强度,G,：切变模量,s,：表面能,d :,晶粒直径,k,y,：钉扎常数（位错被钉扎越强，,k,y,越大，越容易出现,解理断裂,）,裂纹解理断裂扩展临界条件（判据）,：,（对位错塞积和位错反应理论均适用）,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,12,（,3,）,史密斯理论（,碳化物开裂模型,）,铁素体中的位错源在,切应力,作用下开动，位错运动至,晶界碳化物处受阻,而形成塞积，在塞积头处,拉应力,作用下使碳化物开裂。,（,2,）柯垂耳（,A.H.Cottrell,）,位错反应,理论：,该理论是,A.H.Cottrell,为解释晶内解理与,bcc,晶体中的解理而提出的。柯垂耳提出的,位错反应,是,降低能量,的过程，因而,裂纹成核,是,自动进行,的。,两种,解理裂纹,形成模型共同点：裂纹形核前均需有,塑性变形,，位错运动受阻，在,一定条件,下便会形成裂纹,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,13,3,、,解理断裂微观断口形貌,解理断裂是沿特定界面发生的,脆性穿晶断裂,，断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成，这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为,解理刻面,。,在解理刻面内部只从一个解理面发生解理破坏实际上是很少的。多数情况下裂纹要跨越,若干个,相互平等的、而且位于不同高度的,解理面,，从而在,同一刻面,内部出现了,解理台阶,和,河流花样,。,解理台阶,是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交形成的，其,形式方式,：通过解理裂纹与螺型位错相交形成，或通过二次解理或撕裂形成。,解理台阶,、,河流花样,，还有,舌状花样,是解理断裂的基本微观特征。,（,1,）解理断裂,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,14,解理台阶,河流花样,舌状花样,舌状花样,解理台阶,/,河流花样,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,15,当裂纹在晶粒内扩展时，难于严格地沿一定晶体学平面扩展。断裂路径不再与晶粒位向有关，而主要与细小,碳化物质点,有关。其微观形态特征，,似解理河流但又非真正解理,，故称准解理,准解理与解理的,共同点,：,都是穿晶断裂；有小解理刻面；有台阶或撕裂棱及河流花样。,不同点,（小刻面、起源不同）,：,准解理小刻面不是,晶体学解理面,。真正解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹则常源于,晶内硬质点,，形成从晶内某点发源的,放射状河流花样,。,准解理不是一种独立的断裂机制，而是解理断裂的变种。,（,2,）准解理,准解理,断口,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,16,4,、理论断裂强度,决定材料强度的最基本因素是分子间结合力，原子间结合越高，则弹性模量、熔点就越高。,理论断裂强度：在外加正应力作用下，将晶体的两个原子面沿着垂直于外力方向拉断所需的应力。,代表晶体在弹性状态下的最大结合力，即,理论断裂强度,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,17,正弦曲线,若原子位移很小，则,弹性条件下的胡克定律，,当原子位移很小时,原子间平衡距离,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,18,由于形成单位裂纹表面外力所做的功等于,-,x,曲线下所包围的面积，则：,而晶体脆性,断裂,时所消耗的功,=,两个新表面的,表面能,（,s,），则：,(,上页推导出来的,),理想晶体脆性（解理）断裂的理论断裂强度,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,19,6,、断裂强度的裂纹理论（,Griffith,公式）,为了解释,玻璃、陶瓷,等脆性材料断裂强度的理论值和实际值的巨大差异，,A.A.Griffith,（,1921,年）,根据断裂中系统,能量平衡（还有应力平衡）,原理，计算出裂纹自动扩展时的应力值，即计算了裂纹体的强度。,能量平衡原理,：,由于存在裂纹（,前提,），系统的,弹性能降低,，势必与因存在裂纹而,增加的表面能,相平衡。如果,弹性能降低,足以满足,表面能增加,之需要时（,即弹性能除了转化为表面能，弹性能还应该会转化为机械能,/,动能,），裂纹就会,失稳扩展,，引起脆性破坏。,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,20,单位面积的弹性能：,2,/2E,a,为裂纹半长度,系统释放的弹性能（弹性理论计算）,:,如果在板的中心预制一垂直于应力,、长度为,2a,的裂纹（,右图,），则原来弹性拉紧的平板就要释放弹性能。,裂纹形成时产生新表面需要提供的表面能,:,平衡条件：,则裂纹失稳扩展的临界应力：,Griffith,公式,无限宽薄板受拉应力,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,21,7,、断裂理论的意义,金属材料屈服时产生解理断裂的判据：,屈服强度与晶粒尺寸（直径）关系：,考虑应力状态对裂纹的影响,甄纳,-,斯特罗,位错塞积,理论,屈服时产生的解理断裂：,应力状态参数,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,22,所以要降低脆性倾向（即提高断裂强度），应提高,G,、,s,和,q,，降低,i,、,d,和,k,y,。,（,1,）通过调整材料受应力状态，如将金属材料改拉为扭，以增大切应力与,正应力比值（,q,值）。,（,2,）添加弥散分布的第二相（合金元素），使晶粒细化，降低钉扎效应。,（,3,）尽可能,远离腐蚀、应力等外环境，避免,腐蚀或应力诱导,裂纹扩展。,（,4,）通过,晶须或纤维增韧,机制，阻碍裂纹扩展,c,：断裂强度,G,：切变模量,s,：表面能,q:,应力状态参数,i,:,位错运动所受的摩擦阻力,d :,晶粒直径,k,y,：钉扎常数,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,23,（,1,）,T10,：简述韧性断裂和脆性断裂的区别（概念、典型特征），为什么脆性断裂最危险？或简述按不同方式划分的各种断裂类型的典型特征？,（,2,）试从金属材料屈服时产生解理断裂的的判据公式，简述降低金属材料的脆性取向。,三、课外习题,3/10/2011刘桂武，材料科学与工程学院，10/01/2010,