材料的力学性能第四章-断裂与断口分析

材料的力学性能材料的力学性能－断裂与断口分析－断裂与断口分析材料的断裂材料的断裂断裂是工程材料的主要失效形式之一断裂是工程材料的主要失效形式之一。。工程结构或机件的断裂会造成重大的经济工程结构或机件的断裂会造成重大的经济损失，甚至人员伤亡。损失，甚至人员伤亡。如何提高材料的断裂抗力，防止断裂事如何提高材料的断裂抗力，防止断裂事故发生，一直是人们普遍关注的课题。故发生，一直是人们普遍关注的课题。任何断裂过程都是由裂纹形成和扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。对断裂的研究，主要关注的是断裂过程的机理及其影响因素，其目的在于根据对断裂过程的认识制定合理的措施，实现有效的断裂控制。材料在塑性变形过程中，会产生微孔损伤。产生的微孔会发展，即损伤形成累积，导致材料中微裂纹的形成与加大，即连续性的不断丧失。损伤达到临界状态时，裂纹失稳扩展，实现最终的断裂。按断裂前有无宏观塑性变形，工程上将断裂按断裂前有无宏观塑性变形，工程上将断裂分为分为韧性断裂韧性断裂和和脆性断裂脆性断裂两大类。两大类。断裂前表现有宏观塑性变形者称为断裂前表现有宏观塑性变形者称为韧性断裂。韧性断裂。断裂前发生的宏观塑性变形，必然导致结构断裂前发生的宏观塑性变形，必然导致结构或零件的形状、尺寸及相对位置改变，工作或零件的形状、尺寸及相对位置改变，工作出现异常，即表现有断裂的预兆，可能被及出现异常，即表现有断裂的预兆，可能被及时发现，时发现，一般不会造成严重的后果一般不会造成严重的后果。。脆性断裂脆性断裂断裂前，没有宏观塑性变形的断裂方式。脆性断裂特别受到人们关注的原因：脆性断裂往往是突然的，因此很容易造成严重后果。脆性断裂脆性断裂断裂前不发生宏观塑性变形的脆性断裂，断裂前不发生宏观塑性变形的脆性断裂，意味着断裂应力低于材料屈服强度。意味着断裂应力低于材料屈服强度。对脆性断裂的广义理解，包括低应力脆断、对脆性断裂的广义理解，包括低应力脆断、环境脆断和疲劳断裂等。环境脆断和疲劳断裂等。脆性断裂脆性断裂一般所谓脆性断裂仅指低应力脆断，即在一般所谓脆性断裂仅指低应力脆断，即在弹性应力范围内一次加载引起的脆断弹性应力范围内一次加载引起的脆断。。主要包括：与材料冶金质量有关的低温脆主要包括：与材料冶金质量有关的低温脆性、回火脆性和蓝脆等；与结构特点有关性、回火脆性和蓝脆等；与结构特点有关的如缺口敏感性；与加载速率有关的动载的如缺口敏感性；与加载速率有关的动载脆性等。脆性等。材料的断裂材料的断裂比较合理的分类方法是按照断裂机理对断比较合理的分类方法是按照断裂机理对断裂进行分类。裂进行分类。微孔聚集型断裂、解理断裂、准解理断裂微孔聚集型断裂、解理断裂、准解理断裂和沿晶断裂。和沿晶断裂。有助于有助于揭示断裂过程的本质揭示断裂过程的本质理解断裂过程的影响因素理解断裂过程的影响因素寻找提高断裂抗力的方法。寻找提高断裂抗力的方法。材料的断裂材料的断裂将环境介质作用下的断裂和循环载荷作用下的疲劳断裂按其断裂过程特点单独讨论。金属材料的断裂－静拉伸断口金属材料的断裂－静拉伸断口材料在静拉伸时的断口可呈现材料在静拉伸时的断口可呈现33种情况：种情况：(a)(b)(a)(b)：平断口；：平断口；(c)(d)(c)(d)：杯锥状断口；：杯锥状断口；(e)(e)尖刃断口尖刃断口平断口平断口：材料塑性很低、或者只有少量的：材料塑性很低、或者只有少量的均匀变形，均匀变形，断口齐平，垂直于最大拉应力断口齐平，垂直于最大拉应力方向。方向。铸铁、淬火低温回火的高碳钢，个别材料铸铁、淬火低温回火的高碳钢，个别材料如高锰钢，其断裂均属此种类型。如高锰钢，其断裂均属此种类型。杯锥状断口杯锥状断口：多数金属材料都会出现颈缩，：多数金属材料都会出现颈缩，颈缩的程度各异。试样先在中心开裂，然颈缩的程度各异。试样先在中心开裂，然后向外延伸，接近试样表面时，沿最大切后向外延伸，接近试样表面时，沿最大切应力方向的斜面断开，断口形如杯口状，应力方向的斜面断开，断口形如杯口状，又叫杯锥状断口。又叫杯锥状断口。尖刃断口尖刃断口：材料塑性很好，：材料塑性很好，试样断面可减试样断面可减细到近似一尖刃细到近似一尖刃，然后沿最大切应力方向，然后沿最大切应力方向断开。一些很纯的金属断开。一些很纯的金属((像金、铅等像金、铅等))，可以，可以表现为这种类型。表现为这种类型。力学上常将断裂分成正断和切断。力学上常将断裂分成正断和切断。断面垂直于最大正应力的叫正断，断面垂直于最大正应力的叫正断，平断口平断口为正断为正断。。沿着最大切应力方向断开的叫切断，沿着最大切应力方向断开的叫切断，尖刃断口为切断尖刃断口为切断。杯锥状断口的中心部分大致。杯锥状断口的中心部分大致为正断，两侧部分为切断，故为为正断，两侧部分为切断，故为混合型断口混合型断口。。工程上常按断裂前有无明显的塑性变形，工程上常按断裂前有无明显的塑性变形，将断裂分成脆断和韧断将断裂分成脆断和韧断。这是就宏观而言。这是就宏观而言的。的。注意这两种分类是从不同角度来讨论注意这两种分类是从不同角度来讨论断裂的，其间并没有什么必然的联系。断裂的，其间并没有什么必然的联系。正断不一定就是脆断，正断也可以有明显正断不一定就是脆断，正断也可以有明显的塑性变形。的塑性变形。切断是韧断，反过来韧断就不一定是切断，切断是韧断，反过来韧断就不一定是切断，所以切断和韧断也并非是同义语。所以切断和韧断也并非是同义语。断口区域断口区域对拉伸试样的宏观断口进行观察，可看出对拉伸试样的宏观断口进行观察，可看出多数情况下有三个区域。多数情况下有三个区域。1.1.第一个区域第一个区域在试样的中心位置，在试样的中心位置，叫做纤维区叫做纤维区，，裂纹首先在该区形成。该区颜色灰暗，表面有裂纹首先在该区形成。该区颜色灰暗，表面有较大的起伏，如山脊状较大的起伏，如山脊状，这表明，这表明裂纹在该区扩裂纹在该区扩展时伴有较大的塑性变形，裂纹扩展也较慢。展时伴有较大的塑性变形，裂纹扩展也较慢。2.2.第二个区域为放射区第二个区域为放射区，表面较光亮平坦，有较，表面较光亮平坦，有较细的放射状条纹，裂纹在该区扩展较快。细的放射状条纹，裂纹在该区扩展较快。3.3.裂纹接近试样边缘时，应力状态改变，最后沿裂纹接近试样边缘时，应力状态改变，最后沿着与拉伸轴向成着与拉伸轴向成4545剪切断裂，表面粗糙发深剪切断裂，表面粗糙发深灰色，这称为灰色，这称为第三个区域即剪切唇第三个区域即剪切唇。。试样的塑性好坏，由三个区域的比例而定试样的塑性好坏，由三个区域的比例而定。。放射区较大，则材料的塑性低，因为这个区域放射区较大，则材料的塑性低，因为这个区域是裂纹快速扩展部分，伴随的塑性变形也小。是裂纹快速扩展部分，伴随的塑性变形也小。塑性好的材料，必然表现为纤维区和剪切唇占塑性好的材料，必然表现为纤维区和剪切唇占很大比例，甚至中间的放射区可以消失。很大比例，甚至中间的放射区可以消失。影响三个区域比例的主要因素是影响三个区域比例的主要因素是材料强度材料强度和和试验温度试验温度。。对高强度材料如对高强度材料如40CrNiMo40CrNiMo：：热处理后硬度很高，热处理后硬度很高，HRCHRC＝＝5656，在室温下观察，在室温下观察其拉伸断口，几乎整个断口都由放射区构成，纤其拉伸断口，几乎整个断口都由放射区构成，纤维状区消失，试样边缘只有很少的剪切唇。维状区消失，试样边缘只有很少的剪切唇。试验温度增高至试验温度增高至8080以上，纤维区急剧增加，以上，纤维区急剧增加，这时材料表现出明显的韧断特征。这时材料表现出明显的韧断特征。如果材料的硬度和强度很高，又处于低温环境：如果材料的硬度和强度很高，又处于低温环境：圆形试样的圆形试样的拉伸断口形貌拉伸断口形貌如图如图(a)(a)所示所示，断面上有许多，断面上有许多放射状条纹，这些条纹汇聚于一个中心，这个中心区域就放射状条纹，这些条纹汇聚于一个中心，这个中心区域就是裂纹源。断口表面越光滑，放射条纹越细；为典型的脆是裂纹源。断口表面越光滑，放射条纹越细；为典型的脆断形貌。断形貌。板状试样的形貌如图板状试样的形貌如图(b)(b)，断裂呈，断裂呈““人人””字形花样，字形花样，““人人””字的尖端指向裂纹源字的尖端指向裂纹源。。这些对分析压力容器或构件的失效很有帮助。这些对分析压力容器或构件的失效很有帮助。金属材料的断裂－韧断机制金属材料的断裂－韧断机制随着扫描电镜的使用和深入观察，形成了电子断随着扫描电镜的使用和深入观察，形成了电子断口金相学。口金相学。按照断裂的微观机制将断裂分为按照断裂的微观机制将断裂分为：：1.1.微孔聚合型微孔聚合型穿晶断裂穿晶断裂2.2.解理和准解理型解理和准解理型穿晶断裂穿晶断裂3.3.晶间断裂；晶间断裂；4.4.疲劳断裂疲劳断裂穿晶断裂穿晶断裂准解理型尽管多数书中将其并入解理断裂类型，准解理型尽管多数书中将其并入解理断裂类型，但它实际上并不是一个独立的断裂机制，而是解但它实际上并不是一个独立的断裂机制，而是解理和微孔聚合两种机制的混合。理和微孔聚合两种机制的混合。微孔聚合微孔聚合微孔聚合断裂机制，多数情况下与宏观上的韧断微孔聚合断裂机制，多数情况下与宏观上的韧断断裂相对应，宏观上断口呈纤维状。断裂相对应，宏观上断口呈纤维状。在扫描电镜下：在扫描电镜下：微孔聚合型断裂的形貌特征是一个个韧窝微孔聚合型断裂的形貌特征是一个个韧窝((即即凹坑凹坑))，韧窝是微孔长大的结果，韧窝内大多包含，韧窝是微孔长大的结果，韧窝内大多包含着一个夹杂物或第二相，这证明微孔多萌生于夹着一个夹杂物或第二相，这证明微孔多萌生于夹杂物或第二相与基体的界面上杂物或第二相与基体的界面上。。微孔的萌生可以在颈缩之前，也可以发生在颈缩微孔的萌生可以在颈缩之前，也可以发生在颈缩之后，取决于第二相与基体的结合强度。之后，取决于第二相与基体的结合强度。微孔聚合微孔聚合微孔多萌生于夹杂物和第二相处。微孔多萌生于夹杂物和第二相处。纯金属或单相合金变形后期也产生许多微孔。纯金属或单相合金变形后期也产生许多微孔。微孔可产生于晶界、孪晶带等处微孔可产生于晶界、孪晶带等处，，只是相对只是相对地说微孔萌生较迟。地说微孔萌生较迟。微孔的萌生有时并不单纯取决于拉应力，要微孔的萌生有时并不单纯取决于拉应力，要看具体的微观组织而定。看具体的微观组织而定。微孔聚合微孔聚合由于应力状态或加载方式不同，由于应力状态或加载方式不同，微孔聚合型断裂微孔聚合型断裂所形成的韧窝可分成三种类型所形成的韧窝可分成三种类型：：1.1.拉伸型的等轴状韧窝；拉伸型的等轴状韧窝；2.2.剪切型的伸长韧窝；剪切型的伸长韧窝；3.3.拉伸撕裂的伸长韧窝。拉伸撕裂的伸长韧窝。微孔聚合微孔聚合韧窝的形状取决于应力状态。韧窝的形状取决于应力状态。韧窝的大小和深浅取决于第二相的数量分布以及韧窝的大小和深浅取决于第二相的数量分布以及基体的塑性变形能力。基体的塑性变形能力。第二相较少、均匀分布以及基体的塑性变形能力第二相较少、均匀分布以及基体的塑性变形能力强的材料，韧窝大而深。强的材料，韧窝大而深。基体的加工硬化能力很强，则为大而浅的韧窝。基体的加工硬化能力很强，则为大而浅的韧窝。微孔聚合的过程微孔聚合的过程韧性（延性）断裂的过程：韧性（延性）断裂的过程：微孔形核微孔形核微孔长大微孔长大微孔聚合微孔聚合微孔形核微孔形核：第二相粒子在应力作用下，基体与第：第二相粒子在应力作用下，基体与第二相粒子间的界面脱开；或第二相粒子本身破裂二相粒子间的界面脱开；或第二相粒子本身破裂形成微孔。形成微孔。应力持续作用下，应力持续作用下，微孔逐渐长大微孔逐渐长大。。微孔聚合微孔聚合有三种不同的模式。有三种不同的模式。正常的聚合模式正常的聚合模式：：微孔长大微孔长大微孔间的材料形成微孔间的材