材料力学论金属的断裂

工程材料力学期中作业 班级 成型2班 姓名 陶帅 学号 20113650论述金属的断裂一、基本介绍概念：金属材料在外力作用下断裂成两部分的现象。磨损、腐蚀和断裂是机件的三种主要失效形式，其中以断裂的危害最大。在应力作用下（有时还兼有热及介的共同作用），金属材料被分成两个或几个部分，称为完全断裂；内部存在裂纹，则为不完全断裂。实践证明，大多数金属材料的断裂过程都包括裂纹形成与扩展两个阶段。对于不同的断裂类型，这两个阶段的机理与特征并不相同。二、断裂的基本类型弹性变形塑性变形断裂1，根据材料断裂前产生的宏观塑性变形量的大小来确定断裂类型，可分为韧性断裂和脆性断裂。2，多晶体金属断裂时，按裂纹扩展路径可以分为穿晶断裂和沿晶断裂。3，根据应力类型可分为纯剪切断裂和微孔聚集型断裂、解理断裂。三、具体分析1， 韧性断裂 韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量。韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45 角。用肉眼或放大镜观察时，端口呈纤维状，灰暗色。纤维状是苏醒变形过程中微裂纹不断扩展和相连造成的，灰暗色则是纤维断口表面对光反射能力很弱所致。 中、低强度钢的光滑圆柱试样在室温下的静拉伸断裂是典型的韧性断裂，其宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。当光滑圆柱拉伸试样受拉伸力作用，在试验力达到拉伸力-伸长曲线最高点时，便在试样局部区域产生缩颈，同时试样的应力状态也由单向变为三向，且中心轴向应力最大。在中心三向拉应力作用下，塑性变形难于进行，致使试样中心部分的夹杂物或第二相质点本身碎裂，或使夹杂物质点与基体界面脱离而形成微孔。微孔不断长大和聚合就形成显微裂纹。早期形成的显微裂纹，其端部产生较大塑性变形，且集中于极窄的高变形带内。这些剪切变形带从宏观上看大致与径向呈5060角。新的微孔就在变形带内成核、长大和聚合，当其与裂纹连接时，裂纹便向前扩展了一段距离。这样的过程重复进行就形成锯齿形的纤维区。纤维区所在的平面垂直于拉伸应力方向。韧性断裂的裂口形成与发展过程 均匀拉伸 产生细颈 在三向拉应力 微孔长大合并 作用下产生微孔 形成小裂口 裂口沿垂直于拉伸 沿方向断裂方向扩展接近表面 形成杯锥状纤维区中裂纹扩展是很慢的，当其达到临界尺寸后就快速扩展而形成放射区。放射区是裂纹做快速低能量撕裂形成的。放射区有放射花样特征。放射线平行于裂纹扩展方向而垂直于裂纹前端的轮廓线，并逆指向裂纹源。撕裂时塑性变形量越大，则放射线越粗。对于几乎不产生塑性变形的极脆材料，放射线消失。温度降低或再聊强度增加，由于塑性降低，放射线由粗变细乃至消失。试样拉伸断裂的最后阶段形成杯状或锥状的剪切唇。剪切唇的表面光滑，与拉伸轴呈45。 断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及实验温度、加载速率和受力状态不同而变化。一般说来，材料强度提高，塑性降低，则放射区比例增大；试样尺寸加大，放射区增大明显，而纤维区变化不大。综上韧性断裂的特点有：裂口生成、发展均很慢，断裂前能产生显著的塑性变形。断口粗糙，无光泽，呈暗灰色纤维状。2， 脆性断裂脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本没有任何塑性变形，没有明显征兆，因而危害性极大。脆性断裂的断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，呈放射状或结晶状。通常脆性断裂前也产生微量塑性变形。一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5者为脆性断裂；反之，大于5者为韧性断裂。综上：脆性断裂的特点有裂口生成、发展都很快。断裂前没有明显的塑性变形。断口平整，有金属光泽。3， 穿晶断裂与沿晶断裂穿晶断裂的裂纹穿过晶内-河流状、舌状花纹沿晶断裂的裂纹沿晶界扩展-冰糖状、颗粒状 穿晶断裂 沿晶断裂从宏观上看，穿晶断裂可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂；而沿晶断裂则大多数是脆性断裂。沿晶断裂是由晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏晶界的连续性所造成，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等大都是沿晶断裂。穿晶断裂和沿晶断裂有时可以混合发生。4， 纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂剪切断裂是金属材料在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，其中又分为滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。纯金属尤其是单晶体金属常产生纯剪切断裂，其断口呈锋利的契形或刀尖形。这是纯粹由滑移流变所造成的断裂。微孔聚集型断裂是通过微孔形核、长大聚合而导致材料分离的。解理断裂是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。解理面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面。通常解理断裂总是脆性断裂，但有时在解理断裂前也显示一定的塑性变形。四、断裂强度1，理论断裂强度概念：将晶体的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力。假设一完整晶体受拉应力作用后，原子间结合力与原子间位移的关系曲线如图：曲线上的最大值即代表晶体在弹性状态下的最大结合力-理论断裂强度作为一级近似，该曲线可用正弦曲线表示 式中 -正弦曲线的波长 x-原子间位移如果原子位移很小，则，于是 当原子间位移很小时，根据胡克定律 式中 -弹性应变 -原子间平衡距离（晶格常数）合并上述二式，消去x得 晶体脆性断裂时消耗的功用来供给形成两个表面所需之表面能。设裂纹面上单位面积的表面能为。形成单位裂纹表面外力所作的功，应为-x曲线下所包围的面积，即 这个功应等于表面能的两倍（断裂时形成两个新表面），即 或 两式合并，消去得 这就是理想晶体脆性（解理）断裂的理论断裂强度。由式可见，晶体弹性模量愈大、表面能愈大、原子间距愈小，即结合愈紧密，则理论断裂强度就愈大。附： 断裂强度的裂纹理论（格雷菲斯裂纹理论）假设：在实际晶体中存在各种缺陷（微裂口），在外力作用下，缺陷端部产生很大的应力集中，在平均应力未达到时，缺陷处的应力集中已超过，使裂口得以逐步发展，结果导致实际断裂强度大为下降。格雷菲斯公式： 即为有裂纹物体的断裂强度（实际断裂强度）。其表明，在脆性材料中，裂纹扩展所需之盈利反比于裂纹半长的平方根。格雷菲斯认为，对于一定尺寸的裂口存在一个临界应力值 当时，裂口不能扩大 当时，裂口迅速扩大，导致断裂格雷菲斯理论是根据热力学原理得出断裂发生的必要条件，但这并不意味着事实上一定要断裂。裂纹自动扩展的充分条件是其尖端应力要等于或大于理论断裂强度。设材料中自然裂纹尖端曲率半径为，根据弹性应力集中系数计算式，在此条件下裂纹尖端的最大应力为 式中 -名义拉应力。由式可见，随名义应力增大而增大，当达到时，断裂开始（裂纹扩展）。此时=，即 所以，断裂时的名义断裂应力为 如果裂纹很尖，其尖端曲率半径小到原子面见距离那样的尺寸，则上式为 必须指出，格雷菲斯对长为2a的中心穿透裂纹计算所得的断裂应力公式，对长为a的表面半椭圆裂纹也是适用的，对于后一种裂纹，式中的a就是裂纹长度。格雷菲斯只适用于脆性固体，如玻璃、金刚石等，也就是只适用于那些裂纹尖端塑性变形可以忽略的情况。格雷菲斯理论的前提是，承认时间金属材料中已经存在裂纹，不涉及裂纹的来源问题。裂纹可能是原材料在冶炼中或工件在铸、焊、热处理等加工过程中产生的；也可能是材料在受载过程中因塑性变形诱发而产生的。该理论的不完善性：未能反映塑性变形在断裂中的作用Griffith-Orowan修正公式： ：裂缝扩展时单位面积所需的塑性功 ， 可忽略不计五、裂口形核机理基本思想：位错理论在外力作用下，刃型位错的合并可构成裂口的胚芽几种具体机理：1位错塞积机理 位错沿某一滑移面移动受阻，在障碍物前塞积，产生极大的应力集中，形成裂口。2位错反应机理 二位错发生反应生成不易移动的新位错，使位错塞积，产生大的应力集中，形成裂口3位错消毁机理 在两个滑移面间距 h 10个原子层的滑移面上，有着不同号的刃型位错，在切应力作用下， 它们相遇、相消，产生孔穴，剩余的同号刃型位错进入穴中，造成严重的应力集中，形成裂口。4位错墙侧移机理 由于位错墙一部分侧移，使滑移面产生弯折，形成裂口。结论：刃型位错合并、堆积应力集中断裂源达到c条件裂口扩展脆断六、塑性加工中金属的断裂1，镦粗时的侧面开裂产生原因区鼓形处受有环向拉应力作用T过高，晶界强度减弱，易沿晶界 拉裂 裂口环 ，如图(a)T较低，穿晶切断，沿max 断裂 裂口与环成45角，如图(b),2，锻压延伸时的内部裂纹1）平锤头锻压方坯时产生X形内裂产生原因 a) 锻压时，对角线方向金属流动发生错动每翻转90，金属错动方向改变b)铸造组织 钢锭中心及对角线是杂质和缺陷聚集的地方，为薄弱环节有柱状晶更易开裂 1 c)对角线方向最大热效应大，温升高，对角线处易过烧，导致开裂若中心薄弱，裂纹如图c上若角部薄弱，裂纹如图c下 2）平锤头锻压圆锭时产生的内裂产生原因 锻压圆锭时，相当于压缩厚件。假若没有外端，则可自由地形成双鼓形，但由于外端的拉齐作用，使工件中心产生附加拉应力。当翻转90锻成方坯时，裂纹如图(d)， 十字形当旋转锻造圆坯时，裂纹如图(e)，放射状3）锻压延伸及轧制时产生的内部裂纹产生原因当 l/h0.5时，在断面中心产生纵向拉应力。4）锻压延伸及轧制时产生的角裂产生原因未及时倒棱，角部温降大，产生拉伸热应力角部变形抗力大，延伸小，产生附加拉应力七、金属材料的脆化现象 分两类：（1）在一定温度条件下出现的脆性，温度条件改变后，脆性自行消失，或者在一定温度条件下，经一定时间后出现的脆性。这种情况下，金属的组织变化不明显。有冷脆性，热脆性，红脆性及回火脆性。（2）由于应力的反复作用，介质的浸蚀以在高温下长期工作后，金属组织改变引起的脆化现象。这种脆性无法消除或要通过一定的特殊方法消除。如苛性脆化，氢脆，热疲劳，石墨化。 （1）冷脆性：金属材料在低温下呈现的冲击值明显降低的现象。影响因素：化学成分：1）含碳量；2）锰；3）镍；4）磷。 （2）热脆性：某些钢材长时间停留在400500温度区间再冷却至室温，其冲击值有明显下降。影响因素：1）化学成分 含C量，铬锰钼磷等；2）保温时间 不同钢产生热脆性所需的保温时间不同。3）热处理：调质处理可阻止热脆性产生。 （3）红脆性：含S较多的钢中，在800900以上呈现较大脆性。S化物以网关分布在晶界上。消除方法：1）长时间高温退火，使网状S化物变为球状。2）加入锰，硫化锰以点状，球状存在于晶界上。 （4）回火脆性：对于一般钢回火可提高冲击韧性。但某些钢在回火后，冲击韧性反而降低。回火脆性：1）第一类回火脆性发生在合金结构钢中。但某些钢在250400回火后，冲击韧性反而降低。实际遇到机会少。2）第二类回火脆性，在450600长时间回火或在更高温度（600700）回火后，出现常温冲击韧性下降。再次回火消除或加入钼钨防止。对于一般钢回火可提高冲击韧性。 （5）苛性脆化：金属材料的局部高应力区与具有一定浓度的氢氧化钠溶液相接触而发生的电化学晶间腐蚀脆化现象称为苛性脆化。材料在高应力作用下，晶粒本体与晶界产生电位差，当与具有一定浓度的氢氧化钢溶液相接触，晶界部位的铁离子将进入溶液中，与溶液中的氢氧根离子发生电化学反应。如果溶液中的氢氧化钠浓度较高，溶液中的氢氧根负离子较多，促使晶界部位的铁离子大量进入溶液，发生电化学反应，从而形成晶间裂纹，导致苛性脆化。 材料产生苛性脆化必须具备三个条件：1）在材料中需存在较高的局部应力，对于碳素钢高达250MPa ；2）需具有较高浓度的氢氧化钢溶液与材料的局部高应力区相接触，并且在溶液中需具有能加速反应的催化剂；3）需具有一定温度。在锅炉的铆接或胀接部位最易发生苛性脆化。应力： 工作应力+联接应力+附加应力；化学成分：铆接或胀接处锅水渗漏，浓缩；温度：低压锅炉为200，中压锅炉为250，高压锅炉为300 （6）氢脆，金属在外加载荷的作用下，当应力达到断裂强度时，发生断裂。