第11讲 断裂类型及物理本质.ppt

金属塑性变形理论第十一讲 张贵杰 TelE-Mail： zhguijie@ 河北联合大学金属材料及加工工程系 第六章 金属的断裂 主要内容 Main Content 断裂的基本类型及物理本质 影响断裂类型的因素 塑性加工中的各种断裂现象分析 6.1 断裂的基本类型及物理本质 断裂的概念 断裂的基本类型 脆性断裂 韧性断裂 6.1.1 断裂的概念 金属的断裂是指金属材料在变形超过其塑性极限而呈现完全分开的状态。 材料受力时，原子相对位置发生了改变，当局部变形量超过一定限度时，原于间结合力遭受破坏，使其出现了裂纹，裂纹经过扩展而使金属断开。 金属塑性的好坏表明了它抑制断裂能力的高低。 在塑性加工生产中，尤其对塑性较差的材料，断裂常常是引起人们极为关注的问题。加工材料的表面和内部的裂纹，以至整体性的破坏皆会使成品率和生产率大大降低。为此，有必要了解断裂的物理本质及其规律，有效地防止断裂，尽可能地发挥金属材料的潜在塑性。 6.1.2 断裂的基本类型 按服役条件分类 按断裂应变分类 按断裂面取向分类 按断口形貌分类 按断裂路径分类 断裂机理 6.1.3 脆性断裂 根据断裂前金属是否呈现有明显的塑性变形，可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂两大类。通常以单向拉伸时的断面收缩率大于5%者为韧性断裂，而小于5%者为脆性断裂。 脆性断裂在断面外观上没有明显的塑性变形迹象，直接由弹性变形状态过渡到断裂，断裂面和拉伸轴接近正交，断口平齐。 在单晶体试样中常表现为沿解理面的解理断裂。 在多晶体试样中则可能出现两种情况： 一是裂纹沿解理面横穿晶粒的穿晶断裂，断口可以看到解理亮面；若晶粒较粗，则可以看到许多强烈反光的小平面(或称刻面)，这些小平面就是解理面或晶界面，可叫做晶状断口。 二是裂纹沿晶界的晶间断裂，断口呈颗粒状。 理论断裂强度 理论断裂强度是指完整晶体在正应力作用下沿其一晶面拉断的强度。如图所示，此强度就是两相邻原子面在拉应力s作用下克服原子间键合力作用，使原子面分开的应力。 由外力抵抗原子间结合力所做的功等于产生断裂新表面的表面能，可以求得理论断裂强度为： 式中 a——断裂面间的原子间距； g——表面能； E——弹性模量。 对于铁，可以估算理论断裂强度sm≈E/10。这个数值是很高的，实际的断裂强度比这个值低很多，只是它的1/100~1/1000。只有毫无缺陷的晶须才能近似达到理论断裂强度。这一悬殊差别的存在，是因为材料内部存在有各种缺陷的缘故。 Griffith裂纹生长理论 为了解释实际断裂强度和理论断裂强度的差别，早在1920年就提出了这样的设想：由于材料中已有现成裂纹存在，在裂纹尖端会引起强大的应力集中。在外加平均应力小于理论断裂强度时，裂纹尖端已达到理论断裂强度，因而引起裂纹的急剧扩展，使实际断裂强度大为降低。由于裂纹长度的不同，所引起应力集中的程度也不同，对于一定尺寸的裂纹就有一个临界应力sc。当外加应力超过sc时，裂纹才迅速扩大，导致断裂。 Griffith从能量条件导出了临界应力sc值的大小。此能量条件为：裂纹扩展所降低的弹性能恰好足以供给表面能的增加。由此求得裂纹扩展的临界应力为： 此式即为Griffith公式，它表明了裂纹传播的临界应力sc和裂纹长度C的平方根成反比。 Griffith公式与理论断裂强度公式比较，可知 Griffith公式的物理意义在于：裂纹两端所引起的应力集中，相当将外力放大了(C/a)1/2倍，使局部区域达到了理论断裂强度sm，而导致断裂。或者说，当裂纹两端的应力集中程度是外力应力的(C/a)1/2倍时，裂纹两端的应力便达到了理论断裂强度sm ，从而导致断裂。由此可见， Griffith理论可以说明实际断裂强度和理论断裂强度间的差异。 裂纹形核－脆性断裂的位错理论 金属发生断裂，先要形成微裂纹。这些微裂纹主要来自两个方面： 一是材料内部原有的，如实际金属材料内部的气孔、夹杂、微裂纹等缺陷； 二是在塑性变形过程中，由于位错的运动和塞积等原因而使裂纹形核。 随着变形的发展导致裂纹不断长大，当裂纹长大到一定尺寸后，便失稳扩展，直至最终断裂。 位错塞积理论 位错反应理论 位错墙侧移理论 位错销毁理论 位错塞积理论 位错在运动过程中，遇到了障碍（如晶界、相界面等）而被塞积，在位错塞积群前端就会引起应力集中，若外加切应力为t，塞积位错个数为n，此处应力集中为nt，这就说明此处的应力集中比外加切应力大n倍，塞积位错越多，应力集中程度越大。当此应力大于界面结合力或脆性第二相