金属学及热处理6-6.ppt

第六节 金属的断裂 塑性断裂又称为延性断裂，断裂前发生大量的宏观塑性变形，断裂时承受的工程应力大于材料的屈服强度。由于塑性断裂前产生显著的塑性变形，容易引起人们的注意，从而可及时采取措施防止断裂的发生，即使局部发生断裂，也不会造成灾难性事故。对于使用时只有塑性断裂可能的金属材料，设计时只需按材料的屈服强度计算承载能力，一般就能保证安全使用。 一、塑 性 断 裂 金属脆性断裂过程中，极少或没有宏观塑性变形，但在局部区域仍存在一定的微观塑性变形。断裂时承受的工程应力通常不超过材料的屈服强度，甚至低于按宏观强度理论确定的许用应力。因此，又称为低应力断裂。由于脆性断裂前既无宏观塑性变形，又无其他预兆，并且一旦开裂后，裂纹扩展迅速，造成整体断裂或很大的裂口，有时还产生很多碎片，容易导致严重事故。选择可能发生脆断的金属材料，必须从脆断角度计算其承载能力，并充分估计过载的可能性。 二、 脆性断裂 （一）裂纹和应力状态的影响 对大量脆性断裂事故的调查表明，大多数断裂是由于材料中存在微小裂纹和缺陷引起的。为了说明裂纹的影响，可作下述试验。将屈服强度σ0.2为1400MPa的高强度钢板状试样中部预制不同深度的半椭圆表面裂纹，裂纹平面垂直于拉伸应力，求出裂纹深度a与实际断裂强度σc的关系，如图6-41所示。 三、影响材料断裂的基本因素 图6-41 表面裂纹深度与一种高强度钢断裂强度的关系 影响材料断裂的基本因素 由图可以看出，随着裂纹深度的增大，试样的断裂强度逐渐下降，当裂纹深度达到ac时，则σc=σ0.2。当a＜ac时，σc＞σ0.2，意味着此时发生塑性断裂；当a＞ac时，σc＜σ0.2，发生脆性断裂。由于高强度钢对裂纹十分敏感，所以用它制造零件时，必须从断裂的角度考虑其承载能力，如只根据其屈服强度或抗拉强度来设计，往往出现低应力断裂事故。 （一）裂纹和应力状态的影响 影响材料断裂的基本因素 研究表明，中、低强度钢的断裂过程都有一个重要现象，就是随着温度的降低，都有从塑性断裂逐渐过渡为解理断裂的现象。尤其是当试件上带有缺口和裂纹时，更加剧了这种过渡倾向。这就是说，在室温拉伸时呈塑性断裂的中、低强度钢材，在较低的温度下可能产生解理断裂，其断裂应力可能远远低于室温的屈服极限。因此，当使用此种钢材时，必须注意温度这一影响因素。 （二）温度的影响 影响材料断裂的基本因素 如不考虑材料本身因素，影响材料断裂的外界因素还很多。例如环境介质对断裂有很大影响，某些金属与合金在腐蚀介质和拉应力的同时作用下，产生应力腐蚀断裂。金属材料经酸洗、电镀，或从周围介质中吸收了氢之后，产生氢脆断裂。变形速度的影响比较复杂，一方面，变形速度增加，使金属加工硬化严重，因而塑性降低。但另一方面又使变形热来不及散出，促使加工硬化消除而提高塑性。至于哪个因素占主导地位，要视具体情况而定。 （三）其他影响因素 假设在均匀厚度的无限宽的弹性板中，有一长度为2a的穿透裂纹，垂直于裂纹方向作用均匀的单向拉伸应力σ，则在裂纹尖端任意点A的应力分量为（图6-46）： 四、断裂韧度及其应用 图6-46 裂纹尖端点的应力状态 断裂韧度及其应用 式中，θ与r为点A的极坐标，由它们确定点A相对于裂纹尖端的位置；σ为远离裂纹并与裂纹面平行的截面上的正应力（名义应力）；v为泊松比。 断裂韧度及其应用 由上式可知，如果A点位于裂纹延长线即x轴上时，θ=0，sinθ=0，因而 即裂纹所在平面上的切应力为零，拉伸正应力最大，故裂纹容易沿该平面扩展。 2πr KⅠ σy=σx=—— √ τxy=0 断裂韧度及其应用 各应力分量中均有一个共同因子KⅠ（KⅠ=σ πa）。对于裂纹尖端任意给定点，其坐标r、θ都有确定值，这时该点的应力分量完全决定于KⅠ 。因此KⅠ表示在名义应力作用下，含裂纹体处于弹性平衡状态时，裂纹尖端附近应力场的强弱。故KⅠ是表示裂纹尖端应力强弱的因子，简称应力强度因子。 √ 断裂韧度及其应用 当外加应力达到临界值σc时，裂纹开始失稳扩展，引起断裂，相应地，KⅠ值达到临界值KC，这个临界应力强度因子KC称为材料的断裂韧度，可通过试验测出，它是表示材料抵抗裂纹失稳扩展能力的力学性能指标，反映了含裂纹材料的承载能力。对于同一种材料来说，KC取决于试样的厚度：随着试样厚度的增加，KC单调减小至一常数KⅠC，这时裂纹尖端区域处于平面应变状态，KⅠC称为平面应变断裂韧度。由于KⅠC值与试样厚度无关，因此反映了材料本身的特性。