4 金属材料的断裂和断裂韧性

null4 金属材料的断裂和断裂韧性4 金属材料的断裂和断裂韧性现代设计与分析研究所 何雪浤4 金属材料的断裂和断裂韧性4 金属材料的断裂和断裂韧性工程构件的主要失效形式 断裂、弹塑性失稳、磨损、腐蚀等 断裂的不同形式 疲劳断裂、蠕变断裂、应力腐蚀或腐蚀疲劳断裂等 室温环境下单向加载时的金属断裂 断裂类型：脆性断裂、韧性断裂 断裂过程与微观机制 断裂的基本理论 韧－脆转化 区分依据： 断裂前是否发生明显的宏观塑性变形； 断裂前是否明显地吸收了能量 4 金属材料的断裂和断裂韧性4 金属材料的断裂和断裂韧性4.1 脆性断裂 4.2 延性断裂 4.3 脆性—韧性转变 4.4 线弹性条件下的断裂韧性 4.5 影响断裂韧性的因素 4.6 金属的韧化 4.7 弹塑性条件下断裂韧性的概述 4.1 脆性断裂4.1 脆性断裂脆性断裂的宏观特征 断裂前无明显的塑性变形，吸收的能量很少，而裂纹的扩展速度往往很快，几近音速，故脆性断裂前无明显的征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的后果 。 在工程应用中，一般把Ψk <5％定为脆性断裂， Ψk =5％定为准脆性断裂， Ψ k >5％定为韧性断裂。 材料处于脆性状态还是韧状态并不是固定不变的，往往因材质、应力状态和环境等因素而相互转化。 常见的脆性断裂有解理断裂和晶间断裂。 4.1.1 解理断裂4.1.1 解理断裂解理断裂是材料在拉应力的作用下，由于原子间结合键遭到破坏，严格地沿一定的结晶学平面（即所谓“解理面”）劈开而造成的。 解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指数的晶面。 解理断口的宏观形貌是较为平坦的、发亮的结晶状断面。 在电子显微镜下，解理断口的特征是河流状花样。河流状花样是由解理台阶的侧面汇合而形成的。 “河流”的流向与裂纹扩展方向一致 。 在通过扭曲晶界或大角度晶界时，由于相邻晶粒内解理面的位向差很大，裂纹在晶界受阻，裂纹尖端的高应变能激发了在晶界另一侧面的解理裂纹成核，即出现了新的河流花样，而且往往数量大增。 解理断裂的另一个微观特征是舌状花样，它是解理裂纹沿孪晶界扩展而留下的舌状凸台或凹坑。 一些金属的解理面 一些金属的解理面 解理断口的河流花样（箭头所指为扩展方向） 解理断口的河流花样（箭头所指为扩展方向） 裂纹扩展和河流方向 裂纹扩展和河流方向 裂纹穿过大角度晶界的解理河流花样 裂纹穿过大角度晶界的解理河流花样 解理断口的舌状花样解理断口的舌状花样4.1.2 准解理断裂4.1.2 准解理断裂准解理断裂多在马氏体回火钢中出现，回火产物中细小的碳化物质点影响裂纹的产生和扩展。 准解理断裂时，其解理面除（0 01）面外，还有（1 1 0）、（1 1 2）等晶面。 准解理断裂的解理小平面间有明显的撕裂棱。其微观形貌中，出现大量短而弯曲的撕裂棱，河流花样已不十分明显。 撕裂棱是由一些单独形核的裂纹相互连接而形成的。 准解理断口 准解理断口 撕裂棱的形成过程示意图 撕裂棱的形成过程示意图 准解理断裂和解理断裂的主要不同点准解理断裂和解理断裂的主要不同点准解理裂纹常起源于晶内硬质点，向四周放射状地扩展，而解理裂纹则自晶界一侧向另一侧延伸； 准解理断口有许多撕裂棱； 准解理断口上局部区域出现韧窝，是解理与微孔聚合的混合型断裂。但准解理断裂的主要机制仍是解理。其宏观表现是脆性的。所以，常将准解理断裂归入脆性断裂。4.1.3 沿晶断裂4.1.3 沿晶断裂沿晶断裂是裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂 。 沿晶断裂发生的主要原因 晶界存在连续分布的脆性第二相； 微量有害杂质元素在晶界上偏聚； 由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。 例：钢的高温回火脆性是微量有害元素P，Sb，As，Sn等偏聚于晶界，降低了晶界原子间的结合力，从而大大降低了裂纹沿晶界扩展的抗力，导致沿晶断裂。 沿晶断裂断口形貌 沿晶断裂断口形貌 4.2.1 延性断裂特征及过程 4.2.1 延性断裂特征及过程 延性断裂的微观特征是韧窝形貌。在电子显微镜下，可以看到断口由许多凹进或凸出的微坑组成。在微坑中可以发现有第二相粒子。 一般情况下，断口具有韧窝形貌的构件，其宏观断裂是韧性的，断口的宏观形貌大多呈纤维状。 延性断裂的过程是：“微孔形核—微孔长大——微孔聚合”三部曲。微孔聚合有三种不同的模式 。 韧窝的形状因应力状态而异。如在正应力作用下，韧窝是等轴形的；在扭载荷作用下，韧窝被拉长为椭圆形。 微观上的延性断裂（其特征为微孔聚合、韧窝形貌），往往与宏观上的韧性断裂（断裂前有较大的宏观塑性变形）相联系，但并无严格的对应关系。 延性断裂断口形貌——韧窝 延性断裂断口形貌——韧窝 微孔聚合的三种形式 微孔聚合的三种形式 剪切裂纹一般沿滑移线发生. 高强度钢常发生这种模式的微孔聚合，其韧性较“正常的”微孔聚合模式要差。 （a）正常的微孔聚合；（b）快速剪切断开；（c）大片夹杂相连 内颈缩剪切裂纹夹杂微孔成核源：第二相粒子。 在应力作用下，基体和第二相粒子的界面脱开，或第二相粒子本身开裂，于是出现微孔。 材料内部本身存在着大片的夹杂，微孔通过脆弱的夹杂连成裂纹。 这是不合格材料出现的一种缺陷 不同韧窝形式 不同韧窝形式 (a)等轴韧窝 (b)抛物线型韧窝 (c)拉长型韧窝4.2.2 影响延性断裂扩展的因素 4.2.2 影响延性断裂扩展的因素 1 第二相粒子 第二相粒子分为两大类，一类是夹杂物，如钢中的MnS，它很脆，在不大的应力作用下，这些夹杂物粒子便与基体脱开，或本身裂开而成为微孔；另一类是强化相，如钢中的弥散碳化物、铝合金中的弥散强化相，它们本身比较坚实，与基体结合也牢，是位错塞积引起的应力集中，或在高应变条件下，第二相与基体塑性变形不协调而萌生微孔的。 随第二相体积分数的增加，钢的韧性都下降，硫化物比碳化物的影响要明显得多。 2 基体的形变强化 基体的形变强化指数越大，则塑性变形后的强化越强烈，其结果是各处均匀的变形。微孔长大后的聚合，将按正常模式进行，韧性好；相反地，如果基体的形变强化指数小，则变形容易局部化，较易出现快速剪切裂开。这种聚合模式韧性低。 第二相对断裂应变的影响 第二相对断裂应变的影响 4.3 脆性—韧性转变 4.3 脆性—韧性转变 构件或材料的韧性或脆性并不是固定不变的，除了材料本身的组织结构有很大影响外，还取决于应力状态，温度和加载速率等等。与其说某一材料本质是脆性的或韧性的，还不如说该材料是处于脆性状态或韧性状态。4.3.1 应力状态、柔度系数与破坏形式4.3.1 应力状态、柔度系数与破坏形式切应力促进塑性变形，对韧性有利；拉应力促进断裂，不利于韧性。 柔度系数（软性系数）α值愈大，应力状态愈“柔”，愈易变形而较不易开裂，即愈易处于韧性状态。α值愈小，则相反，愈易倾向脆性断裂 某一材料的力学状态图 某一材料的力学状态图 正断屈服切断弹性变形区切断正断4.3.2 温度和加载速率的影响 4.3.2 温度和加载速率的影响 温度对韧脆转变影响显著，这是由于温度对正断强度影响不大，而对屈服强度影响甚大 。 随着温度升高，断裂应力变化不大，而屈服强度变化很大，σc和σs交点就是韧—脆转变温度，低于此温度是无屈服的断裂，即脆断；高于此温度是韧断。 提高加载速率起着与温度相反的作用。加载速率提高，容易激发解理断裂，即使是微孔聚合的延性断裂机理，微孔聚合的模式也只能是快速剪切裂开，因而增加了脆性倾向。 碳含量对钢冲击转变温度的影响 碳含量对钢冲击转变温度的影响 脆性韧性转变示意图 脆性韧性转变示意图 4.3.3 材料微观结构的影响 4.3.3 材料微观结构的影响 （1）晶格类型的影响 面心立方晶格的金属，一般不出现解理断裂，也没有韧—脆转变温度，其韧性可以维持到低温。 体心立方晶格的金属，韧脆转变受温度及加载速率的影响很大，因为在低温和高加载速率下，它们易发生孪晶，也容易激发解理断裂。 （2）成分的影响 微量的氧、氮以及间隙原子溶于体心立方晶格中会阻碍滑移，促进其脆性。 钢中含碳量增加，塑性抗力增加 。 合金元素的影响比较复杂 。 （3）晶粒大小的影响 晶粒细化既提高了材料的强度，又提高了它的塑性和韧性，还降低了韧脆转变温度 。 （4）第二相粒子的影响 细小的第二相粒子有利于降低韧脆转变温度。合金元素对钢冲击韧性转变温度的影响 合金元素对钢冲击韧性转变温度的影响 断裂力学和断裂韧性断裂力学和断裂韧性为防止裂纹体的低应力脆断，不得不对其强度——断裂抗力进行研究，从而形成了断裂力学这样一个新学科。 断裂力学的研究内容包括裂纹尖端的应力和应变分析；建立新的断裂判据；断裂力学参量的计算与实验测定，其中包括材料的力学性能新指标——断裂韧性及其测定，断裂机制和提高材料断裂韧性的途径等。 断裂力学用于构件的安全性评估或断裂控制设计，是对静强度设计的重大发展和补充，具有重大的工程应用意义。 断裂力学的发展经历了从线弹性断裂力学到弹塑性断裂力学的阶段。 4.4 线弹性条件下的断裂韧性 4.4 线弹性条件下的断裂韧性 4.4.1 三种断裂的类型 张开型(I)滑开型(Ⅱ)撕开型(Ⅲ)三种基本断裂类型的实例 三种基本断裂类型的实例 叶轮中的I型裂纹 叶轮中的I型裂纹 联接螺栓中的II型裂纹联接螺栓中的II型裂纹4.4.2 应力强度因子KI和断裂韧性KIc4.4.2 应力强度因子KI和断裂韧性KIc裂纹尖端应力应变场分析得裂纹尖端应力场的一般表达式：中心贯穿裂纹无限大板4.4.2 应力强度因子KI和断裂韧性KIc4.4.2 应力强度因子KI和断裂韧性KIc应力强度因子的临界值是材料本身的固有属性 断裂韧性随板厚的变化断裂韧性随板厚的变化一些工程材料在常温下的KIc值 一些工程材料在常温下的KIc值 4.4.2 应力强度因子KI和断裂韧性KIc4.4.2 应力强度因子KI和断裂韧性KIc脆性断裂的K准则:KI和KIc的物理意义 KI ：应力强度因子，计算得到。 KIc ：断裂韧性：材料抵抗脆性断裂的能力。 KIc的试验获得 平面应变断裂韧性4.4.3 裂纹扩展的能量释放率GI和断裂韧性GIc 4.4.3 裂纹扩展的能量释放率GI和断裂韧性GIc 分析原理：能量法应变能释放率裂纹扩展需要吸收的能量率扩展稳定临界裂纹临界条件：G准则K与G的关系K与G的关系K准则的工程应用K准则的工程应用K准则:临界应力临界裂纹长度K准则的工程应用K准则的工程应用应用场合： 已知应力，求临界裂纹长度； 已知裂纹长度，求临界应力（剩余强度）。 应用步骤： 通过无损检测，确定裂纹a的长度及位置； 对缺陷进行分析，计算或查表得到应力强度因子K的表达式； 通过试验或查表，确定材料的平面应变断裂韧性KIc值； 根据K准则，进行断裂力学分析，确定临界裂纹长度ac或临界应力（剩余强度）值。工程应用实例工程应用实例1950年，美国北极星导弹发动机壳体发生爆炸事件。已知壳体材料为D6GC高强度钢， ， ～ ，传统检验合格，水压实验时爆炸，破坏应力为 。材料的断裂韧性为 ～ ，试分析其低应力脆断的原因。 工程应用实例工程应用实例应力分析周向应力和轴向应力图工程应用实例工程应用实例传统强度分析 未超过许用应力，强度合格。 断裂分析 临界裂纹长度0.36mm，易漏检。 改进措施 选用KIc较高的材料，提高临界裂纹长度，确保检出率。4.4.4 平面应变断裂韧性的测定 4.4.4 平面应变断裂韧性的测定 1. 试样及其制备 用于测定KIc 的试样主要采用三点弯曲和紧凑拉伸试样。 为引发裂纹，可先用线切割加工宽度≤0.13mm的切口，然后用高频疲劳试验机预制长度>1.3mm的疲劳裂纹。 疲劳预制中的Kmax应小于0.6KIc，特别是在最终达到要求裂纹长度时，应尽量减小负荷，以保证裂纹有足够的尖锐度。 两种典型的断裂韧性试样两种典型的断裂韧性试样（a）三点弯曲 （b）紧凑拉伸4.4.4 平面应变断裂韧性的测定4.4.4 平面应变断裂韧性的测定2. 测试设备和方法 测试的装置如图所示。测试时，通过载荷传感器和位移传感器以及动态电阻应变仪和函数仪，连续记录负荷F和裂纹嘴张开位移v，从而得到F—v曲线。由此曲线如果能定出临界载荷Fc以及由断口上测定的裂纹长度a，代入确定的KIc计算，就可以求得材料的断裂韧性KIc值。 KIc测试装置系统 KIc测试装置系统 4.5 影响断裂韧性的因素4.5 影响断裂韧性的因素1. 材料的组织和结构 （1）晶粒尺寸 晶粒愈细，晶界所占比例愈大，裂纹尖端附近从产生一定尺寸的塑性区到裂纹扩展所消耗的能量也愈大，因此KIc也愈高。一般说来，细化晶粒是使强度和韧性同时提高的有效手段。 （ 2 ）夹杂和第二相 钢中的夹杂物，如硫化物、氧化物等往往偏析于晶界，导致晶界弱化，增大沿晶断裂的倾向，而在晶内分布的杂质则常常起着缺陷源的作用。所有这些都使材料的KIc值下降。 至于脆性第二相，如随碳含量的增加，渗碳体增多，强度提高，但KIc 值急剧下降。 夹杂物和第二相的形状对KIc值也有很大影响 。 回火脆性也是引起钢的断裂韧性大幅度下降的重要因素。 4.5 影响断裂韧性的因素4.5 影响断裂韧性的因素（3）组织结构 通过淬火、回火获得回火马氏体组织的综合力学性能最好，即σs和KIc值都高。 调整贝氏体的成分和工艺，使针状铁素体细化就可使其韧性提高。 奥氏体的韧性比马氏体高，所以在马氏体基体上有少量残余奥氏体，就相当于存在韧性相，使材料断裂韧性升高。4.5 影响断裂韧性的因素4.5 影响断裂韧性的因素2. 温度和加载速度 随着试验温度的下降，材料塑性变形能力降低，相应KIc值也有所下降。 变形速度增大，影响材料塑性变形能力的发挥，促使材料的韧性下降。 NiCrMoV钢KIc随温度的变化 NiCrMoV钢KIc随温度的变化 KIc与变形速度的关系 KIc与变形速度的关系4.6 金属的韧化 4.6 金属的韧化 1．提高冶金质量 2．控制钢的成分和组织 3．压力加工 4．热处理 复习思考题复习思考题解理断裂的微观形貌有哪些主要特征。脆性断裂与解理断裂是否等同。 随着结构的大型化、设计应力水平的提高、高强度材料的应用、焊接工艺的普遍采用以及服役条件的严酷化，试说明在传统强度设计的基础上，还应进行断裂力学设计的原因。 如何正确认识断裂判据KI=KIc的含义。 什么是材料的断裂韧性？影响断裂韧性有哪些主要因素？