材料的断裂精选PPT.ppt

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1、关于材料的断裂第1页，讲稿共33张，创作于星期二4.1 理论断裂强度理论断裂强度 从宏观力学分析的角度，关于材料的强度面临着以下两个重要问题：一一是是完整晶体沿原子面正断的理论断裂强度和实际材料的断裂强度为什么会有很大的差异？二二是是对有初始缺陷的实际晶体（主要是裂纹体），断裂时将取决于什么参量，其断裂强度又具有何种含义？第2页，讲稿共33张，创作于星期二理论断裂强度理论断裂强度（P45）基于弹性变形的双原子基于弹性变形的双原子模型给出的原子内结合模型给出的原子内结合力随原子间距的变化关力随原子间距的变化关系可得晶体沿某晶面被系可得晶体沿某晶面被拉开拉开产生纯产生纯弹性正断弹性正断的的理论断裂

2、强度理论断裂强度：可见，金属晶体纯弹性正断的理论断裂强度可见，金属晶体纯弹性正断的理论断裂强度是由三个材料常数决定的。是由三个材料常数决定的。vv例：纯铁的理论断裂强度为例：纯铁的理论断裂强度为例：纯铁的理论断裂强度为例：纯铁的理论断裂强度为40000MPa40000MPa，经过一系列强化，经过一系列强化，经过一系列强化，经过一系列强化，实际断裂强度也大致在实际断裂强度也大致在实际断裂强度也大致在实际断裂强度也大致在2000 MPa2000 MPa左右。左右。左右。左右。第3页，讲稿共33张，创作于星期二问题？问题？vv钢的实际断裂强度比理论断裂强度小一个数量级钢的实际断裂强度比理论断裂强度小

3、一个数量级以上。以上。vv对一般的工程材料，实际断裂强度也只有理论对一般的工程材料，实际断裂强度也只有理论断裂强度的断裂强度的1/1001/1000。只有很细、几乎不。只有很细、几乎不存在缺陷的金属晶须和碳纤维的实际断裂强存在缺陷的金属晶须和碳纤维的实际断裂强度才能接近于其理论断裂强度。度才能接近于其理论断裂强度。vv对实际材料而言，必有晶体缺陷存在，其断裂问对实际材料而言，必有晶体缺陷存在，其断裂问题从本质上讲应该是含有缺陷的物体的断裂问题，题从本质上讲应该是含有缺陷的物体的断裂问题，可认为是可认为是裂纹体的断裂裂纹体的断裂问题。问题。第4页，讲稿共33张，创作于星期二vvGriffith理

4、论的出发点：理论的出发点：假定在实际材料中已经存在裂纹(可视为可视为裂纹体裂纹体)，当名义应力很低时，在裂纹尖端的局部应力已经达到很高数值（达到理论断裂强度 ），从而使裂纹快速扩展并导致材料脆性断裂。4.2裂纹体的断裂强度裂纹体的断裂强度-Griffith准则准则 第5页，讲稿共33张，创作于星期二Griffith准则准则如图，如图，设有一单位厚度的无限宽设有一单位厚度的无限宽平板，先使其受均匀拉应力作用平板，先使其受均匀拉应力作用而弹性伸长后，将两端固定形成而弹性伸长后，将两端固定形成一个隔离系统。一个隔离系统。然后在此平板上然后在此平板上开一开一垂直于拉应力的、长度为垂直于拉应力的、长度为

5、2a的裂纹的裂纹，则平板内总能量为：，则平板内总能量为：释放的弹性应变能释放的弹性应变能：裂纹新表面形成消耗的能量：裂纹新表面形成消耗的能量：则系统总能量：则系统总能量：第6页，讲稿共33张，创作于星期二 由由弹弹性性理理论论计计算算，据据裂裂纹纹处处于于临临界界失失稳稳状状态态下下的能量平衡条件的能量平衡条件 可可得得该该裂裂纹纹体体的的断断裂裂强强度度（即即著著名名的的Griffith判判据据）为：为：Griffith平板及其中裂纹的能量变化第7页，讲稿共33张，创作于星期二vGriffith公式公式解释了解释了 的问题的问题(如：如：a=0.1mm)。vvGriffith准准则则的的重重

6、要要意意义义还还在在于于它它对对脆脆性性断断裂裂提提出出了了一个新的判据：一个新的判据：该该该该式式式式表表表表明明明明：在在理理想想脆脆性性材材料料中中的的裂裂纹纹失失稳稳扩扩展展（即即断断裂裂）是是受受远远处处外外加加应应力力与与裂裂纹纹长长度度的的平平方方根根的的乘乘积积和和材材料料常常数数所所控控制制的的。由由于于对对给给定定的的理理想想脆脆性性材材料料，E和和 是是定定值值，Griffith从从能能量量平平衡衡的的意意义义上上给给出出了了理理想想脆脆性性断裂的必要条件。即：断裂的必要条件。即：Griffith断断断断裂裂裂裂准准准准则则则则：裂裂裂裂纹纹纹纹失失失失稳稳稳稳扩扩扩扩展

7、展展展（断断断断裂裂裂裂）是是是是在在在在 达到一恒定的临界值时产生的。达到一恒定的临界值时产生的。达到一恒定的临界值时产生的。达到一恒定的临界值时产生的。第8页，讲稿共33张，创作于星期二vv据据以以上上讨讨论论可可知知，Griffith理理论论分分析析仅仅限限于于完完全全脆脆性性的的情情况况，而而实实际际上上绝绝大大多多数数的的金金属属材材料料断断裂裂前前和和断断裂裂过过程程中中裂裂尖尖区区都都会会产产生生塑塑性性变变形形，从从而而使使裂裂尖尖钝钝化化。因因此此，在在实实际际金金属属材材料料中中，应应对对Griffith断裂准则进行修正断裂准则进行修正。vv在在Griffith理理论论提提

8、出出30年年后后，Orowan通通过过对对金金属属材材料料裂裂纹纹扩扩展展的的研研究究，指指出出裂裂纹纹扩扩展展前前其其尖尖端端附附近近要要产产生生一一个个塑塑性性区区。因因此此，提提供供裂裂纹纹扩扩展展的的能能量量不不仅仅用用于于形形成成新新表表面面所所需需的的表表面面能能，而而且且还还要要用用于于引引起起塑塑性性区区塑塑性性变变形形所所需需的的塑塑性性功功。据据此此，塑塑性性功功P和和表表面面能能一一起起成成为为了了裂裂纹纹扩扩展展的的阻阻力力。经经Orowan修修正正后后，材材料的断裂强度为：料的断裂强度为：或或 第9页，讲稿共33张，创作于星期二vv材材料料的的宏宏观观断断裂裂类类型型

9、根根据据不不同同的的分分类类方方法法而异。而异。vv断断裂裂按按断断前前有有无无产产生生明明显显的的塑塑性性变变形形可可分分为为韧韧性性断断裂裂和和脆脆性性断断裂裂。可可以以光光滑滑拉拉伸伸试试样断面收缩率等于样断面收缩率等于5%为界为界。vv断断裂裂按按断断裂裂面面的的取取向向或或按按作作用用力力方方式式不不同同可分为可分为正断和切断正断和切断。4.3材料的宏观断裂类型和力学状态图材料的宏观断裂类型和力学状态图第10页，讲稿共33张，创作于星期二典型断裂的宏观断口典型断裂的宏观断口(不同断裂形式下不同断裂形式下 的意义的意义)1.1.1.1.宏宏宏宏观观观观正正正正判判判判：断断断断面面面面

10、在在在在宏宏宏宏观观观观上上上上表表表表现现现现为为为为与与与与试试试试样样样样轴轴轴轴向向向向（加加加加载载载载方方方方向向向向）垂垂垂垂直直直直。但但但但在在在在微微微微观观观观上上上上不不不不一一一一定定定定是是是是垂垂垂垂直直直直于于于于晶晶晶晶面面面面的的的的正正正正断断断断（解解解解理理理理）。有有有有可能是剪切型断裂，形成可能是剪切型断裂，形成可能是剪切型断裂，形成可能是剪切型断裂，形成韧窝韧窝韧窝韧窝。2.2.2.2.宏宏宏宏观观观观切切切切断断断断：断断断断面面面面在在在在宏宏宏宏观观观观上上上上表表表表现现现现为为为为与与与与试试试试样样样样轴轴轴轴向向向向（加加加加载载载

11、载方方方方向向向向）约约约约呈呈呈呈 。第11页，讲稿共33张，创作于星期二韧性断裂的宏观断口形态韧性断裂的宏观断口形态 vv通常，具有一定塑性的材料，拉伸实验时都会产生不同通常，具有一定塑性的材料，拉伸实验时都会产生不同通常，具有一定塑性的材料，拉伸实验时都会产生不同通常，具有一定塑性的材料，拉伸实验时都会产生不同程度的颈缩，从而在宏观上产生宏观切断或与宏观正断程度的颈缩，从而在宏观上产生宏观切断或与宏观正断程度的颈缩，从而在宏观上产生宏观切断或与宏观正断程度的颈缩，从而在宏观上产生宏观切断或与宏观正断相混合的断裂。可以认为产生的断裂是相混合的断裂。可以认为产生的断裂是相混合的断裂。可以认为

12、产生的断裂是相混合的断裂。可以认为产生的断裂是韧性断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂。vv断口断口断口断口(形态形态形态形态)一般可由以下三部分组成：一般可由以下三部分组成：一般可由以下三部分组成：一般可由以下三部分组成：韧性断裂的宏观断口韧性断裂的宏观断口 1 1纤维区：纤维区：纤维区：纤维区：因颈缩后试样心部的应力最大，因颈缩后试样心部的应力最大，因颈缩后试样心部的应力最大，因颈缩后试样心部的应力最大，所以裂纹开始于试样心部。实际上试样中心所以裂纹开始于试样心部。实际上试样中心所以裂纹开始于试样心部。实际上试样中心所以裂纹开始于试样心部。实际上试样中心 部部部部分分分分最最最最先先先先出出出出现

13、现现现一一一一些些些些已已已已明明明明显显显显可可可可见见见见的的的的显显显显微微微微空空空空洞洞洞洞（微微微微孔孔孔孔或或或或微微微微裂裂裂裂纹纹纹纹），随随随随后后后后长大、聚集而形成锯齿状纤维断口。通常立体上呈环状。长大、聚集而形成锯齿状纤维断口。通常立体上呈环状。长大、聚集而形成锯齿状纤维断口。通常立体上呈环状。长大、聚集而形成锯齿状纤维断口。通常立体上呈环状。2 2放放放放射射射射区区区区：环环环环状状状状纤纤纤纤维维维维区区区区发发发发展展展展到到到到一一一一定定定定尺尺尺尺寸寸寸寸（临临临临界界界界裂裂裂裂纹纹纹纹尺尺尺尺寸寸寸寸）后后后后，裂裂裂裂纹纹纹纹开开开开始始始始快快快

14、快速速速速扩扩扩扩展展展展（失失失失稳稳稳稳扩扩扩扩展展展展）而而而而形形形形成成成成放放放放射射射射区区区区。表表表表现现现现为为为为宏宏宏宏观观观观正正正正断断断断，但但但但微微微微观观观观上上上上并并并并非非非非正正正正断断断断（解解解解理）。与纤维区不同，放射区是在裂纹到达临界尺寸后进行快速低能撕裂的结果。理）。与纤维区不同，放射区是在裂纹到达临界尺寸后进行快速低能撕裂的结果。理）。与纤维区不同，放射区是在裂纹到达临界尺寸后进行快速低能撕裂的结果。理）。与纤维区不同，放射区是在裂纹到达临界尺寸后进行快速低能撕裂的结果。3 3剪剪剪剪切切切切唇唇唇唇：放放放放射射射射区区区区形形形形成成

15、成成后后后后，试试试试样样样样承承承承载载载载面面面面积积积积只只只只剩剩剩剩下下下下最最最最外外外外侧侧侧侧的的的的环环环环状状状状面面面面积积积积，最后由拉伸应力的分切应力所切断，形成剪切唇。最后由拉伸应力的分切应力所切断，形成剪切唇。最后由拉伸应力的分切应力所切断，形成剪切唇。最后由拉伸应力的分切应力所切断，形成剪切唇。第12页，讲稿共33张，创作于星期二韧性断裂（杯锥状）断口的形成韧性断裂（杯锥状）断口的形成v光光滑滑圆圆柱柱试试样样受受拉拉伸伸力力作作用用，产产生生缩缩颈颈时时试试样样的的应应力力状状态态也也由由单单向向变变为为三三向向，且且中中心心区区轴轴向应力最大。向应力最大。v

16、在在中中心心三三向向拉拉应应力力作作用用下下，塑塑性性变变形形难难于于进进行行，致致使使其其中中的的夹夹杂杂物物或或第第二二相相质质点点本本身身碎碎裂裂，或或使使夹夹杂杂物物与与基基体体界界面面脱脱离离而而形形成成微微孔孔。微微孔孔不不断断长长大大和和聚聚合合就就形形成成显显微微裂裂纹纹。显显微微裂裂纹纹形形成成、扩扩展展过过程程重重复复进进行行就就形形成成锯锯齿齿状状的的纤纤维区维区。v裂裂纹纹达达临临界界尺尺寸寸后后就就快快速速扩扩展展而而形形成成有有放放射射线线花花样样特特征征的的放放射射区区。放放射射线线平平行行于于裂裂纹纹扩扩展展方方向向而而垂垂直直于于裂裂纹纹前前端端（每每一一瞬瞬

17、间间）的的轮轮廓廓线线，并并逆逆指指向裂纹源。向裂纹源。v最最后后由由拉拉伸伸应应力力的的分分切切应应力力切切断断，形形成成与与拉拉伸伸轴轴呈呈45的杯状或锥状的杯状或锥状剪切唇剪切唇。杯锥状断口形成示意图杯锥状断口形成示意图第13页，讲稿共33张，创作于星期二脆性断裂的宏观断口形态脆性断裂的宏观断口形态 脆性断裂断口的放射状花样 脆性断裂断口的人字纹花样v圆柱形拉伸试样：断断断断裂面与正应力垂直，断口平齐、光裂面与正应力垂直，断口平齐、光裂面与正应力垂直，断口平齐、光裂面与正应力垂直，断口平齐、光亮。亮。亮。亮。断面上的放射状条纹汇聚于一个断面上的放射状条纹汇聚于一个中心，此中心区域就是裂纹

18、源。中心，此中心区域就是裂纹源。v板状矩形截面拉伸试样:“人人”字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行，字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行，但其尖顶指向裂纹源。但其尖顶指向裂纹源。裂纹源裂纹源裂纹源裂纹源第14页，讲稿共33张，创作于星期二宏观断裂类型及特征总结宏观断裂类型及特征总结vv宏观断裂的分类宏观断裂的分类 按按断断裂裂前前的的塑塑性性变变形形程程度度或或按按断断裂裂过过程程中中所所吸吸收收的的能能量量大大小小可可将将断断裂裂划划分分为为韧韧性性断断裂裂和和脆脆性性断断裂裂二二种种类类型型。也也可可按按宏宏观观断断口口与与最最大大正正应应力力垂垂直直或或与与最最大大切切应力平行而分为正

19、断和切断二种方式。应力平行而分为正断和切断二种方式。1宏观韧性断裂宏观韧性断裂 一般地，典型光滑圆柱试样的宏观韧性断裂的一般地，典型光滑圆柱试样的宏观韧性断裂的断口呈杯锥形。由纤维区（裂纹产生）、放射区断口呈杯锥形。由纤维区（裂纹产生）、放射区（裂纹快速扩展）和剪切唇区（剪切断裂）三部分（裂纹快速扩展）和剪切唇区（剪切断裂）三部分组成。组成。通常，通常，韧性断裂是一种缓慢发展、耗能较高的撕裂韧性断裂是一种缓慢发展、耗能较高的撕裂过程过程，是结构件失效的主要形式之一。，是结构件失效的主要形式之一。第15页，讲稿共33张，创作于星期二 2宏观脆性断裂宏观脆性断裂宏观脆性断裂宏观脆性断裂 与与与与韧

20、韧韧韧性性性性断断断断裂裂裂裂相相相相反反反反，脆脆脆脆性性性性断断断断裂裂裂裂的的的的宏宏宏宏观观观观断断断断口口口口平平平平齐齐齐齐而而而而光光光光亮亮亮亮，与与与与主主主主应应应应力力力力垂垂垂垂直直直直；也也也也是是是是由由由由纤纤纤纤维维维维区区区区、放放放放射射射射区区区区和和和和剪剪剪剪切切切切唇唇唇唇三三三三部部部部分分分分组组组组成成成成，但但但但主主要要是是放放射射区区，特特别别是是剪剪切切唇唇几几乎乎看看不不见见，所所占占断断口口比比例例极小。极小。脆脆性性断断裂裂时时，放放射射花花样样也也是是由由于于材材料料剪剪切切变变形形而而形形成成的的，只只是是与与韧韧性性断断裂裂

21、不不同同，它它是是快快快快速速速速低低低低能能能能撕撕撕撕裂裂裂裂的的的的结结结结果果果果。材材料料越越脆脆，放放射射线线越越细细。当当当当材材材材料料料料处处处处于于于于极极极极脆脆脆脆状状状状态态态态（纯纯纯纯解解解解理理理理或或或或晶晶晶晶间间间间断断断断裂裂裂裂），则则则则放放放放射射射射线线线线消消消消失失失失。若若若若晶晶晶晶粒粒粒粒较较较较粗粗粗粗，可可可可在在在在解解解解理理理理断断断断口口口口上上上上看看看看到到到到许许许许多多多多强强强强烈烈烈烈的的的的反反反反光光光光小小小小平平平平面面面面（刻刻刻刻面面面面）。这这这这些些些些小小小小平平平平面面面面实实实实质质质质上上

22、上上是是是是一一一一个晶粒内的解理面。个晶粒内的解理面。个晶粒内的解理面。个晶粒内的解理面。解解解解理理理理断断断断裂裂裂裂和和和和沿沿沿沿晶晶晶晶断断断断裂裂裂裂（晶晶晶晶间间间间断断断断裂裂裂裂）是是是是脆脆脆脆性性性性断断断断裂裂裂裂的的重重要要形式。工程中，脆性断裂是一种灾难性的破坏。形式。工程中，脆性断裂是一种灾难性的破坏。第16页，讲稿共33张，创作于星期二3 3材料脆性或韧性的相对性材料脆性或韧性的相对性材料脆性或韧性的相对性材料脆性或韧性的相对性 工工工工程程程程材材材材料料料料的的的的韧韧韧韧脆脆脆脆是是是是由由由由内内内内在在在在和和和和外外外外在在在在二二二二方方方方面面

23、面面因因因因素素素素共共共共同同同同决决决决定定定定的。的。的。的。vv内内内内在在在在因因因因素素素素：主主主主要要要要是是是是材材材材料料料料的的的的塑塑塑塑性性性性和和和和强强强强度度度度。如如如如纯纯纯纯铁铁铁铁与与与与玻玻玻玻璃璃璃璃。前前前前者者者者塑塑塑塑性性性性优优优优良良良良、强强强强度度度度较较较较高高高高，通通通通常常常常呈呈呈呈韧韧韧韧性性性性断断断断裂裂裂裂；后后后后者者者者塑塑塑塑性性性性差差差差、强强强强度度度度较较较较低低低低，则则则则一一一一般般般般呈呈呈呈脆脆脆脆性性性性断断断断裂裂裂裂。特特特特别别别别是是是是在在在在冲冲冲冲击击击击条条条条件件件件下。下

24、。下。下。vv外外在在因因素素：主主主主要要要要是是是是温温温温度度度度、加加加加载载载载速速速速度度度度和和和和应应应应力力力力状状状状态态态态（加加加加载载载载方方方方式式式式）等等等等。如如如如：同同同同一一一一灰灰灰灰铸铸铸铸铁铁铁铁材材材材料料料料试试试试样样样样，分分分分别别别别进进进进行行行行拉拉拉拉伸伸伸伸和和和和硬硬硬硬度度度度（相相相相当当当当于于于于侧侧侧侧压压压压）实实实实验验验验，结结结结果果果果是是是是前前前前者者者者呈呈呈呈脆脆脆脆性性性性断断断断裂裂裂裂，后后后后者者者者可只压出压痕而不断裂。可只压出压痕而不断裂。可只压出压痕而不断裂。可只压出压痕而不断裂。因因

25、此此，工工工工程程程程材材材材料料料料的的的的韧韧韧韧性性性性或或或或脆脆脆脆性性性性是是是是相相相相对对对对的的的的，没没没没有有有有绝绝绝绝对对对对的的的的脆脆脆脆性或韧性材料。性或韧性材料。性或韧性材料。性或韧性材料。第17页，讲稿共33张，创作于星期二力学状态图力学状态图 vv力力力力学学学学状状状状态态态态图图图图是是是是把把把把二二二二种种种种强强强强度度度度理理理理论论论论（最最最最大大大大切切切切应应应应力力力力理理理理论论论论和和和和最最最最大大大大正正正正应应应应力力力力理理理理论论论论）、材材材材料料料料性性性性能能能能（切切切切变变变变抗抗抗抗力力力力、切切切切断断断断

26、抗抗抗抗力力力力、正正正正断断断断抗抗抗抗力力力力）、加加加加载载载载方方方方式式式式（应应应应力力力力状状状状态态态态）、断断断断裂裂裂裂类类类类型型型型及及及及方方方方式式式式都联系起来表征材料力学特征的图形。都联系起来表征材料力学特征的图形。都联系起来表征材料力学特征的图形。都联系起来表征材料力学特征的图形。如图所示，力学状态图被如图所示，力学状态图被如图所示，力学状态图被如图所示，力学状态图被 、三个力性指标分成了三个区，三个力性指标分成了三个区，三个力性指标分成了三个区，三个力性指标分成了三个区，即弹性变形区、弹塑性变形区和断裂区。即弹性变形区、弹塑性变形区和断裂区。即弹性变形区、弹

27、塑性变形区和断裂区。即弹性变形区、弹塑性变形区和断裂区。1 1在单向拉伸加载的情况下，正断式的韧性断裂。在单向拉伸加载的情况下，正断式的韧性断裂。在单向拉伸加载的情况下，正断式的韧性断裂。在单向拉伸加载的情况下，正断式的韧性断裂。2 2在扭转加载的情况下，切断式的韧性断裂。在扭转加载的情况下，切断式的韧性断裂。在扭转加载的情况下，切断式的韧性断裂。在扭转加载的情况下，切断式的韧性断裂。3 3在三向不等拉伸（如缺口拉伸在三向不等拉伸（如缺口拉伸在三向不等拉伸（如缺口拉伸在三向不等拉伸（如缺口拉伸 ）的情况下，正断式的脆性断裂。）的情况下，正断式的脆性断裂。）的情况下，正断式的脆性断裂。）的情况下

28、，正断式的脆性断裂。因此，利用力学状态图可以描述材料的断裂倾向。因此，利用力学状态图可以描述材料的断裂倾向。因此，利用力学状态图可以描述材料的断裂倾向。因此，利用力学状态图可以描述材料的断裂倾向。材料的力学状态图第18页，讲稿共33张，创作于星期二温度对力学状态图的影响v温度和加载速率通常对材料的温度和加载速率通常对材料的 影响很大，而对影响很大，而对 和和 影响较小。影响较小。v温温度度降降低低，增增大大，在在单单向向拉拉伸伸时时，材材料料由由正正断断式式韧韧性性断断裂裂转转变变为为正正断断式式脆脆性性断断裂裂。这这种种情情况况表表明明，材材料料由由室室温温到到某某一一低低温温时时将将发发生

29、生由由韧韧性性断断裂裂到到脆脆性性断断裂裂的的过过渡渡，即即冷冷脆转变脆转变。v力力学学状状态态图图为为定定性性分分析析材材料料断断裂裂问问题的一种有用方法。题的一种有用方法。温度对断裂图的影响温度对断裂图的影响第19页，讲稿共33张，创作于星期二4.4 断裂的微观机制及形貌特征断裂的微观机制及形貌特征 vv根据裂纹扩展的途径根据裂纹扩展的途径根据裂纹扩展的途径根据裂纹扩展的途径晶间断裂和穿晶断裂晶间断裂和穿晶断裂晶间断裂和穿晶断裂晶间断裂和穿晶断裂 1 1晶间断裂（沿晶断裂）：指裂纹沿晶界扩展。晶间断裂（沿晶断裂）：指裂纹沿晶界扩展。晶间断裂（沿晶断裂）：指裂纹沿晶界扩展。晶间断裂（沿晶断裂

30、）：指裂纹沿晶界扩展。断断断断口口口口的的的的基基基基本本本本特特特特征征征征：呈呈呈呈冰冰冰冰糖糖糖糖状状状状形形形形貌貌貌貌，显显显显示示示示多多多多晶晶晶晶体体体体各各各各晶晶晶晶粒粒粒粒多多多多面面面面体体体体的的的的特特特特征征征征（晶晶晶晶粒粒粒粒立立立立体体体体感感感感很很很很强强强强）。但但但但当当当当晶晶晶晶粒粒粒粒很很很很细细细细小小小小时时时时，则则则则冰冰冰冰糖糖糖糖状特征不明显，通常可呈结晶状。状特征不明显，通常可呈结晶状。状特征不明显，通常可呈结晶状。状特征不明显，通常可呈结晶状。断断断断裂裂裂裂机机机机制制制制：通通通通常常常常是是是是由由由由于于于于晶晶晶晶界界

31、界界上上上上存存存存在在在在脆脆脆脆性性性性冷冷冷冷凝凝凝凝相相相相、高高高高温温温温晶晶晶晶界界界界变变变变弱弱弱弱或或或或腐腐腐腐蚀蚀蚀蚀环环环环境境境境下下下下晶晶晶晶界界界界首首首首先先先先被被被被腐腐腐腐蚀蚀蚀蚀等等等等原原原原因因因因使使使使晶晶晶晶界界界界脆脆脆脆化化化化或或或或弱弱弱弱化化化化所所所所致。致。致。致。2 2穿晶断裂：指裂纹沿晶内（穿过晶粒）扩展。穿晶断裂：指裂纹沿晶内（穿过晶粒）扩展。穿晶断裂：指裂纹沿晶内（穿过晶粒）扩展。穿晶断裂：指裂纹沿晶内（穿过晶粒）扩展。穿穿穿穿晶晶晶晶断断断断裂裂裂裂可可可可依依依依据据据据不不不不同同同同的的的的微微微微观观观观断断

32、断断裂裂裂裂机机机机制制制制而而而而具具具具有有有有不不不不同同同同的的的的微微微微观观观观断断断断口口口口形形形形貌貌貌貌特特特特征征征征，主主主主要要要要有有有有解解解解理理理理、微微微微孔孔孔孔聚聚聚聚集集集集、准准准准解解解解理理理理等等等等。一一一一般般般般地地地地，从从从从宏宏宏宏观观观观上上上上看看看看，沿沿沿沿晶晶晶晶断断断断裂裂裂裂多多多多为为为为脆脆脆脆性性性性断断断断裂裂裂裂，而而而而穿穿穿穿晶晶晶晶断断断断裂则既可以是脆性断裂，也可以是韧性断裂。裂则既可以是脆性断裂，也可以是韧性断裂。裂则既可以是脆性断裂，也可以是韧性断裂。裂则既可以是脆性断裂，也可以是韧性断裂。第20

33、页，讲稿共33张，创作于星期二vv根据微观断裂机制根据微观断裂机制根据微观断裂机制根据微观断裂机制解理断裂和剪切断裂解理断裂和剪切断裂解理断裂和剪切断裂解理断裂和剪切断裂 1 1解解解解理理理理断断断断裂裂裂裂：指指指指在在在在拉拉拉拉伸伸伸伸应应应应力力力力作作作作用用用用下下下下，沿沿沿沿一一一一定定定定结结结结晶晶晶晶面面面面而而而而分分分分离离离离的的的的断断断断裂裂裂裂。所分离的结晶面称为所分离的结晶面称为所分离的结晶面称为所分离的结晶面称为解理面解理面解理面解理面。一一一一般般般般地地地地，解解解解理理理理断断断断裂裂裂裂是是是是脆脆脆脆性性性性断断断断裂裂裂裂，而而而而脆脆脆脆性

34、性性性断断断断裂裂裂裂却却却却不不不不一一一一定定定定是是是是解解解解理理理理断断断断裂裂裂裂，且且且且解解解解理理理理断断断断裂裂裂裂也也也也可可可可以以以以是是是是在在在在有有有有一一一一定定定定塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形后后后后产产产产生生生生，所以，解理断裂与脆性断裂不能完全等同。所以，解理断裂与脆性断裂不能完全等同。所以，解理断裂与脆性断裂不能完全等同。所以，解理断裂与脆性断裂不能完全等同。解解解解理理理理面面面面一一一一般般般般是是是是低低低低指指指指数数数数晶晶晶晶面面面面，原原原原因因因因是是是是低低低低指指指指数数数数晶晶晶晶面面面面一一一一般般般般表表表表面面面面能能

35、能能低低低低，理理理理论论论论断断断断裂裂裂裂强强强强度度度度最最最最低低低低，优优优优先先先先产产产产生生生生断断断断裂裂裂裂。通通通通常常常常，体体体体心心心心立立立立方方方方和和和和密密密密排排排排六六六六方方方方金金金金属属属属中中中中易易易易发发发发生生生生解解解解理理理理断断断断裂裂裂裂，而而而而面面面面心心心心立立立立方方方方金金金金属属属属只只只只在在在在特特特特殊殊殊殊情情情情况况况况下下下下才才才才产生。产生。产生。产生。vv解理断口的微观形貌特征解理断口的微观形貌特征解理断口的微观形貌特征解理断口的微观形貌特征 对对对对于于于于理理理理想想想想单单单单晶晶晶晶体体体体而而

36、而而言言言言，解解解解理理理理断断断断裂裂裂裂可可可可以以以以是是是是完完完完全全全全沿沿沿沿单单单单一一一一结结结结晶晶晶晶面面面面的的的的分分分分离离离离，其其其其解解解解理理理理断断断断口口口口是是是是一一一一毫毫毫毫无无无无特特特特征征征征的的的的理理理理想想想想平平平平面面面面。但但但但在在在在实实实实际际际际晶晶晶晶体体体体中中中中，由由由由于于于于缺缺缺缺陷陷陷陷的的的的存存存存在在在在，断断断断裂裂裂裂并并并并不不不不是是是是沿沿沿沿单单单单一一一一的的的的晶晶晶晶面面面面解解解解理理理理，而而而而是是是是沿沿沿沿一一一一组组组组平平平平行行行行的的的的晶晶晶晶面面面面解解解解

37、理理理理，从从从从而而而而在在在在不不不不同同同同高高高高度度度度上上上上平平平平行行行行的的的的解解解解理理理理面面面面之之之之间间间间形形形形成成成成解解解解理理理理台台台台阶阶阶阶。从从从从垂垂垂垂直直直直断断断断面面面面上上上上看看看看，台台台台阶阶阶阶汇汇汇汇合合合合形形形形成成成成一一一一种种种种所所所所谓谓谓谓的的的的河河河河流流流流花样花样花样花样，这，这，这，这是解理断裂最主要的微观特征。是解理断裂最主要的微观特征。是解理断裂最主要的微观特征。是解理断裂最主要的微观特征。第21页，讲稿共33张，创作于星期二 2微孔聚合剪切断裂微孔聚合剪切断裂 剪剪切切断断裂裂一一般般是是韧韧

38、性性断断裂裂，有有微微孔孔聚聚合合型型剪剪切切断断裂裂和和纯纯剪剪切切断断裂裂两两类类。后后者者主主要要是是在在单单晶晶体体或或高高纯纯金金属属中中出出现现。前前者者则则是是在在常常用用金金属属材材料料中中出出现的形式。现的形式。微观特征：微观特征：主要是韧窝。主要是韧窝。通通常常，对对微微观观断断口口上上的的韧韧窝窝内内部部进进行行仔仔细细观观察察，观观察察到到的的韧韧窝窝只只是是显显微微空空洞洞的的一一半半，而而在在对对应应的的断断口口上上必必有有一一对对应应的的韧韧窝窝，二二者者的的底底部部，至至少少其其中中之之一一有有夹夹杂杂物物粒粒子子存存在在。此此外外，韧韧窝窝也也可可在在晶晶界界

39、、孪孪晶晶界界及及相相界界处处形形核核，此此时时韧韧窝窝中中可能没有第二相粒子。可能没有第二相粒子。第22页，讲稿共33张，创作于星期二微孔聚合断裂（微孔聚合断裂（韧窝形成韧窝形成）过程）过程 多多多多数数数数情情情情况况况况下下下下在在在在钢钢钢钢中中中中都都都都能能能能看看看看到到到到有有有有非非非非金金金金属属属属夹夹夹夹杂杂杂杂物物物物等等等等异异异异相相相相的的的的存存存存在在在在。因因因因此此此此，韧韧韧韧窝窝窝窝的的的的形形形形成成成成与与与与异异异异相相相相粒粒粒粒子子子子有有有有关关关关。在在在在外外外外力力力力作作作作用用用用下下下下产产产产生生生生塑塑塑塑性性性性变变变变

40、形形形形时时时时，异异异异相相相相阻阻阻阻碍碍碍碍基基基基体体体体滑滑滑滑移移移移，便便便便在在在在异异异异相相相相与与与与基基基基体体体体滑滑滑滑移移移移面面面面交交交交界界界界处处处处造造造造成成成成应应应应力力力力集集集集中中中中，当当当当应应应应力力力力集集集集中中中中达达达达到到到到异异异异相相相相与与与与基基基基体体体体界界界界面面面面结结结结合合合合强强强强度度度度或或或或异异异异相相相相本本本本身身身身强强强强度度度度时时时时，会会会会使使使使二二二二者者者者界界界界面面面面脱脱脱脱离离离离或或或或异异异异相相相相自自自自身身身身断断断断裂裂裂裂，从从从从而而而而形形形形成成成

41、成裂裂裂裂纹纹纹纹（微微微微孔孔孔孔），并并并并不不不不断断断断扩扩扩扩大大大大，最最最最后后后后使使使使夹夹夹夹杂杂杂杂物物物物之之之之间间间间基基基基体体体体金金金金属属属属产产产产生生生生“内内内内颈颈颈颈缩缩缩缩”，当当当当颈颈颈颈缩缩缩缩达达达达到到到到一一一一定定定定程程程程度度度度后后后后基基基基体体体体金金金金属属属属被被被被撕撕撕撕裂裂裂裂或或或或剪剪剪剪切切切切断断断断裂裂裂裂，使空洞使空洞使空洞使空洞连接连接连接连接，从而形成韧窝断口形貌。，从而形成韧窝断口形貌。，从而形成韧窝断口形貌。，从而形成韧窝断口形貌。微孔微孔形核形核示意图示意图微孔微孔长大长大和和连接连接第23

42、页，讲稿共33张，创作于星期二影响韧窝形成的因素影响韧窝形成的因素 vv韧韧韧韧窝窝窝窝的的的的形形形形成成成成位位位位置置置置、形形形形状状状状、大大大大小小小小和和和和深深深深浅浅浅浅受受受受很很很很多多多多因因因因素素素素影影影影响响响响，大大大大致致致致归归归归纳纳纳纳起起起起来来来来可可可可分分分分为为为为三三三三个个个个方方方方面面面面。一一一一是是是是成成成成核核核核粒粒粒粒子子子子的的的的大大大大小小小小和和和和分分分分布布布布；二二二二是是是是材材材材料料料料的的的的塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形能能能能力力力力，尤尤尤尤其其其其是是是是形形形形变变变变硬硬硬硬化化化化的的

43、的的能能能能力力力力；三三三三是是是是外外外外部部部部因因因因素素素素（包括应力大小、应力状态、温度、变形速度等）。（包括应力大小、应力状态、温度、变形速度等）。（包括应力大小、应力状态、温度、变形速度等）。（包括应力大小、应力状态、温度、变形速度等）。vv韧窝的形状主要取决于应力状态或应力与断面的相对取向。韧窝的形状主要取决于应力状态或应力与断面的相对取向。韧窝的形状主要取决于应力状态或应力与断面的相对取向。韧窝的形状主要取决于应力状态或应力与断面的相对取向。如如如如图图图图，当当当当正正正正应应应应力力力力垂垂垂垂直直直直于于于于微微微微孔孔孔孔的的的的平平平平面面面面，使使使使微微微微孔

44、孔孔孔在在在在此此此此平平平平面面面面上上上上各各各各方方方方向向向向长长长长大大大大倾倾倾倾向向向向相相相相同同同同时时时时，则则则则形成等轴韧窝（图形成等轴韧窝（图形成等轴韧窝（图形成等轴韧窝（图 a a）；当切应力平行于微孔截面时，）；当切应力平行于微孔截面时，）；当切应力平行于微孔截面时，）；当切应力平行于微孔截面时，在切应力作用下微孔被拉长，断裂在切应力作用下微孔被拉长，断裂在切应力作用下微孔被拉长，断裂在切应力作用下微孔被拉长，断裂 时形成的韧窝必是抛物线状，且在时形成的韧窝必是抛物线状，且在时形成的韧窝必是抛物线状，且在时形成的韧窝必是抛物线状，且在 对应断面上的抛物线方向相反（

45、图对应断面上的抛物线方向相反（图对应断面上的抛物线方向相反（图对应断面上的抛物线方向相反（图 b b）；当微孔在不均匀拉伸或弯曲）；当微孔在不均匀拉伸或弯曲）；当微孔在不均匀拉伸或弯曲）；当微孔在不均匀拉伸或弯曲 加载的拉应力作用下时，断口上也加载的拉应力作用下时，断口上也加载的拉应力作用下时，断口上也加载的拉应力作用下时，断口上也 形成被拉长的抛物线状韧窝，但对形成被拉长的抛物线状韧窝，但对形成被拉长的抛物线状韧窝，但对形成被拉长的抛物线状韧窝，但对 应断面上的抛物线方向相同，都指应断面上的抛物线方向相同，都指应断面上的抛物线方向相同，都指应断面上的抛物线方向相同，都指 向裂纹源（图向裂纹源

46、（图向裂纹源（图向裂纹源（图c c）。）。）。）。不同应力状态下的韧窝形态不同应力状态下的韧窝形态不同应力状态下的韧窝形态不同应力状态下的韧窝形态 第24页，讲稿共33张，创作于星期二 3 3准解理准解理准解理准解理：指解理和微孔聚合断裂的混合。：指解理和微孔聚合断裂的混合。：指解理和微孔聚合断裂的混合。：指解理和微孔聚合断裂的混合。vv微微微微观观观观特特特特征征征征：有有有有辐辐辐辐射射射射状状状状的的的的河河河河流流流流花花花花样样样样，也也也也有有有有韧韧韧韧窝窝窝窝，且且且且在在在在小小小小平平平平面面面面内内内内和和和和小小小小平平平平面之间还有撕裂棱。面之间还有撕裂棱。面之间还有

47、撕裂棱。面之间还有撕裂棱。vv与解理的主要区别：与解理的主要区别：与解理的主要区别：与解理的主要区别：准准准准解解解解理理理理断断断断裂裂裂裂起起起起始始始始于于于于断断断断裂裂裂裂小小小小平平平平面面面面内内内内部部部部，并并并并逐逐逐逐渐渐渐渐长长长长大大大大，最最最最后后后后被被被被撕撕撕撕裂裂裂裂棱棱棱棱连连连连接接接接起起起起来来来来；而而而而解解解解理理理理裂裂裂裂纹纹纹纹则则则则起起起起始始始始于于于于断断断断裂裂裂裂的的的的一一一一侧侧侧侧，并并并并向向向向另另另另一一一一侧侧侧侧扩扩扩扩展展展展，直直直直至至至至断裂。断裂。断裂。断裂。准准准准解解解解理理理理是是是是通通通通

48、过过过过解解解解理理理理台台台台阶阶阶阶和和和和撕撕撕撕裂裂裂裂棱棱棱棱把把把把解解解解理理理理和和和和微微微微孔孔孔孔聚聚聚聚合合合合两两两两种种种种断断断断裂裂裂裂机机机机理掺和在一起，二者没有截然的划分。理掺和在一起，二者没有截然的划分。理掺和在一起，二者没有截然的划分。理掺和在一起，二者没有截然的划分。vv注注注注意意意意：微微微微孔孔孔孔聚聚聚聚合合合合剪剪剪剪切切切切断断断断裂裂裂裂一一一一定定定定有有有有韧韧韧韧窝窝窝窝存存存存在在在在，但但但但在在在在微微微微观观观观断断断断口口口口上上上上有有有有韧韧韧韧窝窝窝窝的的的的断断断断裂裂裂裂，宏宏宏宏观观观观上上上上不不不不一一一

49、一定定定定就就就就是是是是韧韧韧韧性性性性断断断断裂裂裂裂。因因因因为为为为宏宏宏宏观观观观上上上上的的的的脆脆脆脆性性性性断断断断裂裂裂裂在在在在局局局局部部部部区区区区域域域域也也也也可可可可以以以以有有有有塑塑塑塑性性性性变变变变形形形形而而而而呈呈呈呈现现现现出出出出韧韧韧韧窝窝窝窝特特特特征征征征的的的的微微微微观观观观断断断断口的形貌。因此，微孔聚合剪切断裂与韧性断裂不能完全等同。口的形貌。因此，微孔聚合剪切断裂与韧性断裂不能完全等同。口的形貌。因此，微孔聚合剪切断裂与韧性断裂不能完全等同。口的形貌。因此，微孔聚合剪切断裂与韧性断裂不能完全等同。vv综综综综上上上上所所所所述述述述

50、，在在在在断断断断裂裂裂裂失失失失效效效效分分分分析析析析时时时时，一一一一定定定定要要要要宏宏宏宏观观观观和和和和微微微微观观观观结结结结合合合合起起起起来来来来，以得出正确的判断。以得出正确的判断。以得出正确的判断。以得出正确的判断。第25页，讲稿共33张，创作于星期二材料的断裂类型及其特点总结第26页，讲稿共33张，创作于星期二理论断裂强度推导理论断裂强度推导原子间结合力与原子间位移的关系曲线可用正弦曲线表示：如果原子位移很小，有 ，则 。当原子间位移很小时，根据虎克定律：合并上述二式，得：另一方面，晶体脆性断裂时所消耗的功用来供给形成两个新表面所需之表面能。设裂纹面上单位面积的表面能为