材料力学性能-单智伟讲义-第6讲上 材料的断裂及其形貌

材料的力学性能－断裂与断口分析材料的断裂断裂是工程材料的主要失效形式之一。

工程结构或机件的断裂会造成重大的经济损失，甚至人员伤亡。

如何提高材料的断裂抗力，防止断裂事故发生，一直是人们普遍关注的课题。

任何断裂过程都是由裂纹形成和扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。

对断裂的研究，主要关注的是断裂过程的机理及其影响因素，其目的在于根据对断裂过程的认识制定合理的措施，实现有效的断裂控制。

✓材料在塑性变形过程中，会产生微孔损伤。

✓产生的微孔会发展，即损伤形成累积，导致材料中微裂纹的形成与加大，即连续性的不断丧失。

✓损伤达到临界状态时，裂纹失稳扩展，实现最终的断裂。

按断裂前有无宏观塑性变形，工程上将断裂分为韧性断裂和脆性断裂两大类。

断裂前表现有宏观塑性变形者称为韧性断裂。

断裂前发生的宏观塑性变形，必然导致结构或零件的形状、尺寸及相对位置改变，工作出现异常，即表现有断裂的预兆，可能被及时发现，一般不会造成严重的后果。

脆性断裂断裂前，没有宏观塑性变形的断裂方式。

脆性断裂特别受到人们关注的原因：脆性断裂往往是突然的，因此很容易造成严重后果。

脆性断裂断裂前不发生宏观塑性变形的脆性断裂，意味着断裂应力低于材料屈服强度。

对脆性断裂的广义理解，包括低应力脆断、环境脆断和疲劳断裂等。

脆性断裂一般所谓脆性断裂仅指低应力脆断，即在弹性应力范围内一次加载引起的脆断。

主要包括：与材料冶金质量有关的低温脆性、回火脆性和蓝脆等；与结构特点有关的如缺口敏感性；与加载速率有关的动载脆性等。

材料的断裂比较合理的分类方法是按照断裂机理对断裂进行分类。

微孔聚集型断裂、解理断裂、准解理断裂和沿晶断裂。

有助于→揭示断裂过程的本质→理解断裂过程的影响因素→寻找提高断裂抗力的方法。

材料的断裂将环境介质作用下的断裂和循环载荷作用下的疲劳断裂按其断裂过程特点单独讨论。

金属材料的断裂－静拉伸断口材料在静拉伸时的断口可呈现3种情况：(a)(b)：平断口；(c)(d)：杯锥状断口；(e)尖刃断口平断口：材料塑性很低、或者只有少量的均匀变形，断口齐平，垂直于最大拉应力方向。

裂纹体在受力时，只要满足上式条件，就会发生脆性断裂。

反之，即使存在裂纹，若11C K K <，也不会断裂，这种情况称为破损安全。

应用这个关系，可解决以下几个问题：① 确定构件临界断裂尺寸：由材料的1C K 急构件的平均工作应力去估算其中允许的最大裂纹尺寸（即已知K A ，σ求c a ）为制定裂纹探伤标准提供依据② 确定构件承载能力：由材料的1C K 及构件中的裂纹尺寸a,去估算其最大承载能力c σ，（已知1C K ，a 求c σ）为载荷设计提供依据。

③ 确定构件安全性：据工作应力σ及裂纹尺寸a ，确定材料的断裂韧性（已知σ，a 求1C K ）为正确选用材料提供理论依据3．1C K 和K α的区别在于：① 相对于1C K 裂纹试样来说，CVN 或K α试样缺口根部都是相当钝的，应力集中数要小得多。

② K A 中包括了裂纹形成功和扩散功部分，而1C K 试样已预制了裂纹，不再需要裂纹形成功。

③ 1C K 试样必须满足平面应变条件，而一次冲击试样则不一定满足平面应变条件。

④ K α是在应变速率高的冲击载荷下得到，而1C K 试验是在静载下进行的。

1K 与1G ，1C K 与1C G 的异同1K 描述了裂纹前端内应力场的强弱，1G 是裂纹扩展单位长度或单位面积时，裂纹扩展力或系统能量释放率，它们与裂纹及物体的大小形状，外加应力等参数有关。

1C K 和1C G 都是裂纹失稳扩展时1K 和1G 的临界值。

表示材料阻止裂纹失稳扩展的能力，是材料的力学性能，称为断裂韧性。

并与材料的成分，组织结构有关。

尽管两种分析方法不同，但其结论是完全一至的弹塑性条件下，大量实验表明。

如果裂纹开始扩展点如临界点，则当试样尺寸满足一定要求后。

所测的1c T 是稳定的。

是一个材料常数。

因此，1c T 指的是裂纹开始扩展的开裂点。

而不是裂纹失稳扩展点。

因此只要满足1T ≥1c T ，构件就会开裂。

二．裂纹尖端张开位移COD对于中低强度钢。