第12讲 断裂影响因素及现象分析

浅谈钢材韧性及断裂的原因分析用于各行业的钢材品种达数千种之多。

每种钢材都因不同的性能、化学成分或合金种类和含量而具有不同的商品名称。

虽然断裂韧性值大大方便了每种钢的选择，然而这些参数很难适用于所有钢材。

主要原因有：第一，因为在钢的冶炼时需加入一定数量的某种或多种合金元素，成材后再经简单热处理便可获得不同的显微组织，从而改变了钢的原有性能；第二，因为炼钢和浇注过程中产生的缺陷，特别是集中缺陷（如气孔、夹杂等）在轧制时极其敏感，并且在同一化学成分钢的不同炉次之间，甚至在同一钢坯的不同部位发生不同的改变，从而影响钢材的质量。

由于钢材韧性主要取决于显微结构和缺陷的分散（严防集中缺陷）度，而不是化学成分。

所以，经热处理后韧性会发生很大变化。

要深入探究钢材性能及其断裂原因，还需掌握物理冶金学和显微组织与钢材韧性的关系。

1、铁素体-珠光体钢断裂铁素体-珠光体钢占钢总产量的绝大多数。

它们通常是含碳量在0.05%～0.20%之间的铁-碳和为提高屈服强度及韧性而加入的其它少量合金元素的合金。

铁素体-珠光体的显微组织由BBC铁（铁素体）、0.01%C、可溶合金和Fe3C组成。

在碳含量很低的碳钢中，渗碳体颗粒（碳化物）停留在铁素体晶粒边界和晶粒之中。

但当碳含量高于0.02%时，绝大多数的Fe3C形成具有某些铁素体的片状结构，而称为珠光体，同时趋向于作为“晶粒”和球结（晶界析出物）分散在铁素体基体中。

含碳量在0.10%～0.20%的低碳钢显微组织中，珠光体含量占10%～25%。

尽管珠光体颗粒很坚硬，但却能非常广泛地分散在铁素体基体上，并且围绕铁素体轻松地变形。

通常，铁素体的晶粒尺寸会随着珠光体含量的增加而减小。

因为珠光体球结的形成和转化会妨碍铁素体晶粒长大。

因此，珠光体会通过升高d-1/2（d为晶粒平均直径）而间接升高拉伸屈服应力δy。

从断裂分析的观点看，在低碳钢中有两种含碳量范围的钢，其性能令人关注。

一是含碳量在0.03%以下，碳以珠光体球结的形式存在，对钢的韧性影响较小；二是含碳量较高时，以球光体形式直接影响韧性和夏比曲线。

彭瑞东煤炭资源与安全开采国家重点实验室材料的断裂在外力作用下，一块材料分裂为两块或两块以上的现象称为断裂现象称为断裂。

断裂是最具破坏力的一种材料失效形式。

断裂是材料的一种十分复杂的行为，在不同的力学、物理和化学环境下，会有不同的断裂形式。

这是由于材料的实际断裂强度往往远低于其理论断裂强度，这是由于实际材料中不可避免的存在各种裂纹和类裂纹等初始缺陷。

近代断裂力学的研究揭示了断裂的实质在于裂纹的扩展，提出基于断裂韧性的评价准则。

材料的断裂在工程应用中，根据断裂前是否发生宏观塑性变形，把断裂分为：脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断裂突然发生，无明显的征兆。

韧性断裂：断裂前有明显的塑性变形，断裂发展较慢。

通常，脆性断裂断口平整，而韧性断裂断口粗糙。

根据断裂面取向分为正端和切断。

正断是由正应力引起的，断裂面与最大主应力方向垂直。

是由切应力引起的，断裂面与最大切应力方向一致。

切断是由切应力引起的，断裂面与最大切应力方向致。

正断切断材料的断裂就裂纹扩展路线而言，可分为穿晶断裂与沿晶断裂。

裂纹穿过晶粒内部有时材料的断裂既包含穿晶断裂，也包含沿晶断裂。

穿晶断裂既可能是脆性断裂也可能是韧性断裂，而沿晶断裂一般为脆性断裂。

就断裂机理而言可分为沿晶断裂穿晶断裂穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展材料的受力状态和周围环境介质不同，则断裂特点也不同就断裂机理而言，可分为解理断裂、准解理断裂、沿晶脆性断裂、微孔聚合型断裂、滑移延伸型断裂拉伸断裂、扭转断裂、剪切断裂……冲击断裂、疲劳断裂……低温冷脆断裂、高温蠕变断裂、氢脆断裂等……材料的断裂材料断裂后的自然表面称为断口，断口位置一般是材料中性能最薄弱或应力最大的部位，断口的形貌、轮廓线和粗糙度等特征记录了有关断裂过程中的许多资料通过断口分析可以了解材料断裂录了有关断裂过程中的许多资料，通过断口分析可以了解材料断裂破坏的力学特点及机理，如查明断裂原因、推断断裂过程、确定断裂性质及断裂机理等，进而可为改善设计、防止失效等提供依据。

课时作业(十二)[第12讲全球气候变化及其对人类的影响]一、选择题阅读下列材料，回答1～3题。

材料一图K12－1为历史时期我国东部地区冬半年气温距平及平均气温变化曲线图。

图K12－1材料二明清时期长江下游地区双季稻播种面积大为减小。

在江浙一带，水稻不能正常成熟，多空壳瘪粒。

在广东地区，一年三熟制不复存在，一年两熟制的范围也大大缩减，水稻的生长发育受到制约，常有烂秧、少穗和较高空秕率现象发生，导致水稻大幅度减产。

1．历史时期我国东部地区冬半年气温变化的特点是()A．持续上升B．波动上升C．稳定D．波动变化2．导致材料二所述情况发生的主要原因是()A．战乱使农业设施遭到破坏B．气温偏低C．农业生产技术水平停滞不前D．劳动力不足3．为应对明清时期出现的粮食短缺问题，下列措施中可行的是()①扩大水稻种植面积②种植耐寒的粮食作物③改良农业生产技术④从国外进口粮食A．①④B．①②C．②③D．③④澳大利亚有关部门在澳大利亚洲海岸附近发现了漂浮的冰山。

目前新西兰沿海海域有数百座巨大冰山逐步向新西兰靠近，如此规模的冰川漂浮现象70多年来实属罕见。

据此回答4～5题。

4．在离南极如此之远、水温相对较暖的海域出现数百座巨大冰山的主要原因是() A．现在南极地区处于夏季，气温高B．现在南极地区处于极昼，气温高C．全球变暖引起南极地区降雪量增多D．全球变暖导致海平面和大气温度上升5．下列叙述错误的是()A．冰川是地球上最主要的淡水资源B．冰川正被人类大量直接利用C．新西兰沿海海域有数百座巨大冰山将影响轮船航行D．随着气候的变迁与温室效应，未来可能还会有更多冰山融化漂流图K12－2为一张北极冰盖融化时的图片，酷似哭泣的人脸，被人们富有深意地命名为“‘大自然母亲’在哭泣”。

据此完成6～7题。

图K12－26．图K12－2反映的环境问题是()A．海洋环境污染B．生物多样性减少C．臭氧层被破坏D．全球变暖7．针对此环境问题可采取的措施有()①植树造林②控制酸性气体排放③发展新能源、节能技术等④减少对臭氧层的破坏⑤改善能源结构，控制温室气体排放A．①②③B．①③⑤C．②③④D．③④⑤图K12－3为我国两个时段多年平均等温线(单位：℃)变化比较图。

论述金属的断裂成型二班金属在外加载荷的作用下，当应力达到材料的断裂强度时，发生断裂。

断裂是裂纹发生和发展的过程。

机件的三种主要失效形式是磨损、腐蚀和断裂。

其中断裂的危害最大。

一、断裂的分类根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小，可分为韧性断裂和脆性断裂。

韧性断裂：断裂前产生较大的塑性变形，断口呈暗灰色的纤维状。

脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口平齐，呈光亮的结晶状。

韧性断裂与脆性断裂过程的显著区别是裂纹扩散的情况不同。

韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，脆性断裂在断裂前基本上不发生塑性变形，是一种突然发生的断裂，没有明显征兆，因而危害性很大。

韧性断裂和脆性断裂只是相对的概念，在实际载荷下，不同的材料都有可能发生脆性断裂；同一种材料又由于温度、应力、环境等条件的不同，会出现不同的断裂。

通常，脆断前也产生微量塑性变形，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％为脆性断裂；大于5％为韧性断裂。

可见，金属材料的韧性与脆性是依据一定条件下的塑性变形量来规定的，随着条件的改变，材料的韧性与脆性行为也将随之变化。

按断裂机制又可分为解理断裂与剪切断裂两类。

解理断裂是金属材料在一定条件下（如体心立方金属、密排六方金属与合金处于低温、冲击载荷作用），当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面的穿晶断裂。

解理面一般是低指数或表面能最低的晶面。

对于面心立方金属来说，在一般情况下不发生解理断裂，但面心立方金属在非常苛刻的环境条件下也可能产生解理破坏。

剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，它又分为滑断（又称切离或纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。

纯金属尤其是单晶体金属常发生滑断断裂；钢铁等工程材料多发生微孔聚集型断裂，如低碳钢拉伸所致的断裂即为这种断裂，是一种典型的韧性断裂。

二、拉伸断口分析断口分析是金属材料断裂失效分析的重要方法。

记录了断裂产生原因，扩散的途径，扩散过程及影响裂纹扩散的各内外因素。

自然科学知识：材料和结构的疲劳和断裂在工程学领域中，材料的疲劳和断裂是非常重要而且常见的现象。

在使用过程中，不同材料经常会受到不同程度的负载作用，这种负载会导致材料在受力时间的不断变形和损耗，最终可能导致材料的疲劳或断裂。

因此，对于材料疲劳和断裂的研究和防范至关重要。

疲劳是指由反复的应力作用所引起的材料的损耗现象。

当材料受到周期性的应力加载时，材料会出现应力与时间相互作用的疲劳现象。

在材料的正常使用中，疲劳现象是经常出现的，它会使得材料的机械性能逐渐减退甚至最终崩溃。

疲劳引起的断裂主要有以下几种类型：1、疲劳龟裂疲劳龟裂是一种在交替应力作用下出现的微裂纹，一般从材料的表面开始，然后慢慢向内扩展，最终导致材料的断裂。

这种龟裂是通过应力循环来触发的，循环次数越多，龟裂就会越容易形成。

2、疲劳裂纹的扩展当材料遭到负载后，疲劳损伤的形成通常已经在开始阶段完成。

此时，如果继续加载，则已有裂纹将会扩展，导致更大的损伤。

这种情况在机械应用中是十分常见的。

3、中心断裂中心断裂是因为在应力集中区域的过度紧张，在短时间内发生的剪切然后导致在材料的中央产生一条缝隙，这样会在刚性区域出现明显的裂纹。

材料的断裂是指突然发生的材料破裂现象。

材料的断裂在许多行业中都是极为严重的问题。

材料的断裂常常是由过载引起的。

对于那些承受周期性应力的材料来说，这种过载主要来自于不当的使用或维护，未按照文档或建议的使用限制来操作的情况。

材料的疲劳和断裂通常与材料的结构有关。

材料的结构可以被看作是由一种材料元素的不同组合形成的。

这些元素可以是薄片、棒材、管道等形式。

材料的结构对于其对应的机械性能具有至关重要的作用。

当材料的结构发生损伤时，其对应的机械性能会相应地减弱，这也会影响材料的寿命。

为了避免材料的疲劳和断裂，一些重要的策略可供参考。

首先，在设计过程中，应当避免过度的负载和应力极值。

其次，材料的制造应尽可能地遵守相关的规范，以确保材料的质量和结构的稳定性。

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。

机械产品的失效一般可分为非断裂失效与断裂失效两大类。

非断裂失效一般包括磨损失效、腐蚀失效、变形失效及功能退化失效等。

断裂失效是机械产品最主要和最具危险性的失效其分类比较复杂一般有如下几种: 1按断裂机理分为滑移分离、韧窝断裂、蠕变断裂、解理与准解理断裂、沿晶断裂和疲劳断裂2按断裂路径分为穿晶、沿晶和混晶断裂3按断裂性质分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂。

在失效分析实践中大都采用这种分类法。

断裂失效分析是从分析断口的宏观与微观特征入手确定断裂失效模式分析研究断口形貌特征与材料组织和性能、零件的受力状态以及环境条件如温度、介质等等之间的关系揭示断裂失效机理、原因与规律进而采取改进措施与预防对策。

从本期起分期介绍韧性、脆性及疲劳三类断裂失效分析的基础知识及典型失效案例分析。

. 韧性断裂又叫延性断裂和塑性断裂即零件断裂之前在断裂部位出现较为明显的塑性变形。

在工程结构中韧性断裂一般表现为过载断裂即零件危险截面处所承受的实际应力超过了材料的屈服强度或强度极限而发生的断裂。

在正常情况下机载零件的设计都将零件危险截面处的实际应力控制在材料的屈服强度以下一般不会出现韧性断裂失效。

但是由于机械产品在经历设计、用材、加工制造、装配直至使用维修的全过程中存在着众多环节和各种复杂因素因而机械零件的韧性断裂失效至今仍难完全避免。

. 工程材料的显微结构复杂特定的显微结构在特定的外界条件如载荷类型与大小环境温度与介质下有特定的断裂机理和微观形貌特征。

金属零件韧性断裂的机理主要是滑移分离和韧窝断裂。

2.2.1 滑移分离韧性断裂最显著的特征是伴有大量的塑性变形而塑性变形的普遍机理是滑移即在韧性断裂前晶体产生大量的滑移。

过量的滑移变形会出现滑移分离其微观形貌有滑移台阶、蛇形花样和涟波等。

因此有必要对滑移分离加以叙述。

1滑移带晶体材料的滑移面与晶体表面的交线称为滑移线滑移部分的晶体与晶体表面形成的台阶称为滑移台阶。

由这些数目不等的滑移线或滑移台阶组成的条带称为滑移带。

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