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4、材料的断裂4.1断裂是材料和机件一，其危害性极大，特别是脆性断裂，由于断裂前没有明显的预兆，往往会带来灾难性的后果。
工程断裂事故的出现及其危害性使得人们对断裂问题非常重视。
研究材料的断裂机理、断裂发生的力学条件以及影响材料断裂的因素，对于机械工程设计、断裂失效分析、材料研究开发等具有重要意义。
断裂是一个物理过程，在不同的力学、物理和化学环境下会有不同的断裂形式，如疲劳断裂、蠕变断裂、腐蚀断裂等。
断裂之后断口的宏观和微观特征与断裂的机理紧密相关。
4.2 断裂强度4.2.1 晶体的理论断裂强度晶体的理论断裂强度是指将晶体原子分离开所需的最大应力，它与晶体的弹性模量有一定关系，弹性模量表示原子间结合力的大小，只表示产生一定量的变形不同晶体所需要的力大小，晶体的理论断裂强度就是这个应力的最大值。
πσ2x=σsin mλσλ=m.2πEa°σ＝mEγa°s12实际金属材料，其断裂应力为理论的值的1/10～1/1000，潜力巨大。
4.2.2 材料的实际断裂强度为了解释玻璃，陶瓷等脆性材料理论断裂强度和实际断裂强度的巨大差别，格雷菲斯(A.A.Griffith)在1921年提出了断裂强度的裂纹理论。
这一理论的基本出发点是认为实际材料中已经存在裂纹，当平均应力还很低时，局部应力集中已达到很高数值，从而使裂纹快速扩展并导致脆性断裂。
根据能量平衡原理，由于存在裂纹，系统弹性能降低应该与因存在裂纹而增加的表面能相平衡。
如果弹性能降低足以支付表面能增加之需要时，裂纹就会失稳扩展引起脆性破坏。
4.2.2 材料的实际断裂强度一单位厚度的无限宽薄板，对之施加一拉应力，而后使其固定并隔绝外界能源。
用无限宽板是为了消除板的自由边界的约束。
这样，在垂直板表面的方向上可以自由位移，板处于平面应力状态。
单位体积储存的弹性能σ2/2Eπσ22aU=−割开裂纹释放的弹性能eE形成裂纹需要的表面功W=4aγs4.2.2 材料的实际断裂强度系统总能量变化及每一项能量均与裂纹半长有关。
3 材料的断裂Introduction一、韧性断裂-杯锥状断口-断口特征的三要素：纤维区，放射区，剪切唇二、理论、实际断裂强度三、断裂过程及机理1.解理断裂-河流结晶状-穿晶脆断-典型2.微孔聚集断裂---韧窝（纤维状）3.沿晶脆断（冰糖）结晶状-多数为脆断3.1 断裂概述断裂力学：一门力学分支学科国际上发生了一系列重大的低应力脆断灾难性事故，大部分低应力脆断事故都是发生在应用了高强度钢材的结构或大型的焊接件中，例如飞机机身、机器中的重载构件以及高压容器等结构。
现代断裂理论大约是在1948—1957年间形成。
许多安全事故由材料断裂引起20世纪40年代美国全焊接自由轮折断，50年代北极星导弹在实验发射时爆炸，一系列压力容器、油罐的爆炸大型桥梁破坏……断裂破坏造成了巨大的生命财产损失。
只有掌握材料的断裂机理，才能采取有效的预防措施。
3.1.1 断裂类型1.按塑性变形分：韧性断裂-脆性断裂（工程）2.按宏观断面分：正断—切断3.按裂纹扩展分：沿晶断裂—穿晶断裂4.按断裂机制分：解理断裂—微孔聚合断裂---纯剪切断裂5.按滑移机理分：单滑移---多滑移（引发）韧（延）性断裂:（a）单晶体塑性材科P.172-主要是滑移（常-低温）（b）纯铝或纯金多晶断裂类型（书P.95）3.1.2 断裂强度1. σp: 比例极限，FP/A0 保持应力与应变成正比关系的最大应力。
2. σe: 弹性极限， Fe/A0 材料发生可逆的弹性变形应力的上限值；应力超过此值，发生塑性变形。
在弹性范围，已经偏离线性。
3. σs：屈服极限—屈服强度， Fs/A0 单向静拉伸应力-应变曲线-屈服平台的应力。
屈服强度—工程上最重要的力学性能指标。
不均匀的塑性变形--分界--均匀的塑性变形4. σb：抗拉强度—断裂抗力，Fb/A0 Fb(最大)，试样拉断前承受的最大载荷5. σk：断裂强度， Fk/Ak，Fk<Fb (最大)，国标拉伸曲线碳化钨钢结构硬质合金横向断裂强度的测定 GB/T 10418-2002国标简介：碳化钨钢结硬质合金横向断裂强度的测定GB/T 10418-2002本标准规定碳化钨钢结硬质合金材料横向断裂强度试验的试样形状、尺寸规格、试验设备和试验条件。
本标准适用于塑性变形较小的碳化钨钢结硬质合金横向断裂强度的测定。
断裂前有明显塑性变形的碳化钨钢结硬质合金材料。
在使用本标准测定时可能得不到正确的结果。
建议测定其抗拉强度。
3.1.2.1 理论断裂强度书P.96第9行，假设：晶体--理想、完整有缺陷吗晶体的理论强度应由原子间结合力决定，一完整晶体在拉应力作用下，会产生位移。
建立一个模型：双原子键合受拉力而位移。
可以近似得到理论断裂强度的表达式理论断裂强度的表达式：σm=（Eγs/a0）1/2 (3-1-7) P.96推导这就是理想晶体解理断裂的理论断裂强度。
a0:不受力时原子间平衡间距。
σm与比表面能γs有关解理面往往是表面能最小的面，可由此式得到理解。
（E：杨氏模量）实际断裂强度-理论断裂强度目前强度最高的钢材的实际断裂强度为：4500MPa 左右比其理论值低1~3个数量级。
即实际材料的断裂强度比其理论值低1~3个数量级。
3.1.2.2 实际断裂强度实际材料，非理想--有缺陷、裂纹1921 Griffith 建立了Griffith 方程，理论要点有二：第一，实际材料中有裂纹；第二，该裂纹会失稳引起材料的脆性断裂。
试验证据：1）Griffith 发现刚拉制玻璃棒的弯曲强度为6GPa ；而在空气中放置几小时后强度下降成为0.4GPa 。
其原因是由于大气腐蚀形成了表面裂纹。
2) 约飞等人用温水溶去氯化钠表面的缺陷，强度即由5MPa 提高到1.6×103MPa ，提高了300多倍。
3) 有人把石英玻璃纤维分割成几段不同的长度，测其强度时发现，长度为12cm 时，强度275MPa ；长度为0.6cm 时，强度可达760MPa 。
这是由于试件长，含有危险裂纹的机会就多。
1921 Griffith 从能量角度—计算实际断裂强度正弦曲线下所包围的面积代表使金属原子完全分离所需的能量。
分离后形成两个新表面，表面能为:γs 。
3.1.2.2 实际断裂强度σc=（2E γs/πc ）1/2 (3-1-11) P.962c:裂纹长度，10-2cm ； a0: 10-8cmσc ≈10-4 σm ；c 大--- σc 小结论：裂纹会显著降低断裂强度实际断裂强度（书P.98）脆性材料，Griffith 方程:（1921年研究玻璃、陶瓷得出定量的计算） 21⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=c E p c πγσ21)2⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=c E p s c πγγσ（212⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛ =c E p c πγσ塑性材料，Orowan奥罗万的修正：由于单位体积塑性变形功γp>>γs理论断裂强度-实际断裂强度的比较σ理论=（Eγs/a0）1/2 (3-1-7)σ实际=（2Eγs/πc）1/2 (3-1-11)原子平衡间距：a0 ~ 10-8cm裂纹半长度： c ~ 10-2cm3.1.3 宏观断口一、脆性断裂，无宏观塑性变形。
如：低碳钢圆棒在低温下拉伸。
（下图）二、韧性断裂，如：铝光滑圆棒断口呈盆状或杯锥状。
（下图）一、脆性断裂1. 宏观特征：断裂前不发生塑性变形，裂纹的扩展速度很快，突然发生。
2. 断口形貌：断裂面与正应力垂直，断口平齐光亮，呈放射状或结晶状。
脆性断裂波浪式断口条纹实例图结晶状断口形貌显微图二、韧性断裂宏观特征韧性断裂宏观特征宏观特征：断裂前发生明显宏观塑性变形，缓慢的撕裂过程，裂纹扩展过程中消耗能量。
韧性断裂-杯锥状断口-断口特征的三要素(重要)断口特征的三要素--断口的三个典型区域纤维区，放射区，剪切唇韧断，纤维区，放射区，剪切唇纤维区：断裂的起始区，微空洞长大—聚合形成微裂纹---微裂纹暂时稳定。
放射区：裂纹由慢而快、由稳而不稳的扩展—转化。
剪切唇：断裂的最后阶段，裂纹快速扩展。
我们居住的地球3.1.4 断裂机制图（P.99 自学）3.1 侧重宏观3.2 侧重微观3.2 断裂过程及机制断裂一般包括下面两个基本过程：裂纹萌生：在力的作用下生成裂纹核心裂纹扩展：裂纹的扩张与长大1.稳态扩展：裂纹核心扩展到临界尺寸；2.失稳扩展：达到临界尺寸的裂纹快速扩展至断裂。
断裂过程及机理1.解理断裂-河流结晶状-穿晶脆断-典型2.微孔聚集断裂---韧窝（纤维状）3.沿晶脆断（冰糖）结晶状-多数为脆断4.韧-脆转变3.2.1 解理断裂（书P.102）解理断裂典型：穿晶脆性断裂。
1.发生在表面能量最小的晶面。
2.它的裂纹发展十分迅速，常造成零件、构件灾难性的崩溃。
3.解理断裂发生在：硅材料，陶瓷材料，低温下的体心立方: Fe，低温下的密排六方中: Mg河流状花样解理面（书P.102）3.2.1.1 解理裂纹形核解理裂纹萌生理论认为：在材料内部存在强障碍，阻碍位错滑移，造成不均匀塑性变形，从而导致高应力集中并诱发微裂纹形核。
三种解理裂纹形核的位错（示意图）机制1）位错塞积机制--位错塞积导致解理断裂最大拉应力出现在与滑移面成70.5°交角的位向上。
不能解释纯金属单晶体的解理断裂。
2）位错反应机制（自学）相交滑移面内两位错相遇时，在能量合适时可反应合成一个新位错。
裂纹失稳扩展的临界条件：未考虑显微组织的不均匀性对裂纹形核及扩展的影响。
3）碳化物起裂机制（自学）位错在晶界碳化物处塞积，塞积群头部的应力集中导致碳化物开裂。
形成球状碳化物裂纹核比平板状碳化物的解理应力提高了1.6倍。
122s s rG d k γσ−≥3.2.1.3 解理断裂的微观断口特征：（重要）在拉应力作用下，由于原子间的结合键遭到破坏，严格地沿一定的结晶学平面-“解理面”劈开而造成的。
解理断裂的形貌特征：河流状花样和舌形花样。
解理断裂:45钢, 正火态, 冲击试验3.2.2 微孔聚集韧性断裂微孔聚集断裂为剪切断裂的一种形式，微孔聚集断裂是材料韧性断裂的普遍形式，其断口在宏观上常呈现纤维状，微断口特征花样则是端口上分布大量“韧窝”，微孔聚集断裂过程包括：微孔形核、长大、聚合直至断裂。
微孔聚集断裂基本过程可以分为两个阶段：空洞形核空洞长大、连接（聚合）是一种典型的韧性断裂3.2.2.1 空洞形核高纯单晶体：空洞在高密度位错区形核高纯多晶体：空洞在三叉晶界或晶界不规则处形核工程金属材料：空洞在夹杂物或第二相处形核。
微孔形核模型（书P.106）位错—通过微孔扩张--裂纹—通过连接空洞扩张--断裂3.2.2.2 空洞长大及连接裂纹扩张连接空洞的途径有两类：内颈缩汇合--颈缩前，长大的裂纹与空洞汇合。
剪切型-之字型-扩展-强度高时，颈缩时，沿最大剪应力方向裂纹与空洞汇合裂纹之字型扩展。
3.2.2.3 微观断口特征微孔聚集---韧性微断口特征韧窝等轴韧窝剪切韧窝3.2.3 沿晶断裂—多为脆性断裂现象：裂纹沿晶界扩展。
原因：晶界已成为显微组织中最薄弱部位时1）晶界上有夹杂物、第二相（自身的—本征的）2）晶界上有杂质元素（外来的—非本征的）3）晶界上有腐蚀性元素。
4）加工缺陷（淬火、磨削裂纹）。
断口：晶粒大，断口呈冰糖状；晶粒很细小，断口呈晶粒状。
沿晶断裂的断口：冰糖状，断口呈晶粒状，颜色较为明亮，但比纯解理断裂脆性断口灰暗些。
3.2.3 沿晶断裂--冰糖状断口比较a.沿晶脆断（冰糖）b.解理脆断（河流）c.准解理脆断 a.b.c：结晶状d.韧窝---韧性断裂（纤维状）实际断裂图材料：65Mn工艺情况：淬火、回火后酸洗、电镀。
组织说明：酸洗及电镀过程中的氢进入钢中后常沿晶界处聚集，导致晶界脆化，形成沿晶断裂。
氢在扩散、聚集过程中留下发纹、爪状纹等特征。
氢脆断裂时在微区局部晶界上因氢损伤较轻，故断裂时在局部区域能观察到韧窝，见图中上部区。
3.2.4 韧脆转变韧脆转变现象—储放液氮、液氦的容器。
多数金属材料，常用中、低强度结构钢在温度低于Tc时，材料由韧性状态转变脆性状态。
冲击吸收功下降。
TITANIC也不例外。
断裂机理：由微孔聚集型穿晶解理；断口特征：由纤维状-韧窝结晶状。
一、材料的韧性表示断裂前单位体积材料所吸收的变形和断裂能。
包括三部分能量：弹性变形能、塑性变形能和断裂能。
二、材料的脆性脆性材料的抗拉强度低，但抗压强度高，理论上抗压强度可达抗拉强度的8倍。
材料的脆性本质：内部位错滑移困难，对裂纹的敏感度高。
三、韧性-脆性转变1.应力状态切应力：促进材料的塑性变形，对塑性和韧性有利。
屈服拉应力：促进材料的断裂，对塑性和韧性不利。
2. 温度和加载速度提高温度，有利于材料的塑性变形。
提高加载速度，增加材料的变脆倾向。
断裂极限3.材料的微观组织屈服极限晶粒细化既提高材料的强度，又提高它的塑性和韧性。
