断裂
9.断裂的类型与特征
断裂☐断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一。
☐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。
☐研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构件在服役过程中的安全。
断裂的分类1按断裂前塑性变形大小分类：脆性断裂，韧性断裂（延性断裂）是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程。
脆性断裂:脆性材料的拉伸断口断口呈平齐状，可见明显放射状线。
☐因为没有明显的预兆，所以脆性断裂具有很大的危险性。
☐脆性断裂的断口一般与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。
☐裂纹扩展速度大，往往受到的应力低于设计要求的许用应力。
是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂韧性断裂:过程。
延性材料的拉伸断口☐韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大量塑性变形能。
☐韧性断裂的断口用肉眼或放大镜观察时，往往呈暗灰色、纤维状。
☐不易造成重大事故，易被人察觉。
韧断前有明显的颈缩，断裂前有大量的塑性变形。
上下断杯锥状断口:口分别呈杯状和锥状，合称为杯锥状断口。
延性材料的拉伸断口断口13•剪切唇•放射区断口上分三个典型的区域：三要素2按断裂面的取向分类:正断，切断正断：正应力引起；切断：切应力引起。
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教3按裂纹扩展途径分类：穿晶断裂，沿晶（晶界）断裂穿晶断裂&沿晶断裂沿晶断裂的断口形貌穿晶断裂与沿晶断裂有时是同时发生的断裂的分类4按微观断裂机理分类：剪切断裂,微孔聚合型断裂, 解理断裂解理断裂是材料在拉应力的作用下，由于原于间结合键遭到破坏，严解理断裂:格地沿一定的结晶学平面(即所谓“解理面”)劈开而造成的。
解理断裂是脆性穿晶断裂，宏观形貌较为平坦的、发亮的结晶状断面。
B类碳素钢低温解理断裂的河流花样微孔聚合型断裂断口在宏观上常呈现暗灰色、纤维状，微观断口特征花样韧窝:则是断口上分布大量“韧窝”。
断裂分类(韧窝)
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断裂分类(韧窝)
2 微孔聚合断裂机制
2.1相关概念
定义：微孔聚合型断裂过程是在外力作用下，在夹杂物、第二相粒子与基体的界面处，或在晶界、孪晶带、相界、大量位错塞积处形成微裂纹，因相邻微裂纹的聚合产生可见微孔洞，以后孔洞长大、增殖，最后连接形成断裂。
微孔萌生的时间：若材料中第二相与基体结合强度低，在颈缩之前；反之，在颈缩之后。
微孔萌生成为控制马氏体时效钢断裂过程的主要环节
微孔聚合型断裂形成的韧窝有三种：
1）拉伸型等轴状韧窝；
2）剪切型伸长韧窝；
3）拉伸撕裂型伸长韧窝。
正应力作用下，韧窝是等轴型的，而在剪切应力和弯曲应力的作用下，韧窝沿一定的方向伸长变形形成剪切韧窝和撕开韧窝。
韧窝的大小和深浅取决于第二相的数量分布以及基体的塑性变形能力，如第二相较少、分布均匀且基体塑性变形能力又强，那么韧窝大而深；若基体的加工硬化能力很强，韧窝大而浅。
9.断裂的类型与特征
断裂☐断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一。
☐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。
☐研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构件在服役过程中的安全。
断裂的分类1按断裂前塑性变形大小分类：脆性断裂，韧性断裂（延性断裂）是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程。
脆性断裂:脆性材料的拉伸断口断口呈平齐状，可见明显放射状线。
☐因为没有明显的预兆，所以脆性断裂具有很大的危险性。
☐脆性断裂的断口一般与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。
☐裂纹扩展速度大，往往受到的应力低于设计要求的许用应力。
是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂韧性断裂:过程。
延性材料的拉伸断口☐韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大量塑性变形能。
☐韧性断裂的断口用肉眼或放大镜观察时，往往呈暗灰色、纤维状。
☐不易造成重大事故，易被人察觉。
韧断前有明显的颈缩，断裂前有大量的塑性变形。
上下断杯锥状断口:口分别呈杯状和锥状，合称为杯锥状断口。
延性材料的拉伸断口断口13•剪切唇•放射区断口上分三个典型的区域：三要素2按断裂面的取向分类:正断，切断正断：正应力引起；切断：切应力引起。
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教3按裂纹扩展途径分类：穿晶断裂，沿晶（晶界）断裂穿晶断裂&沿晶断裂沿晶断裂的断口形貌穿晶断裂与沿晶断裂有时是同时发生的断裂的分类4按微观断裂机理分类：剪切断裂,微孔聚合型断裂, 解理断裂解理断裂是材料在拉应力的作用下，由于原于间结合键遭到破坏，严解理断裂:格地沿一定的结晶学平面(即所谓“解理面”)劈开而造成的。
解理断裂是脆性穿晶断裂，宏观形貌较为平坦的、发亮的结晶状断面。
B类碳素钢低温解理断裂的河流花样微孔聚合型断裂断口在宏观上常呈现暗灰色、纤维状，微观断口特征花样韧窝:则是断口上分布大量“韧窝”。
材料断裂的3种形式
材料断裂的三种形式包括**脆性断裂、延性断裂和韧性断裂**。
1. 脆性断裂：材料在断裂前没有明显的塑性变形，断裂时断口平齐，呈脆性断裂。
这种断裂方式往往突然发生，破坏性很大。
2. 延性断裂：材料在断裂前有明显的塑性变形，断裂时断口呈纤维状，呈韧性断裂。
这种断裂方式往往在承受较大载荷或温度变化时发生。
3. 韧性断裂：材料在断裂前有较大的塑性变形，断裂时断口呈韧窝状，呈韧性断裂。
这种断裂方式往往在承受较小载荷或温度变化时发生。
以上信息仅供参考，如需了解更多信息，建议查阅相关书籍或咨询专业人士。
强度、断裂及断裂韧性
t =1.5 F max l0 / (b.d2)
l0，b及d分别为试样的长、宽、厚 加载方式: 三点弯曲, 四点弯曲。 特点： ①适用于 A 测定加工不方便的脆性材料，如铸铁、工具钢、硬质合金乃 至陶瓷材料的断裂强度和塑性。 B 高分子材料，常用于筛选配方或控制产品质量。 ②可较灵敏地反映材料的缺陷， 抗张强度大，则抗弯强度也大
聚丙烯
PVC 尼龙-66 尼龙-6 尼龙-1010 聚甲醛 聚碳酸酯 聚砜 聚酰亚胺 聚苯醚 氯化聚醚
33~41.4
34.6~61 81.4 72.7~76.4 51.0~53.9 61.2~66.4 65.7 70.4~83.7 92.5 84.6~87.6 41.5
200~700
20~40 60 150 100~250 60~75 60~100 20~100 6~8 30~80 60~160
强度、断裂及断裂韧性
Strength, Fracture and Fracture Toughness of Materials Strength stress(tensile,compression and shear) flexural, torsional and impact Fracture Brittle Fracture, Theoretical fracture strength Ductile Fracture with a plastic deformation Transition of Brittle and Ductilty Fracture Toughness
4.5
2.0 1.45 1.6 1.4
0.94
1.04 1.47 1.05 1.37
111.7
断裂的原理
断裂的原理
断裂是指物体在外力作用下发生的断裂现象。
其原理可以通过以下几个方面来解释：
1. 弹性变形超过临界值：当物体受到外力作用，发生弹性变形时，如果该变形超过了物体材料的临界值，就会导致断裂。
这是因为材料会出现应力集中现象，从而使局部区域的应力达到材料的破坏强度，导致断裂发生。
2. 力的作用方式：外力作用的方式也会影响物体的断裂。
如果外力作用是拉伸或剪切，那么断裂主要是由于物体材料的韧性不足，无法抵抗住外力的拉伸或剪切作用，从而导致断裂出现。
3. 材料的结构和强度：物体的断裂还与材料的结构和强度有关。
例如，当材料中存在缺陷、裂纹等局部结构问题时，外力作用下断裂易发生。
而材料的强度也会直接影响物体的抗拉强度，强度越低，断裂风险越大。
需要注意的是，由于你要求没有相同标题的文字，此处只是对断裂原理的简要解释，并没有使用标题相同的文字描写。
断裂分类
断裂类型根据断裂的分类方法不同而有很多种，它们是依据一些各不相同的特征来分类的。
根据金属材料断裂前所产生的宏观塑性变形的大小可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂。
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。
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。
多晶体金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的。
沿晶断裂一般为脆性断裂，而穿晶断裂既可为脆性断裂（低温下的穿晶断裂），也可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂）。
沿晶断裂是晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成的，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。
应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹都是沿晶断裂。
有时沿晶断裂和穿晶断裂可以混合发生。
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。
通常，解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂，两者不是同义词，它们不是一回事。
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。
根据断裂面取向又可将断裂分为正断型或切断型两类。
若断裂面取向垂直于最大正应力，即为正断型断裂；断裂面取向与最大切应力方向相一致而与最大正应力方向约成45°角，为切断型断裂。
断裂分类
断裂类型根据断裂的分类方法不同而有很多种，它们是依据一些各不相同的特征来分类的。
根据金属材料断裂前所产生的宏观塑性变形的大小可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂。
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。
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。
多晶体金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的。
沿晶断裂一般为脆性断裂，而穿晶断裂既可为脆性断裂（低温下的穿晶断裂），也可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂）。
沿晶断裂是晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成的，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。
应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹都是沿晶断裂。
有时沿晶断裂和穿晶断裂可以混合发生。
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。
通常，解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂，两者不是同义词，它们不是一回事。
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。
根据断裂面取向又可将断裂分为正断型或切断型两类。
若断裂面取向垂直于最大正应力，即为正断型断裂；断裂面取向与最大切应力方向相一致而与最大正应力方向约成45°角，为切断型断裂。
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• 断裂类型
• 断口特征
• 断裂强度
断裂现象
船身断裂，一分为二的Schenectady号油轮
垮塌后的彩虹桥
一. 断裂的分类及断口特征
脆性断裂 宏观变形量 韧性断裂
穿晶断裂
裂纹扩展途径 沿晶断裂 解理断裂 断裂机理剪来自断裂► 脆性断裂和韧性断裂
韧性断裂 定义
材料断裂前及断裂过程 中产生明显宏观塑性变 形的断裂过程。
•目前 , 快速剪切裂开的认识还不够深入， 但知道应变强化指数低的材料容易产生剪切 裂开。这是因为应变强化阻碍已滑移区的进 一步滑移，使滑移均匀，不易产生局部的剪 切变形。此外 , 多向拉应力促使材料处于脆 性状态，也容易产生剪切断开。
解理断裂
定义 材料在拉应力作用下，由于原子间结合键遭 到破坏，沿特定的晶面（解理面）发生的脆 性穿晶断裂。
• 微孔成核并逐渐长大，有两种不同的聚合模式。 • 一种是正常的聚合，即微孔长大后出现了“内颈缩”，使 实际承载的面积减少而应力增加，起了“几何软化”作用。 另一种聚合模式是裂纹尖端与微孔、或微孔与微孔之间产 生了局部滑移，由于这种局部的应变量大，产生了快速剪 切裂开。这种模式的微孔聚合速度快，消耗的能量也较少， 所以塑性韧性差。
拉伸试样在拉断前产生银纹化现象， a图为聚苯乙烯，b图为有机玻璃 注意银纹方向与应力方向垂直
► 断口分析
纤维区： 裂纹的缓慢扩展 放射区：裂纹失稳扩展，快速撕裂 剪切唇：快速剪切，断口表面光滑 韧性断裂的断口特征三要素， 且断口呈杯状 脆性断裂 的纤维区小， 剪切唇几乎没有
一般规定：金属光滑拉伸试样的断面 收缩率小于5％者为脆性断裂， 大于5％者为韧性断裂。
断口
河流花样
解理断裂
• 脆性断裂的微观机制有解理断裂和晶
间断裂。 • 解理断裂是材料在拉应力的作用下， 由于原于间结合键遭到破坏，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。 • 解理断口的微观形貌似应为一个平坦完整的 晶面。但实际晶体总是有缺陷存在，如位错、 第二相粒子等。 • 解理断裂实际上不是沿单一的晶面，而是沿 一族相互平行的晶面 (均为解理面)解理而引 起的。在不同高度上的平行解理面之间形成 了所谓的解理台阶。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。
和材料裂纹抵抗力之间的关系，为断裂
力学的创立奠定了理论基础。
• 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，宏观断裂是韧性的，断口的 宏观形貌大多呈纤维状。
• 韧窝的形状因应力状态而异。 • 在正应力作用下，韧窝是等轴形的； • 在扭转载荷作用下，韧窝被拉长为椭圆形。
2 dc 2 dc
dE dU dW 0 dC dC dC dE dU dW 0 dC dC dC
dE dU dW 0 dC dC dC
(稳定)
(临界)
(扩展)
(为表面能)
dW 2dC
dW 2 dC
Griffith断裂理论
弹性力学方法可求得裂纹扩展时的弹性能改变量： 2 2 2 c dU c U dC E 2E 2 c 由临界条件得： 2 E
脆性断裂
材料断裂前基本上不产 生明显的宏观塑性变形 的断裂过程。 突然的快速断裂，具 有很大的危险性 齐平光亮，呈放射状或结晶状 陶瓷、玻璃、灰铸铁和淬火钢
特点 断口特征 材料
裂纹扩展慢，消耗大 量的塑性变形能
呈暗灰色，纤维状 塑性好的金属和高分子
脆性断裂和韧性断裂表面
左图脆性试样断裂表面的照片；右图韧性试样断裂表面的照片
•解理台阶可认为是通过解理裂纹与螺旋位 错交割而形成，也可认为通过二次解理或 撕裂而形成. •解理断裂的另一个微观特征是舌状花样， 它类似于伸出来的小舌头，是解理裂纹沿 孪晶界扩展而留下的舌状凸台成凹坑。
• 正断是由正应力引起的，断裂
面与最大主应力方向垂直； • 切断是由切应力引起的，断裂 面在最大切应力作用面内，而 与最大主应力方向呈450。
a：缩颈部分中心的应 力由一向变为三向； b:样品中心部分的间杂 物或硬质第二相质点破 裂或与基体界面脱离而 形成微孔；
c:微孔不断长大聚合形 成的显微裂纹；
d:新的微孔就在变形带 内形核、长大和聚合， 裂纹向外扩展；
e:形成纤维区
二. 断裂强度
理论断裂强度
Orowan 模 型
th Sin
脆性断裂现象
断裂现象分类:
– 金属类：先是弹性形变，然后塑性形变， 直至断裂 – 高分子类：先是弹性形变（很大），然 后塑性形变，直至断裂 – 无机材料：先是弹性形变（较小），不 发生塑性形变（或很小）而直接脆性断 裂
► 高分子材料的断裂
断裂类型
脆断：玻璃态高分子在Tg以下 韧断：玻璃态高分子在Tg以上 半晶态高分子
平面应力状态下裂 纹扩展时的临界裂 纹长度或临界应力： 平面应变状态下裂 纹扩展时的临界裂 纹长度或临界应力：
CCr
Cr
2 E
2
2E CCr 2 (1 2 )
2 E c
Cr
2 E (1 2 )c
Griffith断裂理论
• 重要意义：
首次确定了载荷、形状、裂纹长度
断口
韧窝断口
a: 单晶滑移;
b: 多晶体滑移
微孔聚集型
延性断裂
• 延性断裂特征及过程 • 延性断裂的过程是：“微孔形核—微孔长大—微孔聚合” 三部曲。 • 当拉伸载荷达到最大值时，试样发生颈缩。在颈缩区形 成三向拉应力状态，且在试样的心部轴向应力最大。 • 在三向应力的作用下，使得试样心部的夹杂物或第二相 质点破裂，或者夹杂物或第二相质点与基体界面脱离结 合而形成微孔。 • 增大外力，微孔在纵向与横向均长大；微孔不断长大并 发生联接而形成大的中心空腔。最后，沿450方向切断， 形成杯锥状断口，
左图脆性试样断裂表面的电镜照片；右图韧性试样断裂表面的电镜照片
► 穿晶断裂与沿晶断裂
穿 沿 晶 晶 断 断 裂 裂 可 多 为 为 韧 脆 断， 断 也 可 为 脆 断
穿晶断裂与沿晶断裂示意图
► 剪切断裂与解理断裂
剪切(延性） 断裂
定义
材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂
或微孔聚集型断裂
微孔形核，长大与聚合
• 实际金属中总有第二相粒子存在，它们是微孔成核的源。 • 第二相粒子分为两大类， • 一类是夹杂物，如钢中的硫化物，在不大的应力作用下便与 基体脱开或本身裂开而形成微孔； • 另一 类是强化相，如钢 中的弥散的 碳化物， 合金中的弥散 的强化相 , 它们本身比较坚实，与基体结合比 较牢固，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。
2x
原子间作用力与原子位移的关系
理论断裂强度
根据Orowan 模型，经过推导出：
Orowan
高强度的固体必须要求E、γ大，a小，
模 γ约为 aE/100 ，故理论结合强度可写成： 型 E th 10
Griffith断裂理论
裂纹扩散临界条件的导出
Griffith断裂理论
当裂纹进一步扩展一个微小量时，单位面积释放的能量 dW e 为 ，形成新生的单位表面积所需的表面能为： dW s
断裂机理：
非晶高分子：产生银纹，银纹中空洞张大成微孔，微孔扩大 连接形成裂纹 晶态高分子：无定型区塑性变形形成微纤维束，微纤维束末 端形成空洞，空洞边微纤维束滑移形成微裂纹，切断纤维或 “拔出”纤维
(c) 成熟
(d) 破坏
银纹的形成及破坏示意图
2、银纹化现象和剪切屈服带 银纹化现象 许多聚合物，尤其是玻璃态透明聚合物如聚苯乙烯、 有机玻璃、聚碳酸酯等，在存储及使用过程中，由于应 力和环境因素的影响，表面往往会出现一些微裂纹。有 这些裂纹的平面能强烈反射可见光，形成银色的闪光， 故称为银纹，相应的开裂现象称为银纹化现象。