第6章金属的断裂过程
材料力学性能-第2版课后习题答案
第一章 单向静拉伸力学性能1、 解释下列名词。
2．滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。
3．循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。
4．包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变2、 说明下列力学性能指标的意义。
答：E 弹性模量 G 切变模量 r σ规定残余伸长应力 2.0σ屈服强度 gt δ金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应变硬化指数 【P15】3、 金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？答：主要决定于原子本性和晶格类型。
合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。
组织虽然改变了，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。
【P4】4、 现有45、40Cr 、35 CrMo 钢和灰铸铁几种材料，你选择哪种材料作为机床起身，为什么？选灰铸铁，因为其含碳量搞，有良好的吸震减震作用，并且机床床身一般结构简单，对精度要求不高，使用灰铸铁可降低成本，提高生产效率。
5、 试述韧性断裂与脆性断裂的区别。
为什么脆性断裂最危险？【P21】答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。
6、 何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。
金属的应力腐蚀和氢脆断裂
第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂§6.1应力腐蚀一、应力腐蚀及其产生条件1、定义与特点（1）定义（2）特点特定介质（表6-1）低碳钢、低合金钢——碱脆、硝脆不锈钢——氯脆铜合金——氨脆2、产生条件应力：外应力、残余应力；化学介质：一定材料对应一定的化学介质；金属材料：化学成分、显微组织、强化程度等。
二、应力腐蚀1、机理（图6-1）滑移——溶解理论（钝化膜破坏理论）a）应力作用下，滑移台阶露头且钝化膜破裂（在表面或裂纹面）；b）电化学腐蚀（有钝化膜的金属为阴极，新鲜金属为阳极）；c）应力集中，使阳极电极电位降低，加大腐蚀；d）若应力集中始终存在，则微电池反应不断进行，钝化膜不能恢复。
则裂纹逐步向纵深扩展。
（该理论只能很好地解释沿晶断裂的应力腐蚀）2、断口特征宏观：有亚稳扩展区，最后瞬断区（与疲劳裂纹相似）；断口呈黑色或灰色。
微观：显微裂纹呈枯树枝状；腐蚀坑；沿晶断裂和穿晶断裂。
（见图6-2，和p2）三、力学性能指标1、临界应力场强度因子K ISCC恒定载荷，特定介质，测K I~t f曲线。
将不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子，称为应力腐蚀临界应力场强度因子。
2、裂纹扩展速度da/dtK I>K ISCC，裂纹扩展，速率da/dtDa/dt~ K I|曲线上的三个阶段（初始、稳定、失稳）由（图6-7，P152）可以估算机件的剩余寿命。
四、防止应力腐蚀的措施1、合理选材；2、减少拉应力；3、改善化学介质；4、采用电化学保护，使金属远离电化学腐蚀区域。
§6-2 氢脆由于氢和应力的共同作用，而导致金属材料产生脆性断裂的现象，称为氢脆断裂（简称氢脆）一、氢在金属中存在的形式内含的（冶炼和加工中带入的氢）；外来的（工作中，吸H）。
间隙原子状，固溶在金属中；分子状，气泡中；化学物（氢化物）。
二、氢脆类型及其特征1、氢蚀（或称气蚀）高压气泡（对H，CH4）宏观断口：呈氧化色，颗粒状（沿晶）；微观断口：晶界明显加宽，沿晶断裂。
(整理)第6章金属及合金的塑性变形
第6章 金属及合金的塑性变形6-1 金属的变形特性金属在外力作用下的变形行为可用拉伸曲线来描述。
设拉力为P ，试样伸长量为dl ，则应力σ和应变ε分别为：A P σ=； ldl ε= 式中，A 为试样的截面积。
在拉伸过程中，A 和l 是变化的，在工程上，为了简化问题，A 常用A 0来代替，ε也用平均值表示ε=(l －l 0)/l 0，这样测得的σ-ε曲线称工程σ-ε曲线。
一、工程σ-ε曲线P161图1是低碳钢拉伸时的工程σ-ε曲线。
当应力低于σs 时，没有残留变形，大于σs 时，开始发生塑性变形。
所以，σs 是发生塑性变形的最小应力，称屈服强度。
屈服强度也是弹性极限σe （弹性变形的最大应力）。
在弹性变形阶段，当应力小于σp 时，σ-ε呈线性，服从虎克定律： εE σ=式中，E 是直线的斜率，称材料的弹性模量。
开始偏离直线的应力σp 称比例极限。
当应力超过σs 时，开始发生塑性变形。
随着塑性变形的增加，应力增大，这种现象称加工硬化。
当应力达到最大值σb 时，开始下降，直到断裂。
最大值σb 称材料的抗拉强度。
超过此值，试样发生局部颈缩，即发生了不均匀塑性变形。
所以，σb 是材料发生均匀塑性变形的最大应力。
注意，应力超过σb 后下降，并不是加工硬化失效。
在结构材料中，我们关心的力学指标是σs 和σb ，它们和硬度一起称做强度指标。
在实际应用中，σs 值是无法测量的，通常用发生0.2%塑性变形时对应的应力值来表示屈服强度，称条件屈服强度。
通常我们所说的材料的力学性能，除了上述强度指标外，还有两个塑性指标，延伸率、断面收缩率。
延伸率是指发生断裂时，试样的伸长率：%10000⨯-=l l l δσσ断面收缩率是指发生断裂时，试样截面积的变化率：%10000⨯-=A A A ψ 二、真应力-真应变曲线（T T εσ-曲线） 工程应力与真实应力之间的不同是容易发现的。
下面看看工程应变与真实应变的不同。
拉伸一个试样，使其伸长一倍，则工程应变1/)2(000=-=l l l ε；若是压缩，要获得同样数值的负应变，理应压缩到原长度的一半。
材料断口分析第6章-疲劳断裂
§1 引言 §2 疲劳裂纹的萌生与扩展 §3 疲劳断口形貌特征 §4 影响疲劳断口形貌的因素 §5 腐蚀疲劳
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§1 引言
1、定义: 由于交变应力或循环载荷所引起的低应力脆断。 在所有的损坏中，疲劳断裂的比例最高，约占70%
2、类型:依负载和环境条件的不同，分为五类： 高周疲劳：材料在低应力（σ＜σ0.2）的作用下而寿命较高
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锯齿形断口
棘轮花样
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3、瞬断区
形貌：具有断口三要素（放射区、剪切唇）的特征 对于塑性材料，断口为纤维状、暗灰色 对于脆性材料，断口为结晶状
位置：自由表面 断面中心 非对称（次表面）
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瞬断区面积越大，越靠近中心部位，工件过载程度越大 瞬断区面积越小，越靠近 边缘，工件过载程度越小
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二、疲劳断口显微形貌特征
疲劳辉纹 1、定义：在光学显微镜、SEM或TEM下观察疲劳断口时，断口上细
小的、相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直 的显微特征条纹
疲劳辉纹与疲劳条纹（贝纹线）的区别：
贝纹线是宏观特征线，因交变应力幅度变化或载荷停歇等造成的 辉纹是显微特征线，是一次交变应力循环裂纹尖端塑性钝化形成的
铝合金疲劳辉纹
（Nf ＞ 105）的疲劳 低周疲劳：材料在反复变化的大应力或大应变作用下，使材
料的局部应力往往超过σ0.2 ，在断裂过程中产 生较大塑性变形，是一种短寿命（Nf ＜ 102 — 105）的疲劳
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接触疲劳：材料在较高接触压应力的作用下，经过多次应力 循环后，其接触面的局部区域产生小片或小块金 属剥落，形成麻点或凹坑，导致材料失效的现象
▲工程构件对疲劳抗力比对静载荷要敏感得多。其疲劳抗力不仅取 决于材料本身特性，而且与其形状、尺寸、表面质量、服役条件 环境等密切相关
第六章 固体材料的变形与断裂
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滑移的表面痕迹 单滑移：单一方向的滑移带； 多滑移：相互交叉的滑移带； 交滑移：波纹状的滑移带。
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6. 单晶体的应力-应变曲线
第Ⅰ阶段----易滑移阶段:屈服后首先进行 单滑移，在应力增加不大时，可发生大 量塑变。此时加工硬化系数dτ／dγ很小， 约为10-4G。 第Ⅱ阶段----线性硬化阶段：加工硬化系 数比第Ⅰ阶段约大30倍且基本为常数。 双滑移造成滑移带的交割，使位错密度 急剧增加并互相缠结，加工硬化系数明 显增高。 第Ⅲ阶段----抛物线型硬化阶段：加工硬 化系数逐渐降低，应力与应变关系为 τ＝Kγ1/2。第Ⅲ阶段位错可通过交滑移克 服滑移障碍，使变形易于进行，从而使 加工硬化系数下降。
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5 多滑移和交滑移 （1）滑移的分类 单滑移：处于软取向的一组滑移系首先开动。 多滑移：由于滑移过程中晶体的转动使两个或多个滑移 系上交替滑移。 交滑移：两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行 的滑移。 （2）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴 夹角分别相等的一组滑移系。
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改变，形成镜面对称关系（对 抛光面观察有重现性）
位移量 不 同 点
对塑变的贡献 变形应力 变形条件
小于孪生方向上的原子间 距，较小。 有限，总变形量小。 所需临界分切应力远高于 滑移 滑移困难时发生
变形机制
全位错运动的结果
分位错运动的结果
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6.2.3 晶体的扭折 对于那些既不能滑移也不能孪生的地方，为使晶体的形状 与外力相适应，当外力超过某一临界值时，晶体会产生局部弯 曲，这种形式的变形叫扭折。扭折是晶体弯曲变形或滑移在某 些部位受阻，位错在那里堆积而成的。压缩时产生的理想对称 扭折带是由好几个楔形区域组成。扭折带的形成能协调相邻晶 粒或同一晶粒中不同部位之间的变形，并能引起晶体的再取向， 促进晶体变形能力的发挥。
材料力学基础-6-1
6.1.2 滞弹性
对于完全弹性体，加上和除去应力，应变都是瞬时 达到平衡值，没有考虑时间的关系。若在弹性范围内 加载和卸载，发现应变不是瞬时达到其平衡值，而是 通过时间的延长，逐步趋于平衡值。
图中的0a为瞬时产生的弹性 应变；a`b是在应力作用下逐 渐产生的弹性应变叫滞弹性 应变。bc=0a，是应力去除时 瞬时消失的弹性应变； c`d= a`b是除去应力后，随时间的 延长逐步消失的滞弹性应变。
滑 移 带 与 滑 移 面 的 关 系
滑移是靠位错的运动实现的。位错沿滑移面滑移，
当移动到晶体表面时，便产生了大小等于柏氏矢量的
滑移台阶，该台阶称为滑移线，就是滑移面和表面的
交线。每个台阶的高度越为100nm。在金相显微镜下
看到的滑移痕迹往往是许多相距10nm左右的滑移线
形成的滑移带。
2. 滑移系
结论：单晶体没有确定的屈服极限，其屈服极限由 取向因子决定。
同一晶体可有几组晶体学上完全等价的滑移 系，但实际先滑移的是处在软位向的滑移系。密 排六方金属滑移时，只有一组滑移面，故晶体位 向的影响就十分显著。如图。面心立方金属有多 组滑移面，晶体位向的影响就不显著，不同取向 的晶体拉伸屈服强度仅相差两倍。
晶体发生弹性变形时，应力与应变成线性关系， 去掉外力后能够完全恢复原状。弹性变形阶段应力 与应变服从虎克定律（Hooke's law） :
E 或 G
其中σ为正应力，τ为切应力，ε为正应变，γ为切应 变，E为杨氏模量(Modulus of elasticity) ，G为切变 模量。
E与G的关系满足：
映象方法”或“映象规则” —— 一种快速确定具 有最大取向因子的滑移系统的方法。
金属学与热处理课后习题答案第六章
第六章金属及合金的塑性变形和断裂2）求出屈服载荷下的取向因子，作出取向因子和屈服应力的关系曲线，说明取向因子对屈服应力的影响。
答：1）需临界临界分切应力的计算公式：τk=σs cosφcosλ，σs为屈服强度=屈服载荷/截面积需要注意的是：在拉伸试验时，滑移面受大小相等，方向相反的一对轴向力的作用。
当载荷与法线夹角φ为钝角时，则按φ的补角做余弦计算。
2）c osφcosλ称作取向因子，由表中σs和cosφcosλ的数值可以看出，随着取向因子的增大，屈服应力逐渐减小。
cosφcosλ的最大值是φ、λ均为45度时，数值为0.5，此时σs为最小值，金属最易发生滑移，这种取向称为软取向。
当外力与滑移面平行（φ=90°）或垂直（λ=90°）时，cosφcosλ为0，则无论τk数值如何，σs均为无穷大，表示晶体在此情况下根本无法滑移，这种取向称为硬取向。
6-2 画出铜晶体的一个晶胞，在晶胞上指出：1）发生滑移的一个滑移面2）在这一晶面上发生滑移的一个方向3）滑移面上的原子密度与{001}等其他晶面相比有何差别4）沿滑移方向的原子间距与其他方向有何差别。
答：解答此题首先要知道铜在室温时的晶体结构是面心立方。
1）发生滑移的滑移面通常是晶体的密排面，也就是原子密度最大的晶面。
在面心立方晶格中的密排面是{111}晶面。
2）发生滑移的滑移方向通常是晶体的密排方向，也就是原子密度最大的晶向，在{111}晶面中的密排方向<110>晶向。
3）{111}晶面的原子密度为原子密度最大的晶面，其值为2.3/a2，{001}晶面的原子密度为1.5/a24）滑移方向通常是晶体的密排方向，也就是原子密度高于其他晶向，原子排列紧密，原子间距小于其他晶向，其值为1.414/a。
6-3 假定有一铜单晶体，其表面恰好平行于晶体的（001）晶面，若在[001]晶向施加应力，使该晶体在所有可能的滑移面上滑移，并在上述晶面上产生相应的滑移线，试预计在表面上可能看到的滑移线形貌。
清华大学 材料科学基础——作业习题第六章
第六章目录6.1 要点扫描 (1)6.1.1 金属的弹性变形 (1)6.1.2 单晶体的塑性变形 (2)6.1.3 多晶体的塑性变形与细晶强化 (8)6.1.4 纯金属的塑性变形与形变强化 (10)6.1.5 合金的塑性变形与固溶强化和第二相强化 (14)6.1.6 冷变形金属的纤维强化和变形织构 (16)6.1.7 冷变形金属的回复与再结晶 (17)6.1.8 热变形、蠕变和超塑性 (20)6.1.9 断裂 (22)6.2 难点释疑 (25)6.2.1 从原子间结合力的角度了解弹性变形。
(25)6.2.2 从分子链结构的角度分析粘弹性。
(25)6.2.3 FCC、BCC和HCP晶体中滑移线的区别。
(25)6.2.4 Schmid定律与取向规则的应用。
(26)6.2.5 孪生时原子的运动特点。
(27)6.2.6 Zn单晶任意的晶向[uvtw]方向在孪生后长度的变化情况 (29)6.3 解题示范 (30)3.4 习题训练 (33)参考答案 (38)第六章 金属与合金的形变6.1 要点扫描6.1.1 金属的弹性变形1. 弹性和粘弹性所谓弹性变形就是指外力去除后能够完全恢复的那部分变形。
从对材料的力学分析中可以知道，材料受力后要发生变形，外力较小时发生弹性变形，外力较大时产生塑性变形，外力过大就会使材料发生断裂。
对于非晶体，甚至某些多晶体，在较小的应力时，可能会出现粘弹性现象。
粘弹性变形即与时间有关，又具有可恢复的弹性变形，即具有弹性和粘性变形两方面的特性。
2. 应力状态金属的弹性变形服从虎克定律，应力与应变呈线性关系：γτεσG E == 其中： yx G E εενν-==+,)1(2 E 、G 分别为杨氏模量和剪切模量，v 为泊松比。
工程上，弹性模量是材料刚度的度量。
在外力相同的情况下，E 越大，材料的刚度越大，发生弹性形变的形变量就越小。
3. 弹性滞后由于应变落后于应力，使得εσ-曲线上的加载线和卸载线不重合而形成一个闭合回路，这种现象称为弹性滞后。
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（4）解理裂纹扩展过程 • 解理裂纹形成后， 在晶粒A内部扩展只需要 克服表面张力，而表面张力数值较小，因此可以 迅速扩展，达到晶界； • 晶粒B的晶体取向与A不同，因此解理裂纹遇到晶 界后停止扩展，外加应力进一步增大，克服晶界 阻力，裂纹才能穿越晶界。 • 穿越晶界过程满足以下条件：B晶粒内仍沿着解 理面（001）扩展；转折的角度尽量小
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思考题
1）叙述韧性断裂和脆性断裂的区别。 2）何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口 形态的因素有哪些？ 3）在什么条件下容易出现沿晶断裂？ 4）解理断裂河流花样形成过程的位错机制是 什么？ 5）叙述微孔聚集型断裂裂纹萌生与扩展过程 6）查找文献，说明峰时效2024Al合金和 SiCp/2024Al复合材料断裂过程和断口特征
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• 在晶界处，B晶粒内部的多个位置产生裂纹， 裂纹都在（001）面内形成，分别沿着 （001）面扩展
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• 穿越晶界后，上述不同高度的（001）面上 有许多裂纹，当这些面上的裂纹相遇时， 中间夹着一层金属
• 这层金属受到很大的 应力作用，可以通过二次解理 或者切离方式断裂，从而 造成裂纹汇合，从支流变 成干流，形成河流花样
2）拉应力作用下，微孔沿应力方向伸长，形 成椭圆形（蓝）；
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3）随着椭圆增大，质点 面上的承载面积减小， 变形逐渐集中到质点 面上，在此处形成水平 椭圆，得到颈缩区域 （阴影线区域）
4）阴影线区域类似于颈缩后拉伸试样，发生 切离断裂，微孔聚合，形成宏观断裂裂纹
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• 讨论： “ 2）拉应力作用下，微孔 沿应力方向伸长，形成椭 圆形”过程决定了韧窝的 深浅； 抑制颈缩的能力决定韧窝深浅！ “4）阴影线区域发生切离断裂， 形成宏观断裂裂纹”过程发生材料的切离，尽管材料内 含有第二相，在此颈缩区域，没有第二相的影响，类 似于纯金属。因此基体金属对断裂过程的影响主要通 过此过程实现； “4）过程”主要与微区切离过程，而与宏观变形能力 无关，因此宏观脆性材料也有可能产生微孔聚集型断 裂特征。如金属基复合材料。 14
举例：低碳钢的低温脆性
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解理断口
38
39
6.4 沿晶断裂
1) 产生条件：晶界上有脆性第二相薄膜或杂 质元素偏聚。断口上形成具有晶界刻面的 冰糖状形貌
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2) 脆性第二相引起沿晶断裂时，断裂可以从第二相与基体 界面开始，也可以通过第二相解理来进行。此时晶界上 可以见到网状脆性第二相或第二相质点； 杂质元素引起沿晶断裂时，晶界光滑，看不到特殊的花 样。 3) 穿晶断裂与沿晶断裂（微观） 特点：穿晶断裂，裂纹穿过晶界。沿晶断裂，裂纹沿 晶扩展。 穿晶断裂，可以是韧性或脆性断裂；两者有时可混合 发生。 沿晶断裂，多数是脆性断裂。
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裂纹能越过晶界，“河流”可延续到相邻晶
粒内。 （b）扭转晶界（位向差大） 裂纹不能直接穿过晶界，必须重新形核。
裂纹将沿若干组新的相互平等的解理面扩
展，形成新的“河流”。
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• 解理断裂强度 A）一个完整的解理断裂过程包含以下步骤： 位错运动形成位错塞积（σs）——解理裂纹 形成——解理裂纹穿越晶界（ σ ） B）解理断裂过程能否进行取决于上述三个 阻力中的最大阻力 C）解理裂纹形成需要的应力<解理裂纹穿越 晶界的应力
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• 考虑温度对σs和σb 的影响
σ 3 2 1 A 6 5 4 Tc
σc
σs
T
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• 考虑温度对σs和σ 的影响 4：塑性变形，无解理 5 ：塑性变形，无解理 6 ：塑性变形，无解理 1 ：塑性变形，无解理 2 ：塑性变形，无解理 3 ：解理
σ
3
2 1
A 6 5 4 Tc
σc
σs
T
36
• 材料的低温脆性 核心在于温度影响σs和σc
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• 对 c 4G 讨论：
d
1）密排面的表面能最小，最容易产生解理裂纹； bcc金属产生解理裂纹还需要满足位错反应的几何条 件，仅能在（001)次密排面产生 G（单晶） 2）d大，晶粒粗大，容易产生解理裂纹。因此细小 晶粒能够强化金属，还能够韧化金属
3）解理裂纹的形成离不开位错滑移。
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解理断裂的微观断口特征电镜观察 （1）河流花样 • 解理台阶，汇合台阶高度足够大形成河流状花样。 裂纹跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面。 • 解理台阶是沿两个高度不同 的平行解理面上扩展的解理裂纹 相交时形成的。
晶界
•其方式为：切离断裂或 二次解理
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晶界对解理断口的影响 （a）小角度倾斜晶界
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（2）断口微观特征 • 解理面形成的每个小晶面都是穿晶断裂形成的， 在同一个晶粒内裂纹沿同一晶面发展； • 同一晶粒内部，界面不是一个平坦表面，而是 一系列晶面族，即位于不同高度的平行的晶面 构成 • 每个解理面上都能见到河流花样，发源于晶界， 中止于晶界 • 解理面附近的金属中能见到显著的塑性变形痕 迹，塑性变形量可达10％～15％。
3
• 断裂的基本类型
1、根据断裂前塑性变形大小分类：脆性断裂；韧 性断裂 2、根据断裂面的取向分类：正断；切断 3、根据裂纹扩展的途径分类：穿晶断裂；沿晶断 裂 4、根据断裂机理分类：解理断裂，微孔聚集型断 裂；纯剪切断裂
4
切离
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• 断裂类型的划分一般从两个层次： 一是宏观断裂特征，如脆性和韧性； 二是微观断裂过程/机制
• 拉伸宏观杯锥状断口的形成 颈缩后，颈缩区域应力集中，变成三向应力状态， 且应力在中心处最大——微孔在中心处萌生—— 微孔在拉应力作用下从中心向边缘长大——达到 边缘时，应力变成平面应力状态，裂纹沿45度方 向长大，形成杯锥状断口
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•微观断口特征
韧窝（等轴韧窝，椭圆形）形貌取决于应力状态 （1）韧窝形状 （a）正应力⊥ 微孔的平面，形成等轴韧窝； 拉伸试样中心纤维区就是等轴韧窝。 （b）拉长韧窝 扭转、或双向不等应力状态；切应力，形成 拉长韧窝； （c）撕裂韧窝 拉、弯应力状态；
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•位错反应理论 位错反应，形成新的位错，能量降低， ∴有利于裂纹形核。 a (011 ) : b1 [ 1 1 1] 2 a (0 1 1) : b2 [111 ] 2 a a [ 1 1 1] [111 ] a[001 ] (1) 2 2 能量上： a a 2 2 2 2 2 2 2 2 [ （－ 1 ） （－ 1 ）1 ] [ 1 1 1 ] a2 2 2 3 / 2a 2 a 2 因此反应（ 1 ）在几何上和能量上都 是满足的，可以自发进 行
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nb 2 (1) 其中，n 2 L( i ) 2 L ( 2) Gb Gb L为位错塞积群长度
如果形成的位错塞积群 中心在晶粒中点， L＝d / 2，（2）式变成： d 1 / 2 * d * n (3) Gb Gb 把（3）带入（ 1）得到： 1 / 2 * d * b 2 Gb 4G c d c 就是金属中产生解理裂 纹需要的临界应力
举例：SiCw/Al复合材料的断裂分析 宏观脆性断裂，断裂应变小于1％ 但微观上呈现微孔聚集型断裂特征 因此不能说微孔聚集型断裂一定为韧性断裂
6
6.2 金属的延性断裂
• 纯剪切断裂（切离）
一般发生在纯金属或较软金属中，如Pb－Sn金属中
单晶体：单系滑移，沿滑移面分离 多晶体：多个滑移系同时开动
微孔聚集型断裂过程中也会 发生切离过程
（3）危害： 不及脆性断裂 断裂前机件已变形失效
杯
9
• 微孔聚集型断裂机理和微观断口特征 1、断裂机理 （1）微孔形核 点缺陷聚集；第二相质点碎裂或脱落；位错引 起的应力集中，不均匀塑性形变。 （2）微孔长大 滑移面上的位错向微孔运动，使其长大。 （3）微孔聚合 应力集中处，裂纹向前推进一定长度。
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• 新形成的a[001] 位错的可动性？ ——a[001]位错布氏矢量从下向上，而在此动位错； ——后续位错反应不断进行，在交叉点处形成位错
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• 解理裂纹形成的能量关系 解理裂纹一旦形成，位错塞积群b1和b2将会 消失，同时产生两个新的表面，位错塞积群 b1＋位错塞积群b2——两个新表面，反应是： nb1+ nb2——nb（ 形成的nb,能量是σnb） • 这部分弹性能转变成两个新表面的能量2γ ： σ nb＝ 2γ
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• 微孔聚集型断裂及断口特征 （1）断裂特点： 断裂前产生明显宏观变形；过程缓慢； 中心断裂面垂直于最大正应力； 锥 边缘断裂面平行于最大 切应力，与主应力成45度 发生在低碳钢、调质或退火 中碳钢、时效铝合金等
杯
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（2）断口特征
• • • • • 杯——锥状 断口三要素：纤维区、星芒区（放射区）、剪切唇 纤维区：纤维状，灰暗色： 星芒区：裂纹快速扩展。撕裂时塑性变形量大，放射 a b c d 锥 线粗 剪切唇：切断。
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（2）韧窝大小影响参数 • 基体材料的塑性变形能力和应变强化指数 • 第二相质点的大小和密度。 注意：微观上出现韧窝，宏观上不一定是韧 性断裂。
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6.3 解理断裂
（1）断裂特点 • 断裂前基本不发生塑性变形，无明显前兆； 断口与正应力垂直，属于正断。 • 断口平齐光亮，常呈放射状或结晶状；断口由许 多小晶面构成；晶面的大小与晶粒大小对应。 • 解理面都是特定的晶体学平面，如bcc金属中为 {001}面，hcp金属中为{0001}，前者是较密排面， 后者为密排面 • 材料的韧性与脆性行为会随环境条件而改变。 例如：T↓↓、脆性↑。如低碳钢的低温脆性。
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• 微孔形成方式 1）第二相与基体的界面结合较弱时，通过界 面脱粘在第二相/基体界面形成裂纹 2）第二相与基体的界面结合较强时，通过变 形协调位错产生
3）第二相质点的断裂 4）晶界处（往往由应力集中导致）