第12讲 断裂影响因素及现象分析综述
断裂力学的研究分析
断 裂力学 的研究 分析
李宗霖 山东师范大学附属 中学 （ 幸福柳 校区）
摘要 ： 随着社会的不 断发展 ， 各 类构件的应 用范围也逐 步 扩 大， 构件 的负 荷要 求也越 来越 高， 进 而出现 了 一系 列 的问题 ， 其中最为常见
的 就 是 构 件 的断 裂 ， —旦构 件发生断裂， 会 对 大 众 的 安 全和 工 业 的发 展 造 成 不 良影 响 。本 文 就 断 裂 力 学的 研 究结 果 进 行 了阐 述 。 关键词 ： 断 裂力学 发展 研究分析
断裂 力学是 分属 固体力学 范畴 内的 新兴 学科 ， 主要 研 究材 料
断裂 动力学分属断裂力学 在 考虑受载物体 各方惯 性的基础上 ，
和 工程 结 构中裂 纹产 生和扩 展的 规律 。 断 裂力学 所说 的裂 纹既 包 用 连续介质 力学的 方法 研究相 关固体物 在高速 加载 或裂 纹高 速扩 括 工程施 工中出现 的宏观 的、 肉眼可见的裂 纹 ， 也包括 工程材 料中 展 条件下 的裂纹 扩展和 断裂规律 。 例如 ， 脆性材料 在加 工、 碰撞 和 天然 气管道 的破 裂情 况等 都可 以借助断 裂动 的 各种近似于 裂纹的缺 陷。 断裂力学 主要研究裂 纹的起 裂条件 、 裂 冲 击下的 破坏 规律 、 纹 在外部 载荷作用下的 扩展 过程 、 使物 体会发生断 裂的裂缝 级别 、 裂 纹 结构 硖坏 的条件 以及 结构可 承受 的最 大裂 纹度 等 内容， 是 结 构 损伤容 限设计的理论 基础 ， 在工程施 工领 域应 用非常广泛。
１ 线弹性 断曩 力学
力学 的理论来 分析和处理 。
ｊ ． １ 断裂动力学研究的内容
３ ． １ ． １ 断裂 准则
材料断裂分析
材料断裂分析材料断裂分析是材料科学领域中的重要研究内容，它涉及到材料的力学性能、断裂机理、断裂形态等方面的研究。
在工程实践中，对材料的断裂行为进行分析可以帮助工程师们更好地设计和选择材料，提高材料的使用性能和安全性。
本文将从材料断裂的基本概念、断裂形式、断裂机理以及断裂分析方法等方面进行介绍和讨论。
首先，我们来了解一下材料断裂的基本概念。
材料的断裂是指在受力作用下，材料发生破裂现象。
这种破裂可以是在拉伸、压缩、弯曲等受力状态下发生的。
材料断裂是由于材料内部的应力超过了其承受能力而引起的。
在材料断裂的过程中，会伴随着能量释放和裂纹扩展的现象。
接下来，我们将讨论一些常见的断裂形式。
材料的断裂形式可以分为脆性断裂和韧性断裂两种。
脆性断裂是指材料在受到较小应力作用下就会迅速发生破裂，裂纹扩展速度很快，常见于金属玻璃等材料。
而韧性断裂则是指材料在受到较大应力作用下，裂纹扩展速度较慢，能够吸收较多的能量，常见于塑料、橡胶等材料。
此外，我们还需要了解材料断裂的机理。
材料断裂的机理是指材料在受力作用下破裂的原因和过程。
常见的断裂机理包括拉伸断裂、剪切断裂、扭转断裂等。
不同的材料在受力作用下会出现不同的断裂机理，了解断裂机理有助于我们更好地分析和预测材料的断裂行为。
最后，我们将介绍一些常用的断裂分析方法。
断裂分析方法包括数学模型分析、实验测试分析和断裂力学分析等。
数学模型分析是通过建立数学模型来描述材料的断裂行为，可以通过有限元分析等方法来进行。
实验测试分析是通过对材料进行拉伸、压缩、弯曲等实验测试来获取材料的断裂性能参数。
断裂力学分析是通过断裂力学理论来分析材料的断裂行为，包括线弹性断裂力学、能量法等。
综上所述，材料断裂分析涉及到多个方面的内容，包括基本概念、断裂形式、断裂机理和断裂分析方法等。
通过对材料断裂行为的深入研究和分析，可以帮助我们更好地理解材料的性能和行为，为工程实践提供有力的支持。
希望本文能够对读者有所帮助，谢谢阅读！。
断裂
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。
断裂力学
（3.4）
G
1 U B a
（3.5）
3.4 中心裂纹的能量释放率
G 1 U 2 B a
（3.6）
3.5 能量释放率的另一表达形式
1 U1 B a G 1 U1 2 B a
（3.7）
4 应力强度因子
断裂发生时在裂纹端点要释放出多余的能量，因此，裂端区的应力场和应变场必然与此裂端的能量释放 率有关。若裂端应力应变场的强度（intensity）足够大，断裂即可发生，反之则不发生。因此，得到裂端区 应力应变场的解析解是个关键。 近代断裂力学是用弹性力学的解析方法来完成这一工作的，而这些解析法需要用高深的数学工具，这对 于初次接触断裂力学的读者来说，是比较困难的。因此，本章只给出一些主要的概念和结果，并介绍一些 工程近似方法。
x
（4.5）
r 2u K II 2 r 2 v K II 2
III 型裂纹的应力场和位移场 :
1/ 2
2 ( 1) 2cos sin 2 2 2 ( 1) 2sin 2 cos 2
1 断裂力学的形成
1957 年，美国科学家 G.R.Irwin 提出应力强度因子的概念, 线弹性断裂理论的重大突破，应力强度因子 理论作为断裂力学的最初分支——线弹性断裂力学建立起来。
2 断裂力学的发展
现代断裂理论大约是在 1948—1957 年间形成，它是在当时生产实践问题的强烈推动下，在经典 Griffith 理论的基础上发展起来的，上世纪 60 年代是其大发展时期。 我国断裂力学工作起步至少比国外晚了 20 年，直到上世纪 70 年代，断裂 力学才广泛引入我国， 一些单位和科技工作者逐步开展了断裂力学的研究和 应用工作。 断裂力学是起源于 20 世纪初期，发展于 20 世纪后期，并且仍在不断发展 和完善的一门科学。因此，它是具有前沿性和挑战性的研究成果 研究含裂纹物体的强度和裂纹扩展规律的科学。固体力学的一个分支。又 称裂纹力学。它萌芽于 20 世纪 20 年代 A.A.格里菲斯对玻璃低应力脆断的 研究。其后，国际上发生了一系列重大的低应力脆断灾难性事故，促进这方 面的研究，并于 50 年代开始形成断裂力学。根据所研究的裂纹尖端附近材 料塑性区的大小，可分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学；根据所研究的引起材料断裂的载荷性质，可 分为断裂（静）力学和断裂动力学。断裂力学的任务是：求得各类材料的断裂韧度；确定物体在给定外力 作用下是否发生断裂，即建立断裂准则；研究载荷作用过程中裂纹扩展规律；研究在腐蚀环境和应力同时 作用下物体的断裂（即应力腐蚀）问题。断裂力学已在航空、航天、交通运输、化工、机械、材料、能源 等工程领域得到广泛应用。 线弹性断裂力学应用线弹性理论研究物体裂纹扩展规律和断裂准则。1921 年格里菲斯通过分析材料的低 应力脆断，提出裂纹失稳扩展准则格里菲斯准则。1957 年 G.R.欧文通过分析裂纹尖端附近的应力场，提出
第12讲 断裂影响因素及现象分析
2021/7/17
精选可编辑ppt
10
Lesson Twelve
▪ 金属材料的化学成份和组织状态 ▪ 不同含碳量对钢的冲击韧性的影响。随着含碳量的
增加，冲击韧性明显降低，而且脆性转变温度上升， 所以为避免低温脆性多选用含碳量低于0.2％以下 的钢。
2021/7/17
精选可编辑ppt
11
Lesson Twelve
2021/7/17
精选可编辑ppt
34
▪ 内部裂纹 ▪ 现象
Lesson Twelve
2021/7/17
精选可编辑ppt
35
Lesson Twelve
▪ 为使变形深入轴心区，防止和减轻这种断裂现象发 生，对挤压来说就是增大挤压比；对拉拔来说，就 是增加l/d。
2021/7/17
精选可编辑ppt
36
2021/7/17
精选可编辑ppt
19
加软垫的镦粗情况
Lesson Twelve
2021/7/17
用活动套环(a)和 包套(b)镦粗
精选可编辑ppt
20
Lesson Twelve
包套镦粗
2021/7/17
精选可编辑ppt
21
▪ 锻造时的内部裂纹 ▪ 现象
Lesson Twelve
2021/7/17
6.3.1 锻造时的断裂
Lesson Twelve
▪ 锻造时的表面开裂 ▪ 现象
2021/7/17
精选可编辑ppt
16
Lesson Twelve
2021/7/17
精选可编辑ppt
17
Lesson Twelve
▪ 产生原因
▪ 自由镦粗塑性较低的金属饼材时，由于锤头端面对 镦粗件表面摩擦力的影响，形成单鼓形，使其侧面 周向承受拉应力。
解理断裂的微观断口特征
解理断裂的微观断口特征断裂是指材料或物体在外力作用下发生的破裂现象。
在材料工程领域中，对断裂行为的研究具有重要的意义，可以揭示材料的力学性能和耐久性。
而要深入了解断裂现象，就需要对微观断口特征进行解理。
微观断口特征是指断裂发生后，在断口上观察到的各种形态和结构。
通过对微观断口特征的解理，可以了解材料的断裂机制、断裂韧性、断裂韧性转变温度等重要信息。
常用的解理方法包括光学显微镜观察、扫描电子显微镜观察、透射电子显微镜观察等。
在光学显微镜下观察断裂断口，可以发现断口上存在着不同的特征区域。
首先是断口的主要断裂区，通常呈现出明显的沿晶断裂和穿晶断裂。
沿晶断裂是指断裂沿晶界发展，晶粒基本保持完整，常见于金属材料。
而穿晶断裂是指断裂穿过晶粒，晶粒内出现裂纹，常见于陶瓷等脆性材料。
除了晶界和晶粒的断裂特征外，断口上还可以观察到其他形态的特征。
例如，断裂面上的沟槽、韧突和斑点等。
沟槽是指断裂面上的细长槽状结构，常见于金属材料的疲劳断口。
韧突是指断裂面上突出的、具有韧性的小区域，常见于高强度钢材料的断裂面。
斑点是指断裂面上散布的微小亮点或暗点，代表着材料中的微观缺陷。
在扫描电子显微镜下观察断裂断口，可以获得更高分辨率的图像。
通过扫描电子显微镜观察，可以清晰地看到断裂面上的晶体结构、晶界和微观缺陷。
同时，还可以利用能谱分析等技术对断口进行元素分析，从而了解断口上各个区域的化学成分差异。
透射电子显微镜是一种高分辨率的显微镜，可以观察到材料中的原子级结构。
在透射电子显微镜下观察断裂断口，可以揭示材料内部的晶体结构、晶界及其缺陷。
透射电子显微镜还可以通过电子衍射技术，确定断裂面的晶体取向和晶界的类型。
通过对微观断口特征的解理，可以得到丰富的信息，从而揭示材料的断裂行为和断裂机制。
例如，通过观察断裂面上的韧突和沟槽，可以评估材料的韧性和脆性。
通过分析断口上的裂纹扩展路径，可以研究裂纹的传播行为和断裂韧性转变温度。
通过观察断裂面上的晶体结构和晶界特征，可以了解晶界对断裂行为的影响。
断裂原因分析
断裂原因分析一、夹杂物引起断裂线材中非金属夹杂物的存在，破坏了组织的连续性，起到了一个显微裂纹的作用。
当受到外力作用时，在夹杂物的顶端首先产生附加的应力集中。
尤其在原奥氏体晶粒交界处出现的大块状、条状或片状碳化物，这些异常碳化物在材料冷变形时，严重地阻塞了位错的移动，致使该处产生应力集中。
当应力集中达到一定大小时便会使碳化物开裂，或在碳化物与基体交界处产生裂纹。
当裂纹达到失稳状态尺寸，地瞬时产生断裂。
非金属夹杂物的多少是衡量帘线钢质量高低的一个重要因素。
在用SEM对断口进行分析的过程中，经常发现非金属夹杂物。
在典型的杯锥状断口上有时候就能发现夹杂物，SEM表明大多为三氧化二铝夹杂或其它高熔点脆性夹杂物。
其避免主要是通过精炼，使夹杂物变为塑性低熔点夹杂物。
脆性夹杂物是引起钢丝断裂的重要原因之一，而夹杂物引起断裂分为以下几种形势：& #61656; 1、夹杂物与钢基体之间界面脱开拉伸过程中，在夹杂物周围的局部加剧了应力集中；裂纹优先在与拉应力垂直的夹杂物与基体的界面产生并沿着夹杂物与钢基体界面扩展，致使夹杂物与基体界面脱开。
& #61656; 2、夹杂物本身开裂由于脆性较矮杂物本身具有缺陷，在拉伸过程中，在缺陷处产生严重的应力集中，由于局部应力升高而导致夹杂物本身开裂。
& #61656; 3、混合开裂钢中非金属夹杂物的形状、分布是没有规律的，因此夹杂物在钢中引起裂纹也是随机性的，取决于夹杂物的性质、尺寸、形状及分布，对于同类型的夹杂物，由于形状、分布和受力方向不同，往往产生断裂的情况也不尽相同，有时两种断裂方式同时存在，有时两种断裂方式交替进行。
& #61656; 4、沿两种不同类型夹杂物的相界开裂钢中经常出现几种夹杂物相共生在一起的复合夹杂物，由于各类夹杂物之间的力学性能和物理性质不同，相界结合力较弱，在拉应力作用下容易从相界开裂。
二、偏析引起的钢丝断裂在一定程度上，中心偏析对钢丝拉断的危害必脆性夹杂物。
《影响断裂类型的因素》课件
锻造时的内部裂纹
.平锤头flat hammer锻压方坯 square billet
A难变形区 三向压应力 沿对角线方向 金属剧烈错动 翻转90°压缩 相反方向错动 反复错动→ 疲劳开裂
fatigue
平锤头锻压圆坯round billet 无外端→双鼓形(a)
措施：采用槽形和弧形锤头， 减少坯料中心处的水平拉应力，增大压应力。
3 Fracture in extrusion /drawing 挤压/拉拔
挤制铝型材
Surface crack 表面裂纹
挤压筒和挤压模之间存 在摩擦 →中心流动快/表面层流 动慢 →中部受压/边部受拉 →摩擦很大时，边部金 属断裂 →周期性表面裂纹 →竹节状，棘棒状
extrusion container 挤压筒 extrusion die 挤压模
2 fracture in rolling 轧制
轧板时的表面开裂
－ 凹形辊concave roll易出现中部周期裂纹center periodic crack。
－ 平辊轧制 flat roll rolling
易产生边部周期裂纹edge periodic crack， 还可导致板材端头中央劈裂split。
从韧性断裂到脆性断裂的转变温度称为韧脆转变温度Tc
※韧-脆转变温度 Ductile-brittle transition temperature (DBTT)
解释: T对断裂应力σf/屈 服强度σs影响不同
T↓对σf影响不大, 对σs影响显著
T>T c. σf > σs ductile T< T c. σf < σs brittle
Measures措施: (1)↓contact friction 减小摩擦↑finish光洁度
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
钢材经淬火后高温 调质处理得到索氏 体组织，这对降低 脆性转变温度是极 为有效的。 图中表明调质钢与 正火钢和热轧钢相 比，脆性转变温度 明显降低。
2018/8/5 13
Lesson Twelve
6.3 塑性加工中的断裂现象分析
塑性加工中的断裂除因铸锭质量差（如铸造时产生 的疏松、裂纹、偏析和粗大晶粒等）和加热质量不 良所造成过热、过烧的原因外，绝大多数的断裂是 属于不均匀变形所造成的。 在生产中因工艺条件和操作上的不合理，会发生各 种断裂。因此，应结合具体金属的塑性加工工艺过 程和断裂现象，分析其断裂原因，进而找出防止断 裂的措施。
金属塑性变形理论
Theory of metal plastic deformation
第十二讲 Lesson Twelve
断裂影响因素及现象分析
Lesson Twelve
第六章 金属的断裂
主要内容
Main Content 断裂的基本类型及物理本质 影响断裂类型的因素
塑性加工中的断裂现象分析
2018/8/5
2
Lesson Twelve
6.2 影响断裂类型的因素
塑性与脆性并非金属固定不变的特性，象金属钨， 虽在室温下呈现脆性，但在较高的温度下却具有塑 性。在拉伸时为脆性的金属，在高静水压下却呈现 塑性。在室温下拉伸为塑性的金属，在出现缺口、 低温、高变形速度时却可能变得很脆。所以，金属 是韧性断裂还是脆性断裂，取决于各种内在因素和 外在条件。因此，对塑性加工来说，很有必要了解 塑性－脆性转变条件，尽可能防止脆性，向有利于 塑性提高方面转化。
2018/8/5
14
Lesson Twelve
锻造时的断裂 轧制时的断裂 挤压拉拔时的断裂
2018/8/5
15
Lesson Twelve
6.3.1 锻造时的断裂
锻造时的表面开裂 现象
2018/8/5
16
Lesson Twelve
2018/8/5
17
Lesson Twelve
2018/8/5
11
Lesson Twelve
添 加 Mn 或 Ni 可 以 有 效 地降低转变温度。因为 两者都能使晶粒细化， 此 外 Mn 还 能 抑 制 碳 化 物沿晶界析出； Ni 能促 使位错产生交滑移避免 应力集中，这些都有助 于转变温度的降低。
2018/8/5
低碳钢的断裂应力和屈服应力与晶 粒大小的关系
加软垫的镦粗情况
用活动套环(a)和 包套(b)镦粗
2018/8/5 20
Lesson Twelve
包套镦粗
2018/8/5 21
Lesson Twelve
2018/8/5
8
Lesson Twelve
应力状态 应力状态对塑性－脆性转变的影响，可采用不同深 度缺口的拉伸试样来进行。缺口越深越尖锐三向拉 应力状态越强。试验表明，拉应力状态越强，材料 的脆性转变温度越高，脆性趋势越大。
2018/8/5
9
Lesson Twelve
切口的试样比无缺口试样 的脆性转变温度有明显提 高。冲击弯曲由于变形速 度极快引起 ss 提高，所以 与静弯曲（ B ）相比脆性 转变温度也明显提高。
2018/8/5
5
Lesson Twelve
如果变形温度不变，改变其他参数，如晶粒度，变形速度， 应力状态等，同样也会出现塑性－脆性转变现象。 对这种现象的解释，可以认为断裂应力sf对温度不够敏感， 热激活对脆性裂纹的传播不起多大作用，但屈服强度ss却随 温度变化很大，温度越低， ss越高。将ss与 sf对温度作图， 则两条曲线的交点所对应的温度就是Tc。当T ＞ Tc时， sf ＞ ss ，此时材料要经过一段塑性变形后才能断裂，故表现 为韧性断裂；在T ＜ Tc 时， sf ＜ ss ，此时材料未来得及塑 性变形就已经发生断裂，则表现为脆性断裂。
2018/8/5 3
Lesson Twelve
影响塑性－脆性转变的主要因素
变形温度 变形速度 应力状态 组织结构 ……
2018/8/5
4
Lesson Twelve
变形温度 大多数金属材料 ( 除面心立方以外 ) 的变形中有一个 重要的现象：随着变形温度的改变都有一个从韧性 断裂到脆性断裂的转变温度，称此温度为脆性转变 温度，常以 Tc来表示。在此温度以上是韧性断裂， 在此温度以下是脆性断裂。 对一定材料来说，脆性转变温度越高，表征该材料 脆性趋势愈大。
2018/8/5
6
Lesson Twelve
sf 和 ss与温度的关系
2018/8/5 7
Lesson Twelve
变形速度 变形速度的影响与变形温度类同，由于变形速度的 提高，塑性变形来不及进行而使 ss增高，但变形速 度对断裂抗力 sf影响不大。所以在一定的条件下， 就可以得到一个临介变形速度 ec ，高于此值便产生 脆性断裂。变形速度的提高相当于变形温度降低的 效果。
产生原因 自由镦粗塑性较低的金属饼材时，由于锤头端面对 镦粗件表面摩擦力的影响，形成单鼓形，使其侧面 周向承受拉应力。 当锻造温度过高时，由于晶间结合力大大减弱，常 出现晶间断裂，且裂纹方向与周向拉应力垂直 (图a)。 当锻造温度较低时，晶间强度常高于晶内强度，便 出现穿晶断裂。由于剪应力引起的其裂纹方向常与 最大主应力成45°角(图b)。
2018/8/5 18
Lesson Twelve
防止或减轻措施 (1)减少工件与工具间的接触摩擦，提高接触表面的 光洁度，采用适当高效能的润滑剂； (2)采用凹形模：锻造时，由于模壁对工件的横向压 缩，使周向拉应力减少。 (3)采用软垫 (4)采用活动套环和包套
2018/8/5
19
Lesson Twelve
由此可见，金属材料变形时的拉应力状态越强， 变形速度越高，材料的脆化倾向越大。
2018/8/5 10
Lesson Twelve
金属材料的化学成份和组织状态 不同含碳量对钢的冲击韧性的影响。随着含碳量的 增加，冲击韧性明显降低，而且脆性转变温度上升， 所以为避免低温脆性多选用含碳量低于 0.2 ％以下 的钢。