第三章 金属的断裂韧度综述
金属断裂机理(完整版)
金属断裂机理1 金属的断裂综述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、合金处于低温或冲击载荷作用），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（比如铝），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。
断裂力学与断裂韧度
就会突然破裂
传统力学或经典的强
度理论解决不了带裂 纹构件的断裂问题
断裂力学应运而生
断裂力学就是研究带裂纹体的力学，它给出了含 裂纹体的断裂判据，并提出一个材料固有性能的 指标——断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断 能力。
§3.2 格里菲斯(Griffith)断裂理论 3.2.1 理论断裂强度 金属的理论断裂强度可由原子间结合力的图形算出
某点的位移则有
平面应力情况下 位移
平面应力情况时
3. 应力强度因子K1 由上述裂纹尖端应力场可知，如给定裂纹尖端某点
§3.3 材料的断裂韧度
3.3.1 裂纹尖端的应力场
1.三种断裂类型 根据裂纹体的受载和变形情况，可将裂纹分为三种类 型：
张开型(或称拉伸型)裂纹 滑开型(或称剪切型)裂纹 撕开型裂纹
张开型(或称拉伸型)裂纹
外加正应力垂直于裂纹面，在应力作用下裂纹尖端 张开，扩展方向和正应力垂直。这种张开型裂纹通 常简称I型裂纹。
对于大多数金属材料，虽然裂纹尖端由于应力集中 作用，局部应力很高，但是一旦超过材料的屈服强 度，就会发生塑性变形。在裂纹尖端有一塑性区， 材料的塑性越好强度越低，产生的塑性区尺寸就越 大。裂纹扩展必须首先通过塑性区，裂纹扩展功主 要耗费在塑性变形上，金属材料和陶瓷的断裂过程 不同，主要区别也在这里。
设裂纹扩展单位面积所耗费的能量为R，则
R 2( s p )
而裂纹扩展的动力，对于上述的Griffith试验情况来说， 只来自系统弹性应变能的释放
定义
也就是G表示弹性应变能的释放率或者为裂纹扩展力。 因为G是裂纹扩展的动力，当G达到怎样的数值时， 裂纹就开始失稳扩展呢?
按照Griffith断裂条件G≥R R=s 按照Orowan修正公式G≥R R=2( s+ p)
金属材料的断裂韧度
汇报人：XX
01
03
05
02
04
金属材料在受 力时能够吸收 的能量与应力 变化幅度的比
值
反映材料抵抗 裂纹扩展的能
力
是评价金属材 料力学性能的 重要指标之一
单 位 为 J / m ²或 J-m²
断裂韧度是金属材料抵抗脆性断裂 的能力
新能源领域：应用于核能和太阳能等新能源设备的制造和维护，提高设备的可靠性 和稳定性
汇报人：XX
金属材料的断裂韧度是评估其安全性的重要指标 通过断裂韧度试验，可以确定金属材料在受力时抵抗断裂的能力
断裂韧度测试结果可用于指导金属材料的设计和制造，提高产品的安全性能
金属材料的安全性评估还需要考虑其他因素，如材料的强度、疲劳性能等
断裂韧度在金属材料设计中的应用 断裂韧度对金属材料韧性的影响 金属材料的断裂韧度与疲劳寿命的关系 金属材料设计优化的实践案例
钢铁材料 不锈钢
铝合金 铜合金
金属材料的显微组织对其断裂韧度有重要影响。 显微组织的不同会导致金属材料在断裂时吸收的能量不同。 例如，细晶粒的金属材料通常具有更高的断裂韧度。 此外，显微组织中的第二相、孔洞和夹杂物也会影响金属材料的断裂韧度。
低温脆性：金属在低温环境下容易发生脆性断裂 温度效应：温度对金属材料的韧性和强度有一定影响 热处理：通过热处理可以改善金属材料的韧性和强度 温度梯度：温度梯度对金属材料的断裂韧度有显著影响
断裂韧度的大小与材料的韧性、强 度和塑性等力学性能有关
添加标题
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它反映了金属材料在应力集中区域 对裂纹扩展的抵抗能力
断裂韧度是评估金属材料安全性和 使用寿命的重要指标
金属的断裂韧性
金属的断裂韧性
§1线弹性条件下断裂韧性K I C
一、传统设计思路与断裂力学：
1．传统设计：
一般传统设计要求：ζ工≤[ζ] = ζ0.2/n，然而该条件只能保证材料不发生塑性变形及其以后产生的塑性断裂，不能防止脆性断裂尤其是低应力脆断；对构件的脆性断裂及材料的脆性断裂倾向的检测，依传统的设计方法，比较难以解决。
为此，还须对材料的塑性指标δ、ψK、冲击韧性αK、冷脆转变温度T K指标等作一定的要求（根据经验及积累的大量数据资料）。
实验证明，该法行之有效。
然而据经验，由于对各种服役条件不能完全地定性确认，对于一些构件（尤其是中、小截面的构件）的设计，常提出过高要求，形成浪费（原材料、机械加工均以吨来计算产量，以及能耗、人力运输等）；而一些高强度材料（ζb>1000kgl/mm2）及重型、大型截面构件，该法又不完全安全可靠。
曾发生①火箭发动机壳体（高强钢），其αK值合格，而水压试验时脆断；②120T氧气项吹转炉主轴(40C r)发生突然断裂（在使用61次后）的重大事故。
一般地，工作应力远低于ζ0.2发生的脆性断裂，叫低应力脆断，常导致重大安全事故。
金属的断裂韧性
金属的断裂韧性§1线弹性条件下断裂韧性KI C一、传统设计思路与断裂力学：1．传统设计：一般传统设计要求：ζ工≤[ζ] = ζ0.2/n，然而该条件只能保证材料不发生塑性变形及其以后产生的塑性断裂，不能防止脆性断裂尤其是低应力脆断；对构件的脆性断裂及材料的脆性断裂倾向的检测，依传统的设计方法，比较难以解决。
为此，还须对材料的塑性指标δ、ψK 、冲击韧性αK、冷脆转变温度TK指标等作一定的要求（根据经验及积累的大量数据资料）。
实验证明，该法行之有效。
然而据经验，由于对各种服役条件不能完全地定性确认，对于一些构件（尤其是中、小截面的构件）的设计，常提出过高要求，形成浪费（原材料、机械加工均以吨来计算产量，以及能耗、人力运输等）；而一些高强度材料（ζb>1000kgl/mm²）及重型、大型截面构件，该法又不完全安全可靠。
曾发生①火箭发动机壳体（高强钢），其αK 值合格，而水压试验时脆断；②120T氧气项吹转炉主轴(40Cr)发生突然断裂（在使用61次后）的重大事故。
一般地，工作应力远低于ζ0.2发生的脆性断裂，叫低应力脆断，常导致重大安全事故。
2．低应力脆断原因：构件或材料内部存在有一定尺寸的宏观裂纹，而该裂纹发生失稳扩展的力学条件则成为该构件或材料的强度设计基础。
即：断裂力学————断裂强度设计理论：分析和讨论材料对裂纹扩展的抗力与裂纹尺寸、工作应力之间的关系以及裂纹失稳扩展的条件，并在该基础上建立的表征材料抵抗裂纹扩展的能力的力学性能指标，称之为材料的断裂韧性或断裂韧度，这是一个综合的力学性能指标：反应了塑性与强度的综合。
3．裂纹扩展的三种基本方式裂纹沿裂纹面扩展方式：张开型(Ⅰ型) 滑(移)推开型(Ⅱ型) 撕开型(Ⅲ型)引起裂纹扩展的应力：拉应力切应力剪切应力其中：Ⅰ型扩展方式最为危险，最易引起低应力脆断，材料对该型裂纹扩展的抗力最低，故其它型式或混合型式的裂纹扩展也常按Ⅰ型裂纹处理，会更安全。
金属材料的断裂和断裂韧性课件
4.4.3 裂纹扩展的能量释放率GI和断裂韧性GIc
➢分析原理：能量法
应变能释放率
扩展 临界
裂纹扩展需要吸 收的能量率
稳定
dU GI dA
裂纹临界条件：G准则
G Ic
dS dA
40
金属材料的断裂和断裂韧性课件
K与G的关系
G
Gc Ic
1K E
1 2
E
2 c
K
2 Ic
41
金属材料的断裂和断裂韧性课件
断裂力学和断裂韧性
➢ 为防止裂纹体的低应力脆断，不得不对其强度——断裂抗
力进行研究，从而形成了断裂力学这样一个新学科。
➢ 断裂力学的研究内容包括裂纹尖端的应力和应变分析；建
立新的断裂判据；断裂力学参量的计算与实验测定，其中 包括材料的力学性能新指标——断裂韧性及其测定，断裂 机制和提高材料断裂韧性的途径等。
随第二相体积分数的增加，钢的韧性都下降，硫化物比碳化物 的影响要明显得多。
➢ 2 基体的形变强化
基体的形变强化指数越大，则塑性变形后的强化越强烈，其结
* Kepn
果是各处均匀的变形。微孔长大后的聚合，将按正常模式进行， 韧性好；相反地，如果基体的形变强化指数小，则变形容易局
部化，较易出现快速剪切裂开。这种聚合模式韧性低。
断裂前无明显的塑性变形，吸收的能量很少，而裂纹的 扩展速度往往很快，几近音速，故脆性断裂前无明显的 征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的 后果 。
➢ 在工程应用中，一般把Ψk <5％定为脆性断裂， Ψk =5％定
为准脆性断裂， Ψ k >5％定为韧性断裂。
➢ 材料处于脆性状态还是韧状态并不是固定不变的，往往因
金属材料的断裂韧性
金属材料的断裂韧性作者：文彬羽陈丁华来源：《科技传播》2013年第01期摘要不同的金属材料的断裂韧性是不一样的，对不同金属材料的断裂韧性进行研究并找出影响的因素对提高金属材料断裂韧性具有非常重要的意义。
根据影响金属材料断裂韧性因素的不用，可以总体上概括为两个部分的因素，分别是金属材料外部因素和金属材料内部因素，本文分别就影响金属材料的外部因素和内部因素综合进行分析，以得出影响金属材料动态断裂韧性的因素。
关键词金属材料；失效；断裂韧性；影响因素中图分类号TG14 文献标识码A 文章编号1674-6708（2013）82-0057-020引言随着现代社会经济的不断发展，对金属材料的使用也大大的增加，在工程构件设计和使用的过程中，最为严重的就是金属材料的断裂，金属材料一旦发生断裂就会发生生产安全事故，同时也会造成一定的经济损失。
通过对以往发生的大量的金属材料的断裂事件的分析，得出构件的低应力脆断是由宏观裂纹扩展引起的，其中最为主要的是金属材料的断裂纹，裂纹一般是在金属加工和生产的过程中引起的[1]。
根据影响金属材料断裂韧性因素的不用，可以总体上概括为两个部分的因素，分别是金属材料外部因素和金属材料内部因素，本文分别就影响金属材料的外部因素和内部因素综合进行分析，以得出影响金属材料动态断裂韧性的因素。
1影响金属材料断裂韧性的外部因素1.1几何因素的影响几何因素是影响金属材料断裂韧性的一个最为重要的外部因素。
几何因素主要包括两个方面的内容，分别是试样厚度和试样取向等因素，下面对这两个因素进行分析：1）试样厚度目前在对金属材料的断裂韧性进行研究的过程中发现，不同厚度的金属材料会对会对裂纹前端的应力约束产生较大的影响，同样也会对金属材料的断裂韧性有一定的影响，所以我们分别用不同厚度的同一个金属材料进行断裂韧性的实验，在实验的过程中发现厚试样的断裂韧性值明显的比薄试样的断裂韧性值要低，换而言之，不同厚度的金属材料，其自身的断裂韧性也不同，厚度也是影响金属材料断裂韧性的一个重要的因素[2]。
金属材料的断裂韧性-李慕姚
二、断裂韧性的影响因素
影响因素 杂质和第二相
具体影响 夹杂物数量↓ KIC↑
原理 1.
d－夹杂物间距 d↑ KIC↑ 2.杂质晶界偏聚： 晶界结合力↓KIC↓
晶粒尺寸 晶粒尺寸↓ KIC↑ 晶粒尺寸↓，晶界面积↑ 1裂纹扩展阻力↑KIC↑ 2单位面积杂质含量↓KIC↑ 组织结构 应力诱发相变钢>奥氏体 >板条马氏体>针状马氏 体 超高温淬火，亚临界区淬 火，压力加工和热处理提 高KIC 第二相
金属材料的断裂韧性
李慕姚
小 结
一、应力场强度因子
1. 裂纹体的三种断裂模式 2. 裂纹尖端应力场
3. 应力场强度因子KI的物理意义
二、断裂韧性的影响因素
1. 杂质 2. 晶粒尺寸 3. 组织结构 4. 热处理
三、裂纹尖端塑性区及其修正
1. 裂纹尖端塑性区大小 3. 线弹性理论公式的修正 2. 应力松弛对塑性区的影响
KC：平面应力状态断裂韧性
KIC：平面应变状态断裂韧性
断裂判据：KI ≥ KIC
KI和KIC的区别：
KI：裂纹前端应力场强度的度量 KIC：材料阻止宏观裂纹失稳扩 展能力的度量
与裂纹大小、形状和外加应 力有关
与裂纹大小、形状和外加应 力无关 与材料成分、热处理工艺等 有关，是材料特性参数
（1）含中心穿透裂纹的有限宽板
一、应力场强度因子
1、裂纹体的三种断裂模式
（1）张开型 －I型（2）滑开型－II型（3）撕开型－III型
张开型－I型
正应力垂直于裂纹面 扩展方向与正应力垂直
压力容器
滑开型－II型 切应力平行于裂纹面 扩展方向与切应力平行
金属材料的断裂韧度
评定钢铁材料的韧脆性
1030250033 10材科2班
邓雄文
评定钢铁材料的韧脆性
➢ 断裂韧度KIC ➢ 断裂应力σc ➢ 临界裂纹尺寸ac
表面半椭圆裂纹
K I Y a Y=2
ac
0.25
K IC
2
1. 超高强度钢的脆断倾向
• 这类刚强度很高， σ0.2≥1400MPa 主要用于宇航事业，典型材料有D6AC超
• 金相分析：
•
疲劳裂纹源处的硫化物夹杂级别较高，该处是薄弱
区。
• 受力分析：
• σ=σ外+σ内=25MPa+120MPa=145MPa
• 表面环状裂纹为浅长表面半椭圆裂纹， αc＝185mm；
2
ac
1 Y2
K IC
C
Y≈1.95
KIC=120MPa·m1/2
ac
1 1.952
120 2 145
KI 600
3.14 1.74
0.002
sin 2
90
0.0022 0.0032
cos2
1/ 4
90
44(MPa
m1/ 2
)
KI＜KIC，说明不会发生脆性断裂，该合成塔可以安全使用。
大型转轴断裂分析
10材科2 阮冬祥 1030250038
失效分析
例4：某冶金厂大型纯氧顶吹转炉的转动机械主轴，在工作
•
3、是否要对塑性区修正
•
4、仿前例做出判断
例3：有一化工合成塔，直径为D=3200mm ，工作压力
p=6MPa，选用材料为σ0.2=1200MPa，KIC=58MPa·m1/2，厚 度t=16mm。制作过程中，经探伤发现在纵焊缝中，存在一 纵向椭圆裂纹，2a=4mm， 2c=6mm。试校核该合成塔能否 安全运行。
金属材料的断裂韧度
影响断裂韧度KIC的因素
要求：少，小，匀，圆（球）。
措施：冶金质量的控制、添加稀土改性夹杂物、合
理选择热处理工艺。 4、显微组织对的影响 (1) 板条M的KIC>孪晶M的KIC。 (2) KIC(回火索氏体)>KIC(回火屈氏体)>KIC(回火马氏体)
K IC ( E y s * X c )1/ 2 f
n-应变硬化指数 Xc-特征距离,第二相质点间的平均距离 σys-屈服强度
* f
-临界断裂应变
2、解理或沿晶脆性断裂
特尔曼等人提出:当裂纹尖端某一特征距离内的应力达到材料解理断 裂强度σC,裂纹就失稳扩展,产生脆性断裂.
取特征距离为晶粒直径的两倍(2d)
度t=16mm。制作过程中，经探伤发现在纵焊缝中，存在一
纵向椭圆裂纹，2a=4mm， 2c=6mm。试校核该合成塔能否 安全运行。
600 3.14 0.002 2 0.002 2 sin 90 KI cos 90 2 0.003 1.74
2
1/ 4
44( MPa m1/ 2 )
影响断裂韧度KIC的因素
3、钢中夹杂物和第二相对KIC的影响。
钢中夹杂物和某些第二相，其韧性比基体材料要差，称
脆性相。由于其本身脆裂或再相界面开裂而形成微孔，微孔和 主裂纹连接使裂纹扩展，从而降低KIc。 影响程度与夹杂物或第二相的类型，形状，大小，数量 及分布有关。一般可归纳如下：
第一，非金属夹杂物往往使断裂韧度降低。
K IC
C 1 2.9 S [exp( 1) 1]1 / 2 0 / 2 S
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Mechanical Behaviour of
材料科学与工程学院 重庆理工大学 ChongQing Institue of Technology
Metal
断裂韧度
传统设计方法 不足：低应力断裂
①依据材料的拉伸 力学性能以及构件 的工作状况来选择 材料和进行设计， 即根据工作条件选 择力学性能指标 σs，高于工作应 力的材料进行设计 ，[σs]≥ σ。
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重庆理工大学材料科学与工程学院
平面应变状态中，I型裂纹尖端处于三向拉伸应力状态， 应力状态柔度系数很小，因而是危险的应力状态。平面 应变状态的应变如下：
(1 ) K 3 x cos [1 2 sin sin ] 2 2 2 E 2r
y
yx
y方向位移分量V
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(1 ) K 3 cos [1 2 sin sin ] 2 2 2 E 2r 2(1 ) K 3 cos sin cos 2 2 2 E 2r
KI之值愈大，应力、位移分量之值愈高。 KI反映了裂纹尖端区域应力场的强度，故称为应力强度 因子。 KI综合反映了外加应力裂纹长度对裂纹尖端应力场强度 的影响。
x
y
K 3 cos [1 sin sin ] 2 2 2 2r
K 3 cos [1 sin sin ] 2 2 2 2r
yx
K 3 cos sin cos 2 2 2 2r
σz=ν(σx+σy)
平面应变
厚板 危险
σz=0
平面应力 薄板
Griffith模型
条件：单位应变能密度σ2/2E ； 释放出来的弹性能为 Ue=-πσ2a2/E 表面能:W=4aγ
系统的能量变化为 Ue+W=4aγ-πσ2a2/E
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U W
W
临界状态为: (Ue+W)/ a=4γ-2πσ2a/E =0 裂纹失稳扩展的临界应力为: σc=(2Eγ/πa)1/2
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a
K I C Y C aC
K I C Y C aC
临界裂纹长 度aC 临界应力C KIc为定值， 则C 越大， aC越小； C 和aC与KIc不同， 不是定值。 已知(一定)时， 发生断裂需要的裂 纹长度aC。 a已知(一定)时， 发生断裂需要的应 力 C 。
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低应力脆断现象
新材料、新工艺大量的使用，结构在高温、高压、 高速等极限条件下服役，采用传统的强度设计理论 进行设计导致较多的断裂事故发生，特别是才高强 度钢、超高强度钢中经常出现。 低应力脆断原因——裂纹 冶金缺陷，锻造裂纹，焊接裂纹，淬火裂纹，机加工裂 纹，疲劳裂纹，腐蚀裂纹。由于裂纹破坏了构件的机体 连续性和均匀性
2a
c
Ue+W
临界裂纹半- Griffith公式 ac=(2Eγ/πσ)1/2
a σc是含裂纹板材的实际断裂强度 它与裂纹半长的平方根成反比 Ue a<ac,裂纹扩展须由外界提供能 量，即增大外力;裂纹不能自发 扩展
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两个方程对比
理论断裂强度
E m a0 2 E c π a0
Griffith方程
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Griffith公式适用于陶瓷、玻璃这类脆性材料。 Griffith-Orowan-Irwin公式
实际金属材料在纹尖端处发生塑性变形，需要塑性变形功 Wp，Wp比表面能大几个量级，是裂纹扩展需要克服的主要 阻力。Griffith公式修正为:
E (2 Wp ) c π a0
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断裂韧性
线弹性断裂
断裂问题
弹塑性断裂
断裂前没有塑性变 形或者小范围内出 现塑性变形
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I型裂纹最危险，因此是主要的研究对象
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模型：无限大板，含有一长为2a的中心穿透裂 纹 在无限远处作用有均布的双向拉应力
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经典脆断强度理论
理论断裂强度
晶体的理论强度应由原子 间结合力决定，现估算如 下：一完整晶体在拉应力 作用下，会产生位移。
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理论断裂强度
E m a0
理想晶体解理断裂的理论断裂强度。可见，在 E，a0一定时，σm与表面能γ有关，解理面往往 是表面能最小的面。
②强度储备的设计 方法 依据构件受力确定 危险面的应力和应 变，考虑一项安全 系数n，以此为基 础进行设计计算， 强度储备的原则： σ≤ [σ0.2]/n
③强度储备方法＋ 辅助技术要求 在②基础之上，考 虑机件的结构特点 及环境的影响，根 据材料的使用经验， 对塑性、韧度及缺 口敏感性等重要指 标提出技术要求。
K I Y a
Y——裂纹形状系数不同的裂纹不同。
重类型： Kc：平面应力断裂韧度，材料在平面应力状态下抵抗裂纹扩 展的能力。 KIc:平面应变断裂韧度，材料在平面应变状态下抵抗裂纹扩 展的能力。 通常KIc < Kc ， KIc更苛刻。
K I Y
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断裂韧度
断裂力学发展
1921，Griffith提出了脆性断裂理论，建立了脆性材 料的裂纹尺寸和强度的关系。 1948，Iwin发表经典论文《fracture dynamics》,标 志断裂力学成为一门独立的学科。（线弹性断裂力学） 1958，ASTM和NASA成立了专门的研究小组。 1964，首届断裂力学国际会议召开。 1968，Rice提出了J积分，此后逐步发展处理弹塑性 断裂力学。
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Griffith理论
Griffith模型
假设：实际结构中存在裂纹，名 义应力还很低时，裂纹尖端的局 部应力已达到很高的数值，从而 使裂纹快速扩展，并导致脆性断 裂
模型：单位厚度的无限宽 形板，对其施加一拉应力 后，与外界隔绝能源，形 成2a长度裂纹
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