金属材料的断裂认识
金属材料的断裂与疲劳行为
金属材料的断裂与疲劳行为金属材料广泛应用于建筑、机械、汽车、电器、军事等领域，但其在使用过程中也面临着断裂与疲劳等问题。
断裂是指物体在外力作用下破裂成两个或多个部分，而疲劳是指物体在周期性应力作用下逐渐发生疲劳损伤并最终破坏。
在研究金属材料断裂与疲劳行为的同时，我们也要探讨如何通过改进设计和工艺来提高其抗断裂和抗疲劳性能。
断裂断裂是指材料在受力过程中发生破裂的现象。
材料的断裂可以分为韧性断裂和脆性断裂两种类型。
韧性断裂指的是材料在受力作用下发生微观变形，延缓了破裂的发生，而脆性断裂则是指材料在受力作用下迅速发生破裂，一般是由应力集中引起的。
在实际应用中，我们通常希望材料尽可能表现出高韧性和低脆性，因为韧性可以提高材料的承载能力和耐冲击性，而脆性会使材料易于破裂，降低使用寿命。
材料的韧性和脆性取决于其性质和结构。
例如，金属材料中晶粒细小、含有均匀分布的非金属夹杂物和微观缺陷的材料通常具有较高的韧性，因为这些组织结构可以分散应力并吸收能量，从而延缓破裂的发生。
相反，晶粒较大、夹杂物和缺陷较少的材料容易发生脆性断裂。
因此，在设计金属材料时，应考虑其结构和制造工艺，以获得较高的韧性并降低脆性风险。
疲劳疲劳是指材料在周期性应力作用下引起的逐渐损伤和破坏。
在工程材料的应用中，材料通常处于受到低于断裂应力的周期性荷载状态，例如机械振动、交通运输、电气连接、水力和风力等方面。
虽然单次载荷下材料不会达到破裂点，但反复受力会使得材料在不可见的基础上逐渐发生塑性变形、裂纹扩展、断裂等现象。
如果没有及时发现并采取措施，这些微小的损伤将最终导致材料失效。
疲劳失效的过程可以分为初期损伤、稳态扩展和灾难性破坏三个阶段。
其中，初期损伤指的是裂纹的形成；稳态扩展指的是裂纹随着荷载变化不断扩展；灾难性破坏则是裂纹扩展至材料的疲劳强度下限，导致材料失效。
在材料的疲劳过程中，不同材料和不同应力状态都会导致不同的裂纹生长速率，因此需要根据材料的特性确定疲劳极限和安全寿命。
金属断裂的概念
金属断裂的概念金属断裂是指金属材料在外力作用下破裂、分离成两个或多个部分的现象。
金属材料的断裂是一种自发性的现象，通常发生在金属材料的应力达到其极限强度时。
金属断裂可以分为塑性断裂和脆性断裂两种类型。
在应力作用下，金属材料会发生形变。
如果金属材料发生较大的形变，伴随有高强度的外力，金属材料会发生塑性断裂；反之，如果金属材料发生较小的形变，伴随有较低的外力，金属材料会发生脆性断裂。
塑性断裂是指金属材料在应力作用下发生较大形变后破裂。
当金属材料受到外力的作用，应力会造成材料内部的原子、晶体发生移动和形变，这种形变称为塑性变形。
在材料受到的外力超过其强度极限时，塑性变形会加剧，形成裂纹。
当这些裂纹达到一定长度后，金属材料在该处发生断裂。
塑性断裂通常伴随有较大的能量吸收，因为塑性变形需要消耗较多的能量。
脆性断裂是指金属材料在应力作用下发生较小形变后破裂。
当金属材料受到外力的作用，应力会造成材料内部的原子、晶体发生微小的移动和形变，这种形变称为弹性变形。
在材料受到的外力超过其强度极限时，弹性变形无法继续，出现了局部的原子层位错和离子层位错，从而形成了裂纹。
当这些裂纹快速扩展并连接到材料的负载区域时，金属材料在该处发生断裂。
脆性断裂通常伴随有较少的能量吸收，因为形变较小，能量损失较小。
金属断裂的方式有很多种。
最常见的是拉伸断裂，即金属材料沿着外力的方向发生破裂。
此外，还有层理断裂，即金属材料沿着晶格面的层理面破裂；韧窝断裂，即金属材料表面产生韧窝状破裂；穿晶断裂，即金属材料沿着晶界和晶内形成裂纹并扩展；疲劳断裂，即金属材料在长时间重复加载下出现破裂。
金属断裂的研究对于工程材料的设计和使用具有重要意义。
通过研究金属断裂的机理和特性，可以确定金属材料的断裂强度和疲劳寿命，从而指导工程实践中金属材料的选择和设计。
此外，研究金属断裂还有助于提高材料的韧性，降低脆性，从而提高材料的安全性和可靠性。
总之，金属断裂是金属材料在外力作用下发生破裂和分离的现象。
金属材料的延性断裂和脆性断裂
⾦属材料的延性断裂和脆性断裂
：2008-11-3 10:52:04 ⽔箱⽹消息：
根据⾦属材料断裂前塑性变形量的⼤⼩，断裂可分为延性断裂和脆性断裂两种形式。
1、延性断裂断裂过程是：⾦属材料在载荷作⽤下，⾸先发⽣弹性变形。
当载荷继续增加到某⼀数值，材料即发⽣屈服，产⽣塑性变形。
继续加⼤载荷，⾦属将进⼀步变形，继⽽发⽣断裂⼝或微空隙。
这些断裂⼝或微空隙⼀经形成，便在随后的加载过程中逐步汇合起来，形成宏观裂纹。
宏观裂纹发展到⼀定尺⼨后，扩展⽽导致最后断裂。
延性断裂的裂⼝呈纤维状，⾊泽灰暗边缘有剪切唇，裂⼝附近有宏观的塑性变形。
2、脆性断裂应⼒低于材料的设计应⼒和没有显著塑性变形情况下，⾦属结构发⽣瞬时、突然破坏的断裂(裂纹扩展速度可达1500-2000m/s)，称脆性断裂。
脆性断裂的裂⼝平整，与正应⼒垂直，没有可以觉察到的塑性变形，断⼝有⾦属光泽。
金属材料的断裂力学分析
金属材料的断裂力学分析一、前言金属材料是工业生产中使用最广泛的材料之一，具有良好的物理特性和机械性质，但在使用过程中，金属材料断裂是一种较为常见的失效模式。
断裂力学是研究材料在外部载荷作用下失效的科学。
本文主要围绕金属材料的断裂力学进行分析。
二、金属的特性概述金属材料是指常温下是固体，能够引导电流和热量，通常具有具有良好的可塑性，强度和刚度较高，主要由于金属材料的晶粒结构和晶格缺陷的存在，使得其具有良好的机械性能。
金属材料的力学行为可以通过塑性和弹性来描述，而塑性使得金属具有较好的变形后硬化效应，可以避免松弛而导致的失效。
三、金属材料失效的机制金属材料失效的基本机制是应力集中产生离散化损伤，导致材料的断裂。
在载荷作用下，金属材料中的应力会发生集中作用，这样的集中应力部位容易形成各种损伤，例如缺陷、裂缝和微观缺陷。
金属材料临界断裂应力的定义是材料在严格单向应力下破坏的最小应力值。
这个值主要决定于金属材料的材料特性和制造工艺。
四、金属材料断裂分析金属材料的断裂分析主要涵盖了材料损伤形成、损伤扩展和破坏机理分析等。
微观结构、应力、损伤、断裂等因素都可以影响材料的断裂力学行为。
因此，断裂力学的分析需要结合多个方面的知识与技术来展开。
常用的断裂力学分析方法主要包括有限元分析、断裂力学模型和试验分析等。
有限元分析是利用计算机程序把真实的结构抽象化成有限的元素，利用这些元素之间的相对位置关系和应力、位移等变量来求解物体的力学行为。
通过有限元分析可以评估金属材料中存在的缺陷和微观结构对其力学性能的影响。
断裂力学常用的模型包括破裂、塑性和弹塑性模型、裂缝力学模型和疲劳模型等。
这些模型可以用于描述材料的基本性质，例如断裂韧性、脆性和持久性等参数。
试验分析是将不同载荷下的材料样品进行试验，以获取其断裂行为。
这些试验包括金属的拉伸试验、压缩试验、扭转试验等，可用于获得属于材料的力学行为数据。
五、结论本文通过对金属材料的特性、失效机制和断裂分析等方面的阐述，介绍了金属材料的断裂力学分析。
金属材料失效分析1-断裂
一、理论断裂强度σm
1、定义：如果一个完整的晶体，在拉应力作用下， 使材料沿某原子面发生分离，这时的σf就是理论断 裂强度。
31
2、断裂强度计算
假设原子间结合力随原子间距按正弦曲线变化，
周期为λ， 则:
a0
m
sin
2 x
其中: σm理论断裂强度
试 样形 状
21
四、断口三要素的应用
根据断口三要素可以判断裂纹源的位置及宏观裂纹扩展方向 裂纹源的确定： ①利用纤维区，通常情况裂源位于纤维区的中心部位，因此找到纤维
区的位置就找到了裂源的位置； ②利用放射区形貌特征，一般情况下，放射条纹的收敛处为裂源位置； ③根据剪切唇形貌特征来判断，通常情况下裂纹处无剪切唇形貌特征，
而裂源在材料表面上萌生。
22
裂纹扩展方向的确定： ①纤维区指向剪切唇 ②放射条纹的发散方向 ③板状样呈现人字纹（chevron pattern）
其反方向为 源扩展方向
23
§3、断裂过程
裂纹形成 裂纹扩展：亚稳扩展（亚临界扩展阶段）
失稳扩展
24
裂纹形成的位错理论 （裂纹形成模型或机制） 1、位错塞积理论—stroh理论 2、位错反应理论—cottrel理论 3、位错墙侧移理论 4、位错交滑移成核理论 5、同号刃位错聚集成核理论
亚稳扩展：裂纹自形成而扩展至临界长度的过程 特点：扩展速度慢，停止加载，裂纹停止扩展
裂纹总是沿需要需要消耗扩展功最小的路径，条 件不同，亚稳扩展方式、路径、速度也各不相同 失稳扩展：裂纹自临界长度扩展至断裂 特点：速度快，最大可达声速； 扩展功小，消耗的能量小； 危害性大，总是脆断
金属断裂机理
金属断裂机理
金属断裂是指金属材料在外力作用下发生破裂或断裂的过程。
金属的断裂机理主要包括以下几种：
1. 脆性断裂：脆性断裂是指金属材料在受到外力作用下几乎没有可见的塑性变形就突然破裂。
脆性断裂主要由金属的晶体结构和缺陷引起，如晶界的弱化、镍效应等。
常见的脆性断裂包括贝氏体断裂、冷脆断裂等。
2. 韧性断裂：韧性断裂是指金属材料在受到外力作用下先经历一定的可见塑性变形，然后发生破裂。
韧性断裂主要由金属的晶体结构、析出物和晶界等因素影响。
常见的韧性断裂模式包括韧突型断裂、韧性断裂等。
3. 疲劳断裂：疲劳断裂是指金属材料在长时间受到周期性应力作用下发生的破裂。
疲劳断裂主要由金属的晶间滑移、晶界变形和微观裂纹的扩展等因素引起。
疲劳断裂常发生在受振动或循环应力作用下的金属构件中。
4. 腐蚀断裂：腐蚀断裂是指金属材料在受到腐蚀介质作用下发生的破裂。
腐蚀断裂主要由金属与环境介质之间的电化学反应引起，如应力腐蚀断裂、氢脆断裂等。
总之，金属断裂机理是一个复杂的过程，受到多种因素的综合影响。
为了提高金属材料的断裂强度和韧性，需要通过合理的合金设计、热处理和表面处理等方法来改善金属的断裂性能。
金属的断裂条件及断口
金属的断裂条件及断口金属在外加载荷的作用下，当应力达到材料的断裂强度时，发生断裂。
断裂是裂纹发生和发展的过程。
1. 断裂的类型根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小，可分为韧性断裂和脆性断裂。
韧性断裂：断裂前产生较大的塑性变形，断口呈暗灰色的纤维状。
脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口平齐，呈光亮的结晶状。
韧性断裂与脆性断裂过程的显著区别是裂纹扩散的情况不同。
韧性断裂和脆性断裂只是相对的概念，在实际载荷下，不同的材料都有可能发生脆性断裂；同一种材料又由于温度、应力、环境等条件的不同，会出现不同的断裂。
2. 断裂的方式根据断裂面的取向可分为正断和切断。
正断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向垂直，一般为脆断，也可能韧断。
切断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向呈45°，为韧断。
3. 断裂的形式裂纹扩散的途径可分为穿晶断裂和晶间断裂。
穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部，韧断也可为脆断。
晶间断裂：裂纹穿越晶粒本身，脆断。
机器零件断裂后不仅完全丧失服役能力，而且还可能造成不应有的经济损失及伤亡事故。
断裂是机器零件最危险的失效形式。
按断裂前是否产生塑性变形和裂纹扩展路径做如下分类。
韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，用肉眼或低倍显微镜观察时，断口呈暗灰色纤维状，有大量塑性变形的痕迹。
脆性断裂则相反，断裂前从宏观来看无明显塑性变形积累，断口平齐而发亮，常呈人字纹或放射花样。
宏观脆性断裂是一种危险的突然事故。
脆性断裂前无宏观塑性变形，又往往没有其他预兆，一旦开裂后，裂纹迅速扩展，造成严重的破坏及人身事故。
因而对于使用有可能产生脆断的零件，必须从脆断的角度计算其承载能力，并且应充分估计过载的可能性。
. 金属材料产生脆性断裂的条件（1）温度任何一种断裂都具有两个强度指标，屈服强度和表征裂纹失稳扩散的临界断裂强度。
温度高，原子运动热能大，位错源释放出位错，移动吸收能量；温度低反之。
（2）缺陷材料韧性裂纹尖端应力大，韧性好发生屈服，产生塑性变形，限制裂纹进一步扩散。
材料力学 论金属的断裂
工程材料力学期中作业班级成型2班姓名陶帅学号20113650论述金属的断裂一、基本介绍概念：金属材料在外力作用下断裂成两部分的现象。
磨损、腐蚀和断裂是机件的三种主要失效形式，其中以断裂的危害最大。
在应力作用下（有时还兼有热及介的共同作用），金属材料被分成两个或几个部分，称为完全断裂；内部存在裂纹，则为不完全断裂。
实践证明，大多数金属材料的断裂过程都包括裂纹形成与扩展两个阶段。
对于不同的断裂类型，这两个阶段的机理与特征并不相同。
二、断裂的基本类型弹性变形→塑性变形→断裂1，根据材料断裂前产生的宏观塑性变形量的大小来确定断裂类型，可分为韧性断裂和脆性断裂。
2，多晶体金属断裂时，按裂纹扩展路径可以分为穿晶断裂和沿晶断裂。
3，根据应力类型可分为纯剪切断裂和微孔聚集型断裂、解理断裂。
三、具体分析1，韧性断裂韧性断裂是金属材料断裂前产生明显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。
韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45º角。
用肉眼或放大镜观察时，端口呈纤维状，灰暗色。
纤维状是苏醒变形过程中微裂纹不断扩展和相连造成的，灰暗色则是纤维断口表面对光反射能力很弱所致。
中、低强度钢的光滑圆柱试样在室温下的静拉伸断裂是典型的韧性断裂，其宏观断口呈杯锥形，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。
当光滑圆柱拉伸试样受拉伸力作用，在试验力达到拉伸力-伸长曲线最高点时，便在试样局部区域产生缩颈，同时试样的应力状态也由单向变为三向，且中心轴向应力最大。
在中心三向拉应力作用下，塑性变形难于进行，致使试样中心部分的夹杂物或第二相质点本身碎裂，或使夹杂物质点与基体界面脱离而形成微孔。
微孔不断长大和聚合就形成显微裂纹。
早期形成的显微裂纹，其端部产生较大塑性变形，且集中于极窄的高变形带内。
这些剪切变形带从宏观上看大致与径向呈50º~60º角。
- 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)。
金属材料的断裂
金属在外加载荷的作用下，当应力达到材料的断裂强度时，发生断裂。
断裂是裂纹发生和发展的过程。
1. 断裂的类型
根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小，可分为韧性断裂和脆性断裂。
韧性断裂：断裂前产生较大的塑性变形，断口呈暗灰色的纤维状。
脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口平齐，呈光亮的结晶状。
韧性断裂与脆性断裂过程的显著区别是裂纹扩散的情况不同。
韧性断裂和脆性断裂只是相对的概念，在实际载荷下，不同的材料都有可能发生脆性断裂；同一种材料又由于温度、应力、环境等条件的不同，会出现不同的断裂。
2. 断裂的方式
根据断裂面的取向可分为正断和切断。
正断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向垂直，一般为脆断，也可能韧断。
切断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向呈45°，为韧断。
3. 断裂的形式
裂纹扩散的途径可分为穿晶断裂和晶间断裂。
穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部，韧断也可为脆断。
晶间断裂：裂纹穿越晶粒本身，脆断。
4. 断口分析
断口分析是金属材料断裂失效分析的重要方法。
记录了断裂产生原因，扩散的途径，扩散过程及影响裂纹扩散的各内外因素。
所以通过断口分析可以找出断裂的原因及其影响因素，为改进构件设计、提高材料性能、改善制作工艺提供依据。
断口分析可分为宏观断口分析和微观断口分析。
（1）宏观断口分析
断口三要素：纤维区，放射区，剪切唇。
纤维区：呈暗灰色，无金属光泽，表面粗糙，呈纤维状，位于断口中心，是裂纹源。
放射区：宏观特征是表面呈结晶状，有金属光泽，并具有放射状纹路，纹路的放射方向与裂纹扩散方向平行，而且这些纹路逆指向裂源。
剪切唇：宏观特征是表面光滑，断面与外力呈45°，位于试样断口的边缘部位。
（2）微观断口分析（需要深入研究）
5. 脆性破坏事故分析
脆性断裂有以下特征：
（1）脆断都是属于低应力破坏，其破坏应力往往远低于材料的屈服极限。
（2）一般都发生在较低的温度，通常发生脆断时的材料的温度均在室温以下20℃。
（3）脆断发生前，无预兆，开裂速度快，为音速的1/3。
（4）发生脆断的裂纹源是构件中的应力集中处。
防止脆断的措施：
（1）选用低温冲击韧性好的钢材。
（2）尽量避免构件中应力集中。
（3）注意使用温度。
6. 韧-脆性转变温度
为了确定材料的脆性转变温度，进行了大量的试验研究工作。
如果把一组有缺口的金属材料试样，
在整个温度区间中的各个温度下进行冲击试验。
低碳钢典型的韧-脆性转变温度。
随着温度的降低，材料的冲击值下降，同时在断裂面上的结晶状断
面部分增加，亦即材料的韧性降低，脆性增加。
有几种方法：（1）冲击值降低至正常冲击值的50～60%。
（2）冲击值降至某一特定的、所允许的最低冲击值时的温度。
（3）以产生最大与最小冲击值平均时的相应温度。
（4）断口中结晶状断面占面积50%时的温度。
对于厚度在40mm以下的船用软钢板，夏比V型缺口冲击能量为25.51J/cm2时的温度作为该材料
的脆性转变温度。
7. 无塑性温度
韧-脆性转变温度是针对低碳钢和低碳锰钢，其它钢材，无法进行大量试验。
依靠其它试验方法，定
出该材料的“无塑性温度”NDT
（1）爆炸鼓胀试验正方的试样板上堆上一小段脆性焊道，在焊道上锯一缺口。
在试样上方爆炸，
根据试样破坏情况判断是否塑性破坏。
平裂，凹裂，鼓胀撕
（2）落锤试验
8. 金属材料产生脆性断裂的条件
（1）温度任何一种断裂都具有两个强度指标，屈服强度和表征裂纹失稳扩散的临界断裂强度。
温
度高，原子运动热能大，位错源释放出位错，移动吸收能量；温度低反之。
（2）缺陷材料韧性裂纹尖端应力大，韧性好发生屈服，产生塑性变形，限制裂纹进一步扩散。
裂
纹长度裂纹越长，越容易发生脆性断裂。
缺陷尖锐程度越尖锐，越容易发生脆性断裂。
（3）厚度钢板越厚，冲击韧性越低，韧-脆性转变温度越高。
原因：（1）越厚，在厚度方向的收
缩变形所受到的约束作用越大，使约束应力增加，在钢板厚度范围内形成平面应变状态。
（2）冶金效应，厚板中晶粒较粗大，内部产生的偏析较多。
（4）加载速度低强度钢，速度越快，韧-脆性转变温度降低。
7. 金属材料的脆化现象
分两类：（1）在一定温度条件下出现的脆性，温度条件改变后，脆性自行消失，或者在一定温度
条件下，经一定时间后出现的脆性。
这种情况下，金属的组织变化不明显。
有冷脆性，热脆性，红脆性及
回火脆性。
（2）由于应力的反复作用，介质的浸蚀以在高温下长期工作后，金属组织改变引起的脆化现象。
这种脆性无法消除或要通过一定的特殊方法消除。
如苛性脆化，氢脆，热疲劳，石墨化。
（1）冷脆性：金属材料在低温下呈现的冲击值明显降低的现象。
影响因素：化学成分：1）含碳量；2）锰；3）镍；4）磷。
（2）热脆性：某些钢材长时间停留在400～500℃温度区间再冷却至室温，其冲击值有明显下降。
影响因素：1）化学成分
含C量，铬锰钼磷等；2）保温时间不同钢产生热脆性所需的保温时间不同。
3）热处理：调质处
理可阻止热脆性产生。
（3）红脆性：含S较多的钢中，在800～900℃以上呈现较大脆性。
S化物以网关分布在晶界上。
消除方法：1）长时间高温退火，使网状S化物变为球状。
2）加入锰，硫化锰以点状，球状存在于晶界上。
（4）回火脆性：对于一般钢回火可提高冲击韧性。
但某些钢在回火后，冲击韧性反而降低。
回火
脆性：1）第一类回火脆性
发生在合金结构钢中。
但某些钢在250～400℃回火后，冲击韧性反而降低。
实际遇到机会少。
2）
第二类回火脆性，在450～600℃长时间回火或在更高温度（600～700℃）回火后，出现常温冲击韧性下降。
再次回火消除或加入钼钨防止。
对于一般钢回火可提高冲击韧性。
（5）苛性脆化：金属材料的局部高应力区与具有一定浓度的氢氧化钠溶液相接触而发生的电化学
晶间腐蚀脆化现象称为苛性脆化。
材料在高应力作用下，晶粒本体与晶界产生电位差，当与具有一定浓度
的氢氧化钢溶液相接触，晶界部位的铁离子将进入溶液中，与溶液中的氢氧根离子发生电化学反应。
如果
溶液中的氢氧化钠浓度较高，溶液中的氢氧根负离子较多，促使晶界部位的铁离子大量进入溶液，发生电
化学反应，从而形成晶间裂纹，导致苛性脆化。
材料产生苛性脆化必须具备三个条件：1）在材料中需存在较高的局部应力，对于碳素钢高达
250MPa ；2）需具有较高浓度的氢氧化钢溶液与材料的局部高应力区相接触，并且在溶液中需具有能加
速反应的催化剂；3）需具有一定温度。
在锅炉的铆接或胀接部位最易发生苛性脆化。
应力：工作应力+
联接应力+附加应力；化学成分：铆接或胀接处锅水渗漏，浓缩；温度：低压锅炉为200℃，中压锅炉为250℃，高压锅炉为300℃
（6）氢脆，金属在外加载荷的作用下，当应力达到断裂强度时，发生断裂。