《论金属的断裂》word版

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1、论述金属的断裂成型二班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。机件的三种主要失效形式是磨损、腐蚀和断裂。其中断裂的危害最大。一、断裂的分类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

2、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。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。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。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

3、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。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

4、性断裂。二、拉伸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。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。

5、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。三、断裂强度的裂纹理论和格雷菲斯公式：断裂强度的裂纹理论：格雷菲斯认为实际材料中总存在许多细小的裂纹或缺陷，在外力作用下，这些裂纹和缺陷附近就会产生应力集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹就开始扩展而导致断裂。这就是著名的格雷菲斯微裂纹理论。根据格雷菲斯微裂纹理论可知，断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面拉断，而是裂纹扩展的结果格雷菲斯公式：（1）对长为2a的中心穿透裂纹计算所得的断裂应力公式。（2）对长为a的表面半椭圆裂纹也适用，

6、此时式中的a即为裂纹长度。只适用于脆性固体，如玻璃、金刚石、超高强度钢等，即那些裂纹尖端无塑性变形情况。对工程用金属材料（钢）：裂纹尖端产生较大塑性变形，要消耗大量塑性变形功，其值远比表面能大，为此格雷菲斯公式需要进行修正。四、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

7、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。6防止金属脆性断裂失效的途径(1）材料的设计防止脆性断裂应控制下列因素来进行合理结构设计，即材料的断裂韧性水平、构件的工作温度和应力状态、载荷类型及环境因素等。温度是引起构件脆断的重要

8、因素之一，设计者必须考虑使构件的工作温度高于材料的脆性转变温度（Tc）。若所设计的构件工作温度低于Tc时，则必须降低设计应力水平，使应力低于不会发生裂纹的扩展。若其设计应力不能降低，则应更换材料，选择韧性更高，Tc更低的材料。在选择材料时，应保证材料具有良好的强韧性，良好的工艺性能。从减少构件脆性断裂上，在进行构件设计时，应使缺陷所产生的应力集中减少到最低限度，如减少尖角及结构尺寸的不连续性，合理布置焊缝的位置。冶金生产方面要减少钢中的夹杂物、气孔及钢材