第二章第二章 材料断裂的失效形式与机理 材料科学系办公室:先进材料楼 407 联系方式:zgyang@//0>. 65642523(O) 复旦大学材料科学系 2013.9 第二章 材料断裂的失效形式与机理 2.1 材料的失效形式 2.2 外力类型与材料性能 2.3 材料安全设计准则 材料安全设计准则 2.4 材料的断口 25 2.5 硬度 硬度 2.6 冲击韧性 2.7 疲劳应力 疲劳应力 2.8 蠕变应力 蠕变应力 蠕变应力 蠕变应力 2.9 断裂韧性 断裂韧性 21 2.100 金属的失效模式及机理的关系 金属的失效模式及机理的关系第 材料的断裂失效形式与机理2.1 材料的失效形式 材料的失效形式 材料的失效形式( (模式 模式) )是与其内部微观结构与 是与其内部微观结构与 元素属性的变化密切相关。当材料承受外力作用时, 若超过材料固有的临界值 若超过材料固有的临界值, 如屈服强度 如屈服 强度、 、抗拉强度等 抗拉强度等, 就会发生塑性变形而损坏,直至断裂。尽管材料失效类型多样 尽管材料失效类型多样,但按其失效模式 致可以分为五大类型:断裂fracture、腐蚀corrosion、磨损wear、 变形 变形 distostort tio 和衰减和衰减 atte attenuat uatio 为、变形行为变形行为、腐蚀行为 腐蚀行为、磨损行为和衰减行为 损行为和衰减行为。2.1材料的失效形式 图2-1大型运输船脆性断裂(1952 年12 原因:船体对接焊缝船体对接焊缝因水流波动作 水流波动作用而疲劳 裂纹的扩展而发生断裂。2.1材料的失效形式 (a)地面升空时刻 (b)升空中爆炸 2-22“挑战者 挑战者”号升空时爆炸 号升空时爆炸 (19861986 月2828 原因:“挑战者 挑战者”号的助推 的助推器橡胶密 橡胶密封圈 易变形,导致燃料泄漏,最终引起爆炸。2.1材料的失效形式 (a)地面升空时刻 (b)机翼上的裂纹 (c)返回时解体爆炸 图2-3“哥伦比亚”号返回时爆炸(2003 原因:“哥伦比亚”升空时,坠落的泡沫塑料保温层碎片撞击了左机翼生成两条裂纹,在返回进入大气层 后,因摩擦产生高温,导致机翼熔化而断裂。第二章 材料的断裂失效形式与 机理 2.2.1 2.2.1 外力的作用方式 外力的作用方式 材料失效行为 材料失效行为 材料失效行为 材料失效行为一 一般 是与外力般是与外力 是与外力 是与外力 作用的方式有关作用的方 式有关 作用的方式有关 作用的方式有关。 构件上作用的外力类型一般有五种:构件上作用的外力类型一般有五种: 拉伸 拉伸 拉伸 拉伸、 、压缩 压缩 压缩 压缩、 、弯曲 弯曲 弯曲 、剪切和扭转剪切和扭转 剪切和扭转 剪切和扭转。 图2-4外力的作用方式 外力的作用方式2.2.2 材料的力学性能 材料的力学性能是指在外力和环境等因素共同作 材料的力学性能是指在外 力和环境等因素共同作 用下抵抗变形和断裂的能力 用下抵抗变形和断裂的能力 用下抵抗变形和 断裂的能力 用下抵抗变形和断裂的能力。 。主要性能指标有主要性能 指标有 主要性能指标有 主要性能指标有: 图2-5材料的主要力学性能指标第二章 材料的断裂失效形式与机理 2.2.3 2.2.3 材料的拉伸变形 材料的拉伸变形 在材料的拉伸应力 在材料的拉伸应力-应变图中 应变图中, ,横坐标和纵 坐标分 横坐标和纵坐标分 别为材料的应变ε strain 应力和ζ stress )应力应变曲线应力应变曲线 )拉伸试验装置拉伸试验 装置 2-6碳钢材料的拉伸应力-应变曲线第二章 材料的断裂失效形式与机 材料在外力作用下发生形状、尺寸的变化叫变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形 外力去处后能够恢复的变形称为 弹性变形。 拉伸拉伸-位移曲线上的特征点与特征线 位移曲线上的特征点与特 弹性变形阶段AC AC 屈服变形阶段屈服变形阶段 CB 塑性变形阶段Bk Bk 失稳断裂阶段失稳断裂阶段 屈服应力最大点屈服应力最大点 最大应力点最大应力点 图2-7 拉伸-位移曲线 点:断裂点第二章材料的断裂失效形式与机理 通过拉伸试验,可以测得材料的五大基本性能: 弹性模量 弹性模量: (MPMPa (应力应变应力应变关系 Fs/A(MPa) 0.2 Fb/A(MPa) 2-1 00断面收缩率:ψ 00其中 其中,L 分别表示试样变形前标距长度和横截面积分别表示 试样变形前标距长度和横截面积; 分别表示试样断裂后标距拉伸长度和断口处的横截面积。第二章 材料的断裂失效形式与机理 2.2.4 2.2.4 材料的剪切变形 材料的剪切变形 当材料受到 当材料受到剪力 剪力 剪力 剪力S 作用时作用时 作用 ,其剪应力其剪应力η shearshear stress 与剪应变 shearstrain 有如下关系: (MPaMPa 2-2G=E/21+ν (MPa 为剪切模量剪切模量, 为剪切角剪切角, 为剪切高度为剪切高度, 图2-8材料的剪切变形第二章 材料的断裂失效形式与机理 2.2.5 典型材料的应力应变曲线 图2-9 典型材料的拉伸曲线第二章 材料的断裂失效形式与机理 2.3 材料安全设计准则 变形准则变形准则( (deformation deformation criterion criterion) 大时,就会产生过量变形就会产生过量变形,甚至翘曲 甚至翘曲,导 致其失去应有 导致其失去应有 的功能而失效。因此,材料变形必须限制在弹性范围内。 F/EA 2-3其中,[ε ]为允许的弹性应变值,是一个除上安全系数ns 刚度准则(stiffnesscriterion) 刚度准则要求构件在载荷作用下产生的弹性变形量 不超过其允许的变形值。第二章 材料的断裂失效形式与机理 刚度准则的表达式是: 分别是构件的挠度、偏转yy?yy 角和扭转角角和扭转角; i]]分别是相应变量下除以各 分别是相应变量下除以各 自的安全系数值下所允许的挠度、偏转角和扭转角。 解决方法增大材料的刚度 增大材料的刚度t stiff iffness 的方式有 的方式有:提 高弹性模量 提高弹性模量 及剪切模量G、增加横截面面积A、改变截面形状或降 低载荷 低载荷F F。注意 注意:刚度是材料的宏观性质 刚度是材料的宏观 性质,弹性模量是材 弹性模量是材 料的微观性质。第二章 材料的断裂失效形式与机理 强度准则(strengthcriterion) 当材料承受的外加应力力许 小于许用用应力力[ ]allowablestress 强度设计准则强度设计准则:: 取二者中的最小者,ns、n分别为设计时 解决方法提高材料强度等级 提高材料强度等级,如碳钢材料更换为低合金钢材 钢材料更换为低合金钢材或外力变小或改变应力集中的位置等。第二章 材料的断裂失效形式与机理 2.4 材料的断口(fractography) 金属材料在外力 力作用下,其断口形貌与其表面的变 形量有关,一般分为二大类:脆性断裂和韧性断裂。 脆性断裂脆性断裂( (brittle brittle fractur fracture 脆性断裂的断口表面在断裂前几乎没有塑性变形,外观上是齐平式形貌 外观上是齐平式形貌,微观上是解理形态 微观上是解 理形态。 解理形态图2-10 脆性断口第二章 材料的断裂失效形式与机理 韧性断裂(ductilefracture) 韧性断口表面有明显的塑性变形,断裂前有预兆, 外观上如杯锥形形貌,微观上是韧窝形态。 )宏观形态宏观形态 微观韧窝形态微观韧窝形态 图2-11 韧性断口第二章 材料的断裂失效形式与机理 断口分析断口分析 断口分析一般包括宏观分析和微观分析 般包括宏观分析和微观 分析。 (1)宏观分析 用肉眼、放大镜或显微镜对断口进行直接观察,根 据断口的宏观形貌的宏观形貌, ,初步确定失效模式和断裂起裂点位 初步确定失效模式和断裂起裂点位 置,从而为深入分析和判明失效原因提供依据。 (2)微观分析 采用各种表征分析仪器对断口进行综合分析,尤其 采用扫描电镜SEM 和能谱分析仪(EDS),可以初步 观察断口的微观形态和材料组成 观察断口的微观形态和材料组成, 续分析指明方向为后续分析指明方向, 从而厘清失效机理,查明失效起因。第二章材料的断裂失效形式与机理 2.5 硬度(hardness) 材料抵抗表面变形的能力叫硬度材料抵抗表面变形的能力叫 硬度 材料抵抗表面变形的能力叫硬度 材料抵抗表面变形的能力叫硬度 硬度与材料的抗拉强度、弹性模量和抗压强度有 硬度与材料的抗拉强度、 弹性模量和抗压强度有 一定关系定关系 定关系 定关系, ,对材料的加工对材料的加工 对材料的加工 对材料的加工、 、摩擦和磨损均有重大影响摩擦和磨损 均有重大影响 摩擦和磨损均有重大影响 摩擦和磨损均有重大影响。 常用测试方法有三种:压痕法、回跳法和刻痕法。常用测试方法有三种:压 痕法、回跳法和刻痕法。 布氏硬度布氏硬度 布氏硬度 布氏硬度 HB HB( (BrinellBrinell hardness hardness) 布氏硬度是用一定载荷布氏硬度是用一定载荷 ,将淬火钢球压头压入被测材料表面 测材料表面 测材料表面 测材料表面, ,保持保持 保持 保持一 一定时间后卸载 定时间后卸载 定时间后卸载 定时间后卸载, 据压入的直径根据压入的直径 根据压入的直径 根据压入的直径d 的压痕面积的压痕面积A -1212)来获得。计算式为 HBHB 2P/πDD 2-6第二章 材料的 断裂失效形式与机理 HB 主要用于退火状态下的钢铁、铸铁、有色金属 及一些特殊非金属材料些特殊非金属材料,适用于 适用于HB450 HB450 的金属材料 的金属材料。 压头压痕压头压痕 )布氏硬度仪布氏硬度仪 图2-12 布氏硬度测定第二章 材料的断裂失效形式与机理 200HB10/1000/30200HB10/1000/30。这 表示直径为表示直径为 表示直径为 表示直径为 10mm 10mm 10mm 10mm 在1000kgf1000kgf 1000kgf 1000kgf 作用下保持 作用下保持 作用下保持 作用下保持30s 30s 30s 30s 后测得的硬度为 后测得的硬度为200 200。 材料的布氏硬度HB与材料的抗拉强度之间还存 在以下的经验估算式在以下的经验估算式: 低碳钢 低碳钢:: 3.63.6 HB HB 高碳钢: 3.4HB 灰铸铁: 1.0HB 060.6 HB HB-40 40 第二章 材料的断裂失效形式与机理 洛氏硬度HR(Rockwell hardness) 洛氏硬度是用规定的压力 力,将金刚石圆锥体压头压 入材料的表面,测量压痕深度h 来换算 图2-13 HRHR K-h/0.002h/0.002(无量纲) 2-7 规定每 0.002mm 为一个单位的洛氏硬度,可以通 过查表而求得。 压头压痕(b)洛氏硬度仪 图2-13 洛氏硬度测定第二章 材料的断裂失效形式与机理 根据压头和载荷的大小,洛氏硬度分为HRC、 HRB HRB HRAHRA 三种类型 三种类型 洛氏硬度可以直读,操作方便,适用广泛,可测量低硬度和高硬度的金属材料 量低硬度和高硬度的金属材料。但洛氏硬度 载荷大 但洛氏硬度载荷大, 标尺不统一,不适用于测定硬而脆的薄层。薄层材料 一般采用维氏硬度来测定 般采用维氏硬度来测定。 2-1三种类型的洛氏硬度值及应用 020.2 0.26 0.2 第二章 材料的断裂失效形式与机理 维氏硬度HV(Vickershardness) 维氏硬度是用两对对面体的夹角均为 维氏硬度是用两对对面体的夹角均为 136 136的 金刚石四面体菱形压头来测定的。它是通过测量压头压入部分的对角线长度 头压入部分的对角线长度d -1414 来计算的 来计算的。 HV=1.8544P/d2-8 (a)压头压痕 (b)压痕形状 (c)维氏硬度仪 图2-14 维氏硬度试验示意图第二章 材料的断裂失效形式与机理 、洛氏和维氏这三种硬度的测定法洛氏和维氏这三种硬度的 测定法,压头的 压头的 载荷大,面积大,故一般适用于各种金属材料的硬度 值的测定 值的测定。 而且,由于压头载荷大,面积大,一般只能测定 金属材料显微组织的平均硬度值,不适合测定局部区 域范围的材料硬度。例如,薄模、偏析、微相、扩散 深度等。 因此,需要有一种能精细测定小范围区域材料硬 度的测定方法。第二章 材料的断裂失效形式与机理 小载荷显微硬度(smallload hardness) (1)维氏显微硬度(Vickers micro-hardness) 维氏显微硬度 维氏显微硬度,, 简称显微硬度 简称显微硬度,, 是测量陶 瓷和金 是测量陶瓷和金 属合金中某一相微区的硬度, 如图2-15 所示。 显微硬度的压头形状与维氏硬度一样,只是体积 小、载荷小载荷小, ,小到仅有几克到几百克 小到仅有几克到几百克,, 例如 例如, ,2g g、5g 10g、50g、100g、200g。其压痕长度以微米表示,计算公 计算公式为 HV=1854.4P/d 2-9 m。第二章材料的断裂失效形式与机理 例如,HV =900 表示外加压力为50g 50显微硬度值为 显微硬度值为900 900 或表示为 或表示为900HV0 900HV0.0 05 显微硬度压痕(b)显微硬度仪 图2-15 合金相的显微硬度测定第二章 材料的断裂失效形式与机理 由于显微硬度的压痕小,故被测材料要做成金 相试样 相试样。因此 因此,它适合于陶瓷材料的硬度测定 它适合于陶瓷材 料的硬度测定,见2-2常见陶瓷材料的显微硬度与熔点第二章 材料的断裂失效形式与机 2)努氏硬度()努氏硬度(Knoop’s Knoop’s hardness) hardness) 努氏硬度是从显微硬度发展而来的 努氏硬度是从显微硬度发展而来的 氏硬度是从显微硬度发展而来的努氏硬度是从显微硬度发展而来的。 它的压头形状是金刚石材料制成的长棱形体,两个它的压头形状是金刚石 材料制成的长棱形体,两个 长棱夹角为 长棱夹角为 长棱夹角为 长棱夹角为172 172 172 172..5 两个短棱夹角为两个短棱夹角为 两个短棱夹角为 两个短棱夹角 为130 130 130 130 ,长短长短 长短 长短 对角线长度之比 对角线长度之比L/W 为7.117.11 倍。其计算值为 倍。其计算值为: HKHK= =1.451P/L2 1.451P/L2 2-10 其中 其中 其中 其中, 为压痕的对角线长度为压痕的对角线长 为压痕的对角线长度为压痕的对角线长度μ 为KnoopKnoop Knoop Knoop 缩写缩写, 为载荷(为载荷(N 其值在0.4903其值在0.4903- -19.61N 19.61N 之间。 之间。 努氏硬度精度高,适用于无机材料,尤其是先进陶 努氏硬度精度高,适用于 无机材料,尤其是先进陶 瓷材料,硬度的测量比维氏硬度更为精确些,但样品的 瓷材料,硬度的测量 比维氏硬度更为精确些,但样品的 表面光清洁度要求较高 表面光清洁度要求较高 表面光清洁度要求较高 面光清洁度要求较高。。第二章 材料的断裂失效形式与机理 (3)邵氏硬度(Shore hardness) 使用硬度计,在规定的试验条件下用标准弹簧压 力将硬度计上的压针压入试样 力将硬度计上的压针压入试样,以压入深度 转换为硬 以压入深度转换为硬 度值,直接由硬度计读出邵氏值HS。 HS 分为邵氏A 和邵氏D。 邵氏 邵氏A 适用于软塑料适用于软塑料,如橡胶 如橡胶、泡沫塑料等 沫塑料等;邵氏D 则适用于硬塑料,如聚碳酸酯(PC)、尼龙(PA6、PA66)等。第二章 材料的断裂失效形式与机理 (4)肖氏硬度(Shore scleroscope hardness) 肖氏硬度又叫回跳硬度,是动载试验法。 其原理是将一定重量的具有金刚石圆头或钢球的 其原理是将一定重量的具 有金刚石圆头或钢球的 标准冲头从一定高度 由于试件的弹性变形使冲头回跳到某一高度由于试件的弹性变形使冲头回 跳到某一高度h 两个高度的比值来计算肖氏硬度值KS。肖氏硬度无量纲 肖氏硬度无量纲,冲头回跳高度越高 冲头回跳高度越高, 则试样的 则试样的 硬度越高。第二章 材料的断裂失效形式与机理 莫氏硬度莫氏硬度 (MohsMohs hardness hardness) 陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度称为莫氏硬度。陶瓷及矿物材料常 用的划痕硬度称为莫氏硬度。 它表示硬度从小到大的顺序 它表示硬度从小到大的顺序 它表示硬度从小 到大的顺序 它表示硬度从小到大的顺序, ,不表示软硬的程度 不表示软硬的程 不表示软硬的程度不表示软硬的程度。 后面的材料可以划破前面材料的表面。后面的材料可以划破前面材料的表 莫氏硬度以前仅分为莫氏硬度以前仅分为 10 10 最小,1010 级最硬。 级最硬。 相应硬度的排序为 相应硬度的排序为 相应硬度的排序为 相应硬度的排序 滑石,滑石,2 石膏,石膏,3 方解石,方解石,4 萤石,萤石,5 磷灰石,磷灰石,6 长石长石 长石 长石, 石英石英 石英 石英, 黄玉黄玉, 刚玉刚玉 刚玉 刚玉, ,10 10 10 10 金刚石 金刚石 刚石金刚石。 后来又出现了后来又出现了 后来又出现了 后来又出现了一 一些人工合 成的高硬度陶瓷 些人工合成的高硬度陶瓷 些人工合成的高硬度陶瓷 些人工合 成的高硬度陶瓷, 度等级范围扩大,现分为度等级范围扩大,现分为15 15 料的断裂失效形式与机理2.6 冲击韧性impact tougnhess 有些金属构件是在冲击载荷下工作 有些金属构件是在冲击载荷下工作, 如锻锤如锻锤、 头等,故需要用冲击韧性来评定材料抵抗冲击的能力。还有一些陶瓷、高分子等材料在使用过程中会发生性 能劣化和损伤 能劣化和损伤、材料变脆 材料变脆,也需要用冲击韧性来评 冲击韧性冲击韧性α 是材料在冲击载荷作用下抵抗冲击力 是材料 在冲击载荷作用下抵抗冲击力 其物理含义是试样受冲击载荷作用时其物理含义是试样受冲击载荷作用 、单位横截面单位横截面 上吸收功的大小。 材料的冲击韧性一般是在一次摆锤冲击试验机上 材料的冲击韧性一般是在 一次摆锤冲击试验机上 进行测试,如图2-16 所示。 金属材料的冲击韧性值金属材料的冲击韧性值一般高于 般高于 100J/ 100J/m 。第二章 材料的断裂失效形式与机理 图2-16 Charpy 冲击试验示意图第二章 材料的断裂失效形式与机理 材料是脆性还是韧性,从冲击断口的形貌上一看 就明了 就明了,如图 如图2 -1717 所示 所示。 脆性断脆性断口 )韧性断韧性断口 图2-17 冲击断口形貌第二章 材料的断裂失效形式与机理 标准冲击试样的缺口有两种:夏氏试样(V 见图见图2 2-16 16) )和梅氏试样 和梅氏试样( 氏试样适用但夏氏试样适用 于脆性材料、梅氏试样则适合于韧性材料。 高分子材料是用伊氏 高分子材料是用伊氏Izod Izod 冲击试样进行的 冲击 试样进行的,其 受力方式是悬臂梁结构。材料的 材料的α 值随温度下降而降低 值随温度下降而降低,并且在某 度下会发生急剧降低,由韧性断裂转变成脆性断裂,这种现象称为冷脆 这种现象称为冷脆, ,这个温度称为韧脆转变温度 这个 温度称为韧脆转变温度。 一般来说,体心立方结构金属材料或以其为主的低强度钢 低强度钢,其冷脆转变温度明显 其冷脆转变温度明显,且转变温 度比较高 且转变温度比较高。 而高强度钢或面心立方结构的金属材料,如铝及奥氏 体合金钢等 体合金钢等, ,基本上没有这种温度效应 基本上没有这种温度 效应。 。第二章 材料的断裂失效形式与机理 2.7 疲劳应力 疲劳应力 fatigue fatigue stress stress 材料在疲劳载荷作用下在远低于屈服应力下发材料在疲劳载荷作用下 在远低于屈服应力下发生 的低应力脆性断裂,叫疲劳断裂。 事实上,许多金属构件是在交变载荷作用下使用的。 疲劳断裂与静态断裂有 疲劳断裂与静态断裂有明显的 显的不同,它 它不 会产生 会产生明显的 塑性变形,断裂是突发的,故危害性较大图2-18)。 疲劳断疲劳断口 )疲劳断疲劳断口条纹 条纹 图2-18 Cr12Ni2WMoV 钢的疲劳条纹和断口第二章 材料的断裂失效形式与机 有裂纹源、裂纹扩展展区和断裂区三个部分; 裂纹起裂在高应力应力区或材料缺陷处裂纹起裂在高应力应力区或材 料缺陷处; 与静载断裂相比,没有明显的塑性变形。图2-19 钢板疲劳裂纹断口形貌