第五节 断裂
• 断裂类型
• 断口特征
• 断裂强度
断裂现象
船身断裂，一分为二的Schenectady号油轮
垮塌后的彩虹桥
一. 断裂的分类及断口特征
脆性断裂 宏观变形量 韧性断裂
穿晶断裂
裂纹扩展途径 沿晶断裂 解理断裂 断裂机理剪来自断裂► 脆性断裂和韧性断裂
韧性断裂 定义
材料断裂前及断裂过程 中产生明显宏观塑性变 形的断裂过程。
•目前 , 快速剪切裂开的认识还不够深入， 但知道应变强化指数低的材料容易产生剪切 裂开。这是因为应变强化阻碍已滑移区的进 一步滑移，使滑移均匀，不易产生局部的剪 切变形。此外 , 多向拉应力促使材料处于脆 性状态，也容易产生剪切断开。
解理断裂
定义 材料在拉应力作用下，由于原子间结合键遭 到破坏，沿特定的晶面（解理面）发生的脆 性穿晶断裂。
• 微孔成核并逐渐长大，有两种不同的聚合模式。 • 一种是正常的聚合，即微孔长大后出现了“内颈缩”，使 实际承载的面积减少而应力增加，起了“几何软化”作用。 另一种聚合模式是裂纹尖端与微孔、或微孔与微孔之间产 生了局部滑移，由于这种局部的应变量大，产生了快速剪 切裂开。这种模式的微孔聚合速度快，消耗的能量也较少， 所以塑性韧性差。
拉伸试样在拉断前产生银纹化现象， a图为聚苯乙烯，b图为有机玻璃 注意银纹方向与应力方向垂直
► 断口分析
纤维区： 裂纹的缓慢扩展 放射区：裂纹失稳扩展，快速撕裂 剪切唇：快速剪切，断口表面光滑 韧性断裂的断口特征三要素， 且断口呈杯状 脆性断裂 的纤维区小， 剪切唇几乎没有
一般规定：金属光滑拉伸试样的断面 收缩率小于5％者为脆性断裂， 大于5％者为韧性断裂。
断口
河流花样
解理断裂
• 脆性断裂的微观机制有解理断裂和晶
间断裂。 • 解理断裂是材料在拉应力的作用下， 由于原于间结合键遭到破坏，严格地 沿一定的结晶学平面 ( 即所谓“解理 面”)劈开而造成的。 • 解理面一般是表面能最小的晶面，且 往往是低指数的晶面。
• 解理断口的宏观形貌是较为平坦的、发亮的 结晶状断面。 • 解理断口的微观形貌似应为一个平坦完整的 晶面。但实际晶体总是有缺陷存在，如位错、 第二相粒子等。 • 解理断裂实际上不是沿单一的晶面，而是沿 一族相互平行的晶面 (均为解理面)解理而引 起的。在不同高度上的平行解理面之间形成 了所谓的解理台阶。在电子显微镜下，解理 断口的特征是河流状花样，河流状花样是由 解理台阶的侧面汇合而形成的。
和材料裂纹抵抗力之间的关系，为断裂
力学的创立奠定了理论基础。
• 延性断裂的微观特征是韧窝形貌，
• 在电子显微镜下，可以看到断口由许多凹 进或凸出的微坑组成。在微坑中可以发现 有第二相粒子。 • 一般情况下，宏观断裂是韧性的，断口的 宏观形貌大多呈纤维状。
• 韧窝的形状因应力状态而异。 • 在正应力作用下，韧窝是等轴形的； • 在扭转载荷作用下，韧窝被拉长为椭圆形。
2 dc 2 dc
dE dU dW 0 dC dC dC dE dU dW 0 dC dC dC
dE dU dW 0 dC dC dC
(稳定)
(临界)
(扩展)
(为表面能)
dW 2dC
dW 2 dC
Griffith断裂理论
弹性力学方法可求得裂纹扩展时的弹性能改变量： 2 2 2 c dU c U dC E 2E 2 c 由临界条件得： 2 E
脆性断裂
材料断裂前基本上不产 生明显的宏观塑性变形 的断裂过程。 突然的快速断裂，具 有很大的危险性 齐平光亮，呈放射状或结晶状 陶瓷、玻璃、灰铸铁和淬火钢
特点 断口特征 材料
裂纹扩展慢，消耗大 量的塑性变形能
呈暗灰色，纤维状 塑性好的金属和高分子
脆性断裂和韧性断裂表面
左图脆性试样断裂表面的照片；右图韧性试样断裂表面的照片
•解理台阶可认为是通过解理裂纹与螺旋位 错交割而形成，也可认为通过二次解理或 撕裂而形成. •解理断裂的另一个微观特征是舌状花样， 它类似于伸出来的小舌头，是解理裂纹沿 孪晶界扩展而留下的舌状凸台成凹坑。
• 正断是由正应力引起的，断裂
面与最大主应力方向垂直； • 切断是由切应力引起的，断裂 面在最大切应力作用面内，而 与最大主应力方向呈450。
a：缩颈部分中心的应 力由一向变为三向； b:样品中心部分的间杂 物或硬质第二相质点破 裂或与基体界面脱离而 形成微孔；
c:微孔不断长大聚合形 成的显微裂纹；
d:新的微孔就在变形带 内形核、长大和聚合， 裂纹向外扩展；
e:形成纤维区
二. 断裂强度
理论断裂强度
Orowan 模 型
th Sin
脆性断裂现象
断裂现象分类:
– 金属类：先是弹性形变，然后塑性形变， 直至断裂 – 高分子类：先是弹性形变（很大），然 后塑性形变，直至断裂 – 无机材料：先是弹性形变（较小），不 发生塑性形变（或很小）而直接脆性断 裂
► 高分子材料的断裂
断裂类型
脆断：玻璃态高分子在Tg以下 韧断：玻璃态高分子在Tg以上 半晶态高分子
平面应力状态下裂 纹扩展时的临界裂 纹长度或临界应力： 平面应变状态下裂 纹扩展时的临界裂 纹长度或临界应力：
CCr
Cr
2 E
2
2E CCr 2 (1 2 )
2 E c
Cr
2 E (1 2 )c
Griffith断裂理论
• 重要意义：
首次确定了载荷、形状、裂纹长度
断口
韧窝断口
a: 单晶滑移;
b: 多晶体滑移
微孔聚集型
延性断裂
• 延性断裂特征及过程 • 延性断裂的过程是：“微孔形核—微孔长大—微孔聚合” 三部曲。 • 当拉伸载荷达到最大值时，试样发生颈缩。在颈缩区形 成三向拉应力状态，且在试样的心部轴向应力最大。 • 在三向应力的作用下，使得试样心部的夹杂物或第二相 质点破裂，或者夹杂物或第二相质点与基体界面脱离结 合而形成微孔。 • 增大外力，微孔在纵向与横向均长大；微孔不断长大并 发生联接而形成大的中心空腔。最后，沿450方向切断， 形成杯锥状断口，
左图脆性试样断裂表面的电镜照片；右图韧性试样断裂表面的电镜照片
► 穿晶断裂与沿晶断裂
穿 沿 晶 晶 断 断 裂 裂 可 多 为 为 韧 脆 断， 断 也 可 为 脆 断
穿晶断裂与沿晶断裂示意图
► 剪切断裂与解理断裂
剪切(延性） 断裂
定义
材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂
或微孔聚集型断裂
微孔形核，长大与聚合
• 实际金属中总有第二相粒子存在，它们是微孔成核的源。 • 第二相粒子分为两大类， • 一类是夹杂物，如钢中的硫化物，在不大的应力作用下便与 基体脱开或本身裂开而形成微孔； • 另一 类是强化相，如钢 中的弥散的 碳化物， 合金中的弥散 的强化相 , 它们本身比较坚实，与基体结合比 较牢固，是位 错塞积引起的应力集中或在高应变条件下，第二相与基体塑 性变形不协调而萌生微孔的。
2x

原子间作用力与原子位移的关系
理论断裂强度
根据Orowan 模型，经过推导出：
Orowan
高强度的固体必须要求E、γ大，a小，
模 γ约为 aE/100 ，故理论结合强度可写成： 型 E th 10
Griffith断裂理论
裂纹扩散临界条件的导出
Griffith断裂理论
当裂纹进一步扩展一个微小量时，单位面积释放的能量 dW e 为 ，形成新生的单位表面积所需的表面能为： dW s
断裂机理：
非晶高分子：产生银纹，银纹中空洞张大成微孔，微孔扩大 连接形成裂纹 晶态高分子：无定型区塑性变形形成微纤维束，微纤维束末 端形成空洞，空洞边微纤维束滑移形成微裂纹，切断纤维或 “拔出”纤维
(c) 成熟
(d) 破坏
银纹的形成及破坏示意图
2、银纹化现象和剪切屈服带 银纹化现象 许多聚合物，尤其是玻璃态透明聚合物如聚苯乙烯、 有机玻璃、聚碳酸酯等，在存储及使用过程中，由于应 力和环境因素的影响，表面往往会出现一些微裂纹。有 这些裂纹的平面能强烈反射可见光，形成银色的闪光， 故称为银纹，相应的开裂现象称为银纹化现象。