金属脆性断裂与疲劳失效PPT课件.pptx

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。
对工程构件或机械零件而言其服役条件下可能受到力学负荷、热负荷或环境介质的作用，有时只受到一种负荷作用，更多的时候将受到两种或三种负荷的同时作用。
为此，我们把在力学负荷作用下（有时兼有热负荷及环境介质的共同作用），金属材料被分成两个或几个部分的现象称为完全断裂；内部存在裂纹则为不完全断裂。
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对大多数金属材料的断裂过程来说，都经历了裂纹的萌生与扩展两个阶段。对不同的断裂类型，其裂纹萌生与扩展机理及特征并不相同。可以说，对断裂的研究，人们主要关注的是断裂过程的机理及其影响因素，其目的在于根据对断裂过程的认识制订合理的措施，实现有效的断裂控制。
研究金属材料断裂的宏观、微观特征、断裂机理（裂纹萌生与扩展机理），讨论抑制断裂失效的措施和途径，对于材料工作者和设计工作者进行机件的安全设计与选材、分析机件断裂失效事故都是十分必要的。
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金属脆性断裂会造成重大的经济损失，甚至人员伤亡，因此，脆性断裂特别受到人们的关注。为了对断裂有个全面了解，我们首先介绍断裂的类型。
断裂的类型
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。
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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%者为脆性断裂；大于5%者为韧性断裂。
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，以后我们会看到，条件改变，材料的韧性与脆性行为也将随之变化。
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多晶体金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的，穿晶断裂的裂纹穿过晶内，沿晶断裂的裂纹沿晶界扩展。
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，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。
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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。
常见金属的解理面见下表4-1所示。
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金 属
晶体结构
解理面
α-Fe
体心立方
{001}
Mo
体心立方
{001}
W
体心立方
{001}
Mg
密排六方
{0001}
Zn
密排六方
{0001}
Te
六方
{10T0}
Bi
菱面体
{111}
Sb
菱面体
{11T}
表4-1 常见金属的解理面
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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。
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，它又分为两类：
一类为滑断（又称切离或纯剪切断裂），纯金属尤其是单晶体金属常发生这种断裂；
另一类为微孔聚集型断裂，钢铁等工程材料多为这种断裂类型，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。
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根据断裂面取向又可将断裂分为正断型或切断型两类。
正断型断裂——若断裂面取向垂直于最大正应力，
切断型断裂——断裂面取向与最大切应力方向相一致而与最大正应力方向约成45°角，
前者如解理断裂或塑性变形受较大约束下的断裂，后者如塑性变形不受约束或约束较小情况下的断裂。
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按受力状态、环境介质不同，又可将断裂分为静载断裂（如拉伸断裂、扭转断裂、剪切断裂等）、冲击断裂、疲劳断裂；
根据环境不同又分为低温冷脆断裂、高温蠕变断裂、应力腐蚀和氢脆断裂；而磨损和接触疲劳则为一种不完全断裂。
常用的断裂分类方法及其特征如表