理论断裂强度与脆断理论.ppt

绪绪 论论 IntroductionIntroduction 材料失效方式材料失效方式 断裂为材料（构件）失效断裂为材料（构件）失效 ( (failure) failure) 的三种方式之一的三种方式之一 n n 磨损（磨损（wearing), wearing), 金属构件和其他部件相互作用金属构件和其他部件相互作用, ,由于机械由于机械 摩擦而引起的逐渐损坏摩擦而引起的逐渐损坏 n n 腐蚀（腐蚀（corrosion), corrosion), 金属材料或其制件在周围环境介质的作金属材料或其制件在周围环境介质的作 用下，逐渐产生的损坏或变质现象用下，逐渐产生的损坏或变质现象 n n 断裂（断裂（fracturefracture））, , 是一个过程：是一个过程： 广义地，是指从微裂纹产生直至构件破断两部分的过程广义地，是指从微裂纹产生直至构件破断两部分的过程 狭义地，是指从宏观裂纹形成到裂纹的扩展、合并直至构狭义地，是指从宏观裂纹形成到裂纹的扩展、合并直至构 件破断的过程件破断的过程 两者的区别在于：是否将损伤算在内。

两者的区别在于：是否将损伤算在内 损伤损伤( (damage)damage)：：从微观裂纹形成到微裂纹扩展、合并形成从微观裂纹形成到微裂纹扩展、合并形成 宏观裂纹的过程宏观裂纹的过程 本课程研究目的：本课程研究目的： 研究损伤与断裂的机理和规律；学习损伤与断裂的研究损伤与断裂的机理和规律；学习损伤与断裂的 表征方法；预测构件的使用寿命表征方法；预测构件的使用寿命, ,为防止事故发生及延长为防止事故发生及延长 构件使用寿命提供设计依据构件使用寿命提供设计依据 返回 三者既相对独立，又会发生交互作用： 1. 腐蚀与断裂常相伴发生，如应力腐蚀开裂（SCC, Stress Corrosion Crack)，这是指受拉伸应力作用的金属材料在 某些特定的介质中，由于腐蚀介质与应力的协同作用而 发生的脆性断裂现象 2. 磨损与断裂也常常同时发生磨损实际上是由一个个微 小的断裂过程组成的 3. 广义地讲，材料或构件在失效前的所有劣化过程均为损 伤因此，损伤是失效的前提，失效是损伤积累到极限 情况的必然结果任何延缓损伤的措施均可提高材料或 构件的服役寿命 晶体学原理晶体学原理( (Principles of Crystallography)Principles of Crystallography)：： crystal lattice, metallic bond, slip systems, stacking fault, lattice constants, crystal lattice, metallic bond, slip systems, stacking fault, lattice constants, crystallographic indices, phase, diffusion, phase transformation, ordered or crystallographic indices, phase, diffusion, phase transformation, ordered or disordered solid solution, texture, orientation, fcc (Al, Cu, disordered solid solution, texture, orientation, fcc (Al, Cu,  -Fe)-Fe)，，bcc (bcc ( -Fe, -Fe, Cr, V, W)Cr, V, W)，，hcp (Zn, Mg, Be)hcp (Zn, Mg, Be) 晶体缺陷晶体缺陷( (Defects in crystals)Defects in crystals)：：distortiondistortion 点缺陷点缺陷( (point defects): vacancy, interstitial atom, foreign interstitial atompoint defects): vacancy, interstitial atom, foreign interstitial atom n n 空位：未被占据的（或空着的）原子位置。

空位：未被占据的（或空着的）原子位置 n n 间隙原子：进入点阵间隙中的原子间隙原子：进入点阵间隙中的原子 n n 置换原子：替换基体原子位置的外来原子置换原子：替换基体原子位置的外来原子 线缺陷线缺陷( (linear defects): dislocationlinear defects): dislocation，，原子错排的过渡区域原子错排的过渡区域 n n 刃型位错（刃型位错（edge dislocationedge dislocation），），位错线垂直于滑移方向位错线垂直于滑移方向 n n 螺型位错（螺型位错（screw dislocationscrew dislocation），），位错线平行于滑移方向位错线平行于滑移方向 相关原理回顾相关原理回顾 Review of interrelated theoryReview of interrelated theory 面缺陷面缺陷 （（area defectsarea defects）） n n 层错（层错（ stacking stacking fault fault ）：）：是指密排晶体结构中的整层密排面上的原子发生是指密排晶体结构中的整层密排面上的原子发生 了错排，这是晶体在滑移过程中造成的一种缺陷。

它是一种晶格缺陷，它了错排，这是晶体在滑移过程中造成的一种缺陷它是一种晶格缺陷，它 破坏了晶体周期排列的完整性，从而引起能量升高通常把产生单位面积破坏了晶体周期排列的完整性，从而引起能量升高通常把产生单位面积 层错所需的能量称层错所需的能量称 为为“ “层错能层错能” ” n n 晶界（晶界（grain grain boundaryboundary）：）：多晶体中每个晶粒是靠晶界将其联成一体根多晶体中每个晶粒是靠晶界将其联成一体根 据两部分晶体之间存在的位向差值据两部分晶体之间存在的位向差值θ θ的不同，可将晶界分为：的不同，可将晶界分为： 大角度晶界：相邻部分晶体的位向差 大角度晶界：相邻部分晶体的位向差θ >10θ >10 o o 小角度晶界：小角度晶界： 相邻部分晶体的位向差相邻部分晶体的位向差θ <10θ <10 o o 亚晶界：相邻部分晶体的位向差亚晶界：相邻部分晶体的位向差θ <2θ <2 o o n n 相界（相界（phase boundaryphase boundary）：）：是指具有不同结构的两种固相之间的界面。

是指具有不同结构的两种固相之间的界面 相关原理回顾相关原理回顾 Review of interrelated theoryReview of interrelated theory 金属塑性变形机制金属塑性变形机制( (Mechanics of plastic deformation)Mechanics of plastic deformation)：：( (位错理论位错理论 ) ) SlipSlip（（滑移）滑移）: : slip plane, slip direction, glideslip plane, slip direction, glide（（交滑移）交滑移）, , climbclimb （（攀移），割阶攀移），割阶 TwinTwin（（孪生）：孪生）：twin boundary, shear deformation, twin boundary, shear deformation, CreepCreep（（蠕变）：蠕变）：diffusion, low stressdiffusion, low stress Boundary slippingBoundary slipping（（晶界滑移）：超塑性晶界滑移）：超塑性( (super-plasticity) super-plasticity) 材材 料的主要变形机理料的主要变形机理 回复与再结晶回复与再结晶( (Recovery and re-crystallization)Recovery and re-crystallization)：： 动态回复与动态再结晶动态回复与动态再结晶 ( (dynamic recovery and re-dynamic recovery and re- crystallization)crystallization) 静态回复与静态再结晶静态回复与静态再结晶 ( (static recovery and re-crystallization)static recovery and re-crystallization) 相关原理回顾相关原理回顾 Review of interrelated theoryReview of interrelated theory (b) dynamic re-crystallization (a) dynamic restoration 图1-1 动态回复与再结晶曲线 扩散与相变扩散与相变( (Diffusion and phase transformation)Diffusion and phase transformation)：： 理解：强化相理解：强化相( (strengthening phases)strengthening phases)的析出的析出( (precipitation)precipitation)与溶解与溶解 ( (resolution)resolution) 强化机制强化机制( (strengthening mechanics)strengthening mechanics)：： solid solution hardening(solid solution hardening(固溶强化固溶强化) )、、precipitation hardening(precipitation hardening(沉沉 淀强化淀强化) )、、dispersion hardening(dispersion hardening(弥散强化弥散强化) )、、( (strain hardening)strain hardening)形形 变强化、变强化、grain boundary hardening(grain boundary hardening(晶界强化晶界强化) )、、phase phase transformation hardening(transformation hardening(相变强化相变强化) ) 力学原理（力学原理（mechanical theory):mechanical theory): 弹性力学弹性力学( (elastic mechanics)elastic mechanics)：：542, 542, 理解理解distortiondistortionstress fieldstress field 塑性力学塑性力学( (plastic mechanics): yield conditions(Tresca, Mises), plastic mechanics): yield conditions(Tresca, Mises), plastic constit。