材料的断裂和磨损
1）断裂都经过裂纹形成与裂纹扩展两个阶段。
2）根据断裂形成的微观机理：断裂包括解理断裂、沿晶断裂、延性断裂。 3）根据裂纹扩展路径：包括穿晶断裂、沿晶断裂。
4）断裂韧度K1c可用来衡量材料中存在裂纹时断裂的难易程度。
不易断裂的材料韧性好。
不考虑裂纹：断裂难易是由断裂强度大小决定。
存在裂纹：断裂强度高的材料反而可能容易发生断裂。
1 断裂失效 1/3 ○
2 腐蚀失效 1/3 材料失效 ○
3 磨损失效 1/3 ○（磨损是材料在外力和环境作用下发生质量损失导致部件失效）
6.1材料的断裂
1）脆性断裂：断裂前无塑性变形。
1脆性断裂的宏观特征是断裂前不发生塑性变形，○而且裂纹的扩展速度很快，在无明显的征兆下突然断裂。
2脆性材料的断裂面一般与正应力垂直，○断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。
3解理断裂是在拉应力作用下，○原子间结合键遭到破坏，严格沿一定的结晶学平面，即解理面劈开而造成的，解理面一般是表面能最小的面。
4不同高度的平行解理面构成解理台阶，形成“河流状花样”○。河流的流向与裂纹扩展方向一致，因而可由河流反方向去寻找裂纹源。
5“舌状花样”是解理裂纹沿孪晶界扩展而留下的舌状凸台或凹坑。 ○
6沿晶裂纹是指裂纹断裂过程中裂纹沿晶界扩展。断口一般为冰糖状。 ○
晶界有脆性第二相；有害杂质晶界偏聚；环境导致晶界弱化应力腐蚀开裂、高温蠕变断裂等。
2）韧性断裂
1韧性断裂是材料在断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂。 ○
2断裂扩展中无须消耗能量，断裂面一般平行最大切应力并与主应力成45o，断○
口呈纤维状，灰暗色。
3中低强度钢光滑圆柱的断口呈杯锥状，一般由纤维区、放射区、剪切唇三个部○
分组成。
放射区是裂纹快速低能撕裂形成，有放射线花样特征。 剪切唇是在平面应力条件下的快速不稳定断裂。 纤维区形成包括微孔成核、张大、聚合直至断裂。
4杂质或第二相破碎或脱离基体界面形成微孔——>微孔长大和聚集形成显微裂○
纹——>微孔形成——>微孔联接中心空腔——>沿45o方向切断形成杯锥状断口 ——>重复过程形成锯齿形的纤维区
5微孔形成的位错模型：位错线遇到第二相质点形成位错环——>位错环在应力○
作用下堆积——>界面滑移形成微孔——>新位错不断进入微孔，微孔长大
细小、圆形的第二相质点有助防止裂纹产生
6韧窝：等轴韧窝（垂直微孔平面的正应力）和拉长韧窝（在扭转载荷或双向不○
等拉伸条件下的切应力）。
发现河流必然是脆性断裂；但发现韧窝不一定就是韧性断裂。韧性断裂肯定有韧窝。
7影响韧性断裂因素：○基体、第二相（种类与基体一致好，数量少好、分布均匀、形状球形）。
3）断裂强度
1在外加应力的作用下，将晶体的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应○
力，即理论断裂强度。
2理想晶体解理断裂的理论断裂强度：??○mE?/a0，?是表面能，a0是原子间
的平衡距离。可以理解解理面往往是表面能最小的面。
3Griffith理论 ○
裂纹理论：实际材料中存在裂纹，即使外加应力低于理论断裂强度，由于裂纹尖端应力集中作用，使裂纹尖端附近应力超过材料的理论强度，结果导致裂纹快速扩展，引起脆性断裂。
解决了“实际断裂强度与理论值之间存在巨大差异”的问题。
半长为a的裂纹的板材中，裂纹失稳扩展的临界应力?c和临界裂纹半长ac
?c=2E?/?a （裂纹半长一定） ac=
2E???2 （应力一定）
[此公式适用于脆性材料]
塑性变形要消耗变形功，与位错运动能力有关。
Griffith理论的前提是材料中已存在裂纹，它不涉及裂纹的来源。
4）断裂韧度
1应力强度因子K： ○I 张开型（I型）[最危险，容易引起脆断] 裂纹扩展有三种形式： 滑开型（II型） 撕开型（III型）
KI值越大，该点各应力、位移分量值越高。KI反映了裂纹尖端区域应力场的强度，故称应力强度因子。
KI=Y?a 单位为：MPa.m1/2
2K 为临界K值，为I型裂纹材料的断裂韧度指标。它是材料内部存在裂纹○ICI时抵抗断裂的能力，与材料成分、组织结构有关。 KIC= Y?cac
裂纹断裂失稳扩展而脆断的判据：KI? KIC 或Y?a ? KIC时，当裂纹受力，就会发生脆性断裂。反之，即使存在裂纹，若KI? KIC也不会断裂，这种情况为破损安全。
3断裂韧度的测量： ○
常用紧凑拉伸试样和三点弯曲试样。
测试所选材料的屈服强度，估计KI值——>确定试样尺寸——>按比例关系确定长度和宽度——>开缺口——>在疲劳试验机上预制裂纹——>弯曲试验——>得F-V曲线确定临界载荷FQ——>用显微镜测量裂纹长度a———>带入KI，算出KQ ——>进行有效性检验——>若不满足，将试样尺寸加大一半，重新测定。
新方法：显微硬度压痕法。压头作用：产生裂纹；根据裂纹的形状和长度，通过材料力学模型计算出KIC；优点是方便；缺点为只是微区的断裂韧性。
6.2材料的脆性和韧性
1表征脆性材料两参数：弹性模量E和断裂强度?。 ○k材料脆性本质除其内部位错滑移困难外，通常与其对裂纹的敏感性高有关。
2材料的韧性表示断裂前单位体积材料所吸收的变形和断裂能。 ○
韧性包括三部分能量：弹性变形能、塑性变形能、断裂能。
3脆性-韧性转变： ○
1）应力条件：切应力引起材料的塑性变形（切应力是位错运动的驱动力）。拉应力只促进材料的断裂。
2）温度对断裂强度影响不大，但对屈服强度影响显著。原因是高温易激活位错源，有利位错运动。低温时，位错源激活受阻，难以产生塑性变形，断裂可能变成脆性。如储放液氮的容器，需考虑其韧脆转变温度。
提高加载速率，则相对变形速率增加，在一定限度它会使塑性变形极不均匀，结果塑性变形抗力提高，并使局部高应力区形成裂纹，有变脆倾向。如爆炸断口。
3）晶粒细化可降低材料的韧-脆转变温度。它提高材料的强度，又提高了它的塑性变形和韧性。这是形变强化、固溶强化与弥散强化等方法不及的。
4缺口冲击试验： ○
冲击功：Ak=mg(H1-H2) V型缺口（夏氏）和U型缺口（梅氏） 缺口冲击韧度 akU或akV = Ak/An（净断面积） 单位为J/mm2。
缺口断裂经三个阶段：裂纹在缺口根部形成、裂纹扩展和最终断裂。
缺口冲击韧度还可测定韧脆转变温度，方法是将试样冷却到不同温度测定冲击功。还可处理原材料冶金质量、热处理缺陷。
5陶瓷材料增韧： ○
增韧机理：减少裂纹形成和抑制裂纹扩展。
陶瓷与金减少裂纹形成的方法：减少材料中的缺陷（陶瓷致密度）和表面压应力。 1）陶瓷与金属复合的增韧
金属自身的塑性变形使裂纹尖端区域高度集中的应力得以部分松弛以吸收能量的作用。裂纹扩展所需的能量大于形成新裂纹面所需的表面能，从而提高了材料
对裂纹扩展的抗力，改善了材料的韧性。 2）相变韧性
相变要吸收能量而体积膨胀可松弛裂纹尖端的拉应力，改善材料的断裂韧度。如ZrO2相变。 3）微裂纹增韧
微裂纹可使主裂纹尖端钝化，增大裂纹尖端钝化半径可提高断裂韧度。另外可使主裂纹分叉，改变主裂纹的应力场，增加扩展的表面能，使其扩展受阻增加了材料的断裂韧度。（主要是改变裂纹扩展方向）。 4）晶须增韧和纳米增韧
使裂纹扩展的路径改变或使裂纹尖端钝化。
6.3材料的疲劳
1材料在循环应力作用下，○即使所受应力低于屈服强度或断裂强度，也会经过一定时间后发生断裂，这种现象称为疲劳。 循环应力是指应力随时间呈周期性变化。
应力幅?a=(?max??min）/2 平均应力?a=(?max??min）/2 应力比R=?max/?min
疲劳断口常分为三个区： 疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬时断裂区。
疲劳源一般在零件表面较光滑，裂纹扩展区有贝壳花样，称贝纹线或疲劳线。 瞬时断裂区靠近中心为平口区，边缘处为剪切唇。
2疲劳断裂机理： ○
1）裂纹形成包括三个阶段：微裂纹的形成、长大和联结。
表面滑移带开裂
疲劳裂纹形成的三种方式 夹杂物与基体相界面分离或夹杂物本身断裂 晶界或亚晶界开裂
在循环载荷作用下，即使循环应力不超过宏观屈服强度，也会在试样表面形成滑移带，为循环滑移带。循环滑移带的形成，挤出或挤入会在表面形成微裂纹。
2）疲劳裂纹的扩展： 第一阶段：裂纹沿最大切应力的晶面方向发展，由于位向不同及晶界的阻碍作用，扩展方向逐渐转向与最大拉应力垂直。此阶段扩展速率较慢。
第二阶段裂纹扩展方向与拉应力垂直，扩展途径是穿晶的，扩展速率较快，会形成疲劳条带。
第二阶段疲劳条带形成的塑性钝化模型：在交变应力作用下，裂纹受拉应力作用先张开，裂纹尖端处于应力集中，沿45o方向发生滑移——>拉应力最大时，滑