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第1章 绪论 1

1.1 断裂的基本概念 1

1.1.1 不同应力状态下的断裂模式 1

1.1.2 解理断裂 3

1.1.3 解理断裂的微观机理 5

1.2 解理断裂微观机理相关的基础理论 6

1.2.1 Griffith裂纹理论 7

1.2.2 线弹性和小范围屈服断裂力学 9

1.2.3 弹塑性断裂力学 11

1.2.4 应力集中、应变集中、三向应力度、应力强化的概念 14

1.2.5 缺口和预裂纹尖端前的应力和应变分布 21

1.3 钢解理断裂微观机理的综述 25

1.3.1 解理断裂的特征 26

1.3.2 解理开裂过程 27

1.3.3 解理断裂的机理和准则 31

1.3.4 解理断裂的临界事件 37

参考文献 49

第2章 研究方法 54

2.1 材料 54

2.2 宏观力学实验 54

2.2.1 拉伸实验 54

2.2.2 压缩实验 56

2.2.3 缺口试样四点弯曲实验 56

2.2.4 夏比V型缺口冲击实验 57

2.2.5 裂纹试样三点弯曲裂纹尖端张开位移实验 58

2.2.6 加载—卸载—再加载实验 58

2.2.7 不同加载速率实验 59

2.2.8 TiAl合金的拉伸疲劳实验 59

2.3 微观实验和观察 60

2.3.1 扫描电子显微镜下的原位拉伸实验 60

2.3.2 用金相剖面观察并确定微观裂纹起裂区组织和开裂的临界事件 60

2.3.3 扫描电镜下断口观察 62

2.3.4 断口上微观参数的测量 65

2.3.5 起裂源的定位及其与钝化的缺口尖端或预裂纹尖端距离的测量 66

2.3.6 在断口和穿过解理断裂起裂源的剖面相交形成的棱上进行组织观察 67

2.3.7 断口上裂纹扩展过程的描绘 67

2.3.8 解理断裂起裂源第二相颗粒的鉴定 69

2.3.9 透射电子显微镜的微观观察 69

2.3.10 用电子背散射衍射方法测量大角度晶界和晶粒尺寸 70

2.4 用有限元方法进行计算和模拟 71

2.5 断裂塑性应变εpc、解理断裂应力σf和临界三向应力度Tc的测量 73

参考文献 75

第3章 钢解理断裂的微观物理过程 76

3.1 解理断裂微观机理的本质内容 76

3.1.1 描述完整的解理断裂过程 76

3.1.2 确认解理断裂过程的临界事件 76

3.1.3 结合局部应力和局部应变的分布定量确定解理断裂准则中的驱动力和阻力 77

3.1.4 建立解理断裂的准则 77

3.1.5 确定与解理断裂过程相关的微观组织、这些组织的相互作用以及影响 78

3.1.6 为处理解理断裂的统计方法建立物理基础 78

3.2 解理断裂微观开裂的整体描述 78

3.2.1 解理断裂的必要条件和充分条件 79

3.2.2 解理微观开裂过程的整体描述 80

3.3 裂纹形核 87

3.3.1 裂纹形核在解理微观开裂过程中的作用 87

3.3.2 裂纹形核的机理 88

3.3.3 真实断裂试样中观察到的裂纹形核源的类型 90

3.3.4 裂纹形核的准则 105

3.4 裂纹扩展 105

3.4.1 理论基础 106

3.4.2 韧脆转变下平台温度区间出现的解理微裂纹扩展的三种模式（三个子区间） 109

3.4.3 韧脆转变下平台温度区间第一个子区间（温度低于－130℃）微裂纹的扩展 110

3.4.4 韧脆转变下平台温度区间第二个子区间内第二相颗粒尺寸裂纹进入基体晶粒的扩展（－130～－80℃） 113

3.4.5 韧脆转变下平台温度区间第三个子区间（－80～－60℃）的第二相颗粒尺寸裂纹进入基体晶粒的扩展 117

3.4.6 韧脆转变下平台温度区间第三个子区间中韧性快速提升的机理 121

3.4.7 晶粒尺寸裂纹进入相邻晶粒的扩展 122

3.4.8 韧性断裂至脆性断裂转变机理 123

参考文献 126

第4章 解理断裂的临界事件 130

4.1 解理断裂临界事件的物理意义 130

4.2 确定解理断裂临界事件的方法 132

4.2.1 断裂试样或者卸载试样中残留裂纹的观察 132

4.2.2 解理起裂源处微观组织的观察 133

4.2.3 建立宏观韧性参数和表征微观组织特征的参数之间的关系 133

4.2.4 根据起裂源的位置和最大拉伸正应力的位置的相对关系确定临界事件 134

4.2.5 使用Griffith公式判定解理断裂应力σf与关键微观组元之间的关系 135

4.2.6 卸载试样钝化裂纹尖端附近区域的观察 135

4.3 解理断裂的临界事件 135

4.3.1 裂纹形核作为临界事件，其准则为ε≥εpcp 136

4.3.2 第二相颗粒尺寸的裂纹穿过第二相颗粒／晶粒边界进入相邻晶粒的扩展作为临界事件，其准则为σyy≥σf（c） 136

4.3.3 晶粒尺寸的裂纹穿过晶粒／晶粒边界进入相邻晶粒的扩展成为临界事件，其准则为σyy≥σf（f） 137

4.4 临界事件的变化 138

4.4.1 临界事件随试样几何形状的变化而变化 138

4.4.2 临界事件随实验温度而变化 149

4.4.3 临界事件随预应变增加而变化 150

4.4.4 临界事件随加载速度增加而变化 154

4.4.5 临界事件随解理断裂应力σf的变化而变化 158

4.4.6 临界事件随组织的不同而变化 163

参考文献 163

第5章 解理断裂准则 165

5.1 解理断裂准则的物理意义 165

5.2 预裂纹尖端前的应力和应变分布 166

5.3 预裂纹试样中引发解理断裂的三个准则 167

5.4 缺口试样中引发解理断裂的两个临界准则 180

5.4.1 缺口根部前的应力和应变分布 180

5.4.2 缺口试样引发解理断裂的两个准则的确定 180

5.5 断裂距离Xf 181

5.5.1 Xf的物理意义和确定 181

5.5.2 解理断裂的最小断裂距离 184

5.5.3 断裂距离Xf的变化 186

5.5.4 Xf的测量值 188

5.6 解理断裂应力σf 189

5.6.1 σf的物理意义 189

5.6.2 拉伸正应力σyy（t） 191

5.6.3 σf的测量 192

5.6.4 σf测量值的稳定性 193

5.6.5 影响σf值的因素 205

5.6.6 σf的测量值 213

5.7 断裂塑性应变εpc 214

5.7.1 εpc的物理意义 214

5.7.2 影响εpc的因素 215

5.7.3 εpc的测量值 215

5.8 临界三向应力度Tc 216

5.8.1 Tc的物理意义 216

5.8.2 Tc的测量值 217

5.9 有效表面能γp 217

5.9.1 γp的物理意义 217

5.9.2 γp的测量值 218

参考文献 218

第6章 材料微观组织对解理断裂的影响 222

6.1 晶粒尺寸的影响 223

6.1.1 决定临界应力强化系数Qc＝σf／σy 223

6.1.2 确定解理断裂的临界事件 224

6.2 边界的影响 225

6.3 第二相颗粒的影响 228

6.4 晶粒尺寸和第二相颗粒的综合作用 231

6.4.1 对临界事件的影响 231

6.4.2 对断裂距离的影响 239

6.5 微观组织相成分对HSLA钢解理断裂的影响 240

6.5.1 淬火微观组织相成分 240

6.5.2 淬火-回火（Q-T）微观组织相成分 243

6.5.3 正火的微观组织相成分 244

6.5.4 贝氏体微观组织相成分 248

参考文献 251

第7章 宏观断裂韧性和解理断裂微观机理的相关关系 253

7.1 从解理断裂微观机理的角度来诠释宏观断裂韧性参数的物理意义 253

7.2 HSLA钢的宏观断裂机理和断裂韧性的提高 254

7.2.1 上平台转变温度区间的断裂机理和韧性的提高 255

7.2.2 下平台转变温度区间的断裂机理和韧性的提高 255

7.2.3 在转变温度区间的断裂机理和韧性的提高 256

7.3 预裂纹试样中宏观韧性的分散性与微观参数Xf、σf和εpc临界值的分散性之间的关系 258

7.3.1 KIc和因子F＝Xf1／2｛σf（1＋n）／2n／σy（1-n）／2n｝之间的关系 260

7.3.2 σf的分散度对宏观韧性分散度的影响 262

7.3.3 Xf的分散度对宏观韧性分散度的影响 263

7.3.4 εpc的分散度对宏观韧性分散度的影响 265

7.3.5 推论 267

7.3.6 在缺口试样中Xf分散的影响 267

7.4 温度、晶粒尺寸、加载速率和预应变的轻微变化引起断裂韧性的陡升 269

7.5 用微观参数预测整体断裂概率的统计模型 271

7.5.1 引言 271

7.5.2 实验 272

7.5.3 实验结果 273

7.5.4 使用微观参数预测宏观断裂概率的统计模型 276

7.6 本书提出的解理断裂微观物理模型（微观机理）的特征 284

7.6.1 HSLA钢解理断裂的微观开裂过程 284

7.6.2 解理断裂的临界事件及其变化 284

7.6.3 解理断裂的三个准则 285

7.6.4 解理断裂应力σf的稳定性 286

7.6.5 断裂韧性测量值的分散性 286

7.6.6 晶粒尺寸的影响 287

参考文献 287

第8章 特殊案例研究 290

8.1 Pop-in现象 290

8.2 热预应力（WPS）的影响 293

8.2.1 实验和有限元计算 293

8.2.2 预应力载荷对预裂纹试样表观韧性的影响 295

8.2.3 预应力载荷对缺口试样表观韧性的影响 300

8.3 多层焊缝金属的断裂 308

8.3.1 实验 308

8.3.2 裂纹形核 311

8.3.3 裂纹起裂区和韧性测量值的分散性 311

8.3.4 临界事件 315

8.3.5 薄弱环节对焊接接头整体韧性的影响 315

8.3.6 合金元素的影响 319

8.3.7 高强钢焊接接头粗晶热影响区中测得反常高的冲击韧性 319

8.3.8 决定贝氏体母材金属和焊缝金属韧性的微观组织特征 326

8.4 CODD和夏比V型冲击韧性随奥氏体化温度变化呈反向关系的机制 334

参考文献 340

第9章 TiAI合金和NiTi记忆合金的脆性断裂 343

9.1 TiAl合金的实验 343

9.1.1 材料 343

9.1.2 力学实验和试样 345

9.1.3 原位拉伸实验 346

9.1.4 金相面的观察 346

9.1.5 为了建立断裂扩展示意图进行的断口观察 347

9.1.6 为鉴别不同断裂类型进行的断口观察 350

9.1.7 位错的观察 350

9.1.8 有限元计算 351

9.2 微观开裂过程：TiAl合金中微裂纹的形核和扩展 351

9.2.1 微裂纹起裂和扩展过程的观察 351

9.2.2 微裂纹起裂和扩展的机理 355

9.3 TiAl合金试样的宏观断裂机理 363

9.3.1 临界裂纹引发的宏观断裂 363

9.3.2 损伤积累引起的宏观断裂 371

9.4 TiAl合金的韧化机理 373

9.4.1 外加载荷随着裂纹长度的扩展而增加的原因 373

9.4.2 韧化的主要微观机理 379

9.4.3 拉伸强度和缺口韧性对晶粒尺寸相反的依存关系的机理 383

9.5 损伤对TiAl合金宏观断裂的影响 386

9.5.1 微裂纹损伤引起的体积效应 386

9.5.2 微裂纹损伤引起的面积效应 390

9.5.3 加载速率对微裂纹损伤的影响 390

9.6 TiAl合金的压缩断裂机理 394

9.6.1 拉伸性能和压缩性能之间的不同 394

9.6.2 压缩实验中的裂纹起裂和扩展行为 395

9.6.3 裂纹损伤对压缩断裂行为和拉伸断裂行为的影响 396

9.6.4 压缩试样的断裂机理 400

9.7 NiTi形状记忆合金脆性断裂的微观机理 403

9.7.1 实验 404

9.7.2 扫描电镜原位拉伸实验观察到的微观断裂机理 407

9.7.3 断口观察 410

参考文献 411

术语解释 414

索引 419