剪切斷裂

在宏觀上看到的剪切斷裂，其實主要是由於細觀（低於宏觀的一個層次）上拉伸破壞引起，當對有裂紋的石膏進行直剪測試，可以發現，首先出現拉裂紋，接着出現剪切破壞。在整個剪切斷裂過程中，首先萌生一組傾斜的拉裂紋，隨着應力的增加，這些拉裂紋相互貫通，然後形成一個貫穿的剪切面，這樣最終導致了最終的剪切斷裂 ^[1]  。

合金強度提高以後,韌性一般隨之降低。對要求損傷容限性能很高的飛機結構材料來説,韌性始終是關鍵問題之一。高強鋁合金斷裂的微觀機理和提高高強鋁合金韌性的途徑問題,是我們長期研究的重點。

穿晶破斷、穿晶剪切和沿晶開裂是鋁合金的3 種基本斷裂模式。雖然鋁合金有3 種不同的斷裂模式,卻只有一種基礎斷裂機理。鋁合金的基礎斷裂機理是微孔形核、長大和聚合。第二相質點在這基礎斷裂機理中起着中心作用。

沿特定晶體學平面的解理斷裂,在鋁合金中只在非常特殊的情況下才可能出現,而且常與特定的環境條件有關。環境對鋁合金的斷裂模式通常有很大的影響。在一般情況下穿晶斷裂的合金,此時可能發生沿晶開裂。在某些情況下,環境會改變基礎斷裂微觀機理,出現類解理型斷裂 ^[2]  。

經不同熱處理的7000 系合金在拉伸時的不同失效模式。過時效試樣以通常的杯錐模式失效。 而欠時效和峯時效試樣卻顯示出剪切模式。峯時效試樣的斷口剖面。 剪切平面約與拉伸軸成45°。 剪切變形集中在很窄範圍內。峯時效試樣的斷口掃描電鏡照片。

穿晶剪切的微觀機理仍然是微孔形核、長大和聚合過程。剪切斷口宏觀上很平,但在微觀上卻仍是淺的韌窩。經不同熱處理的7000 系合金在拉伸時出現不同失效模式,試樣間的區別僅僅是微觀組織的不同,以及由之而產生的合金流變性能的改變。產生不同失效模式的原因。

為了澄清穿晶剪切模式的產生條件,我們曾對各種工業鋁合金和金屬單晶體進行過大量的實驗研究和理論分析。下面給出一些典型的結果。

7000 系合金厚板拉伸變形時表現出來的塑性變形各向異性為縱向應變，在縱向變形時,橫向應變與短橫向應變的變化不同,短橫向應變與橫向應變的比值隨縱向應變的增大而減小。短橫向應變與橫向應變的比值的絕對值大小與熱處理狀態有關,欠時效狀態時最大,峯時效時其次,過時效時最小。塑性各向異性與熱處理狀態有關,也就是説,塑性各向異性與顯微組織有關。對純鋁單晶體的研究的基本結果也是類似的。

一般情況下,變形鋁合金的斷裂模式是穿晶破斷。如合金的晶界較弱,則可能發生沿晶開裂。但合金的加工製品常有織構且其晶粒是拉長的。因而其流變行為是各向異性的。 單晶體由於其晶體學的原因,其流變行為也是各向異性的。因而,雖然其外在變形條件並非平面應變狀態,由於其晶體學的或其它的原因,可以使其塑性變形接近平面應變狀態。 這可稱為內在平面應變變形狀態. 這可以是晶體學(位向和織構) 或顯微組織的原因造成的基體形變各向異性。

當合金進行變形時,其應變硬化率均逐漸降低 ^[1]  。

對高強合金來説,在經過一定變形後,其應變硬化率將趨近於0。剪切應變局部化是產生剪切失效的前提,其基本條件為:

1) 變形的平面應變狀態(外在或內在的) ;

2) 應變硬化率趨近於0。

剪切應變局部化導致剪開,即為穿晶剪切斷裂 ^[3]  。