單向靜拉伸力學(xué)基本性能

1、第1章 單向靜拉伸力學(xué)性能 1.1 - 1.2 彈性變形 1.3 塑性變形 1.4 金屬的斷裂 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 單向靜拉伸實(shí)驗(yàn)特點(diǎn): （1）最廣泛使用的力學(xué)性能檢測(cè)手段; （2）實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)、加載速率、試 樣尺寸、溫度等都有國(guó)標(biāo)規(guī)定。 （3）最基本的力學(xué)性能（彈性、塑性、 斷裂） （4）可測(cè)力學(xué)性能指標(biāo)：強(qiáng)度（）、 塑性（、）等。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 1.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線 1.1.1 拉伸力伸長(zhǎng)曲線 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 1.1.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線（-） =F/A； =L/L A、L：分別為試樣 在試驗(yàn)前的名義面 積和標(biāo)注長(zhǎng)度。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 如果按拉伸時(shí)試樣的真實(shí)

2、截面積A和真實(shí)長(zhǎng)度 L來(lái)計(jì)算，則可得到真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(S-e) 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 1.1.3 幾種常見(jiàn)材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 1.2 彈性變形 1.2.1 彈性變形及其實(shí)質(zhì) 1.彈性變形 定義：當(dāng)外力去除后，能恢復(fù)到原來(lái) 形狀或尺寸的變形，叫彈性變形。 特點(diǎn)：?jiǎn)握{(diào)、可逆、變形量很小 （0.51.0%） 2.彈性的物理本質(zhì) 金屬的彈性性質(zhì)是金屬原子間結(jié)合力抵 抗外力的宏觀表現(xiàn)。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 1.2.2 虎克定律 （1）簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)時(shí) y- 縱向拉伸應(yīng)變 x 、z：橫向拉伸應(yīng)變 E 彈性模量 泊松比 y 拉應(yīng)力 單向拉伸 y =

3、y/E x = z = y = - y/E 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 剪切和扭轉(zhuǎn) = G 切應(yīng)力 G 切變模量 切應(yīng)變 E、G 和 的關(guān)系 G = E/2(1+) 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 （2）廣義虎克定律 當(dāng)應(yīng)力是兩向或是三向時(shí)（即復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下），應(yīng) 力與應(yīng)變的關(guān)系： 1 (1/E) *【1-(2+3)】 2 (1/E) *【2-(3+1)】 3 (1/E) *【3-(1+2)】 1、2、3 主應(yīng)力， 1、2、3 主應(yīng)變。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 1.2.3 彈性模量E 1.彈性模量的物理意義和作用 虎克定律分析：應(yīng)變?yōu)橐粋€(gè)單位時(shí)，E即等于彈性應(yīng)力，即E是 產(chǎn)生100彈性變形所需的應(yīng)力。 【

4、 y = y/E 】 物理意義：材料對(duì)彈性變形的抗力。 用途：工程上亦稱(chēng)為剛度；計(jì)算梁或其他構(gòu)件撓度時(shí)必須用之。 重要的力學(xué)性能之一。 2.影響彈性模量的因素 （見(jiàn)表1.1 不同材料常溫下的E值） 金屬原子本性和晶體學(xué)特性（不同材料、晶格，單晶VS多晶）； 溶質(zhì)原子與其強(qiáng)化； 顯微組織； 溫度； 加載速率； 其他。 合金化、熱處理（顯微組織）、冷塑性變形對(duì)E的影響較小。溫度、 加載速率對(duì)其的影響也不大。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 1.2.4 彈性極限、彈性比功 （1）比例極限p （2）彈性極限e （3）彈性比功e(彈性比能、應(yīng)變比能) 物理意義：吸收彈性變形功的能力。 幾何意義：應(yīng)力-應(yīng)變曲線上

5、彈性階段下的面積。 e = (1/2) ee 用途：制造彈簧的材料，要求彈性比功大。 Note：工程上很難測(cè)出p、 e的準(zhǔn)確而唯一的數(shù)值。它們與下面 將要介紹的屈服極限s的概念是一致的。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 1.2.5 滯彈性（彈性后效） （1） 滯彈性及其影響因素 實(shí)際金屬材料，彈性變形不 僅是應(yīng)力的函數(shù)，而且還是時(shí) 間的函數(shù)。 滯彈性在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨時(shí)間延長(zhǎng) 產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變的現(xiàn)象。 影響因素： （a）晶體中的點(diǎn)缺陷；顯微組織的不均勻性。 （b）切應(yīng)力越大，影響越大。 （c）溫度升高，變形量增加。 危害：對(duì)長(zhǎng)期承載的傳感器，影響精度。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 （2） 循

6、環(huán)韌性 彈性滯后環(huán) 由于應(yīng)變滯后于應(yīng)力，使加載曲線與卸載曲線不重 合而形成的閉合曲線，稱(chēng)為彈性滯后環(huán)。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 物理意義： 加載時(shí)消耗的變形功大于卸載時(shí)釋放的變形功?；?， 回線面積為一個(gè)循環(huán)所消耗的不可逆功。 這部分被金屬吸收的功，稱(chēng)為內(nèi)耗。 循環(huán)韌性 若交變載荷中的最大應(yīng)力超過(guò)金屬的彈 性極限，則可得到塑性滯后環(huán)塑性滯后環(huán)。 金屬材料在交變載荷下吸收不可逆變形功的能力，叫 循環(huán)韌性循環(huán)韌性。 循環(huán)韌性又稱(chēng)為消振性消振性。 循環(huán)韌性不好測(cè)量，常用振動(dòng)振幅衰減的自然對(duì)數(shù)來(lái) 表示循環(huán)韌性的大小。 循環(huán)韌性的應(yīng)用 減振材料（機(jī)床床身、缸體 等）；樂(lè)器要求循環(huán)韌性小。 單向靜拉伸力學(xué)基

7、本性能 1.3 塑性變形與應(yīng)變硬化 塑性變形 定義：外載荷卸去后，不能恢復(fù)的變形。 塑性：材料受力，應(yīng)力超過(guò)屈服點(diǎn)后，仍能繼續(xù)變形而不發(fā)生斷 裂的性質(zhì)（能力）。 “”-伸長(zhǎng)率，“”-斷面收縮率。 If 100%，常稱(chēng)為超塑性。 1.3.1 金屬塑性變形的方式及特點(diǎn) （1）塑性變形的方式 滑移 最主要的變形機(jī)制； 孿生 重要的變形機(jī)制 （注：低溫形變或快速形變，常發(fā)生）； 晶界滑動(dòng)和擴(kuò)散性蠕變 （注：只在高溫時(shí)才起作用）； 形變帶 （注：滑移和孿生都不能進(jìn)行的情況下才起作用）。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 a. 滑移 有關(guān)概念 滑移面：原子最密排面； 滑移向：原子最密排方向。 滑移系：滑移面和滑移向

8、的組合。 滑移系越多，材料的塑性越好。 晶體結(jié)構(gòu)的影響較大：fccbcchcp 滑移的臨界分切應(yīng)力 =(P/A)coscos 外應(yīng)力與滑移面法線的夾角； 外應(yīng)力與滑移向的夾角； = coscos 稱(chēng)為取向因子 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 b. 孿生 孿晶：外形對(duì)稱(chēng)，其變形部分好象由兩個(gè)相同晶體 對(duì)接起來(lái)的晶體；內(nèi)部原子排列呈鏡面對(duì)稱(chēng)于結(jié)合面。 孿晶可分為 自然孿晶和形變孿晶。 孿生的特點(diǎn)：比滑移困難；時(shí)間很短；變形量很??； 孿晶層在試樣中僅為狹窄的一層，不一定貫穿整個(gè)試 樣。 孿生與滑移的交互作用，可促進(jìn)金屬塑性變形的發(fā) 展。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 c. 形變帶 由晶體點(diǎn)陣畸變而使晶體表面出現(xiàn)的

9、彎曲區(qū)域，由 于該區(qū)域貫穿整個(gè)試樣截面并成帶狀，所以稱(chēng)為形變 帶。 相鄰滑移帶的交互作用。 多個(gè)滑移系同時(shí)動(dòng)作，正常的滑移不能進(jìn)行時(shí)，就產(chǎn) 生點(diǎn)陣彎曲，形成形變帶。 d. 三種變形機(jī)制的比較 滑移 相鄰部分滑動(dòng)，變形前后，晶體內(nèi)部原子的 排列未變化。 孿 生 變形部分與未變形部分發(fā)生取向變化。 形變帶 晶體點(diǎn)陣畸變晶體點(diǎn)陣畸變。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 (2) 塑性變形的特點(diǎn) a. 各晶粒變形的不同時(shí)性和不均勻性晶粒變形的不同時(shí)性和不均勻性 各晶粒的取向不同，即取向因子coscos不同。 對(duì)于具體材料，還存在基體相和第二相的種類(lèi)、數(shù)量、 尺寸、形態(tài)、分布的影響。 b. 變形的相互協(xié)調(diào)性變形的相

10、互協(xié)調(diào)性 多晶體作為一個(gè)整體，不允許晶粒僅在一個(gè)滑移系 中變形，否則將造成晶界開(kāi)裂。 五個(gè)獨(dú)立的滑移系開(kāi)動(dòng)，才能確保產(chǎn)生任何方向不 受約束的塑性變形。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 1.3.2 屈服與屈服強(qiáng)度 (1) 屈服 在金屬塑性變形開(kāi)始階段，外力不增加、甚至下降時(shí)， 變形繼續(xù)進(jìn)行的現(xiàn)象，稱(chēng)為屈服。 特點(diǎn)：上屈服點(diǎn)、下屈服點(diǎn) （呂德絲帶） (2) 屈服機(jī)理 外應(yīng)力作用下，晶體中位錯(cuò)萌生、增殖和運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。 a. 柯氏氣團(tuán) 位錯(cuò)與溶質(zhì)原子交互作用，位錯(cuò)被釘扎。 溶質(zhì)原子聚集在位錯(cuò)線的周?chē)?，形成柯氏氣團(tuán)。 只有 提高外應(yīng)力，位錯(cuò)才能運(yùn)動(dòng)；一旦運(yùn)動(dòng)，繼續(xù) 發(fā)生塑性變形所需的外應(yīng)力降低。 單向靜拉伸力學(xué)

11、基本性能 b. 位錯(cuò)塞積群 n個(gè)位錯(cuò)同向運(yùn)動(dòng)受阻，形成塞積群，導(dǎo)致材料要繼 續(xù)發(fā)生塑性變形必須加大外應(yīng)力；一旦障礙被沖破，繼 續(xù)發(fā)生塑性變形所需的外應(yīng)力降下。 c. 應(yīng)變速率 （單位時(shí)間的應(yīng)變量）（單位時(shí)間的應(yīng)變量）與位錯(cuò)密度 、 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率的關(guān)系 金屬材料塑性變形的 與位錯(cuò)密度、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率 及柏氏矢量b b成正比， 即： 位錯(cuò)增值， 提高外應(yīng)力, （位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)平均速率）, 晶體結(jié)構(gòu)變化，b b, *B 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 (3) 屈服強(qiáng)度 s=Fs/A 由于金屬材料存在上下屈服點(diǎn)，或者屈服點(diǎn)不明確， 一般將 0.2 0.2定為屈服強(qiáng)度。 屈服強(qiáng)度是工程上從靜強(qiáng)度角度選擇韌性材料的依屈服

12、強(qiáng)度是工程上從靜強(qiáng)度角度選擇韌性材料的依 據(jù)。據(jù)。 分析：提高 0.2 0.2 ，機(jī)件不易產(chǎn)生塑性變形；但過(guò)高的 0.2 0.2 ，又不利于某些應(yīng)力集中部位的應(yīng)力重新分布， 容易引起脆性斷裂。這在材料強(qiáng)韌化和選材應(yīng)用中要 十分重視。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 1.3.3 影響屈服強(qiáng)度的因素 （1）內(nèi)因 a. 金屬本性及晶格類(lèi)型 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力：晶格阻力（P-N力）；位錯(cuò)交互作用產(chǎn)生的阻力。 P-N力 fcc 位錯(cuò)寬度大，位錯(cuò)易運(yùn)動(dòng)；bcc 反之。 位錯(cuò)交互產(chǎn)生的阻力 平行位錯(cuò)間交互作用產(chǎn)生的阻力；運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與 林位錯(cuò)交互作用產(chǎn)生的阻力。 b. 溶質(zhì)原子和點(diǎn)缺陷 形成晶格畸變（間隙固溶，空位） 單向

13、靜拉伸力學(xué)基本性能 c. 晶粒大小和亞結(jié)構(gòu) 晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。 要使相鄰晶粒的位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)，須加大外應(yīng)力。 HallPetch關(guān)系式 = i + Ks * d-1/2 i （理解為）位錯(cuò)在基體金屬中運(yùn)動(dòng)的總阻力； d 晶粒平均直徑 細(xì)化晶粒，可提高材料強(qiáng)度。 d. 第二相 不可變形第二相，位錯(cuò)只能繞過(guò)它運(yùn)動(dòng)。 可變形第二相，位錯(cuò)可切過(guò)。 第二相的作用，還與其尺寸、形狀、數(shù)量及分布有關(guān)；同時(shí)，第二相 與基體的晶體學(xué)匹配程度也有關(guān)。 （2）外因 溫度提高，位錯(cuò)易運(yùn)動(dòng)，s。 例：高溫鍛造，“乘熱打鐵” 應(yīng)變速率提高，s。 應(yīng)力狀態(tài) 切應(yīng)力，s。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 1.3.4 應(yīng)變硬化 或稱(chēng)形

14、變硬化形變硬化，加工硬化加工硬化 （1）意義 a. 應(yīng)變硬化和塑性變形適當(dāng)配合，可使 金屬進(jìn)行均勻塑性形變?！耙嗖揭嘹呉嗖揭嘹叀?b.使構(gòu)件具有一定的抗偶然過(guò)載能力。 c. 強(qiáng)化金屬，提高力學(xué)性能。 d.提高低碳鋼的切削加工性能。 (2）應(yīng)變硬化機(jī)理 a. 三種單晶體金屬的應(yīng)力 應(yīng)變曲線 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 b. 應(yīng)變硬化機(jī)理 易滑移階段：?jiǎn)蜗祷?hcp金屬（Mg、Zn） 不能產(chǎn)生多系滑稱(chēng)，易滑移段長(zhǎng)。 線性硬化階段：多系滑移 位錯(cuò)交互作用，形成割階、 面角位錯(cuò)、胞狀結(jié)構(gòu)等；位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻 力增大。 拋物線硬化階段：交滑移，或雙 交滑移，刃型位錯(cuò)不能產(chǎn)生交滑移。 多晶體，一開(kāi)動(dòng)便是多系滑移

15、， 無(wú)易滑移階段。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 (3) 應(yīng)變硬化指數(shù) Hollomon關(guān)系式： S = k en (真應(yīng)力S VS 真應(yīng)變e 的關(guān)系） n應(yīng)變硬化指數(shù)；k硬化系數(shù) n n （應(yīng)變硬化指數(shù)）值大小應(yīng)變硬化指數(shù)）值大小 反映了金屬材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力。反映了金屬材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力。 分析：n=1，理想彈性體; n=0，材料無(wú)硬化能力。大多數(shù)金屬材料的n 值在0.10.5之間。 層錯(cuò)能低的材料應(yīng)變硬化程度大;高M(jìn)n鋼（ZGMn13），層錯(cuò)能力低， n大 可證明，應(yīng)變硬化指數(shù)n在數(shù)值上等于材料形成拉伸縮頸時(shí)的真實(shí)均勻 應(yīng)變量。（n值與材料成形極限之間的相互關(guān)系？） n值對(duì)應(yīng)變

16、硬化效果有重要影響：n值大者，應(yīng)變硬化效果就很突出。 應(yīng)用：金屬材料的冷軋、冷拉拔，表面應(yīng)變硬化（噴丸，滾壓等），尤其對(duì) 不能用熱處理方法強(qiáng)化的金屬材料，具有重要意義。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 1.3.5 縮頸現(xiàn)象 (1) 縮頸 a. 縮頸的意義 變形集中于局部區(qū)域 失穩(wěn)的臨界條件。 b. 縮頸的判據(jù)(根據(jù)塑性變形時(shí)，體積不變的條件，可求得) S = ds/de (式1-22) 在縮頸點(diǎn)處，Sb = k*eBn n Sb 試樣的真實(shí)抗拉強(qiáng)度 eB 最大真實(shí)應(yīng)變量 積分，得 eB = n 結(jié)論：當(dāng)金屬材料的應(yīng)變硬化指數(shù) n 等于最大真實(shí) 均勻塑性應(yīng)變量時(shí)，便產(chǎn)生縮頸。 所以，n值大時(shí)，材料的均勻

17、塑性變形能力強(qiáng)！ c. 頸部的三向拉應(yīng)力狀態(tài) 承受三向拉應(yīng)力（相當(dāng)于厚板單向拉伸，平面應(yīng)變狀 態(tài)） 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 (2) 抗拉強(qiáng)度 b 實(shí)際材料在靜拉伸下最大承載應(yīng)力。 技術(shù)意義： a. 易于測(cè)定，重現(xiàn)性好 b. 不能作為韌性材料的設(shè)計(jì)參數(shù)，脆性材料可以用。 c. s/b對(duì)材料成型加工極為重要。 較小的s/b比值幾乎對(duì)所有的沖壓成型都是有利的。 d. b與材料硬度HB、疲勞極限-1之間有一定經(jīng)驗(yàn)關(guān)系： 如： b（1/3）HB；淬火鋼-1（1/2）b 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 1.3.6 塑性 (1) 塑性與塑性指標(biāo) 材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。（、） 比例試樣： L0=5d0 或 L

18、0=10d0 （ L0 - 標(biāo)注長(zhǎng)度 、d0 - 名義截面直徑） 由于大多數(shù)材料的集中塑性變形量大于均勻變形量，510 (斷后伸長(zhǎng)率，意味著“試樣越短，越反映集中塑性變形能力”) 金屬拉伸時(shí)，當(dāng) 時(shí)，產(chǎn)生縮頸；反之，不產(chǎn)生。 反映了材料斷裂前的最大塑性變形量。而則未能顯示材料 的最大塑性變形。 冶金因素對(duì)的影響更突出， 比比 對(duì)組織變化更為敏感。對(duì)組織變化更為敏感。 最大力下的總伸長(zhǎng)率與原始標(biāo)距的百分比 qt，實(shí)際上是金屬材 料拉伸時(shí)產(chǎn)生的最大均勻塑性變形（工程應(yīng)變量） eB=ln(1+qt) qt對(duì)于評(píng)定沖壓板材的成型能力很有用。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 (2) 塑性的意義和影響因素 意義：

19、 a. 確保安全，防止產(chǎn)生突然破壞； b. 緩和應(yīng)力集中； c. 軋制、擠壓等冷熱加工變形； 影響因素： a. 細(xì)化晶粒，塑性； b. 軟的第二相，塑性； c. 溫度提高，塑性； d. 固溶、硬的第二相等，塑性。 (3) 塑性的綜合性能指標(biāo) s/b （屈強(qiáng)比） s/b ，材料的塑性。 b/V （體積比強(qiáng)度）b/V，減輕構(gòu)件的重量。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 1.3.7 靜力韌度 韌性：材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力吸收塑性變形功和斷裂功的能力。（或者材 料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，J/m3 ），是材料的力學(xué)性能。 靜力韌度靜力韌度U UT T ：靜拉伸時(shí)，單位體積材料斷裂所吸收的功（是強(qiáng) 度和

20、塑性的綜合指標(biāo)）。J/m3 此外還有沖擊韌度、斷裂韌度。 對(duì)韌性材料： UT b * 或 UT （1/2）* (s +b) * 工程意義：對(duì)按照屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)、有偶而過(guò)載的機(jī)件必須考慮 （如鏈條、起重吊鉤等，服役特點(diǎn)：沖擊加載）。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 1.4 金屬的斷裂 斷裂：在外載作用下，材料完全破斷為兩個(gè)部分以上的現(xiàn)象。 （斷裂是機(jī)件三大失效形式之一/其他還有腐蝕、磨損，它使材 料失去完整性） 斷裂發(fā)生存在突然性：不僅出現(xiàn)在高應(yīng)力和高應(yīng)變時(shí)；也發(fā)生在低應(yīng)斷裂發(fā)生存在突然性：不僅出現(xiàn)在高應(yīng)力和高應(yīng)變時(shí)；也發(fā)生在低應(yīng) 力和無(wú)明顯塑性變形條件下力和無(wú)明顯塑性變形條件下！對(duì)此不可輕視！ 1.4.

21、1 斷裂的基本類(lèi)型 (1) 按斷裂前塑性變形量的大小 分：脆性斷裂、韌性斷裂 (2) 斷裂面的取向 分： 正斷、切斷 (3) 裂紋擴(kuò)展的途徑 分： 穿晶斷裂、沿晶斷裂 (4) 斷裂機(jī)理 分： 解理斷裂、微孔聚集型斷裂、純剪切斷裂 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 1.4.2 斷裂及斷口特征 （1 1）韌性斷裂與脆性斷裂（）韌性斷裂與脆性斷裂（宏觀） a. a. 韌性斷裂韌性斷裂 斷裂特點(diǎn)： 斷裂前，宏觀變形明顯；過(guò)程緩慢； 斷裂面一般平行于最大切應(yīng)力，并與主應(yīng)力成45o角。 斷口特征 斷口呈纖維狀、灰暗色，杯錐狀。 斷口特征三要素： 纖維區(qū)F、放射區(qū)R、剪切唇S F纖維區(qū)：裂紋快

22、速擴(kuò)展，撕裂時(shí)塑性變形量大， R放射區(qū)：放射線粗。 S剪切唇：切斷。 其危害程度不及脆性斷裂，斷裂前機(jī)件已變形失效。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 b. 脆性斷裂脆性斷裂 斷裂特點(diǎn) 斷裂前基本不發(fā)生塑性變形，無(wú)明顯前兆； 斷口與正應(yīng)力垂直。 斷口特征 平齊光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀； 人字紋花樣的放射方向與裂紋擴(kuò)展方向平行。 通常，脆斷前也產(chǎn)生微量的塑性變形，一般規(guī)定： 5% 5 5時(shí)為韌性斷裂。時(shí)為韌性斷裂。 可見(jiàn)，金屬材料的韌性與脆性是根據(jù)一定條件下的塑性變形量 來(lái)規(guī)定的。 條件改變，材料的韌性與脆性行為會(huì)隨之而改變。 例如：T、脆性。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 （2）穿晶斷裂與沿晶斷裂（微觀） 特

23、點(diǎn)： 穿晶斷裂裂紋穿過(guò)晶界。 沿晶斷裂裂紋沿晶擴(kuò)展。 穿晶斷裂，可以是韌性或脆性斷裂；兩者有時(shí) 可混合發(fā)生。 沿晶斷裂（斷口形貌呈冰糖狀，如圖1-20），多數(shù) 是脆性斷裂。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 （3）純剪切斷裂、微孔聚集型斷裂、解理斷裂（機(jī)理） a. 純剪切斷裂 沿滑移面分離而造成的分離斷裂。 b. 微孔聚集型斷裂 微孔形核、長(zhǎng)大、聚合導(dǎo)致材料分離。 c. 解理斷裂 以極快速率沿一定晶體學(xué)平面(解理面)產(chǎn)生的穿晶斷裂。 解理面一般是指低指數(shù)晶面或表面能量低的晶面。 （表1-6，P28） fcc 金屬一般不發(fā)生解理斷裂。 解理斷裂總是脆性斷裂。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 1.4.3 解理斷裂機(jī)

24、理和微觀斷口特征 （1）解理裂紋的形成和擴(kuò)展 （裂紋的萌生，擴(kuò)展） 材料斷裂前總會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形。而塑性變形與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。 a. 位錯(cuò)塞積理論 位錯(cuò)塞積頭處，應(yīng)力集中，超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，裂紋形成。其塞積頭處的 最大拉應(yīng)力為： （1-31） （i） 滑移面上的有效切應(yīng)力 d晶粒直徑,從位錯(cuò)源S到塞積頭O的距離為d/2 r自位錯(cuò)塞積頭到裂紋形成點(diǎn)的距離 可推導(dǎo)， m （Es/a0)1/2 （參見(jiàn)五、1） m-理想晶體沿解理面斷裂的理論斷裂強(qiáng)度 E-彈性模量，s表面能， a0原子晶面間距 討論：E越小、 s越小， m越低。沿晶面間距越大（a0越小）的原子平面斷裂時(shí)的 m越低。 2 1 max

25、 ) 2/ )( r d if 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 柯垂耳用能量分析法導(dǎo)出 解理裂紋擴(kuò)展的臨界條件解理裂紋擴(kuò)展的臨界條件 為： 外加應(yīng)力 nb b = 2 （1-34） n 塞積的位錯(cuò)數(shù) b b 位錯(cuò)柏氏矢量的模 理解：為產(chǎn)生解理斷裂，裂紋擴(kuò)展時(shí)外加正應(yīng)力所作的功必須等于（能補(bǔ)償） 產(chǎn)生裂紋新表面的表面能。 *n*b b“外加正應(yīng)力同時(shí)推動(dòng)n個(gè)塞積的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)b b距離所做的功” 分析:(1)據(jù)圖121，裂紋底部邊長(zhǎng) 也就是 切變位移nb，nb是（i）作 用的結(jié)果，設(shè)滑移帶穿過(guò)直徑為d的晶粒，則原來(lái)分布在滑移帶上的彈性 剪切位移為： 。 (2)滑移帶上的切應(yīng)力因出現(xiàn)塑性位移nb而被松弛，則彈

26、性剪切位移應(yīng) 等于塑性位移，即： （1-35） d G i bnd G i 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 將式（135）代入式（134），得： （1-36） 因?yàn)榍r(shí)（s）裂紋已形成， s又與晶粒直徑之間存在Hall Petch關(guān)系，i.e., 代入式（136），得： （1-37） c長(zhǎng)度相當(dāng)于直徑d的裂紋擴(kuò)展所需之應(yīng)力，或裂紋體的實(shí)際斷裂 強(qiáng)度，式（137）即為屈服時(shí)產(chǎn)生解理斷裂的判據(jù)屈服時(shí)產(chǎn)生解理斷裂的判據(jù)。 可見(jiàn)，d減小， c。晶粒細(xì)化，材料的強(qiáng)度，材料的脆性減??； 第二相質(zhì)點(diǎn)的平均自由程入越小，材料的強(qiáng)度。 Gd S i 2 dk yis 2 1 d G k y S c 2 單向靜拉伸力學(xué)

27、基本性能 （1）解理裂紋的形成和擴(kuò)展 a. 位錯(cuò)塞積理論 （前面剛討論） b. 位錯(cuò)反應(yīng)理論 位錯(cuò)反應(yīng)，形成新的位錯(cuò)，能量降低，有利于裂紋形核。 c. 史密斯理論（脆性材料萌生裂紋） 位錯(cuò)塞積，在脆性相內(nèi)萌生裂紋。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 （2）解理斷裂的微觀斷口特征電鏡觀察 a. 河流狀（圖1-25） 解理臺(tái)階，匯合臺(tái)階高度足夠大形成河流狀 花樣。 裂紋跨越若干相互平行的而且位于不同高度 的解理面。 解理臺(tái)階是沿兩個(gè)高度不同的平行解理面上 擴(kuò)展的解理裂紋相交時(shí)形成的。 其方式為：解理裂紋與螺位錯(cuò)相交形成；通 過(guò)二次解理成撕裂形成。 “河流”的流向與裂紋擴(kuò)展方向一致。微觀 上，可從河流的反方向

28、尋找斷裂源。 船用鋼板解理斷口上的河流花樣船用鋼板解理斷口上的河流花樣 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 晶界對(duì)解理斷口的影響: - 小角度傾斜晶界 裂紋能越過(guò)晶界，“河流”可延續(xù)到相鄰晶粒內(nèi)。 - 扭轉(zhuǎn)晶界（位向差大） 裂紋不能直接穿過(guò)晶界，必須重新形核。 裂紋將沿若干組新的相互平行的解理面擴(kuò)展， 形成新的“河流”。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 b. 舌狀花樣 解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展留下的 舌狀凹坑或凸臺(tái)。 （見(jiàn)圖） c. 準(zhǔn)解理 由于晶體內(nèi)存在彌散硬質(zhì)點(diǎn)， 解理裂紋起源于晶內(nèi)硬質(zhì)處點(diǎn)，形成 從晶內(nèi)某點(diǎn)發(fā)源的放射狀河流花樣。 準(zhǔn)解理不是獨(dú)立的斷裂機(jī)制。是 解理斷裂的變種。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 1.4.4

29、 微孔聚集斷裂機(jī)理和微觀斷口特征 (1) 斷裂機(jī)理 a. 微孔形核 點(diǎn)缺陷聚集、第二相質(zhì)點(diǎn)碎裂或脫落； 位錯(cuò)引起的應(yīng)力集中，不均勻塑性形變。 b. 微孔長(zhǎng)大 滑移面上的位錯(cuò)向微孔運(yùn)動(dòng)，使其長(zhǎng)大。 c. 微孔聚合 應(yīng)力集中處，裂紋向前推進(jìn)一定長(zhǎng)度。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 (2) 微觀斷口特征 韌窩（火山口式、圓形、橢圓形）（圖1-32） （1）韌窩形狀 （a）正應(yīng)力 微孔的平面，形成等軸韌窩； 退火低碳鋼拉伸試樣中心纖維區(qū)就是等軸韌窩。 （b）拉長(zhǎng)韌窩 扭轉(zhuǎn)、或雙向不等應(yīng)力狀態(tài)；切應(yīng)力，形成拉長(zhǎng)韌窩； （c）撕裂韌窩 拉、彎應(yīng)力狀態(tài)； （2）影響韌窩大小因數(shù) 基體材料的塑性變形能力和應(yīng)變硬化指數(shù)； 第二相質(zhì)點(diǎn)的大小和密度。 韌窩可以看成是微觀尺度上的“縮頸”。 注意注意：微觀上出現(xiàn)韌窩，宏觀上不一定是韌性斷裂； 而宏觀上為脆性斷裂，在局部區(qū)域內(nèi)也可能有塑性變形，從而顯示出韌窩形 態(tài)。 單向靜拉伸力學(xué)基本性能 1.4.5 斷裂強(qiáng)度 (1) 理論斷裂強(qiáng)度 “原子間結(jié)合力”模型 完整晶體，原子間作用力與原子間位移關(guān) 系式 m代表晶體在彈性狀態(tài)下的最大 結(jié)合力理論斷裂強(qiáng)度。 0 2a E m xx Sin 22 0 a x EE m