材料力學(xué)性能2

1、第五節(jié) 斷裂Your Subtitle Goes Here 磨損、腐蝕和斷裂是機(jī)件的三種主要失效形式，其中以斷裂的危害最大。 斷裂是材料的一種十分復(fù)雜的行為，在不同的力學(xué)、物理和化學(xué)環(huán)境下，會(huì)有不同的斷裂形式。 研究斷裂的主要目的是防止斷裂，以保證構(gòu)件在服役過程中的安全。 前言前言斷裂分類：斷裂分類：韌性斷裂（韌性斷裂（ductile fractureductile fracture）和脆）和脆性斷裂性斷裂(brittle fracture)(brittle fracture)兩大類。兩大類。按性態(tài)分類：脆性斷裂脆性斷裂也產(chǎn)生微量塑性變形，一般規(guī)定光滑試也產(chǎn)生微量塑性變形，一般規(guī)定光滑試件的斷

2、面收縮率件的斷面收縮率小于小于5%為脆性斷裂；反之，為脆性斷裂；反之，大于大于5%為韌性斷裂。為韌性斷裂。韌性斷裂是金屬材料斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂，用肉眼或放大鏡觀察時(shí)，斷口呈纖維狀，灰暗色 在不同的場(chǎng)合下，用不同的術(shù)語(yǔ)描述斷裂的特征。解理斷裂、純剪切斷裂和微孔聚合型的延性斷裂，是指斷裂的微觀機(jī)制。 按機(jī)制分類正斷和切斷，是指引發(fā)正斷和切斷，是指引發(fā)斷裂的緣因斷裂的緣因和斷裂面的取向；和斷裂面的取向；穿晶斷裂和沿晶斷裂穿晶斷裂和沿晶斷裂，是指裂紋擴(kuò)，是指裂紋擴(kuò)展路線。展路線。按路徑按路徑按取向一、靜拉伸斷口低塑性或均勻變形量很小材料，其斷口齊平，垂宣于最大拉應(yīng)力方向。鑄鐵、淬火低溫回

3、火的高碳鋼、高錳鋼，其斷裂均屬a、b類型塑性很好，試樣斷面可減細(xì)到近于一尖刃，沿最大切應(yīng)力方向斷開，對(duì)于很純的純金屬像金、鉛等可以表現(xiàn)為這種類型如圖 (e)多數(shù)金屬材料在靜拉伸時(shí)都會(huì)出現(xiàn)頸縮，先在中心開裂，然后向外延仲，在試樣表面，沿最大切應(yīng)力方向斷開，斷口形如杯口狀，又叫杯椎狀斷口拉伸斷口三要素拉伸試樣的宏觀斷口觀察，可看出多數(shù)情況下有三個(gè)區(qū)域第一個(gè)區(qū)域在試樣的中心位置，叫做纖維區(qū)裂紋首先在該區(qū)形成，顏色灰暗，表面起伏較大，如山脊，表明裂紋擴(kuò)展時(shí)伴有較大的塑變，裂紋擴(kuò)展慢表面較光亮平坦，有較細(xì)的放射狀狀條紋，裂紋在該區(qū)擴(kuò)展較快第二個(gè)區(qū)域?yàn)榉派鋮^(qū)第三個(gè)區(qū)域剪切唇接近試樣邊緣，應(yīng)力狀態(tài)改變最后沿

4、著4050剪切斷裂試樣塑性的好壞，由這三個(gè)區(qū)域的比例而定脆性材料：放射區(qū)較大，則材料的塑性低，因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域是裂紋快速擴(kuò)展部分，伴隨的塑性交形也小塑性好的材料，纖維區(qū)和剪切唇占很大比例，甚至中間的放射區(qū)可以消失影響這三個(gè)區(qū)比例的主要因素材料強(qiáng)度：高強(qiáng)鋼40CrNiMo熱處理硬度46HRC，其拉伸斷口，幾乎整個(gè)斷口都由放射區(qū)構(gòu)成，纖維狀區(qū)消失了，邊緣只有很少的剪切唇。試驗(yàn)溫度：但如試驗(yàn)溫度增高至80以上，纖維區(qū)急劇增加，這時(shí)材料表現(xiàn)出明顯的韌斷特征杯椎試樣形成杯椎試樣形成中心部分夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)碎裂、或使夾雜物質(zhì)點(diǎn)與基體界面脫離而形成微孔試樣產(chǎn)生縮頸，應(yīng)力狀態(tài)由單向變?yōu)槿?，中心軸向應(yīng)力最大微孔

5、合并形成裂紋材料的硬度和強(qiáng)度很高，又處于低溫環(huán)境，拉伸斷口對(duì)圓形試樣，就變成圖19(a)所示的形貌，斷面上有許多放射狀條紋，這些條紋匯聚于一個(gè)中心，這個(gè)中心區(qū)域就是裂紋源板狀試樣，斷裂呈“人”字形花樣“人”字的尖端指向裂紋源，這對(duì)于分析壓力容器或構(gòu)件的失效是有幫助的。 脆性斷裂的宏觀特征，理論上脆性斷裂的宏觀特征，理論上講，是斷裂前不發(fā)生塑性變形，講，是斷裂前不發(fā)生塑性變形，而裂紋的擴(kuò)展速度往往很快，而裂紋的擴(kuò)展速度往往很快，接接近音速近音速。 脆性斷裂前脆性斷裂前無明顯的征兆無明顯的征兆可可尋，且斷裂是突然發(fā)生的，因而尋，且斷裂是突然發(fā)生的，因而往往引起嚴(yán)重的后果。因此，防往往引起嚴(yán)重的后果

6、。因此，防止脆斷。止脆斷。一、脆性斷裂脆性斷裂脆斷事故事例1943.1.16日，美國(guó)的T-2型油船在碼頭發(fā)生斷裂，沿甲板擴(kuò)展，幾乎使這條船完全斷開。破壞是突然發(fā)生的，當(dāng)時(shí)海面平靜，天氣溫和，其計(jì)算的甲板應(yīng)力只有7.0kg/mm2。(2)1944.10.20在美國(guó)東俄亥俄州煤氣公司液化氣貯存基地，該基地有三臺(tái)內(nèi)徑為17.4m的圓筒形貯罐。事故是由圓筒形貯罐開始，首先在1/31/2的高度處噴出氣體和液體，接著是雷鳴般的轟鳴聲，化為火焰，然后貯罐爆炸，形成大火。貯罐的破裂造成128人死亡，損失達(dá)680萬(wàn)美元。(3)1999年1月4日，重慶一座彩虹橋突然發(fā)生垮塌，造成40人死亡，14人受傷。5.2.1

7、 解理斷裂解理斷裂 脆性斷裂的微觀機(jī)制有解理斷裂和晶間斷裂。 解理斷裂:是材料在拉應(yīng)力的作用下，由于原于間結(jié)合鍵遭到破壞，嚴(yán)格地沿一定的結(jié)晶學(xué)平面(即所謂“解理面”)劈開而造成的斷裂。 解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指數(shù)的晶面。 解理斷口的宏觀形貌是較為平坦的、發(fā)亮的結(jié)晶狀斷面。 解理斷口的微觀形貌似應(yīng)為一個(gè)平坦完整的晶面。但實(shí)際晶體總是有缺陷存在，如位錯(cuò)、第二相粒子等等。 解理斷裂實(shí)際上不是沿單一的晶面，而是沿一族相互平行的晶面(均為解理面)解理而引起的。在不同高度上的平行解理面之間形成了所謂的解理臺(tái)階。在電子顯微鏡下，解理斷口的特征是河流狀花樣，河流狀花樣是由解理臺(tái)階的側(cè)面匯合而

8、形成的。宏觀：宏觀：結(jié)晶狀，平齊而光亮，有閃亮小刻面。結(jié)晶狀，平齊而光亮，有閃亮小刻面。 無明顯變形。無明顯變形。微觀：微觀：平坦的平坦的解理臺(tái)階解理臺(tái)階與與河流花樣、舌狀花樣河流花樣、舌狀花樣。（a） （b）脆性結(jié)晶狀斷口的宏觀及微觀形貌脆性結(jié)晶狀斷口的宏觀及微觀形貌（a）宏觀形貌 （b）微觀解理花樣脆性斷口特征脆性斷口特征解理臺(tái)階解理臺(tái)階是沿兩個(gè)是沿兩個(gè)高度不同高度不同的的平行平行解理面上擴(kuò)展解理面上擴(kuò)展的解理裂紋相交時(shí)形的解理裂紋相交時(shí)形成的。其形成方式有兩種成的。其形成方式有兩種通過通過解解理裂紋理裂紋與與螺旋位錯(cuò)交割螺旋位錯(cuò)交割而形成；同而形成；同號(hào)臺(tái)階相遇便匯合長(zhǎng)大，異號(hào)臺(tái)階號(hào)臺(tái)階

9、相遇便匯合長(zhǎng)大，異號(hào)臺(tái)階相遇互相抵消。相遇互相抵消。 通過通過二次解理二次解理或或撕裂撕裂而形成。而形成。通過通過解理裂紋解理裂紋與與螺旋位錯(cuò)交割螺旋位錯(cuò)交割而形成而形成通過通過二次解理二次解理或或撕裂撕裂而形成。而形成。 解理斷裂的另一個(gè)微觀特征是解理斷裂的另一個(gè)微觀特征是舌狀花樣舌狀花樣；它；它類似于伸出來的小舌頭，是解理裂紋沿類似于伸出來的小舌頭，是解理裂紋沿孿晶孿晶界界擴(kuò)展而留下的擴(kuò)展而留下的舌狀凸臺(tái)舌狀凸臺(tái)或或凹坑凹坑。 準(zhǔn)解理斷裂多在馬氏體回火鋼中出現(xiàn)?；鼗甬a(chǎn)物中細(xì)小的碳化物質(zhì)點(diǎn)影響裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。 準(zhǔn)解理斷裂時(shí)，其解理面除(001)面外，還有(110)、(112)等晶面。 解理

10、小平面間有明顯的撕裂棱。河流花樣已不十分明顯。撕裂棱的形成過程可用圖示意地說明，它是由一些單獨(dú)形核的裂紋相互連接而形成的。準(zhǔn)解理的細(xì)節(jié)尚待研究，但已知它和解理斷裂有如下的不同：準(zhǔn)解理裂紋常起源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)，向四周放射狀地?cái)U(kuò)展，而解理裂紋則自晶界一側(cè)向另一側(cè)延伸；準(zhǔn)解理斷口有許多撕裂棱；準(zhǔn)解理斷口上局部區(qū)域出現(xiàn)韌窩，是解理與微孔聚合的混合型斷裂。準(zhǔn)解理斷裂的主要機(jī)制仍是解理，其宏觀表現(xiàn)是脆性的。所以，常將準(zhǔn)解理斷裂歸入脆性斷裂。5.2.3 沿晶斷裂沿晶斷裂沿晶斷裂是裂紋沿晶界擴(kuò)展的一種脆性斷裂。裂紋擴(kuò)展總是沿著消耗能量最小，即原子結(jié)合力最弱的區(qū)域進(jìn)行的。一般情況下，晶界不會(huì)開裂。發(fā)生沿晶斷裂，勢(shì)

11、必由于某種原因降低了晶界結(jié)合強(qiáng)度。沿晶斷裂的原因大致有：沿晶斷裂的原因大致有：晶界存在連晶界存在連續(xù)分布的脆性第二相續(xù)分布的脆性第二相( (例如例如, ,二次滲碳體二次滲碳體) )，微量有害雜質(zhì)元素在晶界上偏聚微量有害雜質(zhì)元素在晶界上偏聚，由由于環(huán)境介質(zhì)的作用損害了晶界于環(huán)境介質(zhì)的作用損害了晶界，如，如氫脆氫脆、應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕、應(yīng)力應(yīng)力和和高溫的復(fù)合作用高溫的復(fù)合作用在晶界在晶界造成損傷。造成損傷。鋼 的 高 溫 回 火 脆 性 是 微 量 有 害 元 素鋼 的 高 溫 回 火 脆 性 是 微 量 有 害 元 素P,Sb,As,SnP,Sb,As,Sn等偏聚于晶界，降低了晶界原等偏聚于晶界，

12、降低了晶界原子間的結(jié)合力，從而大大降低了裂紋沿晶子間的結(jié)合力，從而大大降低了裂紋沿晶界擴(kuò)展的抗力，導(dǎo)致沿晶斷裂。界擴(kuò)展的抗力，導(dǎo)致沿晶斷裂。沿晶斷裂的斷口示意圖與真實(shí)形貌圖5.3 理論斷裂強(qiáng)度和脆斷強(qiáng)度理論 5.3.1 理論斷裂強(qiáng)度晶體的理論強(qiáng)度應(yīng)由原子間結(jié)合力決定，現(xiàn)估算如下：一完整晶體在拉應(yīng)力作用下，會(huì)產(chǎn)生位移。原子間作用力與原子間位移關(guān)系曲線曲線上的最高點(diǎn)代表晶體的最大結(jié)合力，即理論斷裂強(qiáng)度。作為一級(jí)近似，該曲線可用正弦曲線表示 =msin(2x/) （5-1）式中x為原子間位移, 為正弦曲線的波長(zhǎng)。如位移很小，則sin(2x/ )=(2x/)，于是 =m(2x/) （5-2）根據(jù)虎克定

13、律，在彈性狀態(tài)下， =Ee=Ex/a0 (5-3)式中E為彈性模量；e為彈性應(yīng)變；a。為原子間的平衡距離。合并式（5-2）和（5-3），消去x，得 m=E/2a0 (5-4)另一方面，晶體脆性斷裂時(shí)，形成兩個(gè)新的表面，需要表面形成功2，其值應(yīng)等于釋放出的彈性應(yīng)變能，可用圖5-10中曲線下所包圍的面積來計(jì)算得:U0=0/2 msin(2x/)dx=m/=2(55) 代入式(54),消去,得 m=（E/a0）1/2 (56)這就是理想晶體解理斷裂的理論斷裂強(qiáng)度。可見，在E，a0一定時(shí)，m與表面能有關(guān)，解理面往往是表面能最小的面，可由此式得到理解。如用實(shí)際晶體的如用實(shí)際晶體的E，a0，值代入式值代入

14、式(5-6)計(jì)算，例如鐵，計(jì)算，例如鐵，E=2105 MPa ， a0=2.510-10 m，=2 J/m2, 則則m4104 MPaE/5。高強(qiáng)度鋼，其強(qiáng)度只相當(dāng)于高強(qiáng)度鋼，其強(qiáng)度只相當(dāng)于E/100，相，相差差20倍。倍。在實(shí)際晶體中在實(shí)際晶體中必有某種缺陷必有某種缺陷，使其斷使其斷裂強(qiáng)度降低。裂強(qiáng)度降低。5.3.2Griffith(格里菲思)理論 Griffith在1921年提出了裂紋理論。 Griffith假定在實(shí)際材料中存在著裂紋，當(dāng)名義應(yīng)力還很低時(shí)，裂紋尖端的局部應(yīng)力已達(dá)到很高的數(shù)值，從而使裂紋快速擴(kuò)展，并導(dǎo)致脆性斷裂。設(shè)想有一單位厚度的無限寬形板，對(duì)其施加一拉應(yīng)力后，與外界隔絕能源

15、。無限寬板中的中心穿透裂紋鉻在鋼中的作用 （1）鉻可提高鋼的強(qiáng)度和硬度。 （2）鉻可提高鋼的高溫機(jī)械性能。 （3）使鋼具有良好的抗腐蝕性和抗氧化性 （4）阻止石墨化 （5）提高淬透性。 缺點(diǎn)：鉻是顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度鉻能促進(jìn)鋼的回火脆性。Backdrops:- These are full sized backdrops, just scale them up!- Can be Copy-Pasted out of Templates for use anywhere!Title BackdropSlide BackdropPrint B板材每單位體積的彈性能為2/2E。長(zhǎng)度為2a的裂紋，

16、則原來彈性拉緊的平板就要釋放彈性能。根據(jù)彈性理論計(jì)算，釋放出來的彈性能為 Ue=-2a2/E (5-7)形成新表面所需的表面能為 W=4a (5-8)整個(gè)系統(tǒng)的能量變化為 Ue+W=4a-2a2/E （5-9）系統(tǒng)能量隨裂紋半長(zhǎng)a的變化。裂紋擴(kuò)展時(shí)其尺寸與能量變化關(guān)系當(dāng)裂紋增長(zhǎng)到2ac后，若再增長(zhǎng)，則系統(tǒng)的總能量下降。從能量觀點(diǎn)來看，裂紋長(zhǎng)度的繼續(xù)增長(zhǎng)將是自發(fā)過程。臨界狀態(tài)為:（Ue+W）/ a =4-22a/E =0 （5-10）于是，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界應(yīng)力為: c=(2E/a)1/2 (5-11)臨界裂紋半長(zhǎng)為 ac=2E/2 (5-12)式(5-11)便是著名的Griffith公式。 c

17、是含裂紋板材的實(shí)際斷裂強(qiáng)度，它與裂紋半長(zhǎng)的平方根成反比;對(duì)于一定裂紋長(zhǎng)度a，外加應(yīng)力達(dá)到c時(shí),裂紋即失穩(wěn)擴(kuò)展。承受拉伸應(yīng)力時(shí)，板材中半裂紋長(zhǎng)度也有一個(gè)臨界值ac，當(dāng)a ac時(shí)，就會(huì)自動(dòng)擴(kuò)展。而當(dāng)aac時(shí)，要使裂紋擴(kuò)展須由外界提供能量，即增大外力。 Griffith公式和理論斷裂強(qiáng)度公式比較 m=（E/a0）1/2 c=(2E/a)1/2在形式上兩者是相同的。在研究裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力和阻力時(shí)，基本概念都是基于能量的消長(zhǎng)與變化。 Griffith認(rèn)為，裂紋尖端局部區(qū)域的材料強(qiáng)度可達(dá)其理論強(qiáng)度值。倘若由于應(yīng)力集中的作用而使裂紋尖端的應(yīng)力超過材料的理論強(qiáng)度值，則裂紋擴(kuò)展，引起斷裂。根據(jù)彈性應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)

18、算,可以得到相似公式 Griffith公式適用于陶瓷、玻璃這類脆性材料。Griffith-Orowan-Irwin公式公式實(shí)際金屬材料在紋尖端處發(fā)生塑性變形，需要實(shí)際金屬材料在紋尖端處發(fā)生塑性變形，需要塑性變形功塑性變形功Wp，Wp的數(shù)值往往比表面能大幾個(gè)的數(shù)值往往比表面能大幾個(gè)量級(jí)，是裂紋擴(kuò)展需要克服的主要阻力。因而，量級(jí)，是裂紋擴(kuò)展需要克服的主要阻力。因而，需要修正為需要修正為:c=E（2+Wp）/a 1/2 (5-17)這就是這就是Griffith-Orowan-Irwin公式。公式。需要強(qiáng)調(diào)的是，需要強(qiáng)調(diào)的是，Griffith理論的前提是材料中已理論的前提是材料中已存在著裂紋，但不涉及

19、裂紋來源。存在著裂紋，但不涉及裂紋來源。5.4 延性斷裂 5.4.1 延性斷裂特征及過程延性斷裂的過程是：“微孔形核微孔長(zhǎng)大微孔聚合”三部曲。當(dāng)拉伸載荷達(dá)到最大值時(shí)，試樣發(fā)生頸縮。在頸縮區(qū)形成三向拉應(yīng)力狀態(tài)，且在試樣的心部軸向應(yīng)力最大。在三向應(yīng)力的作用下，使得試樣心部的夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)破裂，或者夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)與基體界面脫離結(jié)合而形成微孔。增大外力，微孔在縱向與橫向均長(zhǎng)大；微孔不斷長(zhǎng)大并發(fā)生聯(lián)接而形成大的中心空腔。最后，沿450方向切斷，形成杯錐狀斷口，纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇是此宏觀斷口特征三要素。見下圖。 延性斷裂的微觀特征是韌窩形貌， 在電子顯微鏡下，可以看到斷口由許多凹進(jìn)或凸出的微坑

20、組成。在微坑中可以發(fā)現(xiàn)有第二相粒子。 一般情況下，宏觀斷裂是韌性的，斷口的宏觀形貌大多呈纖維狀。 韌窩的形狀因應(yīng)力狀態(tài)而異。 在正應(yīng)力作用下，韌窩是等軸形的； 在扭轉(zhuǎn)載荷作用下，韌窩被拉長(zhǎng)為橢圓形。等軸韌窩與拉長(zhǎng)韌窩的形貌等軸韌窩與拉長(zhǎng)韌窩的形貌韌性斷口特征韌性斷口特征宏觀：宏觀：纖維狀，色質(zhì)灰暗纖維狀，色質(zhì)灰暗, 有明顯的塑性變形有明顯的塑性變形微觀：微觀：大小不等的韌窩大小不等的韌窩（a） （b）圖5-17 韌性斷口的宏觀及微觀形貌（a）纖維狀韌性宏觀斷口 （b）微觀典型韌窩形貌5.4.2 微孔形核，長(zhǎng)大與聚合實(shí)際金屬中總有第二相粒子存在，它們是微孔成核的源。第二相粒子分為兩大類，一類是夾

21、雜物，如鋼中的硫化物，在不大的應(yīng)力作用下便與基體脫開或本身裂開而形成微孔；另一類是強(qiáng)化相，如鋼中的彌散的碳化物， 合金中的彌散的強(qiáng)化相,它們本身比較堅(jiān)實(shí)，與基體結(jié)合比較牢固，是位錯(cuò)塞積引起的應(yīng)力集中或在高應(yīng)變條件下，第二相與基體塑性變形不協(xié)調(diào)而萌生微孔的。微孔成核與長(zhǎng)大的位錯(cuò)模型，如圖所示。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起微孔成核與長(zhǎng)大模型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起微孔成核與長(zhǎng)大模型(a)沿著質(zhì)點(diǎn)位錯(cuò)塞沿著質(zhì)點(diǎn)位錯(cuò)塞積成環(huán)積成環(huán)(b)位錯(cuò)塞積應(yīng)力與位錯(cuò)塞積應(yīng)力與鏡向力平衡鏡向力平衡(c)領(lǐng)先的位錯(cuò)環(huán)向領(lǐng)先的位錯(cuò)環(huán)向界面推進(jìn)界面推進(jìn)(d)形成微孔形成微孔(e)實(shí)際的位錯(cuò)塞積實(shí)際的位錯(cuò)塞積(f)實(shí)際的微孔形成實(shí)際的微孔形成 微孔成

22、核并逐漸長(zhǎng)大，有兩種不同的聚合模式。 一種是正常的聚合，即微孔長(zhǎng)大后出現(xiàn)了“內(nèi)頸縮”，使實(shí)際承載的面積減少而應(yīng)力增加，起了“幾何軟化”作用。另一種聚合模式是裂紋尖端與微孔、或微孔與微孔之間產(chǎn)生了局部滑移，由于這種局部的應(yīng)變量大，產(chǎn)生了快速剪切裂開。這種模式的微孔聚合速度快，消耗的能量也較少，所以塑性韌性差。目前目前, , 快速剪切裂開快速剪切裂開的認(rèn)識(shí)還不夠深的認(rèn)識(shí)還不夠深入，但知道入，但知道應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)低應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)低的材料容的材料容易產(chǎn)生剪切裂開。這是因?yàn)閼?yīng)變強(qiáng)化易產(chǎn)生剪切裂開。這是因?yàn)閼?yīng)變強(qiáng)化阻礙已滑移區(qū)的進(jìn)一步滑移，使滑移阻礙已滑移區(qū)的進(jìn)一步滑移，使滑移均勻，不易產(chǎn)生局部的剪切變形。此

23、均勻，不易產(chǎn)生局部的剪切變形。此外外, ,多向拉應(yīng)力多向拉應(yīng)力促使材料處于脆性狀態(tài)，促使材料處于脆性狀態(tài)，也容易產(chǎn)生剪切斷開。也容易產(chǎn)生剪切斷開。5.4.3 影響延性斷裂的因素 (1) 基體的形變強(qiáng)化，基體的形變強(qiáng)化指數(shù)越大，則塑性變形后的強(qiáng)化越強(qiáng)烈，哪里變形，哪里便強(qiáng)化，其結(jié)果是各處均勻的變形。 相反地，如果基體的形變強(qiáng)化指數(shù)小，則變形容易局部化，較易出現(xiàn)快速剪切裂開。這種聚合模式塑性韌性低。 （2）第二相粒子, 鋼的塑性下降；硫化物比碳化物的影響要明顯得多。同時(shí)碳化物形狀也對(duì)斷裂應(yīng)變有很大影響，球狀的要比片狀的好很多。Hollomon方程： S = K pn 5.5 脆性脆性韌性轉(zhuǎn)變韌性轉(zhuǎn)

24、變工程上總是希望構(gòu)件在韌性狀態(tài)下工作，避免危險(xiǎn)的脆性斷裂。航空航天事業(yè)，安全第一。構(gòu)件或材料是韌性或脆性狀態(tài)，取決材料本身的組織結(jié)構(gòu)，還取決于應(yīng)力狀態(tài)，溫度和加載速率等因素，并不是固定不變的，而是可以互相轉(zhuǎn)化的。 5.5.1 應(yīng)力狀態(tài)及其柔度系數(shù)由材料力學(xué)可知，任何復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)都可以用切應(yīng)力和正應(yīng)力表示。 切應(yīng)力促進(jìn)塑性變形，對(duì)塑性韌性有利；拉應(yīng)力促進(jìn)斷裂，不利于塑性和韌性。 最大切應(yīng)力max=（1-3）/2與最大當(dāng)量正應(yīng)力Smax（Smax=1-（2+3）之比稱為應(yīng)力狀態(tài)的柔度系數(shù)(亦叫軟性系數(shù))，即 =max/Smax (5-21) 值愈大，應(yīng)力狀態(tài)愈“柔”，愈易變形而較不易開裂，即愈易

25、處于韌性狀態(tài)。 值愈小，則相反，愈易傾向脆性斷裂。00三向不等 拉伸 2sKsk = s圖5-18佛里德曼()力學(xué)狀態(tài)圖5.5.2 溫度和加載速率的影溫度和加載速率的影響響表面能和彈性模量E是決定斷裂強(qiáng)度的主要因素。溫度對(duì)表面能和彈性模量E的影響不大，所以對(duì)斷裂強(qiáng)度影響不大。溫度對(duì)屈服強(qiáng)度影響很大，主要是因?yàn)闇囟扔兄诩せ頕-R位錯(cuò)源，有利于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使滑移易于進(jìn)行。所以，普通碳鋼在室溫或高溫下，斷裂前有較大的塑性變形，是韌斷。但低于某一溫度，位錯(cuò)源激活受阻，難以產(chǎn)生塑性變形，斷裂便可能變?yōu)榇嘈缘牧?。圖5-21韌-脆轉(zhuǎn)變示意圖00qsscnotchno notchStressTemperatu

26、reT1T2提高加載速率起著與溫度相似的作用。加載速率提高，則相對(duì)形變速率增加，相對(duì)形變速率超過某一限度(如10-1s)會(huì)限制塑性變形發(fā)展，使塑性變形極不均勻，結(jié)果變形抗力提高了，并在局部高應(yīng)力區(qū)形成裂紋。 5.5.3 材料的微觀結(jié)構(gòu)的影響影響韌性-脆性轉(zhuǎn)變的組織因素很多，也比較復(fù)雜，主要有： (1)晶格類型的影響面心立方晶格金屬塑性、韌性好，體心立方和密排六方金屬的塑性、韌性較差。面心立方晶格的金屬，如銅、鋁、奧氏體鋼，一般不出現(xiàn)解理斷裂而處于韌性狀態(tài)，也沒有韌-脆轉(zhuǎn)變，其韌性可以維持到低溫。體心立方晶格的金屬，如鐵、鉻、鎢和普通鋼材，韌脆轉(zhuǎn)變受溫度及加載速率的影響很大，因?yàn)樵诘蜏睾透呒虞d速率下，它們易發(fā)生孿晶，也容易激發(fā)解理斷裂。 (2)成分的影響 鋼中含碳量增加，塑性變形抗力增加，不僅沖擊韌性降低，而且韌脆轉(zhuǎn)變溫度明顯提高，轉(zhuǎn)變的溫度范圍也加寬了。鋼中的氧、氮、磷、硫、砷、銻和錫等雜質(zhì)對(duì)韌性也是不利的。磷降低