材料力學(xué)性能復(fù)習(xí)總結(jié)

1、緒論彈性： 指材料在外力作用下保持和恢復(fù)固有形狀和尺寸的能力。塑性： 材料在外力作用下發(fā)生不可逆的永久變形的能力。剛度： 材料在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。強(qiáng)度： 材料對變形和斷裂的抗力。韌性： 指材料在斷裂前吸收塑性變形和斷裂功的能力。硬度： 材料的軟硬程度。耐磨性： 材料抵抗磨損的能力。壽命： 指材料在外力的長期或重復(fù)作用下抵抗損傷和失效的能。材料的力學(xué)性能的 取決因素 ：內(nèi)因 化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力、表面和內(nèi)部的缺陷等；外因 載荷的性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)等條件的變化。第一章材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能1.1拉伸力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線退火低碳鋼在拉伸力作用

2、下的力學(xué)行為可分為彈性變形、不均勻屈服塑性變形、均勻塑性變形和不均勻集中塑性變形和斷裂幾個(gè)階段。彈性變形階段 ：曲線的起始部分，圖中的 oa 段。多數(shù)情況下呈直線形式，符合虎克定律。屈服階段 ：超出彈性變形范圍之后，有的材料在塑性變形初期產(chǎn)生明顯的塑性流動(dòng)。此時(shí)，在外力不增加或增加很小或略有降低的情況下，變形繼續(xù)產(chǎn)生，拉伸圖上出現(xiàn)平臺(tái)或呈鋸齒狀，如圖中的ab 段。均勻塑性變形階段 ：屈服后，欲繼續(xù)變形，必須不斷增加載荷，此階段的變形是均勻的，直到曲退火低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線線達(dá)到最高點(diǎn)，均勻變形結(jié)束，如圖中的bc 段。不均勻塑性變形階段 ：從試樣承受的最大應(yīng)力點(diǎn)開始直到斷裂點(diǎn)為止，如圖中的cd 段

3、。在此階段，隨變形增大，載荷不斷下降，產(chǎn)生大量不均勻變形，且集中在頸縮處，最后載荷達(dá)到斷裂載荷時(shí)，試樣斷裂。彈性模量 E：應(yīng)力應(yīng)變曲線與橫軸夾角的大小表示材料對彈性變形的抗力，用彈性模量 E 表示。塑性材料應(yīng)力應(yīng)變曲線（a）彈性彈塑性型： Oa 為彈性變形階段，在 a 點(diǎn)偏離直線關(guān)系，進(jìn)入彈塑性階段，開始發(fā)生塑性變形，開始發(fā)生塑性變形的應(yīng)力稱為屈服點(diǎn)，屈服點(diǎn)以后的變形包括彈性變形和塑性變形。在 m 點(diǎn)卸載，應(yīng)力沿 mn 降至零，發(fā)生加工硬化。（b）彈性 -不均勻塑性 -均勻塑性型：與前者不同在于出現(xiàn)了明顯的屈服點(diǎn) aa，有時(shí)呈屈服平臺(tái)狀，有時(shí)呈齒狀。應(yīng)變約 1%3%。退火低碳鋼和某些有色金屬具

4、有此行為。（ c）彈性 -均勻塑性型：未出現(xiàn)頸縮前的均勻變形過程中發(fā)生斷裂。 主要是許多金屬及合金、部分陶瓷和非晶態(tài)高聚物具有此種曲線。（ d）彈性 -不均勻塑性型：形變強(qiáng)化過程中出現(xiàn)多次局部失穩(wěn)，其塑性變形方式通常是孿生而不是滑移。當(dāng)孿生速率超過試驗(yàn)機(jī)夾頭運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，載荷會(huì)突然松弛而呈現(xiàn)鋸齒形的曲線。某些低溶質(zhì)固溶體鋁合金及含雜質(zhì)的鐵合金具有此行為。加工硬化 ：材料經(jīng)歷一定的塑性變形后，其屈服應(yīng)力升高的現(xiàn)象稱為應(yīng)變強(qiáng)化或加工硬化。頸縮：材料經(jīng)均勻形變后出現(xiàn)集中變形的現(xiàn)象稱為頸縮。1.2彈性變形材料受外力作用發(fā)生尺寸和形狀的變化，稱為變形。外力去除后，隨之消失的變形為彈性變形，剩余的（即永久性

5、的）變形為塑性變形 。彈性變形的重要特征 是其可逆性，即受力作用后產(chǎn)生變形，卸除載荷后，變形消失。曲線 1：兩原子間的引力曲線 2：兩原子間的斥力曲線 3：兩原子之間的作用力當(dāng)原子間相互平衡力受外力而受到破壞時(shí)，原子位置相應(yīng)調(diào)整，產(chǎn)生位移。而位移總和在宏觀上表現(xiàn)為變形。外力去除后，原子依靠之間的作用力又回到原來平衡位置，位移消失，宏觀變形消失。彈性模量 E：表征材料抵抗正應(yīng)變的能力。在單向受力狀態(tài)下切變模量 G：表征材料抵抗剪切變形的能力。在純剪切應(yīng)力狀態(tài)下y泊松比 ：反映材料受力后橫向正應(yīng)變與受力方向上正應(yīng)變之比。單向受力狀態(tài)下x體積彈性模量 K：表示物體在三向壓縮下， 壓強(qiáng) p 與體積變化

6、率V/V 之間的線性比例關(guān)系。剛度：工程上彈性模量為稱為材料的剛度，表征金屬材料對彈性變形的抗力，其值越大，則在相同的應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)生的彈性變形量越小。彈性比功 ：彈性比功又稱彈性比能、 應(yīng)變比能，表示金屬材料吸收彈性變形功而不發(fā)生永久變形的能力。 金屬拉伸時(shí)的彈性比功用應(yīng)力應(yīng)變曲線下影線的面積表示，即12eaee e22E式中，ae 為彈性比功， e 為彈性極限（材料由彈性變形過渡到彈塑性變形時(shí)的應(yīng)力） ； e為最大彈性應(yīng)變。在應(yīng)力作用下應(yīng)變不斷隨時(shí)間而發(fā)展的行為，以及應(yīng)力去除后應(yīng)變逐漸恢復(fù)的現(xiàn)象都統(tǒng)稱為 彈性后效 。實(shí)際金屬在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，開始時(shí)沿 OA 線產(chǎn)生瞬時(shí)彈性應(yīng)變 OC，

7、如果載荷保持不變， 還產(chǎn)生隨時(shí)間延長而逐漸增加的應(yīng)變 CH。這種在加載狀態(tài)下產(chǎn)生的滯彈性變形稱為 正彈性后效 。卸載時(shí)，延 BD 線只有應(yīng)變 DH 立即消失，而應(yīng)變 OD 是卸載后隨時(shí)間延長才緩慢消失的，這種在卸載后產(chǎn)生的滯彈性變形稱為 反彈性后效 。彈性滯后環(huán) ：彈性變形時(shí)因應(yīng)變滯后于外加應(yīng)力，使加載線和卸載線不重合而形成的回線稱為彈性滯后環(huán)。存在彈性滯后環(huán)的現(xiàn)象說明，加載時(shí)金屬消耗的變形功大于卸載時(shí)金屬恢復(fù)變形釋放出的功，環(huán)面積大小代表被金屬吸收的那部分功。交變循環(huán)載荷，加載速度慢交變循環(huán)載荷，加載速度快滯后環(huán)的面積相當(dāng)于金屬在單向循環(huán)應(yīng)力或交變循環(huán)應(yīng)力作用下消耗不可逆能量的多少，即表示金

8、屬吸收不可逆變形功的能力，成為金屬的內(nèi)耗，又稱循環(huán)韌性 。循環(huán)韌性是指在塑性區(qū)加載時(shí)材料吸收不可逆變形功的能力；內(nèi)耗是指在彈性區(qū)加載時(shí)材料吸收不可逆變形功的能力。一般這兩個(gè)名詞可以混用。包申格效應(yīng) ：金屬材料經(jīng)過預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形（殘余應(yīng)變?yōu)?1%4%），卸載后同向加載，規(guī)定殘余伸長應(yīng)力（彈性極限或屈服強(qiáng)度）增加，反向加載時(shí)規(guī)定殘余伸長應(yīng)力降低的現(xiàn)象，稱為包申格效應(yīng)。包申格效應(yīng)產(chǎn)生的原因（位錯(cuò)理論） ：初次加載變形時(shí)，位錯(cuò)源在滑移面上產(chǎn)生的位錯(cuò)受阻，塞積后產(chǎn)生背應(yīng)力，背應(yīng)力反作用于位錯(cuò)源，當(dāng)背應(yīng)力足夠大時(shí)，可使位錯(cuò)源停止開動(dòng)。預(yù)變形時(shí)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方向和背應(yīng)力的方向相反。 反向加載時(shí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)

9、的方向和背應(yīng)力方向一致， 背應(yīng)力幫助位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，塑性變形相對容易。1.3塑性變形塑性變形的方式 ：滑移和孿生。其中，滑移是金屬材料在切應(yīng)力作用下，位錯(cuò)沿滑移面和滑移方向運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的切變過程，是最主要的變形機(jī)制。孿生也是金屬材料在切應(yīng)力作用下的一種塑性變形方式，一般發(fā)生在低溫形變或快速形變時(shí)，受晶體結(jié)構(gòu)的影響較大 fcc>bcc>hcp。塑性變形的特點(diǎn)1、各晶粒塑性變形的不同時(shí)性和不均勻性：多晶體試樣受到外力作用后，大部分區(qū)域尚處在彈性變形范圍內(nèi)，塑性變形首先在個(gè)別取向有利的晶粒內(nèi)，塑性變形不可能在不同晶粒中同時(shí)開始；一個(gè)晶粒的塑性變形必然受到相鄰不同位向晶粒的限制，由于各晶粒的位向差

10、異，這種限制在變形晶粒的不同區(qū)域上是不同的，在同一晶粒內(nèi)的不同區(qū)域的變形量也是不同的。2、各晶粒塑性變形的相互制約與協(xié)調(diào)：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，否則將造成晶界開裂。五個(gè)獨(dú)立的滑移系開動(dòng)，才能確保產(chǎn)生任何方向不受約束的塑性變形。3、塑性變形后金屬的晶格發(fā)生點(diǎn)陣畸變，儲(chǔ)存能量，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。4、塑性應(yīng)變量提高，金屬強(qiáng)度增大，產(chǎn)生加工硬化。屈服：受力試樣中，應(yīng)力達(dá)到某一特定值后，開始大規(guī)模塑性變形的現(xiàn)象稱為屈服。呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象的金屬材料拉伸時(shí)，試樣在外力不增加仍能繼續(xù)伸長時(shí)的應(yīng)力稱為屈服點(diǎn) ；試樣發(fā)生屈服而首次下降前的最大應(yīng)力稱為上屈服點(diǎn) ，即為su；當(dāng)不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)（指

11、在屈服過程中實(shí)驗(yàn)為第一次發(fā)生下降）時(shí)屈服階段中的最小應(yīng)力稱為下屈服點(diǎn) ，記為sl。屈服現(xiàn)象的本質(zhì) （不確定）：金屬材料在拉伸試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的屈服現(xiàn)象是其開始產(chǎn)生宏觀塑性變形的一種標(biāo)志。參考拉伸力伸長曲線，材料從彈性變形階段向塑性變形階段過渡是明顯的，表現(xiàn)在試驗(yàn)過程中外力不增加試樣仍能繼續(xù)伸長或外力增加到一定數(shù)值時(shí)突然下降，隨后，在外力不增加或上下波動(dòng)情況下，試樣繼續(xù)伸長變形，這便是屈服現(xiàn)象。金屬材料一般是多晶體合金，往往具有多相組織，因此，討論影響屈服強(qiáng)度的因素，必須注意以下幾點(diǎn)： 屈服變形是位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng)的結(jié)果； 實(shí)際金屬材料的力學(xué)行為是由許多晶粒綜合作用的結(jié)果； 各種外界因素通過影響位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而

12、影響屈服強(qiáng)度。影響屈服強(qiáng)度的因素 ： 內(nèi)在因素 金屬本性及晶格類型； 晶格大小和亞結(jié)構(gòu)； 溶質(zhì)元素；第二相。外在因素 溫度；應(yīng)變速率；應(yīng)力狀態(tài)。相變強(qiáng)化 ：通過熱處理方式，在不改變金屬成分的前提下，改變金屬的晶格結(jié)構(gòu)，使金屬的強(qiáng)度得以提高的方法稱為相變強(qiáng)化。細(xì)晶強(qiáng)化 ：減少晶粒尺寸會(huì)減少晶粒內(nèi)部位錯(cuò)塞積的數(shù)量，減少位錯(cuò)塞積群的長度，降低塞積點(diǎn)處的應(yīng)力，相鄰晶粒中位錯(cuò)源開動(dòng)所需的外加切應(yīng)力提高，屈服強(qiáng)度增加。這種通過細(xì)化晶粒尺寸提高材料強(qiáng)度的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化 ：金屬中溶入溶質(zhì)原子（間隙固溶、置換固溶）形成固溶體，其屈服強(qiáng)度會(huì)明顯提高，這種提高強(qiáng)度的方法稱為固溶強(qiáng)化。（通常，間隙固溶體的

13、強(qiáng)化效果大于置換固然體）彌散強(qiáng)化 ：金屬中的第二相質(zhì)點(diǎn)通過粉末冶金等方法獲得。沉淀強(qiáng)化（析出強(qiáng)化）：金屬中的第二相質(zhì)點(diǎn)通過固溶處理加時(shí)效等方法獲得。應(yīng)變速率硬化 ：因應(yīng)變速率增加而產(chǎn)生的強(qiáng)度提高效應(yīng)的現(xiàn)象。頸縮：頸縮是韌性金屬材料在拉伸試驗(yàn)時(shí)，變形集中于局部區(qū)域的現(xiàn)象，是材料加工硬化和試樣截面減小共同作用的結(jié)果。頸縮判據(jù)： n=eb，當(dāng)金屬材料的應(yīng)變硬化指數(shù)等于最大真實(shí)均勻塑性應(yīng)變量時(shí)產(chǎn)生頸縮。抗拉強(qiáng)度 ：試件斷裂前所能承受的最大工程應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，用來表征材料對最大均勻塑性變形的抗力。bFb，b 為抗拉強(qiáng)度；Fb 為最大載荷；A 0 為試件的原始截面積。A0兩個(gè)塑性指標(biāo)1、斷后伸長率：試樣

14、拉斷后標(biāo)距的伸長量與原始標(biāo)距的百分比。=， L 0 為試樣原始標(biāo)距長度， L 1 為試樣斷裂后的標(biāo)距長度。2、斷面收縮率：試樣拉斷后頸縮處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。， A0 為試樣原始橫截面積， A 1 為頸縮處最小橫截面。金屬材料塑性與強(qiáng)度的關(guān)系： 一般來講，材料的強(qiáng)度提高， 其變形抗力提高， 變形能力下降，塑性降低。相變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、加工硬化及第二相彌散強(qiáng)化一般都會(huì)使塑性降低；細(xì)晶強(qiáng)化不僅提高強(qiáng)度還時(shí)塑性提高。韌性：指材料在斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。韌度：度量材料韌性的力學(xué)性能指標(biāo)，分為靜力韌度、沖擊韌度和斷裂韌度。金屬材料在靜拉伸時(shí)單位體積材料斷裂前所吸收的

15、功定義為靜力韌度 ，它是強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo)。1.6材料的斷裂材料在塑性變形過程中，也在產(chǎn)生微孔，微孔的產(chǎn)生與發(fā)展，導(dǎo)致材料中微裂紋的形成與長大，這種損傷達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，裂紋失穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)最終的斷裂。塑性變形裂紋的形成裂紋擴(kuò)展斷裂韌性斷裂與脆性斷裂斷裂前不發(fā)生明顯塑性變形 脆性斷裂；斷裂前發(fā)生明顯塑性變形 韌性斷裂。脆性斷裂所需的能量：分開原子 +新表面的表面能；韌性斷裂所需的能量：分開原子 +新表面的表面能 +塑性變形消耗的能量（遠(yuǎn)大于前兩者之和）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。韌性斷裂宏觀斷口形態(tài)呈杯錐狀，由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三個(gè)區(qū)域組成。纖維區(qū) ：光滑圓柱試樣受拉伸

16、力作用，產(chǎn)生頸縮時(shí)試樣的應(yīng)力狀態(tài)也由單向變?yōu)槿颍抑行膮^(qū)軸向應(yīng)力最大。在中心三向拉應(yīng)力作用下，塑性變形難于進(jìn)行，致使試樣中各部分的夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)本身碎裂，或使夾雜物質(zhì)點(diǎn)與基體界面脫離而形成微孔，微孔不斷長大和聚合就形成顯微裂紋。顯微裂紋形成、擴(kuò)展過程重復(fù)進(jìn)行就形成鋸齒狀的纖維區(qū)。放射區(qū) ：環(huán)狀纖維區(qū)發(fā)展到一定尺寸（臨界裂紋尺寸）后，裂紋開始快速擴(kuò)展（失穩(wěn)擴(kuò)展）而形成放射區(qū)。放射區(qū)是裂紋作快速低能撕裂而形成的，有放射線花樣特征，放射線平行于裂紋擴(kuò)展方向而垂直于裂紋前端（每一瞬間）的輪廓線，并逆指向裂紋源。剪切唇 ：放射區(qū)形成后，試樣承載面積只剩下最外側(cè)的環(huán)狀面積，最后由拉伸應(yīng)力的分切應(yīng)力所

17、切斷，形成與拉伸軸呈 45 的杯狀或錐狀剪切唇。脆性斷裂是突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，沒有明顯征兆，因而危害性很大。脆性斷裂的斷裂面一般與正應(yīng)力垂直，斷口平齊而光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀。脆性斷裂斷口的放射狀花樣脆性斷裂斷口的人字形花樣圓柱形拉伸試樣：斷裂面與正應(yīng)力垂直，斷口平齊、光亮。斷面上的放射狀條紋匯聚于一個(gè)中心，此中心區(qū)域就是裂紋源。板狀矩形截面拉伸試樣：“人”字紋花樣的放射方向與裂紋擴(kuò)展方向平行，但其尖頂指向裂紋源。沿晶斷裂與穿晶斷裂沿晶斷裂 ：指裂紋在晶界上形成并沿晶界擴(kuò)展的斷裂形式，大多是脆性斷裂。在多晶體變形中，晶界起協(xié)調(diào)相鄰晶粒變形的作用，當(dāng)晶界受到損傷，其變形

18、能力被消弱，不足以協(xié)調(diào)相鄰晶粒的變形時(shí)，便形成晶界斷裂。斷裂機(jī)制： 晶界由脆性相析出（如過共析鋼中二次滲碳體析出） ； 高溫晶界變?nèi)酰訜釡囟冗^高 ，晶界熔化）； 有害元素沿晶界富集 （合金鋼的回火脆性 ）； 晶界上有彌散相析出 （奧氏體高錳鋼固溶處理后再加熱時(shí)沿晶界析出碳化物） ； 腐蝕環(huán)境下晶界被腐蝕等原因使晶界脆化或弱化所致。斷裂過程：沿晶斷裂過程包括裂紋的形成與擴(kuò)展。晶界受損的材料受力變形時(shí)，晶內(nèi)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)受阻于晶界，在晶界處造成應(yīng)力集中，當(dāng)集中應(yīng)力達(dá)到晶界強(qiáng)度時(shí)，便將晶界擠裂。斷口形貌：沿晶斷裂的性質(zhì)取決于（g沿晶斷裂應(yīng)力有關(guān)的常數(shù)） 與屈服強(qiáng)度s 的相對大小。當(dāng) g< s 時(shí)

19、，晶界開裂發(fā)生于宏觀屈服之前，晶界無塑性變形，斷裂呈宏觀脆性，產(chǎn)生冰糖狀斷口；當(dāng) g> s 時(shí)，先發(fā)生宏觀屈服變形和形變強(qiáng)化，晶界有塑性變形，在完成一定的變形量后發(fā)生微孔型沿晶斷裂，產(chǎn)生石狀斷口。穿晶斷裂 ：指裂紋沿晶內(nèi)（穿過晶粒）擴(kuò)展的斷裂。穿晶斷裂可依據(jù)不同的微觀斷裂機(jī)制而具有不同的微觀斷口形貌特征，主要有解理、微孔聚集、準(zhǔn)解理等。 一般地，從宏觀上看，穿晶斷裂既可以是脆性斷裂，也可以是韌性斷裂。純剪切斷裂與微孔聚集型斷裂、解理斷裂剪切斷裂是金屬材料在切應(yīng)力作用下沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂，一般是韌性斷裂，分為純剪切斷裂和微孔聚集型斷裂。其中，純剪切斷裂 主要在純金屬尤其是在

20、單晶體金屬中產(chǎn)生，其斷口呈鋒利的楔形或刀尖形，這是純粹由滑移流變所造成的斷裂。微孔聚集型斷裂 是通過微孔形核、長大聚合而導(dǎo)致材料分離的，常用金屬材料一般均產(chǎn)生這類性質(zhì)的斷裂。微孔聚集型斷裂的斷口形貌為韌窩花樣。在每一個(gè)韌窩內(nèi)都含有一個(gè)第二相質(zhì)點(diǎn)或者折斷的夾雜物或者夾雜物顆粒，材料中的非金屬夾雜物或第二相或其他脆性相顆粒是微孔形成的核心。韌窩斷口就是微孔開裂后繼續(xù)長大和連接的結(jié)果。韌窩形成過程：韌窩的形成與異相粒子有關(guān)， 在外力作用下產(chǎn)生塑性變形時(shí)， 異相阻礙基體滑移，便在異相與基體滑移面交界處造成應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到異相與基體界面結(jié)合強(qiáng)度或異相本身強(qiáng)度時(shí)，會(huì)使二者界面脫離或異相自身斷裂，從

21、而形成裂紋（微孔） ，并不斷擴(kuò)大，最后使夾雜物之間基體金屬產(chǎn)生“內(nèi)頸縮”，當(dāng)頸縮達(dá)到一定程度后基體金屬被撕裂或剪切斷裂，使空洞連接，從而形成韌窩斷口形貌。影響韌窩形成的因素：韌窩的形成位置、形狀、大小和深淺受很多因素影響，大致歸納起來可分為三個(gè)方面 成核粒子的大小和分布； 材料的塑性變形能力，尤其是形變硬化的能力；外部因素（包括應(yīng)力大小、應(yīng)力狀態(tài)、溫度、變形速度等） 。韌窩形狀主要取決于應(yīng)力狀態(tài)或應(yīng)力與斷面的相對取向，有等軸韌窩、拉長韌窩和撕裂韌窩三類。解理斷裂 ：金屬材料在一定條件下當(dāng)外加正應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后以極快速率沿一定晶體學(xué)平面產(chǎn)生的穿晶斷裂，該晶體學(xué)平面為解理面。解理面一般是低指數(shù)晶

22、面，如體心立方點(diǎn)陣金屬的（100）面和密排六方點(diǎn)陣金屬的（ 0001）面。一般地，解理斷裂總是脆性斷裂，而脆性斷裂卻不一定是解理斷裂。解理斷口的微觀形貌特征： 對于理想單晶體而言， 解理斷裂可以是完全沿單一結(jié)晶面的分離，其解理斷口是一毫無特征的理想平面。在實(shí)際晶體中，由于缺陷的存在，斷裂并不是沿單一的結(jié)晶面解理，而是沿一組平行的結(jié)晶面解理，從而在不同高度上平行的解理面以解理臺(tái)階相連。在解理裂紋擴(kuò)展過程中，臺(tái)階匯合形成“河流”花樣 ，解理臺(tái)階、“河流”花樣即為典型的解理斷口微觀形貌特征。解理斷裂的另一微觀特征是存在舌狀花樣。第二章材料在其他靜載荷下的力學(xué)性能2.1應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)

23、：。越大，最大切應(yīng)力分量越大，表示應(yīng)力狀態(tài)越軟，材料越易于產(chǎn)生塑性變形；越小，表示應(yīng)力狀態(tài)越硬，金屬越不容易產(chǎn)生塑性變形而易于產(chǎn)生脆性斷裂。2.2材料的壓縮壓縮試驗(yàn)的特點(diǎn)1、單向壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)，比拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲的應(yīng)力狀態(tài)都軟，所以單向壓縮試驗(yàn)主要用于拉伸時(shí)呈脆性的金屬材料力學(xué)性能的測定，以顯示這類材料在塑性狀態(tài)下的力學(xué)行為（圖 2.4）2、拉伸時(shí)塑性很好的材料在壓縮時(shí)只發(fā)生壓縮變形而不會(huì)斷裂（圖2.5）脆性材料在拉伸時(shí)產(chǎn)生垂直于載荷軸向的正斷，塑性變形量幾乎為零；而在壓縮時(shí)除能產(chǎn)生一定的塑性變形外，常沿與軸線呈 45 方向產(chǎn)生斷裂，具有切斷特征。2.3材料的彎曲彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn)1、

24、彎曲試驗(yàn)不存在拉伸試驗(yàn)時(shí)的試件偏斜（力的作用線不能準(zhǔn)確通過拉伸試件的軸線而產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力）對試驗(yàn)結(jié)果的影響，可以穩(wěn)定地測定脆性材料和低塑性材料的抗彎強(qiáng)度，并能由撓度明顯地顯示脆性和低塑性材料的塑性。如鑄鐵、工具鋼、陶瓷等。2、彎曲試驗(yàn)不能使塑性很好的材料破壞，不能測定其斷裂彎曲強(qiáng)度，但可以比較一定彎曲條件下材料的塑性。3、彎曲試驗(yàn)時(shí)試樣斷面上的應(yīng)力分布是不均勻的，表面應(yīng)力最大，依此可以較靈敏地反映材料的表面缺陷，以檢查材料的表面質(zhì)量。2.5材料的硬度硬度并不是金屬獨(dú)立的基本性能，它是指金屬在表面上的不大體積內(nèi)抵抗變形或者破裂的能力。硬度的種類：壓入法 布氏硬度、洛氏、維氏、普氏等。表征材料的

25、塑性變形抗力及應(yīng)變硬化能力。應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)最大，>2，幾乎所有的材料都能產(chǎn)生塑性變形?？虅澐?莫氏硬度。表征材料對切斷的抗力。 回跳法肖氏硬度。表征金屬彈性變形功的大小。同一類方式的硬度可以換算； 不同類方式則只能采用同一材料進(jìn)行標(biāo)定。 壓入法是最主要的試驗(yàn)方法。布氏硬度原理：在直徑 D 的鋼珠上，加一定載荷p，壓在被試金屬的表面，根據(jù)金屬表面壓痕的陷凹面積F 計(jì)算出應(yīng)力值，以此值作為硬度值大小的計(jì)量指標(biāo)。布氏硬度值的符號以HB （kgf/mm 2，1kgf=9.80665N）標(biāo)記，則，式中， t 為壓痕陷凹深度；為壓痕陷凹面積。在 p 和 D 一定時(shí)， t 大，則說明材料的形變抗力低

26、，硬度值??；反之則說明材料的形變抗力高，硬度值大。直觀上，測量壓痕直徑比測量壓痕陷凹深度要容易，由D、d、t 三者之間的幾何關(guān)系可得：。讀數(shù)：載荷、壓頭直徑、保持時(shí)間是布氏硬度試驗(yàn)的三要素 。150HBS10/1000/30表示采用淬火鋼球，壓頭直徑10mm，載荷1000kg，載荷保持時(shí)間30s 測得的布氏硬度值為150；200HBW10/3000/10 表示采用硬質(zhì)合金鋼球，壓頭直徑10mm，載荷3000kg，載荷保持時(shí)間10s測得的布氏硬度值為200。優(yōu)點(diǎn)：壓痕面積大，能反映金屬表面較大體積范圍內(nèi)各組成相綜合平均的性能數(shù)據(jù)；試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性好，試驗(yàn)數(shù)據(jù)從小到大都可以統(tǒng)一起來；特別適宜于

27、測得灰鑄鐵、軸承合金、等具有粗大晶?；虼执蠼M成相的金屬材料。缺點(diǎn)：對于 450HB 以上的硬材料，因鋼球變形已很顯著，影響所測數(shù)據(jù)的正確性，因此不能使用；由于此法產(chǎn)生的壓痕較大，故不宜于某些表面不允許有較大壓痕的成品檢驗(yàn)，也不宜于薄件試驗(yàn)；因需測量 d 值，故被測處要求平穩(wěn)，操作和測量都需較長時(shí)間，在要求迅速檢定大量成品時(shí)不適合。洛氏硬度洛氏硬度試驗(yàn)是目前應(yīng)用最廣泛的一種方法，它是測定壓痕深度來表征材料的硬度值。原理：洛氏硬度以壓痕陷凹深度t 作為計(jì)量硬度值的指標(biāo)，所以在同一硬度級下，金屬越硬則壓痕深度 t 越小，越軟則 t 越大。如果直接以t 的大小作為指標(biāo)，則將出現(xiàn)硬金屬t 值小從而硬度值

28、小，軟金屬的t 值大從而硬度值大的現(xiàn)象。為此，只能采取一個(gè)不得已的措施，即用選定的常數(shù)來減去所得t 值，以其差值來標(biāo)志洛氏硬度值。此常數(shù)規(guī)定為0.2mm（用于 HRC、HRA）和0.26mm（用于 HRB ），此外在讀數(shù)上再規(guī)定 0.002mm 為一度，這樣前一常數(shù)為 100 度（在試驗(yàn)機(jī)表盤上為 100 格（一圈），后一常數(shù)為 130 度（在表盤上為一圈再加 30 格，為 130 格），因此壓頭與載荷的搭配 ：洛氏硬度的壓頭分硬質(zhì)和軟質(zhì)兩種。硬質(zhì)的由頂角120 的金剛石圓錐體制成，適用于測定淬火鋼等較硬的金屬材料；軟質(zhì)的為直徑 1/16（1.875mm）或 1/8（ 3.175mm）鋼球，適

29、用于退火鋼、有色金屬等較軟材料硬度值的測定。生產(chǎn)上用得最多的是A級、B級和 C級，即 HRA （金剛石圓錐壓頭、 60kgf 載荷）， HRB（ 1/16鋼球壓頭、 100kgf 載荷）和 HRC（金剛石圓錐壓頭、 150kgf 載荷），而其中又以 HRC 用的最普遍。優(yōu)點(diǎn)： 有硬質(zhì)、軟質(zhì)兩種壓頭，適用于各種不同硬質(zhì)材料的檢驗(yàn)，不存在壓頭變形問題；壓痕小，不傷工件表面； 操作迅速，立即得出數(shù)據(jù)，生產(chǎn)效率高，適用于大量生產(chǎn)中的成品檢驗(yàn)。缺點(diǎn)： 不同硬度級測得的硬度值無法統(tǒng)一起來， 如 HRA ，HRB ，HRC 數(shù)據(jù)不具有可比性；對組織結(jié)構(gòu)不一致，特別是具有粗大組成相或粗大晶粒的金屬材料，因壓痕

30、太小，可能正好壓在個(gè)別組成相上，缺乏代表性；材料中有偏析或組織不均勻時(shí)，數(shù)據(jù)重復(fù)性差，分散度大。維氏硬度原理：與布氏硬度相同，也是根據(jù)單位壓痕陷凹面積上承受的載荷，即應(yīng)力值作為硬度值的計(jì)量指標(biāo)。所不同的是，維氏硬度采用錐面夾角為136 的四方角錐體，有金剛石制成。計(jì)算公式 ：優(yōu)點(diǎn)：不存在布氏硬度試驗(yàn)載荷p 和壓頭直徑 D 的規(guī)定條件的約束，以及壓頭變形問題，且通過維氏硬度試驗(yàn)所得到的硬度值和通過布氏硬度試驗(yàn)所得到的硬度值能完全相等；不存在洛氏硬度試驗(yàn)?zāi)欠N硬度值無法統(tǒng)一的問題，維氏硬度試驗(yàn)和洛氏硬度試驗(yàn)一樣可以試驗(yàn)任何軟硬的材料，并且比洛氏硬度試驗(yàn)?zāi)芨玫販y試極薄件的硬度；采用四方角錐，當(dāng)載荷改

31、變時(shí)壓入角不變，因此載荷可以任意選擇。缺點(diǎn)：硬度值需通過測量對角線后才能計(jì)算 （或查表）出來，生產(chǎn)效率沒有洛氏硬度試驗(yàn)高，不適宜成批生產(chǎn)的質(zhì)量檢驗(yàn)。讀數(shù)： 640HV30/20（維氏硬度值 HV 試驗(yàn)載荷 /加載時(shí)間）顯微硬度顯微硬度是用來測量尺寸很小或很薄零件的硬度，或者是用來測量各種顯微組織的硬度。其試驗(yàn)原理與維氏硬度相同。所不同的是，載荷以gf 計(jì)量，壓痕對角線長度以微米計(jì)量。壓頭：一種是維氏壓頭，和宏觀的維氏硬度壓頭一樣，只是在金剛石四方錐的制造上和測量上更加嚴(yán)格；另一種是努氏壓頭，它是一菱形的金剛錐體。努氏硬度的 計(jì)算公式 ：努氏硬度和維氏顯微硬度的比較：在測量滲碳（或氮化）淬硬層的

32、硬度分布時(shí)，努氏壓痕的排列與分布較維氏壓痕更緊湊；在相同的對角線長度下 （努氏壓痕以長對角線計(jì)） ，努氏壓痕的深度與面積只有維氏壓痕的15%，這對測量薄層硬度如電鍍層特別適宜。2.6缺口試樣在靜載荷下的力學(xué)性能缺口效應(yīng) ：實(shí)際機(jī)件不是橫截面均勻無變化的光滑體，往往存在截面的急劇變化，這些截面變化的部位可視為缺口，由于缺口的存在，在靜載荷作用下缺口截面上的應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化，產(chǎn)生缺口效應(yīng)。缺口效應(yīng)的影響： 引起應(yīng)力集中； 應(yīng)力狀態(tài)由單向改變?yōu)閮上蚧蛉驊?yīng)力狀態(tài)應(yīng)變集中；局部應(yīng)變速率增大；腐蝕傾向加大。金屬材料的缺口敏感性指標(biāo)用缺口試件的抗拉強(qiáng)度與等截面尺寸光滑試件的抗拉強(qiáng)度的比值表示，稱為缺口敏

33、感度，記為NSR，即。NSR 越大，缺口敏感性越小。脆性材料的 NSR 總是小于 1，表明缺口根部尚未發(fā)生明顯塑性變形時(shí)就已經(jīng)斷了，對缺口很敏感。高強(qiáng)度材料的 NSR 一般也小于 1，塑性材料的 NSR 一般大于 1。第三章材料在沖擊載荷下的力學(xué)性能3.3低溫脆性低溫脆性 ：隨溫度降低金屬材料由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔训默F(xiàn)象。發(fā)生脆性轉(zhuǎn)變的溫度稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度 。什么材料容易發(fā)生低溫脆斷？對于以面心六方金屬為基礎(chǔ)的中、低強(qiáng)度材料和大部分密排六方金屬，在很寬的溫度范圍內(nèi)其沖擊功都很高，基本不存在低溫脆性問題。 只有以體心立方金屬為基礎(chǔ)的， 如中低強(qiáng)度鋼和鈹、鋅等具有明顯的低溫脆性，這些金屬材料稱為

34、冷脆金屬 。低溫脆性是材料屈服強(qiáng)度隨溫度降低急劇增加的結(jié)果。屈服點(diǎn)隨溫度下降反而升高，材料的解理斷裂強(qiáng)度隨溫度變化很小，兩條曲線相交于一點(diǎn)，交點(diǎn)對應(yīng)的溫度即為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。當(dāng)溫度高于 時(shí)，材料受載后先屈服再斷裂為韌性斷裂；低于時(shí)，外加應(yīng)力先達(dá)到，材料表現(xiàn)為脆性斷裂。 s 和 c 隨溫度變化示意圖低溫脆性的本質(zhì)柯垂?fàn)柼岢龅拇鄶鄺l件，即公式，只要公式左端大于右端之值，即，就可發(fā)生脆斷。 G 是組織結(jié)構(gòu)不敏感的性能， 凡是增加、 和 d 的因素都將促進(jìn)脆斷，使冷脆斷轉(zhuǎn)化溫度升高；凡使和 值減小的也將促使脆斷，使冷脆斷轉(zhuǎn)化溫度升高。 位錯(cuò)在晶體中運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)陣摩擦阻力，包括派納力、溶質(zhì)原子以及第二相對位錯(cuò)

35、運(yùn)動(dòng)的阻力。對體心立方金屬，派納力隨溫度的降低而急劇升高，這是體心立方金屬產(chǎn)生冷脆的主要原因。 反映位錯(cuò)被原子或第二相釘扎運(yùn)動(dòng)難易程度的參量，值越大，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)越困難。值并不因?yàn)闇囟冉档投@著增加。d 晶粒直徑。細(xì)化晶粒既提高斷裂強(qiáng)度也提高屈服強(qiáng)度，但斷裂強(qiáng)度相對提高較多， 因此細(xì)化晶?？偸鞘估浯噢D(zhuǎn)化溫度降低。 表示在外加載荷下切應(yīng)力和正應(yīng)力之比。 材料的有效表面能。影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的主要因素1、材料晶格類型的影響：體心立方金屬在溫度較高時(shí)，變形能力尚好，在低溫下，脆性增加。、合金成分的影響：鋼中的C、P、O、 H、N、Mo 、Al 、Si 都使上升； Ni 、Mn 、Ti、V2都使下降。3、晶

36、粒尺寸的影響：細(xì)化晶粒使下降，同時(shí)還可以改善塑性韌性。4、顯微組織的影響： 冷作時(shí)效、上貝氏體使上升；低溫馬氏體、 奧氏體、高溫回火組織都使下降。第四章材料的斷裂韌性4.1概述斷裂是工程構(gòu)件 最危險(xiǎn)的一種失效方式，尤其是脆性斷裂，它是突然發(fā)生的破壞，斷裂前沒有明顯的征兆，常常引起災(zāi)難性的破壞事故并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。4.2裂紋尖端的應(yīng)力場三種斷裂類型I 型裂紋（張開型）：拉應(yīng)力垂直于裂紋面擴(kuò)展面，裂紋沿作用力方向張開，沿裂紋面擴(kuò)展。如軸的橫向裂紋在軸向拉力或彎曲力作用下的擴(kuò)展、容器縱向裂紋在內(nèi)壓力下的擴(kuò)展。II 型裂紋（滑開型）：切應(yīng)力平行于裂紋面，而且與裂紋垂直，裂紋沿裂紋面平行滑開擴(kuò)展。如

37、輪齒或花鍵根部沿切線方向的裂紋，或者受扭轉(zhuǎn)的薄壁圓筒上的環(huán)形裂紋。III 型裂紋（撕開型）：切應(yīng)力平行作用于裂紋面，而且與裂紋線平行，裂紋沿裂紋面撕開擴(kuò)展。如圓周上有一環(huán)形切槽，受到扭轉(zhuǎn)作用引起的斷裂。I 型（張開型）裂紋形式II 型（滑開型）裂紋形式III 型（滑開型）裂紋形式應(yīng)力強(qiáng)度因子 K I ：表征裂紋尖端應(yīng)力場特性。裂紋尖端區(qū)域的確定點(diǎn)，其應(yīng)力分量就由K I決定， K I 越大應(yīng)力場各應(yīng)力分量也越大。任何I 型斷裂的應(yīng)力場強(qiáng)度因子的一般形式為，Y 為裂紋的形狀系數(shù)，與裂紋幾何形狀及加載方式有關(guān)， 一般 Y=12 ；同理，。4.3斷裂韌性和斷裂判據(jù)裂紋體發(fā)生失穩(wěn)斷裂的臨界值記作或，稱為

38、斷裂韌性。是平面應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂韌性，表示平面應(yīng)力條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。為平面應(yīng)變下的斷裂韌性， 表示在平面應(yīng)變條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。與的區(qū)別：與板材或試樣厚度有關(guān)，而當(dāng)板材厚度增加到平面應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，斷裂韌性就趨于一穩(wěn)定的最低值，即為（與厚度無關(guān)）。是的最低值，它是真正反映材料裂紋擴(kuò)展抗力的材料常數(shù)。所以臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子稱為材料的 斷裂韌性 。在臨界狀態(tài)下所對應(yīng)的平均應(yīng)力，稱為斷裂應(yīng)力或裂紋體實(shí)際斷裂強(qiáng)度，記作；對應(yīng)的裂紋尺寸稱為臨界裂紋尺寸，記作，有如下關(guān)系?？梢?，材料的越高，則裂紋體的斷裂應(yīng)力或臨界裂紋尺寸就越大，表面材料越難斷裂。因此表示材料抗斷裂的能力。斷裂判

39、據(jù) ：裂紋體在受力時(shí)，若或，就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。反之，即使存在裂紋，若或，也不會(huì)斷裂，這種情況稱為破損安全。II ，III 型裂紋的斷裂判據(jù)同理。4.5裂紋尖端的塑性區(qū)塑性區(qū)邊界曲線方程所描繪的塑性區(qū)：不管是平面應(yīng)力還是平面應(yīng)變的塑性區(qū)，都是沿x方向的尺寸最小，消耗的塑性變形功也最小，所以裂紋就容易沿x 方向擴(kuò)展。另外，平面應(yīng)變的塑性區(qū)比平面應(yīng)力的塑性區(qū)小得多。在平面應(yīng)變狀態(tài)（厚板）下沿板厚方向的裂紋前端有較強(qiáng)的約束，使材料處于三向應(yīng)力狀態(tài)，不容易發(fā)生塑性變形所致。在實(shí)際情況下，沿板厚方向上的彈性約束是變化的，鄰近表面約束最小，可認(rèn)為處于平面應(yīng)力狀態(tài)，塑性區(qū)尺寸最大；而在板厚中部約束最大，可認(rèn)為

40、處于平面應(yīng)變狀態(tài)，塑性區(qū)尺寸最小。因此，在裂紋尖端前沿區(qū)域，沿材料板厚方向的塑性區(qū)尺寸是連續(xù)變化的，一般呈啞鈴形狀。應(yīng)力松弛對塑性區(qū)的影響： 如圖 4.14，圖中是在 y 方向發(fā)生屈服時(shí)的應(yīng)力， 稱為 y 向有效屈服應(yīng)力。在平面應(yīng)力狀態(tài)下，；在平面應(yīng)變狀態(tài)下，。圖中影線部分的面積即內(nèi)應(yīng)力松弛的影響，這種應(yīng)力松弛可以使塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，由擴(kuò)大到。從能量角度考慮，可以求得，。裂紋尖端附近塑性區(qū)的形狀和尺寸4.9影響斷裂韌性的因素如能提高斷裂韌性，就能提高材料的抗脆斷能力。外部因素1、板厚或構(gòu)件截面尺寸：材料的斷裂韌性隨板材厚度或構(gòu)件的界面尺寸的增加而減小，最終趨于一個(gè)穩(wěn)定的最低值，即平面應(yīng)變斷裂韌

41、性。2、溫度：大多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼的都隨溫度降低而下降。但是，不同強(qiáng)度等級的鋼，在溫度降低時(shí)的變化趨勢不同。一般中、 低強(qiáng)度鋼都有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上，材料主要是微孔聚集型的韌性斷裂，較高；而在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下，材料主要是解理型脆性斷裂，低。3、應(yīng)變速率：應(yīng)變速率具有與溫度相似的效應(yīng)， 增加應(yīng)變速率相當(dāng)于降低溫度， 也可使下降。斷裂韌性表征金屬材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展需要消耗能量，其中主要是塑性變形功。塑性變形功與應(yīng)力狀態(tài)、材料強(qiáng)度和塑性以及裂紋尖端塑性區(qū)尺寸有關(guān)：材料強(qiáng)度高、塑性好，塑性變形功大，材料的斷裂韌性就高；在強(qiáng)度值相近時(shí)，提高塑性，增加塑性區(qū)尺寸，塑性變形

42、功也增加。內(nèi)部因素1、材料的成分、組織對的影響化學(xué)成分的影響： 細(xì)化晶粒的合金元素因提高強(qiáng)度和塑性使提高；強(qiáng)烈固溶強(qiáng)化的合金元素因降低塑性使明顯降低，并且隨著合金元素含量的提高，降低越厲害；形成金屬化合物并呈第二相析出的合金元素，因降低塑性有利于裂紋的擴(kuò)展，也使降低?；w相結(jié)構(gòu)和晶粒大小的影響：從滑移塑性變形和解理斷裂的角度來看，面心立方固溶體容易產(chǎn)生滑移塑性變形而不產(chǎn)生解理斷裂，并且 n 值較高，所以其較高，因此，奧氏體鋼的較鐵素體鋼、馬氏體鋼的高；一般來說，晶粒越細(xì)小，n 和就越高，則也越高，但是在某些情況下，粗晶粒的反而較高。雜質(zhì)及第二相的影響：鋼中的非金屬夾雜物和第二相在裂紋尖端的應(yīng)力

43、場中，若本身脆裂或在相界面開裂而形成微孔， 微孔和主裂紋連接使裂紋擴(kuò)展， 從而使 降低；鋼中某些微量雜質(zhì)元素（如銻、錫、磷、砷等）容易偏聚于奧氏體晶界， 降低晶間結(jié)合力使裂紋沿晶界擴(kuò)展并斷裂，使 降低。顯微組織的影響：板條馬氏體是位錯(cuò)型亞結(jié)構(gòu)，具有較高的強(qiáng)度和塑性，裂紋擴(kuò)展阻力較大，常呈韌性斷裂，因而較高；針狀馬氏體是孿晶型亞結(jié)構(gòu)，硬而脆，裂紋擴(kuò)展阻力小，呈準(zhǔn)解理或解理斷裂，因而很低；回火索氏體的基體具有較高的塑性，第二相是粒狀碳化物，分布間距較大，裂紋擴(kuò)展阻力較大，因而較高；回火馬氏體基體相塑性差，第二相質(zhì)點(diǎn)小且彌散分布，裂紋擴(kuò)展阻力較小，因而較低?；鼗鹎象w的居于上述兩者之間。2、特殊熱處

44、理對的影響形變熱處理：高溫形變熱處理可以細(xì)化奧氏體的亞結(jié)構(gòu)，因而細(xì)化淬火馬氏體，使強(qiáng)度和韌性都提高；低溫形變熱處理除了細(xì)化奧氏體亞結(jié)構(gòu)外，還可增加位錯(cuò)密度，促進(jìn)合金碳化物彌散 沉淀，降低奧氏體含碳量和增加細(xì)小板條馬氏體的數(shù)量因而提高強(qiáng)度和韌性。亞溫淬火：亞溫淬火可以提高低溫韌性和抑制高溫回火脆性。顯微組織的影響4.10金屬材料斷裂韌性的測定試樣要求：常用的兩種試樣為三點(diǎn)彎曲試樣和緊湊拉伸試樣。由于是金屬材料在平面應(yīng)變和小范圍屈服條件下裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí) 的臨界值，因此，測定 用的試驗(yàn)尺寸必須保證裂紋頂端處于平面應(yīng)變或小范圍屈服狀態(tài)。B 為試樣在 z 向的厚度， W 為在 y 向的寬度， a 為裂紋

45、長度。.第五章材料在變動(dòng)載荷下的力學(xué)性能5.1金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)疲勞：金屬機(jī)件或構(gòu)件在變動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變長期作用下，由于承受變動(dòng)載荷而導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展以致斷裂失效的全過程。疲勞載荷的共同特點(diǎn)：斷裂時(shí)并無明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有明顯的預(yù)兆，而是突然地破壞；引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，常常低于靜載時(shí)的屈服強(qiáng)度；疲勞破壞能清楚地顯示出裂紋的發(fā)生、擴(kuò)展和最后斷裂三個(gè)組成部分。變動(dòng)載荷 是引起疲勞破壞的外力，它是指載荷大小或大小和方向隨時(shí)間按一定規(guī)律呈周期性變化或呈無規(guī)則隨機(jī)變化的載荷，其在單位面積上的平均值為變動(dòng)應(yīng)力。變動(dòng)應(yīng)力可分為規(guī)則周期變動(dòng)應(yīng)力（也稱 循環(huán)應(yīng)力 ）和無規(guī)則隨機(jī)變動(dòng)應(yīng)力兩種。疲勞的特

46、點(diǎn)疲勞斷裂與靜載荷或一次沖擊加載斷裂相比，具有以下特點(diǎn)：疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，即具有壽命的斷裂。斷裂應(yīng)力低于材料的抗拉強(qiáng)度，甚至低于屈服強(qiáng)度 。斷裂壽命隨應(yīng)力不同而變化，應(yīng)力高壽命短，應(yīng)力低壽命長，當(dāng)應(yīng)力低于某一臨界值時(shí)，壽命可達(dá)無限長。疲勞是一種潛在的突發(fā)性脆性斷裂，它是在長期累積損傷過程中經(jīng)裂紋萌生和緩慢亞穩(wěn)擴(kuò)展到臨界尺寸 時(shí)才突然發(fā)生的。疲勞對缺陷（缺口、裂紋及組織缺陷）十分敏感，三者都加快疲勞破壞的開始和發(fā)展。疲勞宏觀斷口 具有三個(gè)形貌不同的區(qū)域： 疲勞源、疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)。1、疲勞源：疲勞源是疲勞裂紋萌生的策源地，在斷口上，疲勞源一般在機(jī)件表面，常和缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷相連

47、。疲勞源區(qū)的光亮度最大。在一個(gè)疲勞斷口中，疲勞源可以有一個(gè)或幾個(gè)不等，與機(jī)件的應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力大小有關(guān)。疲勞源區(qū)光亮度越大，相鄰疲勞區(qū)越大，貝紋線越多越密者，其疲勞源就越先產(chǎn)生；反之，則疲勞源就越后產(chǎn)生。2、疲勞區(qū)：疲勞區(qū)是疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展所形成的斷口區(qū)域，其斷口比較光滑并分布有貝紋線（或海灘花樣）。貝紋線是疲勞區(qū)的最大特征， 一般認(rèn)為它是有變動(dòng)載荷引起的。循環(huán)應(yīng)力低，材料韌性好，疲勞區(qū)大，貝紋線細(xì)、明顯。3、瞬斷區(qū)：瞬斷區(qū)是裂紋最后失穩(wěn)快速擴(kuò)展所形成的斷口區(qū)域，一般在疲勞源的對側(cè)。其斷口比疲勞區(qū)粗糙，宏觀特征同靜載的裂紋件的斷口一樣，隨材料性質(zhì)而變；脆性材料為結(jié)晶狀斷口；若為韌性材料，則在中間

48、平面應(yīng)變區(qū)為放射狀或人字紋斷口，在邊緣平面應(yīng)力區(qū)為剪切唇。5.2高周疲勞與低周疲勞高周疲勞 ：指小型試樣在變動(dòng)載荷試驗(yàn)時(shí)，疲勞斷裂壽命不小于周次的疲勞過程。低周疲勞 ：金屬在循環(huán)載荷作用下，疲勞壽命為次的疲勞斷裂。（應(yīng)力水平高、循環(huán)周次少）疲勞曲線和疲勞極限典型的金屬材料疲勞曲線如右圖。 圖中縱坐標(biāo)為循環(huán)應(yīng)力的最大應(yīng)力或應(yīng)力幅；橫坐標(biāo)為斷裂循環(huán)周次N，常用對數(shù)值表示。S-N 曲線由高應(yīng)力段和低應(yīng)力段組成，前者壽命短 ，后者壽命長。對于一般具有應(yīng)變時(shí)效的金屬材料，如碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼等，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力水平降到某一臨界值時(shí)，低應(yīng)力段變?yōu)樗蕉危砻嬖嚇涌梢越?jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)也不發(fā)生疲勞斷裂，故將對應(yīng)的應(yīng)力

49、稱為疲勞極限 ，記為。常用周次作為測定疲勞極限的基數(shù)，記為。另一類金屬材料，如鋁合金、不銹鋼、高強(qiáng)度鋼等，它們的S-N 曲線沒有水平部分，只是隨應(yīng)力降低，循環(huán)周次不斷增大。此時(shí)，只能根據(jù)材料的使用要求規(guī)定某一循環(huán)周次下不發(fā)生斷裂的應(yīng)力作為“條件疲勞極限” 。疲勞斷裂應(yīng)力判據(jù)為：對稱應(yīng)力循環(huán)下；非對稱應(yīng)力循環(huán)下（r 為應(yīng)力比）。疲勞極限與靜強(qiáng)度間的關(guān)系：金屬材料的抗拉強(qiáng)度越大，其疲勞極限也越大。對于中、低強(qiáng)度鋼，疲勞極限與抗拉強(qiáng)度之間大體呈線性關(guān)系。低周疲勞的特點(diǎn)低周疲勞時(shí)，局部區(qū)域產(chǎn)生宏觀塑性變形，應(yīng)力與應(yīng)變呈非線性關(guān)系，形成滯后回線?？倯?yīng)變。低周疲勞試驗(yàn)時(shí)，或者控制急應(yīng)變范圍，或者控制塑性應(yīng)變范圍，在給定的或下測定疲勞壽