變形斷裂江蘇大學(xué)陳康敏

1、第一章 應(yīng)力應(yīng)變曲線及彈性變形用靜拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，可得出許多重要性能指標(biāo):1、彈性模量 E ：主要用于零件的剛度設(shè)計。2、屈服強(qiáng)度s (ReL)和抗拉強(qiáng)度b (Rm) ：主要用于零件的強(qiáng)度設(shè)計。3、抗拉強(qiáng)度b (Rm)和彎曲疲勞強(qiáng)度有一定比例關(guān)系，進(jìn)一步為零件在交變載荷下使用提供參考。4、材料的塑性，斷裂前的應(yīng)變量：主要是為材料在冷熱變形時的工藝性能作參考。工程應(yīng)力應(yīng)變曲線：不能真實(shí)反映試件拉伸過程中應(yīng)力和應(yīng)變的變化關(guān)系。實(shí)際拉伸中，隨載荷F 增加，長度 L0 伸長，截面積 A0 相應(yīng)減少。真應(yīng)力S真應(yīng)變e 曲線：（流變曲線）真實(shí)反映變形過程中，隨應(yīng)變量增大，材料性質(zhì)的變化。真應(yīng)力 S ：試

2、件在某一瞬時承受的拉伸應(yīng)力。真應(yīng)變 e ：試件瞬時伸長量 / 瞬時長度。真實(shí)應(yīng)力總是大于大于工程應(yīng)力，真實(shí)應(yīng)變總是小于工程應(yīng)變真應(yīng)力 S 和真應(yīng)變 e 的定義：承認(rèn)了在變形過程中試件長度和直徑間相互變化的事實(shí)。即長度L 伸長了，其實(shí)際截面積 A 就會相應(yīng)減少第種類型：完全彈性 特點(diǎn)：具有可逆應(yīng)力應(yīng)變曲線和不出現(xiàn)塑性變形的特征。粘彈性：是指材料在外力作用下，彈性和粘性兩種變形機(jī)理同時存在的力學(xué)行為。特征：是應(yīng)變對應(yīng)力的響應(yīng)不是瞬時完成的（應(yīng)變落后于應(yīng)力），需要通過一個弛豫過程，但卸裁后，應(yīng)變恢復(fù)到初始值，不留下殘余變形。第種類型：彈性均勻塑性若材料具有不可逆的塑性變形能力，在彈性變形后，接著有一

3、個均勻變形階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)為第類型。應(yīng)力很小時，仍有彈性變形區(qū)，接著一段光滑的拋物線，其相應(yīng)于均勻塑性變形過程。均勻塑性變形：表明塑性變形需要不斷增加外力才能繼續(xù)進(jìn)行，即材料有阻止繼續(xù)塑變的能力（應(yīng)變硬化性能）。第種類型：彈性不均勻塑性變形在正常彈性后，有一系列鋸齒疊加在拋物線型曲線上。此類材料特性：是由于材料內(nèi)部不均勻變形所致。第種類型：彈性不均勻塑性均勻塑性變形許多體心立方鐵基合金和有色合金，應(yīng)力應(yīng)變曲線在彈性與均勻塑性變形間有一狹窄一段屬不均勻塑變區(qū)。即從彈性向塑性變形的過渡明顯。主要表現(xiàn)：在試驗(yàn)中，外力不增加（保持恒定）試樣仍繼續(xù)伸長；ABC或外力增加到一定數(shù)值時突然下降，隨后

4、，在外力不增加或上下波動下，試樣繼續(xù)伸長變形。這便是“屈服現(xiàn)象”。第種類型：彈性不均勻塑性均勻塑性變形其中：OA彈性；有一個上屈服點(diǎn)A，接著載荷下降。 AB不均勻塑變；BC均勻塑變。以B點(diǎn)為界，整個塑性變形出現(xiàn)兩種不同趨勢。AB應(yīng)力隨應(yīng)變增大而下降，BC應(yīng)力隨應(yīng)變增大而上升。到達(dá) B 點(diǎn)后，試件出現(xiàn)“縮頸”，但并很快失效。典型的結(jié)晶高聚合物材料具有此特征，這與其結(jié)構(gòu)有關(guān)。第2章 材料彈性變形彈性變形定義：當(dāng)外力去除后，能恢復(fù)到原形狀或尺寸的變形彈性變形。彈性變形具有可逆性的特點(diǎn)。無論變形量大小、應(yīng)力應(yīng)變是否呈線性關(guān)系，凡彈性形變都是可逆變形。彈性變形本質(zhì)：都是構(gòu)成材料的原子(離子)或分子從平衡

5、位置產(chǎn)生可逆位移的反映。雙原子模型解釋彈性變形的微觀過程：1）在無外加載荷下，晶格中原子在其平衡位置僅作微小熱振動，這是受原子間相互作用力控制的結(jié)果。（原子間相互作用力是原子間距的函數(shù)。在原子平衡位置處合力為零。）2）當(dāng)受外力作用時，原子間相互平衡力受到破壞，原子的位置產(chǎn)生位移，達(dá)到新的平衡。原子位移的總和：在宏觀上就表現(xiàn)為變形。3）當(dāng)外力去除后，原子依靠彼此間作用力又回到原來平衡位置，宏觀變形也隨之消失，表現(xiàn)出彈性變形的可逆性。上述模型導(dǎo)出的原子間相互作用力與其彈性位移關(guān)系并非虎克定律所描述的直線關(guān)系，而是拋物線關(guān)系。合力曲線有最大值 Fmax，若外力略大于Fmax ，就意味著可克服原子間引

6、力而使它們分離。Fmax 即為材料在彈性狀態(tài)下的理論斷裂抗力，實(shí)際斷裂抗力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Fmax時，材料就發(fā)生斷裂或產(chǎn)生塑性變形。彈性模量E ：在數(shù)值上等于當(dāng)應(yīng)變?yōu)橐粋€單位時的 彈性應(yīng)力。是表征材料對彈性變形的抗力，工程稱材料的剛度.E值越大，在相同應(yīng)力下產(chǎn)生的彈性變形就越小。彈性模數(shù)：是構(gòu)成材料原子、離子間鍵合強(qiáng)度的主要標(biāo)志，因此，凡影響鍵合強(qiáng)度的因素均能影響材料的彈性模數(shù)E 。彈性模量 E 與切變模量 G 關(guān)系：其中： 泊松比。泊松比：彈性變形時，試件縱向伸長和橫向縮短保持一定比例關(guān)系。橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比的絕對值稱為泊松比 表示材料在受外力作用時側(cè)向收縮能力。比例極限p 是材料彈性變形按正比

7、關(guān)系變化的最大應(yīng)力，即拉伸應(yīng)力一應(yīng)變曲線上開始偏離直線時的應(yīng)力值。彈性極限：材料由彈性變形過渡到彈塑性變形時的應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限e 后，便開始產(chǎn)生塑性變形。彈性比功：（彈性比能、應(yīng)變比能），用ae 表示，表示材料在彈性變形過程中吸收彈性變形功的能力。用材料開始塑性變形前單位體積吸收的最大彈性變形功表示。物理意義：吸收彈性變形功的能力。彈性可分為：理想彈性(完全彈性)和非理想彈性(彈性不完整性)兩類。理想彈性材料：在外載荷作用下，應(yīng)力-應(yīng)變服從虎克定律，即E，并同時滿足3個條件，即： 應(yīng)變對于應(yīng)力的響應(yīng)是線性的； 應(yīng)力和應(yīng)變同相位； 應(yīng)變是應(yīng)力的單值函數(shù)。純彈性體的彈性變形：只與載荷大小有

8、關(guān)，而與加載方向和加載時間無關(guān)。材料的非理想彈性行為：可分為滯彈性、粘彈性、偽彈性及包申格效應(yīng)等幾種類型滯彈性(彈性后效)：是指材料在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨時間的延長而產(chǎn)生的附加彈性應(yīng)變的現(xiàn)象。加載時，應(yīng)變落后于應(yīng)力，而與時間有關(guān)的滯彈性，稱為正彈性后效（或彈性蠕變）卸載時，應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象，稱為反彈性后效。在彈性區(qū)內(nèi)單向快速加載、卸載時，加載線與卸載線會不重合（應(yīng)力和應(yīng)變不同步），形成一封閉回線，稱為彈性滯后環(huán)。交變載荷時，若最大應(yīng)力宏觀彈性極限，加載速率比較大，則也得到彈性滯后環(huán)交變載荷時，若最大應(yīng)力宏觀彈性極限，則得到塑性滯后環(huán)材料存在彈性滯后環(huán)的現(xiàn)象說明：材料加載時吸收的變

9、形功 > 卸載時釋放的變形功，有一部分加載變形功被材料所吸收。這部分在變形過程中被吸收的功，稱為材料的內(nèi)耗。內(nèi)耗的大小：可用滯后環(huán)面積度量。滯后環(huán)中所包圍的面積：代表應(yīng)力一應(yīng)變循環(huán)一個周期所產(chǎn)生的能量損耗。滯后環(huán)面積越大，能量損耗也越大。循環(huán)韌性：指材料在塑性區(qū)內(nèi)加載時吸收不可逆變形功的能力。內(nèi)耗：指材料在彈性區(qū)內(nèi)加載時吸收不可逆變形功的能力。包申格(Bauschinger)效應(yīng)：金屬材料經(jīng)預(yù)加載產(chǎn)生少量塑變 (殘余應(yīng)變約14)，卸載后再同向加載，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，規(guī)定殘余伸長應(yīng)力降低(特別是彈件極限在反向加載時幾乎降低到零)的現(xiàn)象，稱為包申格效應(yīng)。包

10、申格效應(yīng)是多晶體金屬具有的普遍現(xiàn)象。消除包申格效應(yīng)方法：（1）對材料預(yù)先進(jìn)行較大的塑性變形；（2）在第二次反向受力前，對材料進(jìn)行回復(fù)再結(jié)晶退火。第3章 位錯理論根據(jù)幾何形態(tài)特征，可把晶體缺陷分為三類：(1)點(diǎn)缺陷：如空位、間隙原子等。 (2)線缺陷：如晶體中的各類位錯。(3)面缺陷：如晶界、相界、層錯、晶體表面等。點(diǎn)缺陷：包括空位、間隙原子和置換原子三種基本類型，以及由它們組成的尺寸很小的復(fù)合體（如空位對或空位片等）。在某瞬間，有些原子能量大到足以克服周圍原子的束縛，就可能脫離其原平衡位置而遷移到別處。結(jié)果，在原位置上出現(xiàn)空結(jié)點(diǎn)，稱為空位。間隙原子：進(jìn)入點(diǎn)陣間隙中的原子?？蔀榫w本身固有的原子

11、（自間隙原子）；也可為尺寸較小的外來異類原子(溶質(zhì)原子或雜質(zhì)原子)。那些占據(jù)原基體原子平衡位置的異類原子稱為置換原子。置換原子半徑常與原基體原子不同，故會造成晶格畸變。晶體在一定溫度下，有一定的熱力學(xué)平衡濃度，這是點(diǎn)缺陷區(qū)別于其它類型晶體缺陷的重要特點(diǎn)。位錯線與滑移矢量b 平行，為螺位錯位錯線與滑移矢量b 垂直，為刃位錯滑移矢量既不平行也不垂直于位錯線，而與位錯線相交成任意角度，此位錯稱為混合位錯。位錯線不能中斷于晶體的內(nèi)部，而只能終止在晶體表面或晶界上，即位錯線的連續(xù)性。晶體的宏觀滑移變形，是通過位錯的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的。位錯可在晶體中運(yùn)動是其最重要的性質(zhì)。位錯線在晶體中的移動位錯運(yùn)動。位錯運(yùn)動方式

12、：滑移和攀移。1）滑移：位錯線沿著滑移面的移動。2）攀移：位錯線垂直于滑移面的移動。刃位錯的運(yùn)動：可有滑移和攀移兩種方式。螺位錯的運(yùn)動：只作滑移、而不存在攀移。 位錯滑移機(jī)理：位錯的滑移：是通過位錯線及附近原子逐個移動很小距離完成的，故只需加很小切應(yīng)力就可實(shí)現(xiàn)。刃位錯滑移方向：與外應(yīng)力及伯氏矢量b 平行，正、負(fù)刃位錯滑移方向相反。螺型位錯的移動方向：與外應(yīng)力及柏氏矢量b 垂直，也與晶體滑移方向相垂直，左、右螺位錯滑移方向相反?；旌衔诲e滑移：混合位錯可分解為刃型和螺型兩部分。在切應(yīng)力作用下，沿其各線段的法線方向滑移，并同樣使晶體產(chǎn)生與其柏氏矢量相等的滑移量。 螺位錯因其位錯線與柏氏矢量b 平行，

13、故無確定滑移面，通過位錯線并包含b 的所有晶面都可能成為它的滑移面。若螺位錯在某一滑移面滑移后受阻，可轉(zhuǎn)移到與之相交的另一個滑移面上去，此過程叫交叉滑移，簡稱交滑移。只有螺位錯才能交滑移。位錯的攀移：指在熱缺陷或外力作用下，位錯線在垂直其滑移面方向上的運(yùn)動，結(jié)果導(dǎo)致晶體中空位或間隙質(zhì)點(diǎn)的增殖或減少。攀移的實(shí)質(zhì)：是多余半原子面的伸長或縮短。刃位錯：可在滑移面上滑移，還可在垂直滑移面方向攀移。正攀移：多余半原子面向上移動，向下移動稱負(fù)攀移。螺位錯：沒有多余半原子面，故無攀移。攀移與滑移不同：1）攀移伴隨物質(zhì)的遷移，需要空位的擴(kuò)散，需要熱激話，比滑移需更大能量。2）低溫攀移較困難，高溫時易攀移。在許

14、多高溫過程如蠕變、回復(fù)、單晶拉制中，攀移卻起著重要作用。3）攀移通常會引起體積的變化，故屬非保守運(yùn)動。4）作用于攀移面的正應(yīng)力有助于位錯的攀移。壓應(yīng)力將促進(jìn)正攀移，拉應(yīng)力可促進(jìn)負(fù)攀移。5）晶體中過飽和空位也有利于攀移。 位錯周圍彈性應(yīng)力場的存在增加了晶體的能量，這部分能量稱為位錯的應(yīng)變能。位錯的應(yīng)變能：可根據(jù)造成這個位錯所作的功求得。刃位錯彈性應(yīng)變能比螺位錯彈性應(yīng)變能約大50%混合位錯：位錯線與其柏氏矢量b 成角的，可認(rèn)為由柏氏矢量分別為bsin的刃位錯和bcos的螺位錯。 分別算出兩位錯分量應(yīng)變能，其和即為混合位錯應(yīng)變能。即使在無任何缺陷情況下，位錯運(yùn)動也需克服滑移面兩側(cè)原子間相互作用力（最

15、基本阻力），稱為點(diǎn)陣阻力（派-納力）。滑移面間距 a 值越大，位錯強(qiáng)度b值越小，則派-納力越小，故越容易滑移。晶體中，原子最密排面，間距a 最大，最密排方向，原子間距b最小，故位于密排面上，且柏氏矢量b方向與密排方向一致的位錯最易滑移。晶體滑移面和滑移方向一般為晶體原子密排面與密排方向。因位錯的能量與其長度成正比，因此它有盡量縮短其長度的趨勢。位錯為縮短其長度會產(chǎn)生線張力。以單位長度位錯線的能量來表示。線張力是位錯的一種彈性性質(zhì)。因位錯能量與長度成正比，當(dāng)位錯受力彎曲，位錯線增長，其能量相應(yīng)增高，而線張力則會使位錯線盡量縮短和變直。兩平行螺型位錯相互作用特點(diǎn)：同號相斥，異號相吸。在同一滑移面上

16、，同號刃型位錯總是相互排斥，距離越小，排斥力越大。同號刃位錯在平行滑移面上，將力圖沿與其 b 垂直的方向排列。此位錯組態(tài)稱位錯墻。異號刃位錯力圖排在和滑移面成45°的平面上，且異號刃位錯間相互吸引。 當(dāng)一個純螺型位錯與另一個純?nèi)行臀诲e互相平行時，兩位錯間無相互作用。晶體塑性形變，往往會在一個滑移面上有許多位錯在某種障礙物前被迫堆積，形成位錯群的塞積。晶界易成為位錯運(yùn)動的障礙物，位錯間的相互作用力也可產(chǎn)生障礙。位錯塞積群的重要效應(yīng)：使在它前端引起應(yīng)力集中。當(dāng)n 個位錯被切應(yīng)力 推向障礙物時，在塞積群前端將產(chǎn)生n 倍于外力的應(yīng)力集中。晶界前位錯塞積：引起應(yīng)力集中，能使相鄰晶粒屈服；當(dāng)數(shù)量

17、n 足夠大，也可在晶界處引起裂縫，出現(xiàn)微裂紋。位錯在滑移面上運(yùn)動，必與穿過此滑移面上的其它位錯（稱為“位錯林”）相交截，該過程即為“位錯交截”。位錯相互切割后，將使位錯產(chǎn)生彎折，生成位錯折線，這種折線有兩種：1）割階：位錯折線垂直（或不在）其所屬滑移面上。 2）扭折：位錯折線在其所屬滑移面上。柏氏矢量b 相互平行的兩刃位錯的交割：形成扭折。初始狀態(tài)為螺位錯，均在原位錯滑移面上，在原位錯向前運(yùn)動中，都因位錯線伸直而消失，故為扭折（在其滑移面上）。柏氏矢量b 相互垂直的兩刃位錯交割，不位于滑移面上的位錯臺階成為割階，產(chǎn)生割價需供給能量，故交割過程對位錯運(yùn)動是一種阻礙。1）運(yùn)動位錯交割后，各位錯線都

18、可產(chǎn)生一扭折或割階，其大小和方向取決于另一位錯的柏氏矢量。2）所有割階都是刃位錯，而扭折可刃型、也可螺型。3）扭折：與原位錯線在同一滑移面上，可隨主位錯線一道運(yùn)動，幾乎不產(chǎn)生阻力，且扭折在線張力下易于消失。4）割階：則與原位錯線不在同一滑移面上，除非割階產(chǎn)生攀移，否則，割階就不能隨主位錯線一道運(yùn)動，成為位錯運(yùn)動的障礙，常稱此為割階硬化。帶割階位錯的運(yùn)動，按割階高度不同，又可分為三種情況：1） 割階高度只有12個原子間距，若外力足夠大，螺位錯可把割階拖著走，在割階后留下一排點(diǎn)缺陷。2） 割階高度很大，約在20nm以上，此時割階兩端位錯相隔太遠(yuǎn)，相互間作用小，均可獨(dú)立在各自滑移面上滑移，并以割階為

19、軸，在滑移面上旋轉(zhuǎn)。3） 割階高度在上述兩種之間，位錯不能拖著割階運(yùn)動。在外力作用下，割階間位錯線彎曲，位錯前進(jìn)就會在其身后留下一對拉長了的異號刃位錯線段（位錯偶）。為降低應(yīng)變能，此位錯偶常會斷開而留下一個長位錯環(huán)，而位錯線仍回復(fù)原來帶割階的狀態(tài)，而長的位錯環(huán)又常會再進(jìn)一步分裂成小的位錯環(huán)，這是形成位錯環(huán)的機(jī)理之一。能使位錯增值的地方稱為位錯源。弗蘭克-瑞德(Frank-Rend）源：（a）設(shè)晶體中某滑移面上有一段刃型位錯AB，其兩端被位錯網(wǎng)節(jié)點(diǎn)釘住。（b）當(dāng)外切應(yīng)力滿足條件時，位錯DD'受力作用發(fā)生滑移。位錯線本應(yīng)平行向前滑移，但因其兩端被固定住，勢必發(fā)生彎曲，位錯變成曲線形狀。（c

20、）位錯受力總是與位錯線垂直，即使位錯彎曲也如此，在應(yīng)力作用下，位錯每一線段都沿其法線向外運(yùn)動，（d）當(dāng)位錯向前走出一段距離，到p、q兩點(diǎn)就碰到一起了。（e）因p、q為·一對左、右旋螺位錯，相遇便互相抵消，則原位錯線被分成兩部分。（f）外面位錯環(huán)：在力作用下不斷擴(kuò)大，直到晶體表面，而內(nèi)部另一段位錯：在線張力和外力作用下回到原狀態(tài)。上述F-R源，實(shí)質(zhì)上是一段兩端被釘扎的可滑動位錯，所以稱之為雙邊(或雙軸) F-R源，又稱為U型平面源。雙交滑移增殖機(jī)制：螺位錯由原滑移面轉(zhuǎn)至相交的滑移面，后又轉(zhuǎn)到與原始滑移面平行的滑移面上的運(yùn)動，稱為雙交滑移運(yùn)動。雙交滑移是一種更有效的增殖機(jī)制。 位錯反應(yīng)(

21、dislocation reaction)位錯在一定條件下發(fā)生分解或合并的過程。已知，位錯的能量與其伯格斯(Burgers)矢量(簡稱伯氏矢量)的平方成比例。因此具有高能量的位錯，無論在力學(xué)上或者熱力學(xué)上都是不穩(wěn)定的，在一定的條件下，將自動地分解為兩個或更多的伯氏矢量較小的位錯，以不斷地降低其本身的能量。同樣，兩個或兩個以上的位錯，也可以合并成一個位錯。這種反應(yīng)不是任意的，它必須滿足一定的條件。例如，全位錯分解為兩個不全位錯的充分和必要的條件是：(1)幾何條件。反應(yīng)前位錯的伯氏矢量b和反應(yīng)后諸位錯的伯氏矢量b之和應(yīng)相等，即b=b(2)能量條件。按熱力學(xué)的一般要求，作為一個自動進(jìn)行的位錯反應(yīng)過程

22、，必須是一個伴隨著能量降低的過程，即要求反應(yīng)之后整個系統(tǒng)的能量低于反應(yīng)前整個系統(tǒng)的能量。一個位錯反應(yīng)能否進(jìn)行的能量判據(jù)是b2 >b2。第4章 塑性變形單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。正應(yīng)力：只能引起彈性變形及解理斷裂。只有在切應(yīng)力的作用下，金屬晶體才能產(chǎn)生塑性變形。金屬材料常見的塑性變形方式：滑移和孿生兩種滑移：指晶體的一部分沿一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相對于另一部分發(fā)生滑動的現(xiàn)象。滑移面：面間距最大原子最密排晶面?；品较颍涸幼蠲芘诺姆较颉Ｒ粋€滑移面與其上的一個滑移方向組成一個滑移系。1） 面心立方（fcc）金屬：滑移面為111，共有 4 組；滑移

23、方向?yàn)?lt;110>，每個滑移面上包含 3 個滑移方向。共有4×3=12個滑移系2）體心立方（bcc）金屬：滑移面：為110晶面族，共有 6 個面；滑移方向：為<111>晶向族（立方體對角線）；每個滑移面上有2個滑移方向，共有6×2=12個滑移系。bcc金屬的滑移系：除110晶面族外，也可為112和123晶面族，此三種滑移面及其共同的滑移方向<111>的組合，總共有48個可能的滑移系。bcc金屬滑移系雖較多（為fcc 4 倍多），但其滑移面原子密排程度不如 fcc ，滑移方向數(shù)目也較少，故其塑性不如fcc金屬好。此外，fcc晶體派-納力要低的

24、多，從而其內(nèi)位錯較易滑移。3） 密排六方（hcp）金屬：情況較為復(fù)雜 通常，只有一個滑移面（0001）和三個滑移方向，共有1×3 = 3個滑移系，密排六方金屬滑移系少，滑移過程中，可能采取的空間位向少，故塑性差。滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱臨界切應(yīng)力?；瞥Ｑ鼐w中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。因原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最大，結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所需切應(yīng)力最小?；茣r，晶體兩部分的相對位移量是原子間距的整數(shù)倍?；平Y(jié)果在晶體表面形成臺階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個滑移帶當(dāng)滑移面、滑移方向與外力都呈45°角時（= 45°），滑

25、移方向上分切應(yīng)力最大（軟位向），最容易發(fā)生滑移?；频耐瑫r伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動原因：晶體滑移后使正應(yīng)力和切應(yīng)力分量組成了力偶。轉(zhuǎn)動結(jié)果：使滑移面法線與外力軸夾角增大，使外力與滑移方向夾角變小。實(shí)際上，滑移是通過滑移面上位錯的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)位錯移動到晶體表面時，便產(chǎn)生大小為 b 的滑移臺階，若有大量位錯沿滑移面上運(yùn)動到表面，宏觀上，晶體的一部分相對另一部份沿滑移面發(fā)生了相對位移，這便是滑移。單滑移：對有多組滑移系的晶體，當(dāng)其與外力軸取向不同時，處于軟位向的一組滑移系首先開動，這便是單滑移。多滑移：若兩組或幾組滑移系處在同等有利的位向，在滑移時，各滑移系同時開動，或因滑移中晶體的轉(zhuǎn)動使兩個或多個

26、滑移系交替滑移稱為多滑移。若發(fā)生雙滑移或多系滑移，在表面上所見到的滑移線就不再是一組平行線，會出現(xiàn)二組或多組的交叉形的滑移帶。交滑移：是指兩個或多個滑移面沿同一個滑移方向滑移。交滑移實(shí)質(zhì)：是螺位錯在不改變滑移方向的情況下，從一個滑移面滑到交線處，轉(zhuǎn)到另一個滑移面的過程。交滑移：表面滑移線是彎曲的折線，而不再是平直的。金屬晶體在發(fā)生滑移時，1）單滑移：金屬晶體先發(fā)生單滑移，因只有一個滑移系起作用，加工硬化效果很小。2）多滑移：隨著晶體發(fā)生轉(zhuǎn)動，會使數(shù)個滑移系同時處于有利位向，而發(fā)生多滑移，這時因不同滑移系間的位錯相互交割，加工硬化效果上升。3）交滑移：隨后又可能轉(zhuǎn)變?yōu)榻换?，這時加工硬化效果下降

27、，在表面出現(xiàn)曲折或波紋狀的滑移帶。 滑移的表面痕跡 ：單滑移：單一方向的滑移帶；多滑移：相互交叉的滑移帶；交滑移：波紋狀的滑移帶。孿生：在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對于另一部分所發(fā)生的均勻切變。孿生變形：發(fā)生切變的部分稱孿生帶或?qū)\晶，均勻切變區(qū)與未切變區(qū)的分界面稱為孿晶界。發(fā)生均勻切變的那組晶面稱為孿晶面；孿生面的移動方向稱為孿生方向。孿生使晶體變形與未變形部分以孿晶面為界構(gòu)成了鏡面對稱關(guān)系。1孿生也是在切應(yīng)力作用下發(fā)生的，常出現(xiàn)于滑移受阻而引起的應(yīng)力集中區(qū)，其臨界分切應(yīng)力要比滑移大得多。孿生變形速度極快, 接近聲速。2孿生使一部分晶體發(fā)生均勻切變，而滑移只集中在一些滑移面上

28、進(jìn)行（不均勻變形）。3孿生使晶體變形部分位向發(fā)生改變，孿晶面兩側(cè)晶體位向呈鏡面對稱，而滑移后晶體各部分位向均未改變。4孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距5孿生對塑變的直接貢獻(xiàn)比滑移小很多6孿生變形的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈鋸齒狀。光滑階段是與滑移塑變對應(yīng)；鋸齒狀階段即孿生變形所致。孿晶形核所需應(yīng)力遠(yuǎn)高于擴(kuò)展所需要應(yīng)力，故孿晶形成后載荷就會急劇下降。7孿生變形與晶體結(jié)構(gòu)：一些密排六方金屬（如Cd，Zn，Mg 等）常發(fā)生孿生變形。體心及面心立方金屬：在形變溫度很低，形變速率極快時，也會通過孿生方式進(jìn)行塑變。在面心立方金屬中常發(fā)現(xiàn)有孿晶，這是因相變過程中原子重新排列時發(fā)生錯排而產(chǎn)生的，稱退火孿

29、晶。8孿生使表面出現(xiàn)浮凸，因?qū)\晶與基體的取向不同，表面重新拋光后并浸蝕后仍能看到。多晶雙晶在室溫下拉伸變形后，呈現(xiàn)竹節(jié)狀。晶界處晶體變形較小，而晶內(nèi)變形量則大得多，整個晶粒的變形不均勻。這表明：晶界強(qiáng)度高于晶內(nèi)。晶界對塑性變形的影響：晶體在外力作用下變形，當(dāng)滑移的位錯運(yùn)動到晶界附近時，受到阻礙而堆積，稱位錯塞積。要使變形繼續(xù)進(jìn)行, 須增加外力, 而使金屬變形抗力提高。各晶粒變形不同時性：當(dāng)多晶體受外力作用時，因各晶粒取向不同，軟取向晶粒先滑移變形，而硬取向晶?？赡苋蕴幱趶椥宰冃螤顟B(tài)。只有外力繼續(xù)增大，才能使滑移從某些晶粒傳播到相鄰晶粒，并不斷傳播下去，從而產(chǎn)生宏觀可見的塑性變形。各晶粒的變形不

30、均勻：多晶體各晶粒變形不同時性，也反映了各晶粒變形不均勻。變形不均勻性：不僅存在于各晶粒間、基體與第二相間，也存在于同一晶粒內(nèi)部。因晶界對滑移的阻礙作用，使得靠近晶界區(qū)域的滑移變形量明顯小于晶粒中心區(qū)域。晶粒大小對塑性變形（強(qiáng)度）的影響：實(shí)驗(yàn)表明：多晶體的強(qiáng)度隨其晶粒的細(xì)化而增加。晶粒越細(xì)，單位體積所包含晶界越多，位錯障礙越多，需要協(xié)調(diào)的不同位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力越高。晶粒大小對金屬的塑性和韌性的影響。因晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)及參與變形晶粒數(shù)目越多，變形越均勻，斷裂前塑性變形越大，塑性越好。強(qiáng)度和塑性均增加, 斷裂前消耗功也大，故韌性也越高細(xì)晶化是唯一的在增加材料強(qiáng)度的同時也

31、增加材料塑性的強(qiáng)化方式。通過細(xì)化晶粒來同時提高金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性的方法稱細(xì)晶強(qiáng)韌化。 細(xì)晶強(qiáng)化前提條件：是晶界阻礙位錯滑移，這在溫度較低的情況下是存在的。晶界本質(zhì)是缺陷，當(dāng)溫度升高時，隨原子活動加強(qiáng)，晶界也變得不穩(wěn)定，其強(qiáng)化效果減弱，甚至出現(xiàn)晶界弱化現(xiàn)象。屈服現(xiàn)象：金屬材料在拉伸時，當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限，即使外力不再增加，甚至下降情況下，而變形繼續(xù)進(jìn)行的現(xiàn)象，稱為屈服。在屈服伸長變形是不均勻的，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到上屈服點(diǎn)下降到下屈服點(diǎn)時，在試樣局部開始塑性變形，表面形成與拉伸軸成45°的應(yīng)變痕跡，稱為呂德斯（Lüders）帶。若將低碳鋼經(jīng)少量預(yù)變形，去載后立即加載，則暫不出現(xiàn)屈服

32、現(xiàn)象。但若預(yù)變形后，將試樣放置一段時間或稍微加熱（200）后再加載拉伸，則又出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，且屈服強(qiáng)度會有所提高，這即應(yīng)變時效現(xiàn)象。屈服強(qiáng)度的提升：位錯強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化位錯間交互產(chǎn)生阻力包括：a）平行位錯間交互作用產(chǎn)生的阻力；b）運(yùn)動位錯與林位錯交互作用產(chǎn)生的阻力。位錯密度增加，也增加，屈服強(qiáng)度也提高劇烈冷變形位錯密度增加4-5個數(shù)量級-形變強(qiáng)化單相固溶體合金中隨溶質(zhì)含量增加，固溶體強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降，稱固溶強(qiáng)化。當(dāng)?shù)诙嘣诰?nèi)呈顆粒狀彌散分布時，顆粒越細(xì)，分布越均勻，合金的強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性略有下降，這種強(qiáng)化方法稱彌散強(qiáng)化。晶粒越細(xì)，單位體積所包含晶界越多

33、，位錯障礙越多，需要協(xié)調(diào)的不同位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力越高，通過細(xì)化晶粒來同時提高金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性的方法稱細(xì)晶強(qiáng)韌化。 第5章 材料的斷裂金屬的斷裂機(jī)件的三種主要失效形式：磨損、腐蝕、斷裂。斷裂：又可分為完全斷裂和不完全斷裂。完全斷裂：在應(yīng)力（或兼有熱或介質(zhì)）作用下，金屬材料被分成兩個或幾個部分。不完全斷裂：只是內(nèi)部存在裂紋。光滑拉伸試樣斷面收縮率 <5%為脆斷；> 5%為韌斷。韌性與脆性隨條件改變，韌性與脆性行為也將隨之變化。1）韌性斷裂：材料斷裂前及斷裂過程中產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂。特點(diǎn)：1）斷裂有一個緩慢撕裂過程，且消耗大量塑性變形能。 2）斷裂面一般平

34、行于最大切應(yīng)力并與主應(yīng)力成45°角。 3）斷口呈纖維狀，灰暗色。 4）典型宏觀斷口特征呈杯錐狀。杯錐狀斷口：有纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇（斷口三要素）。影響這三個區(qū)比例的主要因素是材料強(qiáng)度和試驗(yàn)溫度。一般地，材料強(qiáng)度提高，塑性降低，則放射區(qū)增大；1）纖維區(qū)：拉伸斷口的裂紋源區(qū)，裂紋擴(kuò)展速率很慢，當(dāng)裂紋達(dá)到臨界尺寸后就快速擴(kuò)展面形成放射區(qū)。2）放射區(qū)：裂紋快速、低能撕裂形成，有放射線花樣特征。放射線平行于裂紋擴(kuò)展方向，并收斂于裂紋源。撕裂時塑性變形量越大，則放射線越粗。3）剪切唇：拉伸斷裂的最后階段形成錐杯狀的剪切唇剪切唇表面光滑，與拉伸軸呈45度，是典型的切斷型斷裂2）脆性斷裂：材料斷裂

35、前基本無明顯宏觀塑性變形，無明顯預(yù)兆，表現(xiàn)為突然發(fā)生的快速斷裂，故危險性很大。特點(diǎn)：脆性斷裂斷裂面一般與正應(yīng)力垂直，斷口平齊而光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀。放射狀條紋的收斂于裂紋源。矩形截面板狀試樣脆性斷口：可見“人字紋花樣”。人字紋尖頂指向裂紋源。（二）穿晶斷裂與沿晶斷裂：穿晶斷裂：裂紋穿過晶內(nèi)，可韌性斷裂、也可脆性斷裂。沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴(kuò)展，多為脆斷，斷口呈冰糖狀。沿晶斷裂原因：晶界上一薄層連續(xù)或斷續(xù)脆性第二相、夾雜物，破壞了晶界的連續(xù)性；或雜質(zhì)元素向晶界偏聚等引起。沿晶斷口形貌：當(dāng)晶粒粗大時呈冰糖狀；當(dāng)晶粒細(xì)小時，斷口呈細(xì)小顆粒狀，斷口顏色較灰暗。（三）正斷與切斷（按斷裂面取向或作用力方

36、式）正斷：斷裂面垂直于最大正應(yīng)力max ；切斷：沿最大切應(yīng)力max 方向斷開、與正應(yīng)力約呈450。（四）純剪切與微孔聚集型斷裂、解理斷裂：1）剪切斷裂：金屬材料在切應(yīng)力作用下，沿滑移面滑移分離而造成斷裂。分為純剪切斷裂和微孔聚集型斷裂。純剪切斷裂：(滑斷)完全由滑移流變造成斷裂，某些純金屬尤其是單晶體金屬可產(chǎn)生。斷口呈鋒利的楔形（單晶體）或刀尖型（多晶體）。2)微孔聚集型斷裂：（純剪切斷裂另一種形式）通過微孔形核、長大聚合而導(dǎo)致材料分離，是韌性斷裂的普遍方式。宏觀斷口：常呈現(xiàn)暗灰色、纖維狀，微觀斷口特征：則是斷口上分布大量“韌窩”。（1）微孔形核和長大微孔聚集斷裂過程：微孔成核、長大、聚合、斷

37、裂。微孔成核：大多通過第二相或夾雜物質(zhì)點(diǎn)破裂，或第二相或夾雜物與基體界面脫離。是在斷裂前塑性變形到一定程度時產(chǎn)生的。第二相質(zhì)點(diǎn)處微孔成核原因：位錯引起的應(yīng)力集中；在高應(yīng)變條件下，第二相與基體塑性變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生分離（2）微孔成核的位錯模型：位錯在外加應(yīng)力作用下運(yùn)動遇到第二相，將繞過形成位錯環(huán)，并在第二相質(zhì)點(diǎn)處堆積。位錯環(huán)移向質(zhì)點(diǎn)與基體界面，即沿滑移面分離而成微孔。微孔成核，后面位錯所受排斥力下降，陸續(xù)被推向微孔，并使位錯源重新被激活，不斷放出新位錯，連續(xù)進(jìn)入微孔，使微孔長大。位錯也可在多個滑移面上運(yùn)動，堆積而形成微孔，并借位錯不斷向微孔運(yùn)動而長大。微孔長大同時，相鄰微孔間基體橫截面積減小，產(chǎn)生

38、縮頸（內(nèi)縮頸)而斷裂，微孔連接(聚合)形成微裂紋。裂紋不斷擴(kuò)展，直至最終斷裂。微孔聚集韌性斷裂裂紋形成所需拉應(yīng)力：與第二相質(zhì)點(diǎn)尺寸d 的平方根呈反比關(guān)系。抗拉強(qiáng)度新概念：相當(dāng)于微孔開始形成時的應(yīng)力。韌窩形狀：有等軸韌窩、拉長韌窩和撕裂韌窩，因應(yīng)力狀態(tài)不同而異。1）等軸韌窩：微孔在垂直于正應(yīng)力的平面上各方向長大傾向相同。2）拉長韌窩：在扭轉(zhuǎn)載荷或雙向不等拉伸條件下，因切應(yīng)力作用而形成。在匹配斷口上韌窩拉長方向相反；（如拉伸斷口剪切唇部）3） 撕裂韌窩：在拉、彎應(yīng)力作用下，微孔在拉長、長大時同時被彎曲，形成兩匹配斷口上方向相同的撕裂韌窩。（三點(diǎn)彎曲、沖擊）韌窩的大小(直徑和深度)決定于：1）第二相

39、質(zhì)點(diǎn)的大小和密度。第二相密度增大或其間距減小，則韌窩尺寸減小。2）基體材料塑變能力和應(yīng)變硬化指數(shù)。應(yīng)變硬化指數(shù)越大，越難于發(fā)生內(nèi)縮頸，故韌窩尺寸變小。3）外加應(yīng)力的大小和狀態(tài)。通過影響材料塑性變形能力，而間接影響韌窩深度。微孔聚集斷裂一定有韌窩存在，但微觀上出現(xiàn)韌窩，其宏觀上不一定就是韌性斷裂。因脆性斷裂在局部區(qū)域內(nèi)也能有塑性變形，也存在韌窩。只有微觀斷口存在大量韌窩時，宏觀上才表現(xiàn)為韌性斷裂。 3）解理斷裂：金屬材料在一定條件（如低溫、高應(yīng)變速率，或有三向拉應(yīng)力狀態(tài)）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（解理面）產(chǎn)生的穿晶斷裂。解理常見于:體心立方（bcc）和密排六方（

40、hcp)金屬中。解理面：一般是低指數(shù)面或表面能最低的晶面。一）解理裂紋的形成和擴(kuò)展：在滑移面上切應(yīng)力作用下，刃位錯互相靠近，當(dāng)切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時，塞積處的位錯互相擠緊、聚合而成為高nb、長為 r 的楔形裂紋（或空洞形位錯）。若塞積處應(yīng)力集中不能為塑性變形所松弛，則塞積處最大拉應(yīng)力fmax能達(dá)到理論斷裂強(qiáng)度m，而形成裂紋。以上所述解理裂紋形成，但并不意味會迅速擴(kuò)展而斷裂。解理斷裂過程三階段：1） 塑性變形形成裂紋；2）裂紋在同一晶粒內(nèi)長大，3）裂紋越過晶界向相鄰晶粒擴(kuò)展。1）位錯塞積理論晶粒大小對斷裂應(yīng)力影響已為許多試驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。細(xì)化晶粒（d 越?。?，斷裂應(yīng)力提高，材料脆性降低。當(dāng)晶粒尺寸

41、d 小于某臨界值時，屈服應(yīng)力低于斷裂應(yīng)力，先屈服后產(chǎn)生斷裂；但當(dāng)d 大于臨界值時，先發(fā)生脆性斷裂。裂紋成核：位錯反應(yīng)形成不動位錯位錯群塞積產(chǎn)生裂紋在bcc晶體中，有兩相交滑移面（10-1）和（101），與解理面（001）相交，三面之交線為010。則（10-1）面上刃位錯b1和沿（101）面的刃位錯b2，于010軸相遇，并產(chǎn)生下列反應(yīng)：新形成位錯在（001）面上，而不在bcc晶體固有滑移面族110，故為不動位錯。結(jié)果兩相交滑移面上的位錯群就在該不動位錯附近產(chǎn)生塞積。當(dāng)塞積位錯較多時，產(chǎn)生裂紋nb。何垂耳位錯反應(yīng)理論是降低能量過程，故裂紋成核是自動進(jìn)行的。位錯反應(yīng)形成解理裂紋擴(kuò)展力學(xué)條件：與位錯塞

42、積形成裂紋相同。即：上述位錯塞積和位錯反應(yīng)兩種解理裂紋形成模型的共同點(diǎn)：1）裂紋形核前均需有塑性變形；2）位借運(yùn)動受阻，在一定條件下便會形成裂紋。實(shí)驗(yàn)證實(shí)：裂紋常在晶界、亞晶界、孿晶交叉處出現(xiàn)。通過孿生形成解理裂紋只有在晶粒較大時才產(chǎn)生 （二）解理斷裂的微觀斷口特征1、 解理斷裂：基本微觀特征：解理臺階、河流花樣、舌狀花樣。解理斷裂：是沿晶體特定界面發(fā)生的脆性穿晶斷裂。微觀斷口：由許多大致相當(dāng)于晶粒大小的解理（刻）面集合而成的。1） 解理臺階和河流花樣：在解理刻面內(nèi)部，解理裂紋一般要跨越若干相互平行且位于不同高度的解理面，而出現(xiàn)解理臺階和河流花樣。河流花樣：實(shí)際上是解理臺階的一種標(biāo)志。解理臺階

43、、河流花樣、舌狀花樣是解理斷裂基本微觀特征。解理臺階形成方式（1）解理裂紋與螺型位錯相交：當(dāng)解理裂紋（設(shè)想為一刃位錯）與晶體內(nèi)一螺位錯CD相遇時，便形成一個高度為b 的臺階。臺階向前滑動而相互匯合，同號臺階相互匯合長大。當(dāng)匯合臺階高度足夠大時，便成為河流花樣。（2） 由解理裂紋與次生解理 （二次解理）或撕裂形成。河流花樣：是判斷是否為解理斷裂的重要微觀依據(jù)?！昂恿鳌钡牧飨颍号c裂紋擴(kuò)展方向一致，根據(jù)“河流”流向確定在微觀范圍內(nèi)解理裂紋擴(kuò)展方向；而按“河流”反方向去尋找斷裂源。2）舌狀花樣解理斷裂的另一微觀特征。舌狀花樣：因在電鏡下類似于“人舌”而得名。它是因解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展留下的舌頭狀凹坑或

44、凸臺。在匹配斷口上“舌頭”為黑白對應(yīng)的。2、準(zhǔn)解理斷裂：因彌散細(xì)小碳化物質(zhì)點(diǎn)影響了裂紋形成與擴(kuò)展，當(dāng)裂紋在晶粒內(nèi)擴(kuò)展時，難于嚴(yán)格沿一定晶體學(xué)平面擴(kuò)展。斷裂路徑：不再與晶粒位向有關(guān)，而主要與細(xì)小碳化物有關(guān)。微觀特征：似解理河流但又非真正解理，故稱準(zhǔn)解理。準(zhǔn)解理與解理的共同點(diǎn)：都是穿晶斷裂，有小解理刻面；臺階或撕裂棱及河流花樣。不同點(diǎn)：準(zhǔn)解理小刻面非晶體學(xué)特征。裂紋常源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)，形成從晶內(nèi)某點(diǎn)發(fā)源的放射狀河流花樣。而解理裂紋常源于晶界，準(zhǔn)解理：不是一種獨(dú)立的斷裂機(jī)理，而是解理斷裂的變種。二、斷裂強(qiáng)度的裂紋理論(格雷菲斯裂紋理論)實(shí)際材料中已存在裂紋，當(dāng)平均應(yīng)力還很低時，局部應(yīng)力集中可達(dá)到很高值

45、m，從而使裂紋快速擴(kuò)展并導(dǎo)致脆斷。能量平衡原理指出：由于存在裂紋，系統(tǒng)彈性能降低，勢必與因存在裂紋而增加的表面能相平衡。若彈性能降低足以滿足表面能增加之需要時，裂紋就會失穩(wěn)擴(kuò)展，引起脆性破壞。系統(tǒng)總能量變化及各項(xiàng)能量均與裂紋半長 a 有關(guān)。脆斷判據(jù)-1：可得裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界應(yīng)力為：當(dāng)外加應(yīng)力c 時，裂紋就失穩(wěn)擴(kuò)展。脆斷判據(jù)-2：當(dāng)外加應(yīng)力不變，裂紋在服役時不斷擴(kuò)展長大，則當(dāng)長到臨界尺寸（aac） 時，就失穩(wěn)擴(kuò)展。ac為在一定應(yīng)力水平下的裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展臨界尺寸。格雷菲斯裂紋具有臨界尺寸ac的裂紋。格雷菲斯理論：由熱力學(xué)原理得出斷裂發(fā)生的必要條件，但這并不意味著事實(shí)上一定要斷裂。裂紋自動擴(kuò)展的充分

46、條件是：裂紋尖端應(yīng)力要等于或大于理論斷裂強(qiáng)度m 。滿足了格雷菲斯能量條件，同時也就滿足了應(yīng)力判據(jù)規(guī)定的充分條件。格雷菲斯公式：只適用于脆性固體，如玻璃、金剛石、超高強(qiáng)度鋼等，即那些裂紋尖端無塑性變形情況。第6章 疲勞斷裂1、變動載荷變動載荷：是引起疲勞破壞的外力，其載荷大小或方向均隨時間變化，其單位面積上平均值稱變動應(yīng)力。變動應(yīng)力類型：規(guī)則周期變動應(yīng)力(也稱循環(huán)應(yīng)力)和無規(guī)則隨機(jī)變動應(yīng)力兩種?？捎脩?yīng)力時間曲線表示。2、循環(huán)應(yīng)力：波形有正弦波、矩形波和三角形波等，常見者為正弦波?？捎孟铝袔讉€參量來表示：最大應(yīng)力：max、最小應(yīng)力：min；平均應(yīng)力m ；應(yīng)力幅a ；應(yīng)力比r 金屬機(jī)件或構(gòu)件在變動應(yīng)

47、力和應(yīng)變長期作用下由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞。1、疲勞的分類疲勞分類：1）按應(yīng)力狀態(tài)：彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、拉壓疲勞及復(fù)合疲勞；2）按環(huán)境和接觸：大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞、接觸疲勞等；3）按斷裂壽命和應(yīng)力高低：高周疲勞和低周疲勞，這是最基本的分類方法。高周疲勞：斷裂應(yīng)力水平較低，s ，斷裂壽命較長，Nf 105周次。也稱低應(yīng)力疲勞，一般疲勞多屬這類。低周疲勞：斷裂應(yīng)力水平較高，s，斷裂壽命較短，Nf (102105)用次，往往有塑性應(yīng)變，也稱高應(yīng)力疲勞或應(yīng)變疲勞。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)力低于某臨界值（疲勞極限）時，壽命可無限長。（2）疲勞

48、是脆性斷裂疲勞應(yīng)力比屈服強(qiáng)度低，故不論韌性材料還是脆性材料，在疲勞斷裂前均不會發(fā)生塑性變形及有形變預(yù)兆，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ac 時才突然發(fā)生的。（3）疲勞對缺陷(缺口、裂紋及組織缺陷)十分敏感 疲勞破壞是從局部開始的，故對缺陷具有高度的選擇性。缺口和裂紋因應(yīng)力集中，增大對材料的損傷作用，組織缺陷(夾雜、疏松、白點(diǎn)、脫碳等)降低材料的局部強(qiáng)度，都加快疲勞破壞的產(chǎn)生和發(fā)展。 3、 疲勞宏觀斷口特征疲勞斷口：保留了斷裂過程的很多信息，有明顯形貌特征。并受材料性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、大小及環(huán)境等因素的影響，疲勞斷口分析是研究疲勞斷裂過程和原因的重要方法之一。典型疲勞斷

49、口：有三個不同區(qū)域疲勞源、疲勞區(qū)及瞬斷區(qū)（1） 疲勞源： 是疲勞裂紋萌生的策源地。一般在機(jī)件表面，表面缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷等，常因應(yīng)力集中，而引發(fā)的疲勞裂紋。材料內(nèi)部存在嚴(yán)重冶金缺陷（夾雜、縮孔、偏析、白點(diǎn)等）時，因局部強(qiáng)度降低，也會產(chǎn)生疲勞源。疲勞源區(qū)的最為光亮；（2）疲勞區(qū)：疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)，是判斷疲勞斷裂的重要證據(jù)。宏觀特征：斷口較光滑，并有貝紋線(或海灘花樣)。（3） 瞬斷區(qū)：裂紋最后失穩(wěn)快速擴(kuò)展區(qū)。瞬斷區(qū)：斷口粗糙，同靜載斷裂斷口，隨材料性質(zhì)而變。脆性材料：為解理或結(jié)晶狀斷口；韌性材料：在中間平面應(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。扭轉(zhuǎn)循環(huán)載荷：因最大正應(yīng)

50、力和軸向呈45°角，最大切應(yīng)力垂直軸向或平行軸向分布。正斷型扭轉(zhuǎn)疲勞斷口：與軸向呈45°角，且易出現(xiàn)鋸齒狀或星形狀花樣，如花鍵軸的斷口。切應(yīng)力引起的切斷型扭轉(zhuǎn)疲勞斷口:斷面垂直或平行于軸線，在疲勞斷口上一般看不到貝紋線。扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋：還可沿最大剪應(yīng)力方向擴(kuò)展。疲勞過程：包括疲勞裂紋萌生、裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展及最后失穩(wěn)擴(kuò)展三個階段。疲勞壽命Nf ：包括疲勞裂紋萌生期 N0 和裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展期 Np 所組成。一、疲勞裂紋萌生過程及機(jī)理宏觀疲勞裂紋是由微觀裂紋的形成、長大從連接而成的。疲勞裂紋萌生期：目前尚無統(tǒng)的尺度標(biāo)準(zhǔn)，常將長約0.050.1mm的裂紋定為疲勞裂紋核，并由此確定疲勞裂紋萌

51、生期。主要方式：（1）表面滑移帶開裂；（2）第二相、夾雜物或其界面開裂；（3）晶界或亞晶界開裂等。（1） 滑移帶開裂產(chǎn)生裂紋 駐留滑移帶：大量試驗(yàn)表明金屬在循環(huán)應(yīng)力（-1）長期作用下，即使其應(yīng)力低于屈服應(yīng)力，也會發(fā)生循環(huán)滑移，表面并形成循環(huán)滑移帶。（與靜載荷的均勻滑移帶不同）循環(huán)滑移：是極不均勻，集中分布于某些局部薄弱區(qū)域。駐留滑移帶：一般只在材料表面某些薄弱地區(qū)產(chǎn)生，具有持久駐留性。其深度較淺，隨著加載循環(huán)次數(shù)增加，會不斷地加寬，加寬至一定程度，因位錯塞積和交割作用，便在駐留滑移帶處形成微裂紋。 擠出脊和侵入溝：隨著加載循環(huán)次數(shù)增加，駐留滑移帶會不斷地加寬，在加寬過程中，還會出現(xiàn)擠出脊和侵入

52、溝，于是此處就產(chǎn)生應(yīng)力集中和空洞，經(jīng)過一定循環(huán)后也會產(chǎn)生微裂紋。擠出和侵入的現(xiàn)象：在很多實(shí)驗(yàn)中曾經(jīng)觀察到，而且看到了由它所形成的裂紋。 擠出脊和侵入溝形成機(jī)理：柯垂?fàn)?A.H.Cottrell)和赫爾（D.Hu11）提出了交叉滑移模型。1）在拉應(yīng)力作用下，在取向最有利的滑移面上位錯源S1被激活，不斷增殖，滑移到表面便在P處留下一臺階。隨拉應(yīng)力增大，另一滑移面上位錯源S2也被激活，不斷增殖，滑移到表面，在 Q 處留下一臺階；與此同時，后一個滑移面上位錯運(yùn)動使第一個滑移面錯開，造成位借源S1與臺階P不再處于同一個平面內(nèi)2）進(jìn)入壓應(yīng)力的半周期，位錯源S1又被激活，向反方向滑動，在表面留下一反向滑移臺

53、階P，P處形成一個侵入溝；同時，也造成位錯源 S2 與臺階 Q 不處于一個平面。隨壓應(yīng)力增加，位錯源S2又被激活，沿反方向運(yùn)動，滑出表面留下一反向臺階Q，便在此處形成一擠出脊；同時又將位錯源 S1帶回原位置。與臺階P處于一個平面內(nèi)。如此不斷循環(huán)，擠出脊高度和浸人溝深度將不斷增加，而寬度不變。 （二）相界面開裂產(chǎn)生裂紋在疲勞失效分析中，常發(fā)現(xiàn)很多疲勞源都由材料中第二相或夾雜物引起的，因此提出了第二相、夾雜物和基體界面開裂，或第二相、夾雜物本身開裂的疲勞裂紋萌生機(jī)理。（三）晶界開裂產(chǎn)生裂紋多晶材料：晶界作用，且相鄰晶粒不同取向性，位錯在某一晶粒內(nèi)運(yùn)動會受晶界阻礙，產(chǎn)生位錯塞積和應(yīng)力集中。在應(yīng)力循環(huán)

54、作用下，晶界處應(yīng)力集中不能松弛，應(yīng)力越來越大，當(dāng)超過晶界強(qiáng)度時會在晶界處產(chǎn)生裂紋二、疲勞裂紋擴(kuò)展過程及機(jī)理疲勞微裂紋萌生后即進(jìn)入擴(kuò)展階段，分為兩個階段1） 從表面?zhèn)€別侵入溝（擠出脊）先形成微裂紋，隨后，主要沿主滑移系方向（最大切應(yīng)力），以純剪切方式向內(nèi)擴(kuò)展第一階段：裂紋擴(kuò)展速率很低，且擴(kuò)展總量也很小，在斷口?？床坏绞裁葱蚊蔡卣?，只有一些擦傷的痕跡。2） 第二階段：第一階段裂紋擴(kuò)展，因晶界不斷阻礙作用，會逐漸轉(zhuǎn)向垂直于拉應(yīng)力的方向，進(jìn)入第二階段擴(kuò)展。電鏡斷口分析表明：第二階段斷口特征是具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣，稱為疲勞條帶（條紋）。它是裂紋擴(kuò)展時留下的微觀痕跡，每一條帶可視作一次應(yīng)力循環(huán)

55、的擴(kuò)展痕跡，裂紋擴(kuò)展方向與條帶垂直，疲勞條帶是疲勞斷口最典型微觀特征。疲勞條帶是疲勞斷口微觀特征，貝紋線是斷口的宏觀特征。疲勞裂紋擴(kuò)展的塑性鈍化模型為說明第二階段疲勞裂紋擴(kuò)展的物理過程，解釋疲勞條帶的形成原因，曾提出不少裂紋擴(kuò)展模型，其中比較公認(rèn)的是塑性鈍化模型。 在交變循環(huán)應(yīng)力作用下，因裂紋尖端的塑性張開鈍化和閉合銳化，會使裂紋向前延續(xù)擴(kuò)展。這種因塑性變形使裂紋尖端的應(yīng)力集中減小，滑移停止，裂紋不再擴(kuò)展的過程稱為“塑件鈍化”。每一應(yīng)力循環(huán)，裂紋張開、鈍化、銳化、擴(kuò)展，在斷口上留下一條疲勞條帶，裂紋向前擴(kuò)展一條帶距離。如此反復(fù)，不斷形成新條帶，裂紋也不斷向前擴(kuò)展。因此，疲勞裂紋擴(kuò)展第二階段是在

56、應(yīng)力循環(huán)下，裂紋尖端鈍銳反復(fù)交替變化的過程。第三節(jié) 影響疲勞強(qiáng)度的主要因素一、表面狀態(tài)的影響（一）應(yīng)力集中 機(jī)件表面缺口應(yīng)力集中，常是引起疲勞破壞的主要原因。（二）表面粗糙度在循環(huán)載荷作用下，金屬不均勻滑移集中在表面，疲勞裂紋也常在表面產(chǎn)生，故機(jī)件表面粗糙度對疲勞強(qiáng)度影響很大。材料強(qiáng)度越高，表面粗糙度對疲勞極限影響越顯著。二、殘余應(yīng)力及表面強(qiáng)化的影響殘余應(yīng)力狀態(tài)對疲勞強(qiáng)度（高周疲勞）有顯著影響：殘余壓應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度；殘余拉應(yīng)力則降低疲勞強(qiáng)度。殘余壓應(yīng)力：可有效降低缺口根部的拉應(yīng)力峰值，顯著提高機(jī)件的疲勞強(qiáng)度。三、材料成分及組織的影響 疲勞強(qiáng)度也是對材料組織結(jié)構(gòu)敏感的力學(xué)性能。（一）合金成分：是決定材料組織結(jié)構(gòu)的基本要