第二章材料的力學性能

第二章材料的力學性能材料的力學性能是關于材料強度的一門科學，主要研究材料在外力作用下的力學行為、物理本質(zhì)和評定方法。本章我們首先學習材料的力學性能，然后介紹不同類型的失效。第一節(jié)彈性變形一、胡克定律物體在受到外力作用之后發(fā)生形態(tài)變化，若除去作用力之后并能夠恢復原來形狀的性質(zhì)叫做彈性。當材料在外力作用下不能產(chǎn)生位移時，它的幾何形狀和尺寸將發(fā)生變化，這種形變就稱為應變。物體由于外因(受力、濕度、溫度場變化等)而變形時，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置恢復到變形前的位置。在所考察的截面某一點單位面積上的內(nèi)力稱為應力。在理想的彈性體，應力和應變的關系是線性的，但對于大多數(shù)固體材料，應力與應變的關系是比較復雜的。

胡克定律是力學基本定律之一，適用于一切固體材料的彈性定律，它指出：在彈性限度內(nèi)，物體的形變跟引起形變的外力成正比。這個定律是英國科學家胡克發(fā)現(xiàn)的，所以叫做胡克定律。垂直于截面的應力分量稱為正應力(或法向應力)，用σ表示；相切于截面的應力分量稱為剪應力或切應力，用τ表示。單向拉伸狀態(tài)下，胡克定律表示為：剪切狀態(tài)下，胡克定律表示為：（E為楊氏模量）（G為切變模量）胡克定律應用的一個常見例子是彈簧。在彈性限度內(nèi)，彈簧的彈力和彈簧的長度變化量成線性關系，即：

式中k是彈簧的勁度系數(shù)（或稱為倔強系數(shù)），它由彈簧材料的性質(zhì)和幾何外形所決定，負號表示彈簧所產(chǎn)生的彈力與其伸長（或壓縮）的方向相反。彈性模量被稱為材料的剛度，表征材料對彈性變形的力，所以彈性模量越大，相同應力下材料產(chǎn)生的變形就越小。“彈性模量”是描述物質(zhì)彈性的一個物理量，是一個總稱，包括“楊氏模量”、“剪切模量””、“體積模量”等。楊氏模量——正應力與正應變的比值；剪切模量——切應力與切應變的比值體積模量——壓力與體積變化的比值材

料E/GPa結合鍵軟鋼207金屬鍵鑄鐵170～190金屬鍵銅110金屬鍵鋁69金屬鍵鎢410金屬鍵金剛石1140共價鍵Al2O3400離子鍵低密度聚乙烯0.2范德華鍵天然橡膠0.003～0.006范德華鍵表2-1一些工程材料的彈性模量和鍵型彈性比功表示材料吸收彈性變形功的能力，又稱彈性比能或應變比能。彈性比功對于研究或理解大件的脆性斷裂問題很有意義。拉伸時，應力-應變曲線上彈性變形階段下的面積代表彈性比功的大小，如圖2-1中的陰影面積。二、彈性比功圖2-1彈性比功ae為彈性比功e為彈性極限e最大彈性應變ae/MJ材料E/MPa/MPa

m－3高碳彈簧鋼2100009650.22865Mn～20000013804.76155Si2Mn～20000014805.476不銹鋼（冷軋）～20000010002.5鈹青銅1200005881.44磷青銅1010004501.0橡膠122表2-2幾種彈性材料的彈性比功第二節(jié)塑性變形

塑性：指在外力作用下，材料能穩(wěn)定地發(fā)生永久變形而不破壞其完整性的能力。對大多數(shù)的工程材料，當其應力低于比例極限（彈性極限）時，應力一應變關系是線性的，表現(xiàn)為彈性行為。而應力超過彈性極限后，發(fā)生的變形包括彈性變形和塑性變形兩部分。彈性變形可逆，塑性變形不可逆。

強度：材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力稱為強度，它是衡量零件本身承載能力（即抵抗失效能力）的重要指標。按外力作用的性質(zhì)不同，主要有屈服強度、抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度等。屈服強度：指材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時的屈服極限，是抵抗塑性變形時，材料屈服的臨界應力值。

注：當外力超過物體彈性極限，達到某一點后，在外力幾乎不增加的情況下，變形驟然加快，此點為屈服點，達到屈服點的應力稱為屈服強度或屈服應力。抗拉強度：試樣拉斷前所承受的最大拉應力。彈性階段彈性極限P屈服階段屈服極限S強化階段強度極限B頸縮階段材料的應力-應變曲線

脆性：材料在外力作用下(如拉伸、沖擊等)僅產(chǎn)生很小的變形即斷裂破壞的性質(zhì)。韌性：指材料在承受應力時對折斷的抵抗，或者說在沖擊載荷作用下不被破壞的能力，其定義為材料在破裂前所能吸收的能量與體積的比值。韌性越好，則發(fā)生脆性斷裂的可能性越小。韌性的材料比較柔軟，它的拉伸斷裂伸長率、抗沖擊強度較大，硬度、拉伸強度和拉伸彈性模量相對較小。

硬度：材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。固體對外界物體入侵的局部抵抗能力，是比較各種材料軟硬的指標。剛度是抵抗變形的能力，強度是抵抗破壞的能力，硬度是侵入其它物體的能力（也是不被其它物體侵入的能力）。剛度是強調(diào)不變形，或變形小，如機床的主軸等。強度是強調(diào)可靠性，即不能失效。硬度是強調(diào)侵入和反侵入的能力，如，夾具用的墊塊、鉆模套等，還有刀具等。剛度：機械零件和構件抵抗變形的能力，單位牛頓每米(N/m)。剛度可分為靜剛度和動剛度：載荷下抵抗變形的能力稱為靜剛度，動載荷下抵抗變形的能力稱為動剛度。

金屬室溫塑性變形主要以滑移和孿生兩種方式進行。實際金屬材料多為多晶體。但多晶體的塑變與組成它的各晶粒的變形有關。一、單晶體塑變機制

⑴定義:滑移是在切應力作用下，晶體的一部分相對于另一部分沿著一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）產(chǎn)生相對位移，且不破壞晶體內(nèi)部原子排列規(guī)律性的塑變方式。正應力σ僅使晶格產(chǎn)生彈性伸長，當超過原子間結合力時，使將晶體拉斷；切應力τ

使晶格產(chǎn)生彈性歪扭，在超過滑移抗力時引起滑移面兩側的晶體發(fā)生相對滑動。1、滑移晶體在切應力作用下的變形①滑移在切應力作用下產(chǎn)生⑵滑移變形具有以下特點:②滑移時兩部分晶體的相對位移是原子間距的整數(shù)倍滑移面間距示意圖滑移的發(fā)生總是沿著阻力最小的方式進行！因為密排面之間和密排方向之間的原子間距最大，其原子之間的結合力最弱，所以在外力作用下最易引起相對的滑動。③滑移沿原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生

將金屬試樣拋光后進行適量的塑性變形，在普通金相顯微鏡下觀察，會看到試樣的表面有許多平行的變形痕跡，這些變形痕跡叫做“滑移帶”。每條滑移帶是由若干有滑移臺階的滑移線構成。④晶體的滑移造成滑移帶

拉伸時，滑移面和滑移方向趨于平行于力軸方向

壓縮時，滑移面逐漸趨于垂直于壓力軸線。⑤滑移的同時伴隨著晶體的轉動⑶滑移系定義滑移總是沿一定晶面和晶向發(fā)生，它們分別稱為滑移面（密排面）和滑移方向（密排方向）。一個滑移面和其上的一個滑移方向組成一個滑移系。晶體結構不同，其滑移系也不同。

圖2-7三種常見金屬晶體結構的滑移系a）體心立方b）面心立方c）密排六方

滑移方向的數(shù)目比滑移面的作用更大。體心立方和面心立方都有12個滑移系，但面心立方晶體的滑移方向多，塑性更好。圖2-7三種常見金屬晶體結構的滑移系a）體心立方b）面心立方c）密排六方

金屬塑性變形的實質(zhì)是晶體內(nèi)部產(chǎn)生滑移的結果。在切向應力作用下，晶體的一部分與另一部分沿著一定的晶面產(chǎn)生相對滑移（該面稱滑移面），從而造成晶體的塑性變形。當外力繼續(xù)作用或增大時，晶體還將在另外的滑移面上發(fā)生滑移，使變形繼續(xù)進行，因而得到一定的變形量。

⑷滑移機理:要實現(xiàn)這種滑移所需的外力要比試驗測得的數(shù)據(jù)多3-4個數(shù)量級，這說明實際晶體結構及其塑性變形并不完全如此。原因是上述理論所描述的滑移運動是建立在理想晶體中，滑移運動相當于滑移面上下兩部分晶體彼此以剛性整體作相對運動。實際晶體內(nèi)部存在大量缺陷，其中以位錯對金屬塑性變形的影響最為明顯。由于位錯的存在，部分原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在比理論值低得多的切應力作用下，處于高能位的原子很容易從一個相對平衡的位置上移動到另一個位置上，形成位錯運動。位錯運動的結果，就實現(xiàn)了整個晶體的塑性變形。所以可以說滑移是由位錯運動造成的（滑移位錯機制）2、孿生圖2-10面心立方晶體孿生變形示意圖a）孿生方向與孿晶面b）孿生時原子切變過程在切應力作用下，晶體的一部分沿一定晶面（孿晶面）和一定晶相（孿生方向）相對于另一部分做均勻的切變所產(chǎn)生的變形。晶體滑移變形孿生變形2、孿生在切應力作用下，晶體的一部分沿一定晶面（孿晶面）和一定晶相（孿生方向）相對于另一部分做均勻的切變所產(chǎn)生的變形。①孿生：均勻切變；

滑移：塑性變形是不均勺的。②孿生：孿生區(qū)域內(nèi)原子沿孿生方向的移動量通常只是原子間距的幾分之一；

滑移：變形時，滑移距離則是原于間距的整倍數(shù)。③孿生：晶體變形部分的位向發(fā)生變化，并且相對于孿晶面與未變形部分對稱；

滑移：晶體位向并不發(fā)生變化。④孿生和滑移一樣并不改變晶體的點陣類型。⑤孿生臨界分切應力值大，因此，只在很難滑移的條件下，晶體才發(fā)生孿生?；葡瞪俚拿芘帕浇饘伲Ｒ詫\生方式變形。

孿生與滑移的對比

孿生與滑移的對比孿生變形產(chǎn)生的塑性變形量一般不超過10％，但是孿生使晶體位向發(fā)生變化，從而引起滑移系取向變化，能促進滑移的發(fā)生。往往孿生與滑移交替發(fā)生，即可獲得較大的塑性變形量。

通常使用的金屬都是由大量微小晶粒組成的多晶體。其塑性變形可以看成是由組成多晶體的許多單個晶粒產(chǎn)生變形(稱為晶內(nèi)變形)的綜合效果。同時，晶粒之間也有滑動和轉動(稱為晶間變形)。

3.1單晶體和多晶體的塑性變形二、多晶體塑變機制

多晶體金屬在外力的作用下：處于軟位向（晶向與外力成45°或接近45°）的晶粒優(yōu)先產(chǎn)生滑移變形，處于硬位向（晶向與外力∥或⊥）的相鄰晶粒尚不能滑移變形，只能以彈性變形相平衡。隨著外力的增大，硬位向晶粒滿足滑移的臨界應力，產(chǎn)生位錯運動，從而出現(xiàn)均勻的塑性變形。⑴主要影響因素：位向、晶界①位向：晶界對晶粒變形具有阻礙作用。雙晶粒拉伸試樣變形后在晶界處呈竹節(jié)狀。每個晶粒中的滑移帶均終止于晶界附近，晶界附近位錯塞積。位錯塞積密度增高，材料強度提高。因此，晶粒越細，晶界越多，材料強度越高。②晶界：晶粒越細，強度越高

原因：晶粒越細，晶界越多，位錯運動的阻力越大。晶粒越細，塑性越高

原因：晶粒越多，總變形量被分散到更多晶粒內(nèi)，不至產(chǎn)生太大的應力集中導致晶體破壞，表現(xiàn)出高塑性。晶粒越細，韌性越高

原因：細晶粒材料中，應力集中小，裂紋不易萌生；晶界多，裂紋不易傳播，表現(xiàn)出高韌性。

3.1單晶體和多晶體的塑性變形⑵晶粒度對材料性能的影響鋅的單晶和多晶的拉伸曲線對于同一材料，相同粒度的多晶體要比單晶體強度高，但塑性比單晶體低。①在強度方面：多晶體晶界多，位錯運動的阻力大，所以強度高。②在塑性方面：多晶體中各個晶粒的取向不同，在外力作用下，位錯塞積在晶界附近，所以整個晶粒的變形便受到約束。相對于單晶體，多晶的變形要困難得多。原因：三、金屬的強化機制

(一)細晶強化圖2-13wC=0.15%的低碳鋼的屈服強度與晶粒尺寸的關系利用細化晶粒提高金屬材料強度的方法叫細晶強化。屈服強度與晶粒直徑平方根的倒數(shù)呈直線關系，這就是著名的霍爾-派奇關系。利用位錯塞積理論可導出霍爾-派奇（Hall-Petch）關系

(二)固溶強化圖2-14低碳鐵素體固溶強化效果示意圖合金元素溶入基體金屬中可得到單相固溶體合金，如能有效提高其屈服強度，被稱為固溶強化。固溶強化的實質(zhì)是溶質(zhì)原子的長程應力場與位錯產(chǎn)生交互作用，導致位錯運動受阻。(三)應變硬化圖2-15常見三種金屬晶體的應力-應變曲線當外力超過金屬材料屈服強度后，就要產(chǎn)生塑性變形，要使變形得以持續(xù)進行，必須增加外力，這表明金屬材料有一種阻止繼續(xù)塑變的能力，這就是應變硬化（加工硬化）。多晶體在均勻變形階段的真應力與真應變關系符合Hollomon公式

S為真應力，e為真應變，K為強度系數(shù)，n形變強化指數(shù)。第三節(jié)靜載力學性能一、單向靜力拉伸單向靜力拉伸實驗是工業(yè)上應用最廣泛的力學性能實驗方法之一。金屬拉伸試樣尺寸可參考GB6397-86。通常采用標準光滑圓柱試樣進行實驗。除可測定彈性變形階段的力性指標外，還可測定材料的強度指標和塑性指標。1、工程應力-工程應變曲線與拉伸力學性能圖2-16材料的應力-應變曲線a）低碳鋼b）1-鑄鐵；2-黃銅縱坐標為工程應力用表示，=P/A0

，式中P為載荷，A0為原始截面面積，應力單位為MPa；橫作標為工程應變用表示，=l/l0，式中，l為試樣兩標距間絕對伸長，l0為試樣原始標距長度。1.工作條件

標準試件（GB6397-86

），常溫（20℃）下緩慢加載，一次完成。含碳量為0.1%－0.3%的低碳鋼。標準試件：l0/d=5、10(l0-標距,d--直徑)d靜力單向拉伸時的性能測試2.階段劃分A.有屈服點鋼材σ--ε曲線可以分為五個階段：

(1)彈性階段(OB段)OBCDAE（2）彈塑性階段（BC)

該段很短,表現(xiàn)出鋼材的非彈性性質(zhì);

σB—屈服上限;σC—屈服下限(屈服點)（3）塑性階段（CD)OBCDAE

該段σ基本保持不變（水平),ε急劇增大,稱為屈服階段,變形模量E=0。（4）強化階段(DE段)極限抗拉強度fu（5）頸縮階段(EF段)隨荷載的增加σ緩慢增大,但ε增加較快OBCDAE這種鋼材在拉伸過程中沒有屈服階段，塑性變形很小，破壞突然。fy=f0.20.2%fuεpB.對無明顯屈服點的鋼材3.單向拉伸時鋼材的機械性能指標

（1）屈服強度fy--應力應變曲線開始產(chǎn)生塑性流動時對應的應力，它是衡量鋼材的承載能力和確定鋼材強度設計值的重要指標。（2）抗拉強度fu--應力應變曲線最高點對應的應力，它是鋼材最大的抗拉強度。（3）伸長率（4）斷面收縮率它是衡量鋼材塑性應變能力的重要指標。當l0/d=5時，用δ5表示，當l0/d=10時，用δ10表示。A0A1（三）屈服現(xiàn)象的本質(zhì)

屈服強度是一個對成分、組織結構十分敏感的力學性能指標。凡是影響位錯運動的因素均對屈服強度有影響。除金屬的晶體結構影響屈服強度外，變形溫度、變形速率和應力狀態(tài)等外部因素對屈服強度也有重要影響。例如降低溫度可使體心立方金屬的屈服強度急劇升高；提高應變速率也可明顯提高材料屈服強度。當材料變形前可動位錯密度很小，塑變時位錯增殖速度很快，位錯運動速度與外加應力有強烈依賴關系時，屈服現(xiàn)象明顯。

三、硬度(一)布氏硬度圖2-25布氏硬度實驗原理將直徑為D（mm）的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，以一定載荷F（kgf）(1kgf=9.8N)壓入試樣表面，保持一定時間后卸載，測量試樣表面的壓痕直徑d（mm），求得球冠形壓痕面積S。定義試樣的布氏硬度為Dh為球冠形壓痕面積，其中h=布氏硬度的單位為kg/mm2

洛氏硬度（HR）測試當被測樣品過小或者布氏硬度大于450時，就改用洛氏硬度計量。試驗方法是用一個頂角為120度的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm/3.18mm的鋼球，在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓痕深度求出材料的硬度。(二)洛氏硬度洛氏硬度實驗法是由美國人S.P.Rockwell和H.M.Rockwel于1919年提出的，也是目前常用的硬度實驗法之一。圖2-27洛氏硬度實驗原理它是以所測量的壓痕深度大小來表示硬度值。洛氏硬度值的計算公式

k是常數(shù)，使用金剛石壓頭時，多用于較硬的材料，k=0.2mm；使用淬火鋼球時，多用于較軟的材料，一般壓痕較深，為防止硬度值出現(xiàn)零或負值，取k=0.26mm。規(guī)定0.002mm為一個硬度單位。標尺硬度符號壓頭類型初載荷P0/N主載荷P1/N測量硬度范圍應用舉例AHRA金剛石圓錐98.07490.320～88硬質(zhì)合金、硬化鋼板等BHRB1.588鋼球882.620～100有色金屬、軟鋼等CHRC金剛石圓錐137320～70熱處理工具鋼和結構鋼表2-6洛氏硬度實驗的標尺、實驗規(guī)范及應用范圍第五節(jié)失效

裝備和構件在使用過程中，由于應力、時間、溫度、環(huán)境介質(zhì)和操作失誤等因素作用，失去其原有功能的現(xiàn)象叫失效。

失效程度嚴重事故零件部件機器設備系統(tǒng)設備輕微失效中度失效xx失控/

爆炸等斷裂/應力腐蝕開裂/氫脆等變形/

磨損/

輕微腐蝕等失效形式變形失效斷裂失效腐蝕失效磨損失效局部腐蝕失效均勻腐蝕失效疲勞斷裂失效韌性斷裂失效脆性斷裂失效塑性變形失效彈性變形失效高溫變形失效2/3/202356失效原因設計不合理，如工程設計訓練選材不當及材料缺陷制造工藝不合理使用操作不當和維護不當一、變形失效1、金屬構件的彈性變形失效②失去彈性功能的彈性變形失效指構件產(chǎn)生的彈性變形量超過構件匹配所允許的值。判斷過量的彈性變形失效比較難。①過量的彈性變形失效當彈性變形已不遵循變形可逆性的特征時，構件就失去了彈性功能而失效。失去功能的彈性變形失效容易判斷,如彈簧被拉得很長;安全閥彈簧,壓力沒超壓,就把閥芯頂起。⑴彈性變形失效的形式選擇合適的材料或構件結構：選用E值高的材料或改善構件結構盡可能獲得大的剛度；確定適當?shù)臉嫾ヅ涑叽缁蜃冃蔚募s束條件；采用減少變形影響的連接件，如皮帶傳動、軟管連接、柔性軸、橢圓管板等。⑵彈性變形失效的原因過載、超溫或材料變質(zhì)是構件產(chǎn)生彈件變形失效的原因，而這些原因往往是由于構件原設計的考慮不周、計算錯誤或選材不當造成的。⑶防護措施二塑性變形失效2、塑性變形失效⑴塑性變形⑵金屬塑性變形的特點材料中的應力超過屈服極限后產(chǎn)生顯著的不可逆變形。材料塑性好壞的衡量指標：伸長率δ、斷面收縮率ψ不可逆性變形量不恒定慢速變形伴隨材料性能的變化⑶塑性變形失效的形式失效形式：鼓脹、橢圓度增大、翹曲、凹陷及歪扭畸變等。塑性變形失效：金屬構件產(chǎn)生的塑性變形量超過允許的數(shù)值。

(a)未加壓的圓筒形

(b)塑性變形后的鼓脹及斷裂圖3-3承受內(nèi)壓的304不銹鋼塑性變形及斷裂試驗合理選材，選擇合適的屈服強度，保證材料質(zhì)量、組織狀態(tài)及冶金缺陷；準確地確定構件的工作載荷，正確計算應力，合理選取安全系數(shù)及進行結構設計，減少應力集中及降低應力集中水平；嚴格按照加工工藝規(guī)程對構件成形，減少殘余應力；嚴禁構件運行超載；監(jiān)測腐蝕環(huán)境構件強度尺寸的減小。⑷塑性變形失效的原因及防護措施3、高溫變形失效⑴蠕變變形失效高溫：高于0.3Tm(Tm是以絕對溫度表示的金屬材料的熔點)，一般碳鋼構件＞300℃，低合金鋼構件＞400℃。蠕變：金屬材料在長時間恒溫、恒應力作用下，即使應力低于屈服強度，也會緩慢地產(chǎn)生塑性變形。減速恒速加速圖3-4典型的蠕變曲線過熱管蠕變變形及脹裂⑵應力松弛變形失效圖2-37金屬的應力松弛曲線應力松弛是在變形量恒定條件下，隨時間的延長，構件的彈性變形不斷轉為塑性變形使應力不斷降低的過程。預防應力松弛失效的措施：①選用應力松弛穩(wěn)定性好的材料。②對正在服役的緊固件要進行一次或多次的再緊固。但要注意每緊固一次，材料都將產(chǎn)生應變硬化，殘余應力有所下降，隨塑變總量的增加，材料最終會發(fā)生斷裂。二、斷裂失效斷裂是工程材料的主要失效形式之一。完全斷裂是材料在應力作用下，被分為兩個或幾個部分；材料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋則稱為不完全斷裂。1、韌性斷裂構件斷裂前產(chǎn)生顯著的宏觀塑性變形的斷裂稱為韌性斷裂。液氨管韌性斷裂失效⑴韌性斷裂特征①緩慢的斷裂過程：裂紋萌生及亞穩(wěn)擴展阻力大、速度慢；②斷前產(chǎn)生顯著的塑性變形；③兩種宏觀斷裂形貌：正斷(或平斷)---宏觀斷面取向與最大正應力相垂直；剪斷(或斜斷)---宏觀斷面取向與最大切應力方向相一致的切斷，即與最大正應力約呈45°角。圖2-39杯錐狀斷口形成示意圖a）頸所縮導致三向應力b）微孔形成c）微孔長大d）微孔連接呈鋸齒狀e）邊緣剪切斷裂軟鋼的光滑圓柱試樣的靜力拉伸斷裂是典型的韌性斷裂。其宏觀的斷口為杯錐狀，由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)組成。⑵斷口宏觀形貌圖3-10光滑圓棒試樣韌性斷口宏觀形貌圖2-40平板矩形拉伸試樣宏觀斷口形態(tài)示意圖拉伸斷口三區(qū)的形態(tài)、大小和相對位置，因材料的性能、實驗溫度、加載速度、試樣形狀等不同而發(fā)生變化。對于光滑平板矩形試樣，其斷口和圓柱試樣一樣，也有三區(qū)，所不同的是各區(qū)形態(tài)不同。其中纖維區(qū)變成“橢圓形”，而放射區(qū)變?yōu)椤叭俗中巍被?。人字的尖端指向裂紋源。最后破壞區(qū)仍為剪切唇區(qū)。圖3-48純剪切斷口

a）單滑移形成的切離b）多滑移形成的切離根據(jù)纖維區(qū)、放射區(qū)及剪切唇區(qū)在斷口上所占的比例可初步評價材料的性能。纖維區(qū)較大---材料的塑性和韌性比較好；放射區(qū)較大---材料的塑性降低，而脆性增大。按三區(qū)評價材料性能要考慮構件截面形狀及尺寸的影響，另外還要考慮隨環(huán)境條件的影響。如溫度降低、加載速度升高等，纖維區(qū)及剪切唇區(qū)減小、放射區(qū)增大；因溫度降低會引起低溫脆性；加載速度升高使裂紋擴展速率增加。從韌性斷裂宏觀形貌三區(qū)的特征可分析斷口的類型、斷裂的方式及性質(zhì)，有助于判斷失效的機理及找出失效的原因。脆性斷裂是材料在斷裂前沒有明顯的宏觀塑性變形，沒有明顯的跡象，往往表現(xiàn)為突發(fā)的快速斷裂過程。如桿件脆斷時沒有明顯的伸長或彎曲，更無縮頸，容器破裂時沒有直徑的增大及壁厚的減薄。2、脆性斷裂⑴脆性斷裂行為①脆性斷裂的步驟裂紋和缺陷的形成→裂紋或缺陷的擴展②脆性斷裂的形式突發(fā)性斷裂：材料受力→斷裂源處裂紋尖端的橫向拉應力達到材料的結合強度→裂紋擴展→引起周圍應力再分配→裂紋的加速擴展→突發(fā)性斷裂緩慢斷裂：材料受力→裂紋緩慢生長→緩慢開裂裂紋的存在及其擴展行為是導致脆性斷裂的根本原因，并決定材料抵抗斷裂的能力！脆性斷裂韌性斷裂⑵斷裂的斷口形貌⑶脆性斷裂種類①低應力脆性斷裂(高/低強度鋼易發(fā)生)當材料在應力水平不高，甚至低于材料屈服極限的情況下所發(fā)生的突然斷裂現(xiàn)象稱為低應力脆斷。

20世紀50年代，美國發(fā)射北極星導彈，其固體燃料發(fā)動機殼體，采用了超高強度鋼制造，屈服強度為1400MPa，按照傳統(tǒng)強度設計與驗收時，其各項性能指標都符合要求，設計時的工作應力遠低于材料的屈服強度，但點火不久，就發(fā)生了爆炸。原因：傳統(tǒng)力學把材料看成是均勻的，沒有缺陷的，沒有裂紋的連續(xù)的理想固體，但是，實際工程材料在制備、加工（冶煉、鑄造、鍛造、焊接、熱處理、冷加工等）及使用中（疲勞、沖擊、環(huán)境溫度等）都會產(chǎn)生各種缺陷（白點、氣孔、渣、未焊透、熱裂、冷裂、缺口等）。

缺陷和裂紋會產(chǎn)生應力集中，所受拉應力為平均應力的數(shù)倍。過分集中的拉應力如果超過材料的臨界拉應力值時，將會產(chǎn)生裂紋或缺陷的擴展，導致脆性斷裂。低溫脆性指溫度低于某一溫度時，材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊值明顯下降的現(xiàn)象。我國東北許多礦山上用的進口大型機械，在冬季就有低溫脆性引起的大梁、車架等斷裂現(xiàn)象。并不是所有的金屬材料都具有低溫脆性，只有以體心立方金屬為基的冷脆金屬才具有明顯的低溫脆性，而面心立方金屬沒有明顯的低溫脆性。②低溫脆性斷裂(中/低強度鋼易發(fā)生)體心立方Fe和面心立方Ni、Cu的塑性和屈服強度隨溫度的變化

金屬的低溫脆性是由于金屬的屈服強度隨溫度降低而升高造成的。金屬材料脆性轉變的本質(zhì)是其塑性變形能力對溫度變化的反映。面心立方金屬中由于可用滑移方向足夠多，阻礙滑移的因素受溫度影響小，所以材料將保持足夠的變形能力而不表現(xiàn)出脆性斷裂。但是體心立方金屬，如鐵、鉻、鎢及其合金，在低溫條件下，間隙雜質(zhì)原子與位錯和晶界相互作用的強度增加，阻礙位錯運動、封鎖滑移的作用加劇，使得對變形的適應能力減弱。裂紋的存在及其擴展行為決定了材料抵抗斷裂的能力。在臨界狀態(tài)下，斷裂源處裂紋尖端的橫向拉應力高于結合強度時，會引起裂紋擴展，最終導致突發(fā)性斷裂。當裂紋尖端處的橫向拉應力尚不足以引起擴展，但在長期受力情況下，會出現(xiàn)裂紋的緩慢生長。如腐蝕環(huán)境中（氫氣，水），金屬和玻璃更容易出現(xiàn)緩慢開裂。⑷脆性斷裂特征——突發(fā)性斷裂與裂紋緩慢生長4防止措施⑸預防脆性斷裂的途徑防脆性斷裂的合理結構設計：應考慮材料的斷裂韌性水平、構件的最低工作溫度和應力狀態(tài)、承受的裁荷類型(交變載荷、沖擊載荷等)以及環(huán)境腐蝕介質(zhì)；構件的最低工作溫度應高于材料的脆性轉變溫度；以斷裂力學觀點選材，除強度外，還應保證足夠的韌性；設計和生產(chǎn)中，要避免應力集中；采用正確的焊接方法和合理的焊接工藝，保證焊接質(zhì)量。3、疲勞斷裂金屬構件在交變載荷作用下，雖然應力水平低于材料的抗拉強度，甚至低于屈服強度，但經(jīng)歷一定循環(huán)周期后，由于累計損傷，而引起的斷裂現(xiàn)象叫疲勞斷裂。⑴疲勞斷裂的分類疲勞斷裂接觸疲勞高溫疲勞腐蝕疲勞微振疲勞環(huán)境高應力疲勞低應力疲勞應力大小扭轉疲勞拉壓疲勞拉伸疲勞彎曲疲勞混合疲勞載荷低周疲勞高周疲勞交變頻率⑵疲勞過程—包括疲勞裂紋萌生、擴展和瞬時斷裂三個階段。①疲勞裂紋的萌生

疲勞裂紋都是由不均勻的局部滑移和顯微開裂引起的，主要方式有表面滑移帶形成，第二相、夾雜物或其界面開裂，晶界或亞晶界開裂及各類冶金缺陷，工藝缺陷等。圖3-29滑移帶中產(chǎn)生的“擠入”及“擠出”示意②疲勞裂紋的擴展是一個包括滑移塑性形變與不穩(wěn)定斷裂交替作用的復雜過程，通常有切向擴展和正向擴展兩個階段。圖3-30疲勞裂紋擴展的兩個階段(a)疲勞裂紋擴展示意圖(b)螺栓實際使用中的疲勞裂紋軟鋼斷裂試樣(a)疲勞斷裂(b)靜拉伸斷裂③瞬時斷裂即使是塑性良好的合金鋼或鋁合金，疲勞斷裂構件斷口附近通常也觀察不到宏觀的塑性變形。⑶疲勞斷口形貌三個區(qū)域：裂紋起源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和最終斷裂區(qū)(瞬斷區(qū))。①斷口的形貌圖2-61疲勞斷口的宏觀形貌a）疲勞斷口實物照片b）疲勞斷口三區(qū)示意圖★裂紋起源區(qū)★裂紋擴展區(qū)呈河灘花樣(或貝殼狀條紋或疲勞弧帶)★最終斷裂區(qū)呈宏觀脆性斷裂特征(粗糙“晶?！苯Y構)疲勞源一般只有一個，所占的斷面比例很??；疲勞源一般位于表面應力集中處或缺陷部位。表面缺陷：刀痕、劃傷、燒傷、銹蝕、淬火裂等；心部或