材料力學(xué)性能13

材料力學(xué)性能哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院朱景川S4-5沿晶斷裂第四章

材料斷裂行為裂紋在晶界上形成并沿晶界擴(kuò)展

在多晶體變形中，晶界起協(xié)調(diào)相鄰晶粒變形的作用。但當(dāng)晶界受到損傷，其變形能力被削弱，不足以協(xié)調(diào)相鄰晶粒的變形時(shí)，便形成晶界開裂。

裂紋擴(kuò)展總是沿阻力最小的路徑發(fā)展，遂表現(xiàn)為沿晶斷裂。沿晶斷裂：沿晶脆性斷口形貌鉬的沿晶斷口ZrO2陶瓷沿晶斷口沿晶斷裂：沿晶韌窩斷口形貌晶界上存在氣孔、微裂紋等缺陷晶界上存在有脆性夾雜物晶界連續(xù)網(wǎng)狀第二相

雜質(zhì)和合金元素在晶界偏析，致使晶界弱化熱應(yīng)力作用

環(huán)境因素：晶間腐蝕、高溫蠕變晶界無析出區(qū)：沿晶微孔集聚斷裂沿晶斷裂原因：如鋼中晶界上存在P、S、As、Sb、Sn等元素。有害元素沿晶界富集，降低了晶界處表面能，使脆性轉(zhuǎn)變溫度向高溫推移，明顯提高了材料對(duì)溫度和加載速率的敏感性，在低溫或動(dòng)載條件下發(fā)生沿晶脆斷。弱化晶界的夾雜物：弱化晶界的夾雜物：晶界上球狀硫化錳鐵夾雜物導(dǎo)致脆性沿晶斷口沿晶斷裂機(jī)制：晶界脆性相變形不協(xié)調(diào)開裂沿晶斷裂機(jī)制：晶界位錯(cuò)塞積導(dǎo)致弱化晶界開裂《失效準(zhǔn)則》

Galileo1638年提出原因是磚石(以后的鑄鐵)強(qiáng)度的需求最大拉應(yīng)力

1是引起材料斷裂的原因的強(qiáng)度極限

b

，就發(fā)生斷裂破壞1、最大拉應(yīng)力（第一強(qiáng)度）理論

(MaximumTensile-StressCriterion)具體說：無論材料處于什么應(yīng)力狀態(tài)，只要微元內(nèi)的最大拉應(yīng)力

1

達(dá)到了單向拉伸S4-6斷裂宏觀強(qiáng)度理論《推導(dǎo)》強(qiáng)度條件《評(píng)價(jià)》當(dāng)主應(yīng)力中有壓應(yīng)力時(shí)，只要誤差較大三向壓應(yīng)力不適用失效方程（或極限條件）

1=

b此時(shí)斷裂二向時(shí)：當(dāng)

1

2>0

該理論與實(shí)驗(yàn)基本一致三向時(shí)：當(dāng)

1

2

3>0

同上當(dāng)主應(yīng)力中有壓應(yīng)力時(shí)，只要同上此時(shí)不斷裂2、最大正應(yīng)變理論具體說：無論材料處于什么應(yīng)力狀態(tài)只要構(gòu)件內(nèi)有一點(diǎn)處的最大正應(yīng)變達(dá)到了單向拉伸的應(yīng)變極限，就發(fā)生斷裂破壞1682年，Mariote提出最大伸長線應(yīng)變

1是引起材料斷裂的原因《失效準(zhǔn)則》《推導(dǎo)》或強(qiáng)度條件失效方程（或極限條件）即《評(píng)價(jià)》主應(yīng)力有壓應(yīng)力時(shí)，當(dāng)，理論接近實(shí)驗(yàn)但不完全符合其他情況下，不如第一強(qiáng)度理論注意：

1.

eq

為相當(dāng)應(yīng)力equivalentstress2.適用條件：直至斷裂，一直服從虎克定律《結(jié)論》

除了

1

，還有

2，3

的參與，似乎有理，但是實(shí)驗(yàn)通不過——好看未必正確

(1)不論是脆性或塑性材料，在三軸拉伸應(yīng)力狀態(tài)下，均會(huì)發(fā)生脆性斷裂，宜采用最大拉應(yīng)力理論（第一強(qiáng)度理論）。

(2)脆性材料：在二軸拉伸應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)采用最大拉應(yīng)力理論；在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的最大、最小拉應(yīng)力分別為拉、壓時(shí)，由于材料的許用拉、壓應(yīng)力不等，宜采用摩爾強(qiáng)度理論。

(3)塑性材料（除三軸拉伸外），宜采用形狀改變比能理論（第四強(qiáng)度理論）和最大剪應(yīng)力理論（第三強(qiáng)度理論）。

(4)三軸壓縮狀態(tài)下，無論是塑性和脆性材料，均采用形狀改變比能理論。各種強(qiáng)度理論的適用范圍3.聯(lián)合強(qiáng)度理論：力學(xué)狀態(tài)圖聯(lián)合強(qiáng)度理論：不同材料的力學(xué)狀態(tài)圖S5-1概述第五章

材料的脆性與脆化因素脆性：宏觀脆性：本質(zhì)脆性：脆化：脆化因素：S5-2缺口脆性缺口效應(yīng)：應(yīng)力集中缺口效應(yīng)：多向應(yīng)力狀態(tài)缺口效應(yīng)：局部塑性變形導(dǎo)致應(yīng)力松弛缺口拉伸試驗(yàn)：缺口拉伸試驗(yàn)：材料的力學(xué)性能拉伸彎曲壓縮扭轉(zhuǎn)硬度沖擊磨損疲勞高溫力學(xué)性能靜載荷動(dòng)載荷高溫S5-3沖擊脆性1、沖擊脆化效應(yīng)

盡管機(jī)件在沖擊載荷作用下的失效類型和靜載荷一樣，仍表現(xiàn)為過量彈性變形、過量塑性變形和斷裂，但在分析沖擊載荷下機(jī)件的失效及材料的力學(xué)行為時(shí)必須注意沖擊載荷本身的特性。1、沖擊脆化效應(yīng)

靜載荷下機(jī)件所受的應(yīng)力，主要與機(jī)件的形狀及載荷的類型和大小有關(guān)。

而在沖擊負(fù)荷下，由于負(fù)荷的能量性質(zhì)使整個(gè)承載系統(tǒng)承受沖擊能．因此，機(jī)件及與機(jī)件相連物體的剛度都直接影響沖擊過程的持續(xù)時(shí)間，從而影響加載速度和慣性力的大小由于沖擊過程持續(xù)時(shí)間很短而測不準(zhǔn)確，就很難按慣性力計(jì)算機(jī)件內(nèi)的應(yīng)力．所以，沖擊載荷下的應(yīng)力通常按能量守恒法計(jì)算，并假定沖擊能全部轉(zhuǎn)換成機(jī)件內(nèi)的彈性能．再計(jì)算應(yīng)力和應(yīng)變．1、沖擊脆化效應(yīng)

靜載荷下機(jī)件所受的應(yīng)力，主要與機(jī)件的形狀及載荷的類型和大小有關(guān)。眾所周知，彈性變形是以聲速在介質(zhì)中傳播的。在金屬介質(zhì)如鋼中，聲速達(dá)到了4982m／s，而普通擺錘沖擊試驗(yàn)時(shí)絕對(duì)變形速度只有5～5.5m／s，這樣，沖擊彈性變形總能跟上沖擊外力的變化，因而應(yīng)變速率對(duì)金屬材料的彈性行為及彈性模量沒有影響而應(yīng)變速率對(duì)塑性變形、斷裂及有關(guān)的力學(xué)性能有顯著的影響．1、沖擊脆化效應(yīng)在沖擊載荷作用下，瞬間作用于位錯(cuò)上的應(yīng)力相當(dāng)高，結(jié)果造成位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率增加。因?yàn)槲诲e(cuò)寬度及其能量與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率有關(guān)。運(yùn)動(dòng)速率愈大，則能量愈大，寬度愈小，故派納力愈大。結(jié)果滑移臨界切應(yīng)力增大，金屬產(chǎn)生附加強(qiáng)化。

由于沖擊載荷下的應(yīng)力水平較高，可使許多位錯(cuò)源同時(shí)開動(dòng)，結(jié)果在單晶體中抑制了易滑移階段的產(chǎn)生和發(fā)展．此外，沖擊載荷還增加位錯(cuò)密度和滑移系數(shù)目，出現(xiàn)孿晶，減小位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)自由行程的平均長度，增加點(diǎn)缺陷濃度．上述諸點(diǎn)均使金屬材料在沖擊載荷作用下塑性變形難以充分進(jìn)行．派納力:位錯(cuò)滑移臨界切應(yīng)力

1、沖擊脆化效應(yīng)

在靜載下，塑性變形較均勻地分布于各個(gè)晶粒中。在沖擊載荷下，塑性變形主要集中在某些局部區(qū)域，這表明沖擊載荷下的塑性變形是極不均勻的。這種不均勻情況限制了塑性變形的發(fā)展，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高。且屈服強(qiáng)度提高得較多，抗拉強(qiáng)度提高得較少。材料塑性相應(yīng)變速率之間并無單值依存關(guān)系，在大多數(shù)情況下，缺口試樣沖擊試驗(yàn)時(shí)的塑性比靜載試驗(yàn)的要低．在高速變形時(shí)，某些金屬可能顯示出高塑性，如密排六方金屬爆炸成型就是如此．1、沖擊脆化效應(yīng)

塑性和韌性隨著應(yīng)變速率增加而變化的特征與斷裂方式有關(guān)。如在一定加載規(guī)范和溫度下，材料產(chǎn)生正斷，則斷裂應(yīng)力變化不大，塑性隨應(yīng)變速率的增加而減小。如果材料產(chǎn)生剪斷，則斷裂應(yīng)力隨應(yīng)變速率提高顯著增加，塑性可能不變，也可能提高。沖擊吸收功Ak，單位：J沖擊韌性：材料在沖擊載荷下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。是材料強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。Fk：試樣缺口處的橫截面積沖擊韌度ak

(ak＝Ak/Fk，單位：J/cm2)衡量指標(biāo)：或稱為沖擊強(qiáng)度2.材料的沖擊韌性3.沖擊試驗(yàn)常溫沖擊低溫沖擊高溫沖擊實(shí)驗(yàn)溫度試樣的受力狀態(tài)擺錘式（包括簡支梁、懸臂梁）落球式高速拉伸不同材料或不同用途可選擇不同的沖擊試驗(yàn)方法，由于各種試驗(yàn)方法中試樣受力形式和沖擊物的幾何形狀不同，不同的試驗(yàn)方法所測得的沖擊強(qiáng)度結(jié)果不能相互比較。采用的能量和沖擊次數(shù)大能量的一次沖擊小能量的多次沖擊實(shí)驗(yàn)單次沖擊不足以破壞材料。沖擊疲勞、斷裂擺錘式彎曲沖擊擺錘沖擊試驗(yàn)中試樣的安放方式（a）簡支梁型（b）懸臂梁型沖擊性能沖擊性能實(shí)驗(yàn)是在沖擊負(fù)荷的作用下測定材料的沖擊強(qiáng)度。在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)試樣施加一次沖擊負(fù)荷使試樣破壞，記錄下試樣破壞時(shí)或過程中試樣單位截面積所吸收的能量，即得到?jīng)_擊強(qiáng)度。在工程應(yīng)用上，沖擊強(qiáng)度是一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)，通過抗沖擊試驗(yàn)，可以評(píng)價(jià)材料在高速?zèng)_擊狀態(tài)下抵抗沖擊的能力或判斷材料的脆性和韌性程度。儀器：簡支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，對(duì)試樣施加一次沖擊彎曲負(fù)荷使之破壞，并用試樣破壞時(shí)單位面積所吸收的能量表征該材料的沖擊韌性。簡單易行，在控制產(chǎn)品質(zhì)量、比較結(jié)構(gòu)或制品的韌性時(shí)是一種經(jīng)常使用的測試方法。簡支梁式擺錘沖擊試驗(yàn)方法試樣為矩形截面的長條形，分無缺口試祥和缺口試樣缺口試樣要求切口平整、表面光潔、無雜質(zhì)及氣泡等缺陷原理：試樣被沖斷過程中吸收的能量即沖擊吸收功（Ak

）等于擺錘沖擊試樣前后的勢能差。式中：AK——沖擊功，試樣斷裂前吸收的能量；Fk——缺口處截面面積；G——擺錘重量；

h－h(huán)1——沖斷試樣前后擺錘的高度差計(jì)算公式：Ak=Gh

–Gh1

=G（h–h1）

=

AK/Fk

（KJ/m2）

AK是一個(gè)由