材料力學(xué)性能第一章PPT教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1材料力學(xué)性能第一章材料力學(xué)性能第一章第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線第1頁(yè)/共58頁(yè)彈性變形階段彈性變形階段 應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變成正比應(yīng)變成正比EE E：正彈性模量：正彈性模量GG G：切彈性模量：切彈性模量材料完全脆性的材料完全脆性的 曲線曲線虎克定律虎克定律 脆性材料的拉伸性能第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線在拉伸時(shí)只產(chǎn)生彈性變形，不產(chǎn)生或產(chǎn)生微量的塑性變?cè)诶鞎r(shí)只產(chǎn)生彈性變形，不產(chǎn)生或產(chǎn)生微量的塑性變形形強(qiáng)度高、塑性差的材料：玻璃、陶瓷、高強(qiáng)鋼、鑄強(qiáng)度高、塑性差的材料：玻璃、陶瓷、高強(qiáng)鋼、鑄鐵鐵斷口特?cái)嗫谔卣髡骰诣T鐵拉伸試樣與斷口形成平斷口，斷口平面與軸線垂直。形成平

2、斷口，斷口平面與軸線垂直。第2頁(yè)/共58頁(yè)是度量材料剛度的系數(shù)，或表征材料對(duì)彈性變形的抗力。是度量材料剛度的系數(shù)，或表征材料對(duì)彈性變形的抗力。E、G值高，在相同應(yīng)力下產(chǎn)生彈性變形就越小。值高，在相同應(yīng)力下產(chǎn)生彈性變形就越小。ekk ,max斷裂強(qiáng)度低，但抗壓強(qiáng)度高。斷裂強(qiáng)度低，但抗壓強(qiáng)度高。車床床身受壓載荷：車床床身受壓載荷：E E、G G值越高，彈性變形越小值越高，彈性變形越小。脆性材料力學(xué)特征的主要參量：脆性材料力學(xué)特征的主要參量： 、E彈性模彈性模量量絕大多數(shù)都有些塑性。彈變絕大多數(shù)都有些塑性。彈變均勻塑變均勻塑變脆斷脆斷強(qiáng)硬度高、塑性差強(qiáng)硬度高、塑性差高強(qiáng)度鋼、高錳鋼、鋁青銅、錳青銅高

3、強(qiáng)度鋼、高錳鋼、鋁青銅、錳青銅脆性材料的拉伸性能第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線彈性變形階段彈性變形階段 應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變成正比應(yīng)變成正比EE E：正彈性模量：正彈性模量GG G：切彈性模量：切彈性模量 材料完全脆性的材料完全脆性的 曲線曲線虎克定律虎克定律強(qiáng)度高、塑性差的材料：玻璃、陶瓷、高強(qiáng)鋼、鑄強(qiáng)度高、塑性差的材料：玻璃、陶瓷、高強(qiáng)鋼、鑄鐵鐵在拉伸時(shí)只產(chǎn)生彈性變形，不產(chǎn)生或產(chǎn)生微量的塑性變?cè)诶鞎r(shí)只產(chǎn)生彈性變形，不產(chǎn)生或產(chǎn)生微量的塑性變形形第3頁(yè)/共58頁(yè)P(yáng)載荷載荷(N) l l伸長(zhǎng)伸長(zhǎng)(mm)（低碳鋼的拉伸力（低碳鋼的拉伸力-伸長(zhǎng)曲線）伸長(zhǎng)曲線）eps0bPpPePskPbPk

4、 lb lu lk (MPa) (%)0 p e s b k b u k（低碳鋼的應(yīng)力（低碳鋼的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線）應(yīng)變曲線）塑性材料的拉伸性能第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線第4頁(yè)/共58頁(yè) (MPa) (%)0低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線aabk0a段aa 段a b段bk段彈性變形階段塑性變形階段彈性變形：外力去除后變形隨之消失，這種變形稱為彈性變形。彈性變形：外力去除后變形隨之消失，這種變形稱為彈性變形。塑性變形：外力去除后變形不會(huì)消失，留下永久性形變，這種變形稱為塑性變形。塑性變形：外力去除后變形不會(huì)消失，留下永久性形變，這種變形稱為塑性變形。第5頁(yè)/共58頁(yè)

5、(MPa) (%)0aabk低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線0a段發(fā)生彈性變形，與脆性材料相似發(fā)生彈性變形，與脆性材料相似。變形量為變形量為0.5%1%，卸載后變形，卸載后變形消失。消失。 p e比例極比例極限限彈性極彈性極限限應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線上符合線性關(guān)系的最高應(yīng)力值應(yīng)變曲線上符合線性關(guān)系的最高應(yīng)力值p。材料能夠完全彈性恢復(fù)的最高應(yīng)力值材料能夠完全彈性恢復(fù)的最高應(yīng)力值e。p和和e哪個(gè)大？哪個(gè)大？比例極限和彈性極限很難實(shí)際測(cè)量比例極限和彈性極限很難實(shí)際測(cè)量第6頁(yè)/共58頁(yè) (MPa) (%)0aabk低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線aa 段發(fā)生屈服變形。發(fā)生屈服變

6、形。載荷不增加或反而減少，試樣還載荷不增加或反而減少，試樣還繼續(xù)伸長(zhǎng)的現(xiàn)象。繼續(xù)伸長(zhǎng)的現(xiàn)象。變形量為變形量為1%3%，屈服后，材料，屈服后，材料出現(xiàn)明顯塑變，表面滑移帶。出現(xiàn)明顯塑變，表面滑移帶。 s屈服極屈服極限限屈服強(qiáng)度，表征金屬材料對(duì)塑性變形的抗力，用屈服強(qiáng)度，表征金屬材料對(duì)塑性變形的抗力，用s表示表示。表明金屬材料開始發(fā)生大規(guī)模塑性變形。表明金屬材料開始發(fā)生大規(guī)模塑性變形。意義意義屈服強(qiáng)度的測(cè)量屈服強(qiáng)度的測(cè)量第7頁(yè)/共58頁(yè) (MPa) (%)0aabk低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線a b段發(fā)生均勻塑性變形。發(fā)生均勻塑性變形。 b形變強(qiáng)化（加工硬化）：屈服形變強(qiáng)化（加工

7、硬化）：屈服后欲變形必須不斷加載，隨塑后欲變形必須不斷加載，隨塑變?cè)龃螅冃慰沽υ龃?。變?cè)龃螅冃慰沽υ龃蟆？估瓨O抗拉極限限表征金屬材料的極限承載能力，用表征金屬材料的極限承載能力，用b表示。表示。m 0 為總變形量，其中彈性變形量和塑性變形量各為哪段？為總變形量，其中彈性變形量和塑性變形量各為哪段？第8頁(yè)/共58頁(yè) (MPa) (%)0aabk低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 kbk段發(fā)生不均勻塑性變形。發(fā)生不均勻塑性變形。斷裂極斷裂極限限表征金屬材料抵抗斷裂能力，用表征金屬材料抵抗斷裂能力，用k表示。表示。實(shí)際斷裂強(qiáng)度：實(shí)際斷裂強(qiáng)度：Sk頸縮頸縮材料可能發(fā)生的局部截面縮減的現(xiàn)

8、象。材料可能發(fā)生的局部截面縮減的現(xiàn)象。材料的承載能力下降。材料的承載能力下降。第9頁(yè)/共58頁(yè)低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 (MPa) (%)0aabk k b s p e小結(jié)小結(jié)比例極限比例極限彈性極限彈性極限屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度現(xiàn)象：現(xiàn)象：屈服屈服加工硬化加工硬化頸縮頸縮性能指標(biāo)：性能指標(biāo)：屈強(qiáng)比低，材料塑性好；屈強(qiáng)比低，材料塑性好；屈強(qiáng)比高，材料抗變形能力好。屈強(qiáng)比高，材料抗變形能力好。s/ b屈強(qiáng)比屈強(qiáng)比s/ b第10頁(yè)/共58頁(yè)第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形彈性變形彈性變形及其實(shí)質(zhì)胡克定律彈性模量與剛度彈性比功滯彈性第11頁(yè)/共58頁(yè)彈性變形及其

9、實(shí)質(zhì)第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形彈性變形彈性變形特點(diǎn)： 總結(jié)總結(jié)1. 可逆性：卸載后變形消失2. 單值性：應(yīng)力應(yīng)變一一對(duì)應(yīng)3. 變形性小：0.5%1%你膽小第12頁(yè)/共58頁(yè)r0r04202rArrAF物理本質(zhì)物理本質(zhì)彈性變形及其實(shí)質(zhì)r1晶格中原子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映。晶格中原子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映。F=FmaxF=Fmax時(shí)，克服引力，拉開兩個(gè)原子，此為彈性下的斷裂時(shí)，克服引力，拉開兩個(gè)原子，此為彈性下的斷裂理論正斷強(qiáng)度理論正斷強(qiáng)度但是，通常拉開但是，通常拉開n n分之一個(gè)原子間距就發(fā)生了塑性變形分之一個(gè)原子間距就發(fā)生了塑性變形塑性變形機(jī)理取代彈性變形塑性變形機(jī)理取代彈性變形第13

10、頁(yè)/共58頁(yè) (一) 簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)的胡克定律 1單向拉伸 （1-1） 2剪切和扭轉(zhuǎn) （1-2） 3E、G的關(guān)系 （1-3） EyyEyyzxG)1 (2EG胡克定律第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形彈性變形(二) 廣義胡克定律)(1)(1)(1213313223211EEE（1-4）第14頁(yè)/共58頁(yè)彈性模量與剛度第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形彈性變形彈性模量彈性模量金屬材料E/105MPa鐵2.17銅1.25鋁0.72鐵及低碳鋼2.0鑄鐵1.71.9低合金鋼2.02.1奧氏體不銹鋼1.92.0合金化、熱處理、冷塑性變形對(duì)彈性模量的影響不大。？工程上的彈性模量工程上的彈性模量剛度剛度剛度大，則撓度小第15頁(yè)/共5

11、8頁(yè)2eeee122E 彈性比功第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形彈性變形表示金屬材料吸收彈性變形功的能力，又稱彈性比功，應(yīng)變比能。彈性極限彈性極限屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度表示金屬材料開始塑性變形前單位體積吸收的最大功。韌性韌性吸收功吸收功儲(chǔ)備能量?jī)?chǔ)備能量 ？?jī)?chǔ)能儲(chǔ)能減震減震恒力碟簧支吊架 第16頁(yè)/共58頁(yè)滯彈性第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形彈性變形而后產(chǎn)生附加應(yīng)變eO（1）突然加載OA，產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)變Oa而后產(chǎn)生附加應(yīng)變Ah（2）快速卸載Be，產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)變He在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨時(shí)間延長(zhǎng)產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變的現(xiàn)象。滯彈性產(chǎn)生原因：可能與金屬中點(diǎn)缺陷的移動(dòng)有關(guān)產(chǎn)生原因：可能與金屬中點(diǎn)缺陷的移動(dòng)有關(guān)。在儀表和精密機(jī)

12、械中，選用重要傳感元件的材料時(shí)，需要考慮滯彈性問題。第17頁(yè)/共58頁(yè)第三節(jié)第三節(jié) 塑性變形塑性變形第18頁(yè)/共58頁(yè)塑性變形方式及特點(diǎn)第三節(jié)第三節(jié) 塑性變形塑性變形塑性變形方式塑性變形方式滑移滑移孿生孿生晶界滑動(dòng)晶界滑動(dòng)擴(kuò)散性蠕變擴(kuò)散性蠕變切應(yīng)切應(yīng)力力一定晶面和晶向一定晶面和晶向切變過切變過程程切應(yīng)切應(yīng)力力鏡面對(duì)稱關(guān)系鏡面對(duì)稱關(guān)系切變過切變過程程主要方式變形量變形量大大變形量變形量小小調(diào)整滑移面第19頁(yè)/共58頁(yè)塑性變形方式及特點(diǎn)第三節(jié)第三節(jié) 塑性變形塑性變形塑性變形特點(diǎn)塑性變形特點(diǎn)2. 各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性第20頁(yè)/共58頁(yè)屈服現(xiàn)象和屈服點(diǎn)（屈服強(qiáng)度）第三節(jié)第三節(jié) 塑性變形塑性變形外力不

13、增加 (保持恒定)試樣仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)；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(zhǎng)變形的現(xiàn)象。屈服現(xiàn)象屈服現(xiàn)象屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)上屈服點(diǎn)su下屈服點(diǎn)sl呂德斯帶屈服平臺(tái)避免：預(yù)加1%2%變形第21頁(yè)/共58頁(yè)屈服現(xiàn)象和屈服點(diǎn)（屈服強(qiáng)度）第三節(jié)第三節(jié) 塑性變形塑性變形屈服機(jī)屈服機(jī)理理vbm0v第22頁(yè)/共58頁(yè)影響屈服強(qiáng)度的因素第三節(jié)第三節(jié) 塑性變形塑性變形第23頁(yè)/共58頁(yè)影響屈服強(qiáng)度的因素第三節(jié)第三節(jié) 塑性變形塑性變形第24頁(yè)/共58頁(yè)應(yīng)變硬化（形變強(qiáng)化） 真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線第三節(jié)第三節(jié) 塑性變形塑性變形彈性變形部分重彈性變形部分重合合B在在b的左上方的左上方bBP

14、S=（ 1+） e=ln（1+） 第25頁(yè)/共58頁(yè)bBP應(yīng)變硬化（形變強(qiáng)化） 真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線第三節(jié)第三節(jié) 塑性變形塑性變形PBPB段：段：HollomonHollomonS=KenK強(qiáng)度系數(shù)n應(yīng)變硬化指數(shù)，反映金屬材料抵抗均勻塑性變形的能力。金屬材料的n值越大，則加工成的機(jī)件在服役時(shí)承受偶然過載的能力也就越大。第26頁(yè)/共58頁(yè)應(yīng)變硬化（形變強(qiáng)化） 真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線第三節(jié)第三節(jié) 塑性變形塑性變形直線作圖法求n值S=KenlgS=lgK+nlgededSSedSdedSdelnlnlglgneSdedSn第27頁(yè)/共58頁(yè)縮頸現(xiàn)象和抗拉強(qiáng)度第三節(jié)第三節(jié) 塑性變形塑性變形頸縮是應(yīng)變硬化（物理因

15、素）與截面減小（幾何因素）共同作用的結(jié)果。dedSS頸縮判據(jù)頸縮判據(jù)dF=AdS+SdA=0SdSAdAV=ALAdL+LdA=01ddeLdLAdAdedSSendeSdSeB=n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)，頸縮便會(huì)產(chǎn)生。第28頁(yè)/共58頁(yè)塑性第三節(jié)第三節(jié) 塑性變形塑性變形第29頁(yè)/共58頁(yè)斷后伸長(zhǎng)率: 斷后伸長(zhǎng)率是試樣拉斷后標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比，用表示式中 試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度 ; 試樣斷裂后的標(biāo)距長(zhǎng)度。斷面收縮率: 斷面收縮率是試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號(hào)表示式中 試樣原始橫截面積; 縮頸處最小橫截面積。100100%

16、LLL010100%AAA0L1L0A1A塑性第三節(jié)第三節(jié) 塑性變形塑性變形第30頁(yè)/共58頁(yè)第四節(jié)第四節(jié) 金屬的斷裂金屬的斷裂第31頁(yè)/共58頁(yè)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。斷裂的類型第四節(jié)第四節(jié) 金屬的斷裂金屬的斷裂第32頁(yè)/共58頁(yè)1. 按照斷裂前變形的程度分為按照斷裂前變形的程度分為韌性斷裂韌性斷裂和和脆性斷裂脆性斷裂。韌性斷裂：韌性斷裂：斷裂前發(fā)生明顯的塑性變形，用肉眼或低倍顯微鏡觀察時(shí)，斷斷裂前發(fā)生明顯的塑性變形，用肉眼或低倍顯微鏡觀察時(shí)，斷 口呈暗灰色，纖維狀。有預(yù)兆，一般不發(fā)生嚴(yán)重事故?？诔拾祷疑w維狀。有預(yù)兆，一般不發(fā)生嚴(yán)重事故。脆性斷裂：

17、脆性斷裂：是一種突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，沒有是一種突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，沒有 明顯的征兆，危害大。斷口平齊而光亮，并垂直于外加的正應(yīng)明顯的征兆，危害大。斷口平齊而光亮，并垂直于外加的正應(yīng)力力脆性斷裂前也發(fā)生微量塑性變形，一般規(guī)定脆性斷裂前也發(fā)生微量塑性變形，一般規(guī)定5%，為脆性斷口；，為脆性斷口； 5%，為韌性斷口。，為韌性斷口。2. 按照裂紋擴(kuò)展的途徑分為按照裂紋擴(kuò)展的途徑分為穿晶斷裂穿晶斷裂和和沿晶斷裂沿晶斷裂。穿晶斷裂：穿晶斷裂：裂紋穿過晶粒內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋穿過晶粒內(nèi)部擴(kuò)展，可以是韌性的，也可是脆性的；可以是韌性的，也可是脆性的；沿晶斷裂：沿晶斷裂

18、：裂紋沿晶界擴(kuò)展，多屬于裂紋沿晶界擴(kuò)展，多屬于脆性的。隨溫度升高，多數(shù)金屬都由脆性的。隨溫度升高，多數(shù)金屬都由穿晶斷裂轉(zhuǎn)化為沿晶斷裂。穿晶斷裂轉(zhuǎn)化為沿晶斷裂。斷裂的類型第33頁(yè)/共58頁(yè)穿晶斷裂穿晶斷裂沿晶斷裂沿晶斷裂40Cr鋼中間軸的脆性斷口鋼中間軸的脆性斷口多處裂紋源斷口平齊光亮人字文或放射花樣斷裂的類型第34頁(yè)/共58頁(yè)斷裂的類型3. 按照晶體學(xué)特征分為按照晶體學(xué)特征分為解理斷裂解理斷裂和和切變斷裂切變斷裂。解理斷裂：解理斷裂：在正應(yīng)力作用下產(chǎn)生的穿晶斷裂，通常斷裂面是嚴(yán)格沿一定的在正應(yīng)力作用下產(chǎn)生的穿晶斷裂，通常斷裂面是嚴(yán)格沿一定的 晶面（即解理面）而分離；通常解理斷裂總是脆性斷裂，但

19、脆晶面（即解理面）而分離；通常解理斷裂總是脆性斷裂，但脆 性斷裂不一定是解理斷裂。性斷裂不一定是解理斷裂。 bcc和和hcp金屬與合金在低溫沖擊載荷作用下能促使金屬與合金在低溫沖擊載荷作用下能促使，fcc金屬一金屬一 般不發(fā)生般不發(fā)生， 切變斷裂：切變斷裂：在切應(yīng)力作用下，沿滑移面滑移而造成的滑移面分離稱為在切應(yīng)力作用下，沿滑移面滑移而造成的滑移面分離稱為；屬；屬 于韌性斷裂?？梢园l(fā)生單滑移斷裂、多滑移斷裂和孿生斷裂。于韌性斷裂?？梢园l(fā)生單滑移斷裂、多滑移斷裂和孿生斷裂。 分為兩類：分為兩類： （1）滑斷（純剪切斷裂）：純金屬中常發(fā)生）滑斷（純剪切斷裂）：純金屬中常發(fā)生 （2）微孔聚集型斷裂：

20、低碳鋼拉伸斷裂時(shí)杯錐狀斷口）微孔聚集型斷裂：低碳鋼拉伸斷裂時(shí)杯錐狀斷口 ，典型韌斷。，典型韌斷。第35頁(yè)/共58頁(yè)4. 按照斷裂面的取向分為按照斷裂面的取向分為正斷型斷裂正斷型斷裂和和切斷型斷裂切斷型斷裂正斷型斷裂正斷型斷裂：斷口取向和最大正應(yīng)力垂直。常見于解理斷裂或塑性變形約：斷口取向和最大正應(yīng)力垂直。常見于解理斷裂或塑性變形約束束 較大的場(chǎng)合。較大的場(chǎng)合。切斷型斷裂切斷型斷裂：宏觀斷面的取向與最大切應(yīng)力方向一致，和最大正應(yīng)力約成：宏觀斷面的取向與最大切應(yīng)力方向一致，和最大正應(yīng)力約成 45角。角。 常發(fā)生于塑變不受約束或約束較小的情況，如拉伸斷口上的常發(fā)生于塑變不受約束或約束較小的情況，如拉

21、伸斷口上的剪剪 切唇。切唇。 5. 按照受力狀態(tài)按照受力狀態(tài)冷脆斷裂冷脆斷裂蠕變斷裂蠕變斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂氫脆斷裂氫脆斷裂靜載斷裂：拉伸斷裂、扭轉(zhuǎn)斷裂、剪切斷裂靜載斷裂：拉伸斷裂、扭轉(zhuǎn)斷裂、剪切斷裂動(dòng)載斷裂：沖擊斷裂、疲勞斷裂動(dòng)載斷裂：沖擊斷裂、疲勞斷裂按照環(huán)境介質(zhì)按照環(huán)境介質(zhì)斷裂的類型第36頁(yè)/共58頁(yè)斷裂的類型第37頁(yè)/共58頁(yè)斷裂的類型第38頁(yè)/共58頁(yè)斷口斷口：構(gòu)件受力斷裂后的自然表面。：構(gòu)件受力斷裂后的自然表面。宏觀斷口宏觀斷口：指用肉眼或：指用肉眼或2020倍以下的放大鏡分析的斷口，它反映了斷口的全貌倍以下的放大鏡分析的斷口，它反映了斷口的全貌， 可大體判斷出斷裂的類型（

22、韌斷、脆斷、疲勞斷）、裂紋源、裂可大體判斷出斷裂的類型（韌斷、脆斷、疲勞斷）、裂紋源、裂 紋擴(kuò)展的途徑，粗略找出破壞原因。紋擴(kuò)展的途徑，粗略找出破壞原因。微觀斷口微觀斷口：指用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡分析的斷口，它揭示了斷口的本質(zhì)。：指用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡分析的斷口，它揭示了斷口的本質(zhì)。正確的斷口分析應(yīng)該是兩者結(jié)合。正確的斷口分析應(yīng)該是兩者結(jié)合。斷裂的類型宏觀斷口微觀斷口第39頁(yè)/共58頁(yè)解理斷裂1. 解理裂紋的形成和擴(kuò)展解理裂紋的形成和擴(kuò)展（1）Zener-Stroh位錯(cuò)塞積理論位錯(cuò)塞積理論（2）Cottrell位錯(cuò)反應(yīng)理論位錯(cuò)反應(yīng)理論（3）Smith碳化物開裂理論碳化物開裂理論2. 解理斷裂

23、的微觀斷口特征解理斷裂的微觀斷口特征（1）解理斷口）解理斷口（2）準(zhǔn)解理斷口）準(zhǔn)解理斷口第40頁(yè)/共58頁(yè)切應(yīng)力切應(yīng)力 位錯(cuò)在位錯(cuò)在障礙物障礙物前塞前塞積積晶界晶界、第、第二相二相一個(gè)柏氏矢一個(gè)柏氏矢量量nb大位錯(cuò)大位錯(cuò)大位錯(cuò)的彈大位錯(cuò)的彈性應(yīng)力場(chǎng)可性應(yīng)力場(chǎng)可能產(chǎn)生一個(gè)能產(chǎn)生一個(gè)促使斷裂的促使斷裂的正應(yīng)力正應(yīng)力 c當(dāng)當(dāng) c= m時(shí)，塞積群前端形成微裂紋，時(shí)，塞積群前端形成微裂紋，此時(shí)此時(shí) c= f (裂紋形成所需的切應(yīng)力）裂紋形成所需的切應(yīng)力）形成一條微裂紋所需的位錯(cuò)塞積數(shù)目形成一條微裂紋所需的位錯(cuò)塞積數(shù)目：表表面面能能b b8 83 3n nf f2 2 該理論該理論缺點(diǎn)缺點(diǎn)：認(rèn)為裂紋：認(rèn)為

24、裂紋形成只與切應(yīng)力有關(guān)，形成只與切應(yīng)力有關(guān)，與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)。無法與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)。無法解釋在復(fù)雜應(yīng)力下脆性解釋在復(fù)雜應(yīng)力下脆性增大和高壓縮下塑性提增大和高壓縮下塑性提高的現(xiàn)象。高的現(xiàn)象。L：塞積群長(zhǎng)度：塞積群長(zhǎng)度r : 塞積群頂端到裂紋形成點(diǎn)距塞積群頂端到裂紋形成點(diǎn)距離離計(jì)算表明：計(jì)算表明： =70.5 時(shí)，時(shí)， c= m c 12 G/ (1- 2)d1/2d:障礙物間距，如為晶界障礙物間距，如為晶界 d是晶粒尺寸是晶粒尺寸2cossinrL2321c 1. 解理裂紋的形成和擴(kuò)展解理裂紋的形成和擴(kuò)展（1）Zener-Stroh位錯(cuò)塞積理論位錯(cuò)塞積理論第41頁(yè)/共58頁(yè)（2）Cottrell位錯(cuò)

25、反應(yīng)理論位錯(cuò)反應(yīng)理論主要是為解釋主要是為解釋bcc金屬金屬 -Fe常從（常從（001）面發(fā)）面發(fā)生解理斷裂的原因。生解理斷裂的原因。 -Fe中，滑移面（中，滑移面（110），解理面（），解理面（001），），滑移方向滑移方向111。圖中：兩個(gè)正交的滑移面相。圖中：兩個(gè)正交的滑移面相交于解理面（交于解理面（001）中的）中的010軸線，兩平行軸線，兩平行位錯(cuò)列在交叉線上相遇，即可形成新位錯(cuò)。位錯(cuò)列在交叉線上相遇，即可形成新位錯(cuò)。a0011112a1112a 新位錯(cuò)：新位錯(cuò)：（1）好象在（）好象在（001）解理面上插一個(gè)多余半原子面；）解理面上插一個(gè)多余半原子面； （2）隨著進(jìn)行，幾個(gè)位錯(cuò)都楔入（

26、）隨著進(jìn)行，幾個(gè)位錯(cuò)都楔入（001）中，成大位錯(cuò)；）中，成大位錯(cuò)； （3）沿（）沿（001）面萌生微裂紋，解理開裂。）面萌生微裂紋，解理開裂。Cottrell用能量分析觀點(diǎn)計(jì)算位錯(cuò)反應(yīng)形成裂紋條件，較復(fù)雜用能量分析觀點(diǎn)計(jì)算位錯(cuò)反應(yīng)形成裂紋條件，較復(fù)雜，有人用一個(gè)簡(jiǎn)化模型導(dǎo)出開裂條件有人用一個(gè)簡(jiǎn)化模型導(dǎo)出開裂條件能量：能量：3/4a2+ 3/4a2 a2 新位錯(cuò)是不動(dòng)位新位錯(cuò)是不動(dòng)位錯(cuò)錯(cuò)第42頁(yè)/共58頁(yè)裂紋擴(kuò)展相當(dāng)于塞積的位錯(cuò)列向前攀移裂紋擴(kuò)展相當(dāng)于塞積的位錯(cuò)列向前攀移形成微裂紋條件：外力對(duì)位錯(cuò)做的功形成微裂紋條件：外力對(duì)位錯(cuò)做的功 裂紋形成增的表面能裂紋形成增的表面能成功：把裂紋形核、擴(kuò)展區(qū)

27、分開，拉應(yīng)力起重要作用成功：把裂紋形核、擴(kuò)展區(qū)分開，拉應(yīng)力起重要作用。不足：難在其它晶格類型晶體上應(yīng)用。不足：難在其它晶格類型晶體上應(yīng)用。dG4f 2nb n：位錯(cuò)塞積數(shù)目：位錯(cuò)塞積數(shù)目 b: 柏氏矢量柏氏矢量 nb：晶體的滑移量：晶體的滑移量 ：裂紋表面：裂紋表面能能裂紋形成時(shí)滑移面切應(yīng)力（單向拉伸時(shí)）裂紋形成時(shí)滑移面切應(yīng)力（單向拉伸時(shí)）2c 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有效切應(yīng)力位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有效切應(yīng)力ic 切應(yīng)變切應(yīng)變 Gic i：位錯(cuò)硬度的內(nèi)摩擦力位錯(cuò)硬度的內(nèi)摩擦力d：晶粒尺寸：晶粒尺寸晶粒切變位移晶粒切變位移Gd)(nbic 總柏氏矢量總柏氏矢量第43頁(yè)/共58頁(yè)（3）Smith碳化物開裂理論碳化物開裂理論晶

28、晶內(nèi)內(nèi)碳碳化化物物dc0 低碳鋼的組織：塊狀鐵素體低碳鋼的組織：塊狀鐵素體+網(wǎng)狀碳化物網(wǎng)狀碳化物塑性變形產(chǎn)生的位錯(cuò)在碳化物網(wǎng)膜前受阻塞積塑性變形產(chǎn)生的位錯(cuò)在碳化物網(wǎng)膜前受阻塞積應(yīng)力集中到一定程度，碳化物開裂（裂紋形核應(yīng)力）應(yīng)力集中到一定程度，碳化物開裂（裂紋形核應(yīng)力）硬而脆的第二相粒子（如鋼中硬而脆的第二相粒子（如鋼中碳化物）碳化物）的形狀、的形狀、尺寸、分布影響材料斷裂性質(zhì)。尺寸、分布影響材料斷裂性質(zhì)。碳化物中形成裂紋后，要使裂紋擴(kuò)展到相鄰鐵素碳化物中形成裂紋后，要使裂紋擴(kuò)展到相鄰鐵素體中還需克服鐵素體的表面能體中還需克服鐵素體的表面能 f f=4E( c+ f )/ (1- 2)d1/2碳

29、化物中裂紋形成后，需經(jīng)過裂紋擴(kuò)展才能通過相鄰鐵素體，這是裂紋擴(kuò)展碳化物中裂紋形成后，需經(jīng)過裂紋擴(kuò)展才能通過相鄰鐵素體，這是裂紋擴(kuò)展所控制斷裂，類似所控制斷裂，類似Cottrell模型的推導(dǎo)，斷裂判據(jù)：模型的推導(dǎo)，斷裂判據(jù)： f=4E( c+ f )/ (1- 2)c01/2 c0 f 晶粒越細(xì)，碳化物層片越薄。晶粒越細(xì)，碳化物層片越薄。該模型認(rèn)為：碳化該模型認(rèn)為：碳化物厚度是控制斷裂物厚度是控制斷裂的主要組織參數(shù)的主要組織參數(shù)根據(jù)根據(jù)Stroh位錯(cuò)塞積理論，在塞積頭前端將造成拉應(yīng)力集中，位錯(cuò)塞積理論，在塞積頭前端將造成拉應(yīng)力集中，在該應(yīng)力作用下將使碳化物開裂在該應(yīng)力作用下將使碳化物開裂 f=4

30、E c/ (1- 2)d1/2 c: 碳化物的比表面能；碳化物的比表面能； d: 晶粒直徑晶粒直徑第44頁(yè)/共58頁(yè)裂紋形成位裂紋形成位置置晶界晶界相界相界孿晶界孿晶界孿晶交叉孿晶交叉處處易造成位錯(cuò)塞積易造成位錯(cuò)塞積模型基本出發(fā)點(diǎn)模型基本出發(fā)點(diǎn)（1）切應(yīng)力作用）切應(yīng)力作用（2）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻）位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻（3）塞積位錯(cuò)的）塞積位錯(cuò)的 彈性應(yīng)力場(chǎng)的彈性應(yīng)力場(chǎng)的 拉應(yīng)力拉應(yīng)力先使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；先使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；不同原因造不同原因造成成造成開裂造成開裂裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展Griffith公式規(guī)定的臨界裂紋長(zhǎng)度公式規(guī)定的臨界裂紋長(zhǎng)度24 Eac 裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展迅速斷裂迅速斷裂裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展第45

31、頁(yè)/共58頁(yè)2.2.解理斷裂的微觀斷口特征解理斷裂的微觀斷口特征（1）解理斷口）解理斷口 在拉應(yīng)力作用下，脆性穿晶斷裂；在拉應(yīng)力作用下，脆性穿晶斷裂；沿著一定結(jié)晶面分離沿著一定結(jié)晶面分離解理面；解理面；解理面一般都是低指數(shù)面（表面能低）；解理面一般都是低指數(shù)面（表面能低）；單晶體解理斷口單晶體解理斷口無特征的理想平面無特征的理想平面 多晶體解理斷口多晶體解理斷口很多取向略有差別的光滑小刻面（小刻面是一個(gè)晶粒很多取向略有差別的光滑小刻面（小刻面是一個(gè)晶粒）一組平行的解理面組成小刻面；一組平行的解理面組成小刻面；兩個(gè)平行解理面間相差一定高度兩個(gè)平行解理面間相差一定高度臺(tái)階。臺(tái)階。臺(tái)階匯合臺(tái)階匯合“

32、河流花樣河流花樣”是臺(tái)階存在標(biāo)志（是臺(tái)階存在標(biāo)志（解理斷裂最重要特征解理斷裂最重要特征） “舌狀花樣舌狀花樣”（解理斷裂另一斷口學(xué)特征解理斷裂另一斷口學(xué)特征）第46頁(yè)/共58頁(yè)解理臺(tái)階形成機(jī)理：解理臺(tái)階形成機(jī)理：（1）解理裂紋與螺位錯(cuò)交截形成臺(tái)階。（高度為）解理裂紋與螺位錯(cuò)交截形成臺(tái)階。（高度為b的解理臺(tái)階）。的解理臺(tái)階）。（2）處于不同高度而兩個(gè)相互平行的解理裂紋，通過二次解理或撕裂相）處于不同高度而兩個(gè)相互平行的解理裂紋，通過二次解理或撕裂相互互 連接而形成臺(tái)階。連接而形成臺(tái)階。2.解理斷裂的微觀斷口特征解理斷裂的微觀斷口特征第47頁(yè)/共58頁(yè)河流上游（支流發(fā)源處）河流上游（支流發(fā)源處）裂

33、紋發(fā)源處裂紋發(fā)源處河流下游河流下游裂紋擴(kuò)展方向裂紋擴(kuò)展方向2.解理斷裂的微觀斷口特征解理斷裂的微觀斷口特征第48頁(yè)/共58頁(yè)形狀象躺在解理面上的形狀象躺在解理面上的“舌頭舌頭”；“舌狀花樣舌狀花樣”的形成：的形成： 解理裂紋與孿晶相遇時(shí)，沿著孿晶面發(fā)生局部二次解理，解理裂紋與孿晶相遇時(shí)，沿著孿晶面發(fā)生局部二次解理， 發(fā)展到一定程度后，二次解理面與主解理面間連接部分破斷；發(fā)展到一定程度后，二次解理面與主解理面間連接部分破斷；低溫、高速變形時(shí)易發(fā)生孿生變形，解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展，留低溫、高速變形時(shí)易發(fā)生孿生變形，解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展，留 下舌頭狀凹坑（或凸臺(tái)）下舌頭狀凹坑（或凸臺(tái)）“舌狀花樣舌狀花

34、樣”2.解理斷裂的微觀斷口特征解理斷裂的微觀斷口特征第49頁(yè)/共58頁(yè)隨變形增大塞積數(shù)增多隨變形增大塞積數(shù)增多位錯(cuò)受兩力位錯(cuò)受兩力（一）位錯(cuò)源驅(qū)使位錯(cuò)推向粒子（一）位錯(cuò)源驅(qū)使位錯(cuò)推向粒子（二）第二相粒子的阻塞，粒子（二）第二相粒子的阻塞，粒子 排斥領(lǐng)先位錯(cuò)排斥領(lǐng)先位錯(cuò)外加應(yīng)力外加應(yīng)力不太大不太大兩力平衡兩力平衡b)位錯(cuò)源停止放出位位錯(cuò)源停止放出位錯(cuò)錯(cuò)外加應(yīng)力外加應(yīng)力足夠大足夠大或粒子周圍有應(yīng)力集中或粒子周圍有應(yīng)力集中c)將領(lǐng)先位錯(cuò)推向基體與第二相粒將領(lǐng)先位錯(cuò)推向基體與第二相粒子界面上，界面沿子界面上，界面沿AB面分開成面分開成微孔微孔d、e)微孔形成使原來斥力減小，位錯(cuò)源微孔形成使原來斥力減小

35、，位錯(cuò)源重新激活，位錯(cuò)又推向微孔，微孔重新激活，位錯(cuò)又推向微孔，微孔擴(kuò)大擴(kuò)大f)位錯(cuò)可沿不同滑移面開往位錯(cuò)可沿不同滑移面開往粒子邊界，微孔可由幾個(gè)粒子邊界，微孔可由幾個(gè)滑移面上開來的位錯(cuò)共同滑移面上開來的位錯(cuò)共同形成形成g)或其它滑移面的位錯(cuò)向該或其它滑移面的位錯(cuò)向該微孔運(yùn)動(dòng)而使其長(zhǎng)大微孔運(yùn)動(dòng)而使其長(zhǎng)大微孔聚集斷裂a(bǔ))塑性變形時(shí)夾雜物第二相粒子塑性變形時(shí)夾雜物第二相粒子周圍塞積著位錯(cuò)環(huán)。周圍塞積著位錯(cuò)環(huán)。第50頁(yè)/共58頁(yè)韌性斷裂的特征：發(fā)生明顯的宏觀塑性變形韌性斷裂的特征：發(fā)生明顯的宏觀塑性變形韌性斷裂的實(shí)質(zhì)：顯微空洞形成、長(zhǎng)大、連結(jié)并最終導(dǎo)致斷裂。韌性斷裂的實(shí)質(zhì)：顯微空洞形成、長(zhǎng)大、連結(jié)并

36、最終導(dǎo)致斷裂。至今沒有完善的理論至今沒有完善的理論不如脆斷危險(xiǎn)，沒足夠重視；不如脆斷危險(xiǎn)，沒足夠重視；韌斷時(shí)塑變區(qū)應(yīng)力韌斷時(shí)塑變區(qū)應(yīng)力-應(yīng)變分布復(fù)雜，數(shù)學(xué)處理困難應(yīng)變分布復(fù)雜，數(shù)學(xué)處理困難 斷口的微觀形貌斷口的微觀形貌韌性斷裂兩種類型：韌性斷裂兩種類型：（1）純剪切型斷裂）純剪切型斷裂（2）微孔聚集型斷裂）微孔聚集型斷裂 SEM觀觀察察大量微坑（韌窩）大量微坑（韌窩）覆蓋斷面覆蓋斷面拋物型拋物型剪切韌窩剪切韌窩撕裂撕裂韌窩韌窩等軸等軸韌窩韌窩微孔聚集斷裂第51頁(yè)/共58頁(yè)斷口具有韌窩形貌的構(gòu)件其宏觀斷裂是韌性的。斷口具有韌窩形貌的構(gòu)件其宏觀斷裂是韌性的。韌性斷裂方式示意圖：韌性斷裂方式示意圖：(a)一般拉伸一般拉伸時(shí)出現(xiàn)頸時(shí)出現(xiàn)頸縮后產(chǎn)生縮后產(chǎn)生的杯錐狀的杯錐狀斷口斷口(b)拉伸時(shí)同拉伸時(shí)同樣出現(xiàn)頸樣出現(xiàn)頸縮，但最縮，但最后產(chǎn)生雙后產(chǎn)生雙杯錐狀斷杯錐狀斷口。僅室口。僅室溫純金屬溫純金屬中出現(xiàn)。中出現(xiàn)。(c)平面型斷平面型斷口，但其口，但其本質(zhì)是韌