第01 金屬在單向靜拉伸作用下的力學(xué)性能-材料力學(xué)性能

1、1第一章第一章 金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能 靜載靜載是相對于交變載荷和高速載荷而言的，是相對于交變載荷和高速載荷而言的，如：靜拉伸時，其變形速度如：靜拉伸時，其變形速度8L0/min。 金屬靜載試驗(yàn)方法金屬靜載試驗(yàn)方法包括包括單向靜拉伸試驗(yàn)單向靜拉伸試驗(yàn)、壓壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、硬度試驗(yàn)等縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、硬度試驗(yàn)等，是工業(yè)上應(yīng)，是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的金屬力學(xué)性能試驗(yàn)方法。用最廣泛的金屬力學(xué)性能試驗(yàn)方法。 這些試驗(yàn)方法的這些試驗(yàn)方法的特點(diǎn)特點(diǎn)是：是：溫度、應(yīng)力狀態(tài)和溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速率是確定的加載速率是確定的，并且，并且常用標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行試驗(yàn)常用標(biāo)準(zhǔn)

2、試樣進(jìn)行試驗(yàn)（硬度試驗(yàn)除外）。（硬度試驗(yàn)除外）。 2 通過靜載力學(xué)性能試驗(yàn)可以揭示金屬材料在通過靜載力學(xué)性能試驗(yàn)可以揭示金屬材料在靜載荷作用下靜載荷作用下常見的三種失效形式常見的三種失效形式，即，即過量彈性變過量彈性變形形、塑性變形塑性變形和和斷裂斷裂。 可以標(biāo)定出金屬材料的最基本的力學(xué)性能指可以標(biāo)定出金屬材料的最基本的力學(xué)性能指標(biāo)。這些性能指標(biāo)是機(jī)械設(shè)計、制造、選材、工藝標(biāo)。這些性能指標(biāo)是機(jī)械設(shè)計、制造、選材、工藝評定以及內(nèi)外貿(mào)易訂貨的評定以及內(nèi)外貿(mào)易訂貨的主要依據(jù)主要依據(jù)。 本章將討論性能指標(biāo)的定義、測試方法以及試本章將討論性能指標(biāo)的定義、測試方法以及試驗(yàn)方法以及金屬彈性變形、塑性變形和斷

3、裂的基本驗(yàn)方法以及金屬彈性變形、塑性變形和斷裂的基本規(guī)律和原理。規(guī)律和原理。 31-1 1-1 拉伸力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線拉伸力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線 單向靜拉伸試驗(yàn)是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的金屬力單向靜拉伸試驗(yàn)是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的金屬力學(xué)性能試驗(yàn)之一，原因是其測得的學(xué)性能試驗(yàn)之一，原因是其測得的性能指標(biāo)比較穩(wěn)性能指標(biāo)比較穩(wěn)定，具有廣泛的可比性定，具有廣泛的可比性。 一、一、 光滑拉伸試樣光滑拉伸試樣 光滑試樣是相對于缺口試樣和裂紋試樣而言的。光滑試樣是相對于缺口試樣和裂紋試樣而言的。4 1 1、采用光滑試樣的目的：、采用光滑試樣的目的： 光滑試樣可光滑試樣可保證試驗(yàn)材料承受單向拉應(yīng)力保證試驗(yàn)材料

4、承受單向拉應(yīng)力，而缺口試樣或裂紋試樣將導(dǎo)致缺口或裂紋周圍處而缺口試樣或裂紋試樣將導(dǎo)致缺口或裂紋周圍處于兩向或三向應(yīng)力狀態(tài)。于兩向或三向應(yīng)力狀態(tài)。 2 2、試樣的種類：、試樣的種類： 經(jīng)常使用的光滑試樣可分為：經(jīng)常使用的光滑試樣可分為：圓柱形試樣圓柱形試樣、板狀試樣板狀試樣和和管狀試樣管狀試樣。詳見國家標(biāo)準(zhǔn)（。詳見國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T228-GB/T228-2002 2002 金屬材料金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法）室溫拉伸試驗(yàn)方法）5 3 3、光滑試樣的組成、光滑試樣的組成 光滑拉伸試樣由三部分組成：如圖所示光滑拉伸試樣由三部分組成：如圖所示 工作部分工作部分：是試樣的中間部分，在：是試樣的中間部分

5、，在取樣和加取樣和加工過程工過程中應(yīng)按照中應(yīng)按照GB/T2975-1998GB/T2975-1998鋼及鋼產(chǎn)品力鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備、GB/T2649-GB/T2649-19891989焊接接頭機(jī)械性能試驗(yàn)取樣方法焊接接頭機(jī)械性能試驗(yàn)取樣方法等相關(guān)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，試樣在原材料或機(jī)件中的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，試樣在原材料或機(jī)件中的取向、部位取向、部位以及試樣形狀、精度、粗糙度和加工程序以及試樣形狀、精度、粗糙度和加工程序均按照均按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。6 夾持部分夾持部分：這部分的作用是保持自身承載：這部分的作用是保持自身承載能力，不能斷裂（其截面積大）；把載

6、荷正確能力，不能斷裂（其截面積大）；把載荷正確地傳遞到工作部分上去。地傳遞到工作部分上去。 過渡部分過渡部分：是工作部分向外過渡的部分，：是工作部分向外過渡的部分，為減少應(yīng)力集中，采用圓弧過渡的形式。處理為減少應(yīng)力集中，采用圓弧過渡的形式。處理不好會在此斷裂，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗（尤其是脆性不好會在此斷裂，導(dǎo)致試驗(yàn)失?。ㄓ绕涫谴嘈圆牧希２牧希?。 7 二、拉伸曲線及應(yīng)力應(yīng)變曲線二、拉伸曲線及應(yīng)力應(yīng)變曲線 介紹試驗(yàn)機(jī)的種類、試樣裝夾、所用儀器和介紹試驗(yàn)機(jī)的種類、試樣裝夾、所用儀器和操作過程。操作過程。 1、拉伸曲線（力伸長曲線）：拉伸曲線（力伸長曲線）： F-縱坐標(biāo)，縱坐標(biāo)，L橫坐標(biāo)橫坐標(biāo) 如圖所示如圖

7、所示。 從拉伸曲線上可以看出其變形和斷裂的過程。從拉伸曲線上可以看出其變形和斷裂的過程。8彈性變形階段彈性變形階段不均勻屈服塑性變形階段不均勻屈服塑性變形階段均勻塑性變形階段均勻塑性變形階段不均勻集中塑性變形階段不均勻集中塑性變形階段試樣形狀和尺寸的變化，試樣形狀和尺寸的變化，如圖所示如圖所示 2 2、拉伸過程拉伸過程 退火低碳鋼在拉伸力作用下的變形過程可分退火低碳鋼在拉伸力作用下的變形過程可分為為四個階段四個階段：如圖所示如圖所示9 3、拉伸曲線的典型形式拉伸曲線的典型形式 見圖所示見圖所示，常見形式有常見形式有： 退火低碳鋼的拉伸曲線退火低碳鋼的拉伸曲線如圖如圖a所示，它有鋸齒所示，它有鋸

8、齒狀的屈服階段，分上、下屈服，均勻塑性變形后狀的屈服階段，分上、下屈服，均勻塑性變形后產(chǎn)生頸縮，然后試樣斷裂。產(chǎn)生頸縮，然后試樣斷裂。 中碳鋼的拉伸曲線中碳鋼的拉伸曲線如圖如圖b所示，它有屈服階段，所示，它有屈服階段，但波動微小，幾乎成一條直線，均勻塑性變形后但波動微小，幾乎成一條直線，均勻塑性變形后產(chǎn)生頸縮，然后試樣斷裂。產(chǎn)生頸縮，然后試樣斷裂。 淬火后低中溫回火鋼的拉伸曲線淬火后低中溫回火鋼的拉伸曲線如圖如圖c所示，所示，它無可見的屈服階段，試樣產(chǎn)生均勻塑性變形并它無可見的屈服階段，試樣產(chǎn)生均勻塑性變形并頸縮后產(chǎn)生斷裂。頸縮后產(chǎn)生斷裂。 鑄鐵、淬火鋼等較脆材料在室溫下的拉伸曲線鑄鐵、淬火鋼

9、等較脆材料在室溫下的拉伸曲線如圖如圖d所示，它不僅無屈服階段，而且在產(chǎn)生少量所示，它不僅無屈服階段，而且在產(chǎn)生少量均勻塑性變形后就突然斷裂。均勻塑性變形后就突然斷裂。10 4 4、 應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線(-(-曲線曲線) ) 拉伸曲線（力伸長曲線）的不足之處是曲拉伸曲線（力伸長曲線）的不足之處是曲線的形狀線的形狀與拉伸試樣的幾何尺寸有關(guān)與拉伸試樣的幾何尺寸有關(guān)，只能反映，只能反映特定試樣的力學(xué)性質(zhì)。特定試樣的力學(xué)性質(zhì)。 若用應(yīng)力應(yīng)變曲線若用應(yīng)力應(yīng)變曲線（F/AF/A0 0）- (L/L- (L/LO O) ) 表示，它與試樣的幾何尺寸無關(guān)，其形狀相似。表示，它與試樣的幾何尺寸無關(guān)，其形狀相

10、似。同時還可直接從同時還可直接從-曲線上直接讀出力學(xué)性能指曲線上直接讀出力學(xué)性能指標(biāo)標(biāo)R Rm m、R Relel、A A等。等。 11AFS 三、真實(shí)應(yīng)力與條件應(yīng)力三、真實(shí)應(yīng)力與條件應(yīng)力 1 1、條件應(yīng)力、條件應(yīng)力 在拉伸試驗(yàn)過程中，試樣的橫截面積不斷減在拉伸試驗(yàn)過程中，試樣的橫截面積不斷減小，如果用外力除以橫截面積，得到的應(yīng)力為條小，如果用外力除以橫截面積，得到的應(yīng)力為條件應(yīng)力。件應(yīng)力。 2 2、真實(shí)應(yīng)力、真實(shí)應(yīng)力 如果用任意時刻的外力除以橫截面積，得到如果用任意時刻的外力除以橫截面積，得到的應(yīng)力為真實(shí)應(yīng)力。的應(yīng)力為真實(shí)應(yīng)力。0AF12AF1 (0AFS=0ll 3 3、真實(shí)應(yīng)力與條件應(yīng)力

11、的關(guān)系、真實(shí)應(yīng)力與條件應(yīng)力的關(guān)系 可見，隨載荷的增加，橫截面積不斷減小，可見，隨載荷的增加，橫截面積不斷減小，不斷加大，真實(shí)應(yīng)力不斷加大，真實(shí)應(yīng)力S在不斷增加。在不斷增加。 四、真實(shí)應(yīng)變與條件應(yīng)變四、真實(shí)應(yīng)變與條件應(yīng)變 1、條件應(yīng)變條件應(yīng)變 伸長量與原始標(biāo)距長度之比，即伸長量與原始標(biāo)距長度之比，即 稱稱為條件應(yīng)變。為條件應(yīng)變。13 2、真實(shí)應(yīng)變真實(shí)應(yīng)變e e 對任意時刻真正伸長率是這時刻相對于前時對任意時刻真正伸長率是這時刻相對于前時刻試樣的伸長刻試樣的伸長Li與前一時刻長度與前一時刻長度Li之比，即之比，即 i 試樣的真實(shí)應(yīng)變定義為每一時刻的真正伸長試樣的真實(shí)應(yīng)變定義為每一時刻的真正伸長率的

12、總和，即率的總和，即iille e 01ll102lll2103llll110.kkllll0ilkllldl0 0lnllk+143 3、條件應(yīng)變與真實(shí)應(yīng)變之間的關(guān)系條件應(yīng)變與真實(shí)應(yīng)變之間的關(guān)系e e 0lnllk)ln(00lLlklnln（1+1+） 斷裂時：斷裂時：e ek klnln（1+1+k k）15 五、真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線五、真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線 真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖1-3，可分為三個區(qū)段，可分為三個區(qū)段，各區(qū)段有不同的特點(diǎn)。各區(qū)段有不同的特點(diǎn)。 區(qū)區(qū)：為直線，真應(yīng)力與真應(yīng)變成直線關(guān)系。：為直線，真應(yīng)力與真應(yīng)變成直線關(guān)系。 區(qū)區(qū)：為均勻塑性變形階段，是向下彎曲的：

13、為均勻塑性變形階段，是向下彎曲的曲線，遵循曲線，遵循Sken規(guī)律。規(guī)律。K，n均為材料常數(shù)。均為材料常數(shù)。n為形變強(qiáng)化指數(shù)。為形變強(qiáng)化指數(shù)。16 當(dāng)當(dāng)n1時時，上式變成，上式變成E，表示，表示理想剛性理想剛性狀態(tài)狀態(tài)。 當(dāng)當(dāng)n0時時，則表示，則表示無硬化效應(yīng)，表示理想塑無硬化效應(yīng)，表示理想塑性狀態(tài)。性狀態(tài)。 一般金屬材料，一般金屬材料，0nAZA金屬材料形成頸縮金屬材料形成頸縮，且，且Z與與A之差越之差越大，頸縮越嚴(yán)重；大，頸縮越嚴(yán)重； 如果如果Z ZA A或或A ZA Z則金屬材料不產(chǎn)生頸縮。則金屬材料不產(chǎn)生頸縮。 （三）頸縮頸部應(yīng)力修正（三）頸縮頸部應(yīng)力修正 略略74 （四）抗拉強(qiáng)度（四）

14、抗拉強(qiáng)度 1、定義：韌性金屬試樣拉斷過程中最大試驗(yàn)、定義：韌性金屬試樣拉斷過程中最大試驗(yàn)力所對應(yīng)的應(yīng)力。力所對應(yīng)的應(yīng)力。 2、衡量：、衡量： 3、實(shí)際意義：、實(shí)際意義： R Rm m 標(biāo)志金屬材料的實(shí)際承載能力標(biāo)志金屬材料的實(shí)際承載能力。易于測定，易于測定，重現(xiàn)性好重現(xiàn)性好，是工程上金屬材料的重要力學(xué)性能指標(biāo)。，是工程上金屬材料的重要力學(xué)性能指標(biāo)。但是，對韌性材料來講，實(shí)際零件不允許產(chǎn)生較大但是，對韌性材料來講，實(shí)際零件不允許產(chǎn)生較大的塑性變形量。且僅適用于單向拉伸，在復(fù)雜應(yīng)力的塑性變形量。且僅適用于單向拉伸，在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下狀態(tài)下Rm就不代表材料的實(shí)際有用強(qiáng)度。就不代表材料的實(shí)際有用強(qiáng)度。0

15、AFRbm75 對脆性材料而言，對脆性材料而言， Rm代表了斷裂強(qiáng)度，可代表了斷裂強(qiáng)度，可用于材料設(shè)計。用于材料設(shè)計。 Rm的高低決定于屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化指數(shù)。的高低決定于屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化指數(shù)。屈強(qiáng)比（屈強(qiáng)比（ ）對材料成形加工極為重要，）對材料成形加工極為重要，小的屈強(qiáng)比對沖壓成形有利（有利于產(chǎn)生塑性變小的屈強(qiáng)比對沖壓成形有利（有利于產(chǎn)生塑性變形）。形）。 Rm與布氏硬度、疲勞極限之間存在一定的與布氏硬度、疲勞極限之間存在一定的關(guān)系，可用經(jīng)驗(yàn)公式來表示。但是，僅用于估計，關(guān)系，可用經(jīng)驗(yàn)公式來表示。但是，僅用于估計，需要準(zhǔn)確數(shù)值時，必須進(jìn)行試驗(yàn)來測得。需要準(zhǔn)確數(shù)值時，必須進(jìn)行試驗(yàn)來測得。bs

16、/76 六、塑性六、塑性 （一）塑性與塑性指標(biāo)（一）塑性與塑性指標(biāo) 塑性是指金屬材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。塑性是指金屬材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。通常采用其斷裂前產(chǎn)生的最大塑性變形代表其塑性通常采用其斷裂前產(chǎn)生的最大塑性變形代表其塑性指標(biāo)。指標(biāo)。 1 1、斷后伸長率、斷后伸長率A A 定義定義：試樣拉斷后，原始標(biāo)距部分的伸長：試樣拉斷后，原始標(biāo)距部分的伸長與原始標(biāo)距的百分比。與原始標(biāo)距的百分比。 斷裂位置的斷裂位置的移位處理移位處理：如圖所示：如圖所示%10000LLLAU77 試樣尺寸對斷后伸長率的影響試樣尺寸對斷后伸長率的影響 金屬材料斷裂前所產(chǎn)生的塑性變形由金屬材料斷裂前所產(chǎn)生的塑

17、性變形由均勻塑性均勻塑性變形變形和和集中塑性變形集中塑性變形兩部分組成。兩部分組成。 大多數(shù)拉伸時形成頸縮的韌性金屬材料，其大多數(shù)拉伸時形成頸縮的韌性金屬材料，其均均勻塑性變形量比集中塑性變形量要小的多勻塑性變形量比集中塑性變形量要小的多，一般均，一般均不超過集中變形量的不超過集中變形量的50。許多鋼材（尤其是高。許多鋼材（尤其是高強(qiáng)度鋼）均勻塑性變形量僅占集中變形量的強(qiáng)度鋼）均勻塑性變形量僅占集中變形量的510，鋁和硬鋁占，鋁和硬鋁占1820，黃銅占，黃銅占3545。這就是說，。這就是說，拉伸縮頸形成后，塑性變形主要集拉伸縮頸形成后，塑性變形主要集中于試樣縮頸附近中于試樣縮頸附近。78實(shí)驗(yàn)結(jié)

18、果證明：實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：0001ALLL故：故： 00001LALLLA式中，式中，、對同一金屬材料制成的對同一金屬材料制成的幾何形狀相似幾何形狀相似的試樣來的試樣來說為常數(shù)。說為常數(shù)。 因此，為了使同一金屬材料制成的不同尺寸拉伸試樣得因此，為了使同一金屬材料制成的不同尺寸拉伸試樣得到相同的到相同的A值，要求值，要求 =K(常數(shù)常數(shù))。通常取。通常取K值為值為5.65或或11.3，即對于圓柱形拉伸試樣，相應(yīng)的尺寸為即對于圓柱形拉伸試樣，相應(yīng)的尺寸為L0=5d0或或L0=10d0。這種試樣稱為這種試樣稱為比例試樣比例試樣，且前者稱為短比例試樣，后者稱為，且前者稱為短比例試樣，后者稱為長比例試樣。由

19、于大多數(shù)韌性金屬材料的集中塑性變形量大長比例試樣。由于大多數(shù)韌性金屬材料的集中塑性變形量大于均勻塑性變形量。因此，比例試樣的尺寸越短，其斷后伸于均勻塑性變形量。因此，比例試樣的尺寸越短，其斷后伸長率越大，即長率越大，即AA11.3。 00AL0000LALLLAU79 2 2、斷面收縮率、斷面收縮率Z Z 試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。原始橫截面積的百分比。 根據(jù)斷后伸長率根據(jù)斷后伸長率A和斷面收縮率和斷面收縮率Z的相對大小，的相對大小，可以判斷金屬材料是否產(chǎn)生頸縮可以判斷金屬材料是否產(chǎn)生頸縮：如果：如果ZA，金屬，金屬拉

20、伸時產(chǎn)生頸縮，且兩值相差越大，縮頸越嚴(yán)重；拉伸時產(chǎn)生頸縮，且兩值相差越大，縮頸越嚴(yán)重；如果如果ZA或或AZ，則不產(chǎn)生頸縮。，則不產(chǎn)生頸縮。 實(shí)驗(yàn)表明：實(shí)驗(yàn)表明：Z Z與試樣尺寸無關(guān)與試樣尺寸無關(guān)。%10000AAAZU%10000SSSZU80 （二）塑性的意義（二）塑性的意義 1、塑性指標(biāo)通常并不用于機(jī)件設(shè)計塑性指標(biāo)通常并不用于機(jī)件設(shè)計，因?yàn)椋驗(yàn)樗芩苄耘c材料服役行為之間無直接聯(lián)系性與材料服役行為之間無直接聯(lián)系， 2、對、對靜載下工作的機(jī)件，都要求材料具有一靜載下工作的機(jī)件，都要求材料具有一定塑性定塑性，以，以防止機(jī)件偶然過載時發(fā)生突然破壞防止機(jī)件偶然過載時發(fā)生突然破壞。故塑性指標(biāo)是安全力學(xué)

21、性能指標(biāo)。故塑性指標(biāo)是安全力學(xué)性能指標(biāo)。 3、塑性、塑性對壓力加工具有重要意義對壓力加工具有重要意義。 4、塑性大小、塑性大小能反映材料冶金質(zhì)量的好壞能反映材料冶金質(zhì)量的好壞。 81 七、靜力韌度七、靜力韌度 1、韌性的定義韌性的定義：表示金屬材料斷裂前吸收（彈表示金屬材料斷裂前吸收（彈性變形功）、塑性變形功和斷裂功的能力，或指材性變形功）、塑性變形功和斷裂功的能力，或指材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。 習(xí)慣上，韌性和韌度兩者不分，其實(shí)是有區(qū)別習(xí)慣上，韌性和韌度兩者不分，其實(shí)是有區(qū)別的，韌度是對韌性的度量。的，韌度是對韌性的度量。 分分：靜力韌度靜力韌度、沖擊韌度沖擊韌度和和斷裂韌

22、度斷裂韌度。 2、靜力韌度的衡量靜力韌度的衡量：用真應(yīng)力：用真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線下真應(yīng)變曲線下包圍的面積。包圍的面積。 3、應(yīng)用應(yīng)用：對于按屈服強(qiáng)度設(shè)計，在服役中有：對于按屈服強(qiáng)度設(shè)計，在服役中有可能遇到偶然過載的機(jī)件，如鏈條、起重吊鉤等是可能遇到偶然過載的機(jī)件，如鏈條、起重吊鉤等是必須考慮的重要指標(biāo)。必須考慮的重要指標(biāo)。821-4 1-4 金屬的斷裂金屬的斷裂 一、斷裂的類型一、斷裂的類型 磨損、腐蝕和斷裂磨損、腐蝕和斷裂是機(jī)件的三種主要失效形式是機(jī)件的三種主要失效形式，其中以斷裂的危害最大。其中以斷裂的危害最大。 金屬材料被分成兩個或幾個部分，稱為金屬材料被分成兩個或幾個部分，稱為完全斷完全

23、斷裂裂（簡稱斷裂）；（簡稱斷裂）； 內(nèi)部存在裂紋，則為內(nèi)部存在裂紋，則為不完全斷裂不完全斷裂。 大多數(shù)金屬材料的大多數(shù)金屬材料的斷裂過程斷裂過程都包括裂紋形成與都包括裂紋形成與擴(kuò)展兩個階段。不同的斷裂類型，這兩個階段的機(jī)擴(kuò)展兩個階段。不同的斷裂類型，這兩個階段的機(jī)理與特征并不相同。理與特征并不相同。83 斷裂的分類斷裂的分類： 按照斷裂前是否產(chǎn)生明顯塑性變形可分為：按照斷裂前是否產(chǎn)生明顯塑性變形可分為：韌韌性斷裂與脆性斷裂性斷裂與脆性斷裂。 按照裂紋擴(kuò)展的路徑不同，斷裂可分為：按照裂紋擴(kuò)展的路徑不同，斷裂可分為：穿晶穿晶斷裂與沿晶斷裂斷裂與沿晶斷裂。穿晶斷裂可以是韌性斷裂（如室。穿晶斷裂可以是

24、韌性斷裂（如室溫下的穿晶斷裂），也可以是脆性斷裂（低溫下的溫下的穿晶斷裂），也可以是脆性斷裂（低溫下的穿晶斷裂）。沿晶斷裂大多數(shù)是脆性斷裂。穿晶斷裂）。沿晶斷裂大多數(shù)是脆性斷裂。 按照斷裂機(jī)理分類可分為：按照斷裂機(jī)理分類可分為：解理斷裂、微孔聚解理斷裂、微孔聚集型斷裂和純剪切斷裂集型斷裂和純剪切斷裂。解理斷裂是典型的脆性斷。解理斷裂是典型的脆性斷裂。韌性斷裂大多數(shù)是微孔聚集型斷裂。裂。韌性斷裂大多數(shù)是微孔聚集型斷裂。 按照斷裂面的取向分類可分為：按照斷裂面的取向分類可分為：正斷與切斷正斷與切斷。 84 （一）韌性斷裂與脆性斷裂（一）韌性斷裂與脆性斷裂 1 1、韌性斷裂、韌性斷裂 韌性斷裂是金屬

25、材料斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性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。變形的斷裂。 中、低強(qiáng)度鋼的光滑圓柱試樣在室溫下的靜拉中、低強(qiáng)度鋼的光滑圓柱試樣在室溫下的靜拉伸斷裂是典型的韌性斷裂伸斷裂是典型的韌性斷裂，掌握其斷口宏觀特征對，掌握其斷口宏觀特征對于機(jī)件斷裂失效分析具有重要意義。于機(jī)件斷裂失效分析具有重要意義。 光滑圓柱拉伸試樣的宏觀韌性斷口光滑圓柱拉伸試樣的宏觀韌性斷口呈呈杯錐狀杯錐狀，由由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三個區(qū)域組成，此即所三個區(qū)域組成，此即所謂的謂的斷口特征三要素斷口特征三要素。如圖所示。如圖所示85 三個區(qū)域的形成過程如下三個區(qū)域的形成過程如下：

26、 纖維區(qū)纖維區(qū) 在拉伸曲線的最高點(diǎn)，便在試樣的局部產(chǎn)生在拉伸曲線的最高點(diǎn)，便在試樣的局部產(chǎn)生縮縮頸頸，試樣的應(yīng)力狀態(tài)，試樣的應(yīng)力狀態(tài)由單向應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槿驊?yīng)力由單向應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槿驊?yīng)力。 在三向應(yīng)力作用下，塑性變形難于進(jìn)行，致使在三向應(yīng)力作用下，塑性變形難于進(jìn)行，致使夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)碎裂或夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)碎裂或與基體脫離而形成微孔與基體脫離而形成微孔。 微孔不斷長大和聚合就形成顯微裂紋。微孔不微孔不斷長大和聚合就形成顯微裂紋。微孔不斷形成和聚合的過程便斷形成和聚合的過程便形成纖維區(qū)形成纖維區(qū)。 纖維區(qū)所在的宏觀平面與外力垂直。微細(xì)結(jié)構(gòu)纖維區(qū)所在的宏觀平面與外力垂直。微細(xì)結(jié)構(gòu)是由許多小杯錐組成，

27、是由許多小杯錐組成， 每個小杯錐的小斜面大致與每個小杯錐的小斜面大致與外力呈外力呈5060。表面呈表面呈暗灰色暗灰色。86 放射區(qū)放射區(qū) 是裂紋達(dá)到臨界尺寸后，作快速低能量擴(kuò)展的是裂紋達(dá)到臨界尺寸后，作快速低能量擴(kuò)展的結(jié)果。宏觀塑性變形量很小，表現(xiàn)為脆性斷裂。此結(jié)果。宏觀塑性變形量很小，表現(xiàn)為脆性斷裂。此區(qū)較為區(qū)較為光亮光亮。 剪切唇剪切唇 斷裂后期，由三向應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)，斷裂后期，由三向應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)，裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展，材料在二向應(yīng)力作用下的塑性裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展，材料在二向應(yīng)力作用下的塑性變形量很大，屬韌性斷裂。變形量很大，屬韌性斷裂。特征特征為：為：表面光滑，與表面光滑，與

28、拉應(yīng)力方向呈拉應(yīng)力方向呈4545角角。87 當(dāng)試樣形狀、尺寸、材料性能不同，以及試驗(yàn)當(dāng)試樣形狀、尺寸、材料性能不同，以及試驗(yàn)溫度、加載速度和受力狀態(tài)不同時，斷口三個區(qū)域溫度、加載速度和受力狀態(tài)不同時，斷口三個區(qū)域的形態(tài)、大小、和相對位置都會發(fā)生變化。的形態(tài)、大小、和相對位置都會發(fā)生變化。 韌性斷裂的危險性較小韌性斷裂的危險性較小，原因是：，原因是： 實(shí)際生產(chǎn)中較少見到：許多機(jī)件在產(chǎn)生較大實(shí)際生產(chǎn)中較少見到：許多機(jī)件在產(chǎn)生較大塑性變形后就已經(jīng)失效了。塑性變形后就已經(jīng)失效了。 制定加工工藝時，要求材料產(chǎn)生較大的塑性制定加工工藝時，要求材料產(chǎn)生較大的塑性變形而不允許斷裂。如：擠壓、拉深等。變形而不允

29、許斷裂。如：擠壓、拉深等。88 2、脆性斷裂脆性斷裂 脆性斷裂是突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本不發(fā)脆性斷裂是突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本不發(fā)生塑性變形，沒有明顯的征兆，因而生塑性變形，沒有明顯的征兆，因而危險性較大危險性較大。 脆性斷裂的特征脆性斷裂的特征： 斷裂面一般與正應(yīng)力垂直（圖），斷口平齊斷裂面一般與正應(yīng)力垂直（圖），斷口平齊光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀。 板狀矩形拉伸試樣斷口，呈人字紋花樣板狀矩形拉伸試樣斷口，呈人字紋花樣，花，花樣的放射花樣與裂紋擴(kuò)展方向平行，且其尖頂指向樣的放射花樣與裂紋擴(kuò)展方向平行，且其尖頂指向裂紋源。裂紋源。89 3 3、韌性斷裂與脆性斷裂的區(qū)別

30、、韌性斷裂與脆性斷裂的區(qū)別 相同之處相同之處：不論脆性斷裂還是韌性斷裂均產(chǎn)：不論脆性斷裂還是韌性斷裂均產(chǎn)生塑性變形。生塑性變形。 不同之處不同之處：脆性斷裂產(chǎn)生的塑性變形量較?。捍嘈詳嗔旬a(chǎn)生的塑性變形量較小而已。而已。我國規(guī)定：我國規(guī)定：光滑拉伸試樣的端面收縮率小光滑拉伸試樣的端面收縮率小于于5者為脆性斷裂；大于者為脆性斷裂；大于5者為韌性斷裂。者為韌性斷裂。90 （二）穿晶斷裂與沿晶斷裂（二）穿晶斷裂與沿晶斷裂 按照裂紋擴(kuò)展路徑的不同（圖），斷裂分為按照裂紋擴(kuò)展路徑的不同（圖），斷裂分為 穿晶斷裂穿晶斷裂：裂紋穿過晶粒內(nèi)部。：裂紋穿過晶粒內(nèi)部。 沿晶斷裂沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴(kuò)展。：裂紋沿晶界

31、擴(kuò)展。 宏觀上看：宏觀上看： 穿晶斷裂可以是韌性斷裂穿晶斷裂可以是韌性斷裂（如室溫下的穿晶斷（如室溫下的穿晶斷裂），裂），也可以是脆性的也可以是脆性的（如低溫下的穿晶斷裂）；（如低溫下的穿晶斷裂）； 沿晶斷裂大多是脆性斷裂沿晶斷裂大多是脆性斷裂，沿晶斷裂主要是晶，沿晶斷裂主要是晶界的不連續(xù)性（晶界的脆性第二相、夾雜物、雜質(zhì)界的不連續(xù)性（晶界的脆性第二相、夾雜物、雜質(zhì)在晶界偏聚）造成的。在晶界偏聚）造成的。91 沿晶斷裂的斷口沿晶斷裂的斷口呈冰糖狀呈冰糖狀， 實(shí)際金屬材料的沿晶斷裂斷口，因晶粒較為細(xì)實(shí)際金屬材料的沿晶斷裂斷口，因晶粒較為細(xì)小，無法辨認(rèn)出冰糖狀，小，無法辨認(rèn)出冰糖狀，顏色較纖維狀斷

32、口明亮，顏色較纖維狀斷口明亮，但比純脆性斷裂要灰暗。但比純脆性斷裂要灰暗。 穿晶斷裂和沿晶斷裂有時穿晶斷裂和沿晶斷裂有時可以混合發(fā)生可以混合發(fā)生。92 （三）純剪切斷裂與微孔聚集型斷裂、解理斷裂（三）純剪切斷裂與微孔聚集型斷裂、解理斷裂 1 1、剪切斷裂、剪切斷裂 見表見表 單晶體金屬：斷口呈鋒利的楔形單晶體金屬：斷口呈鋒利的楔形 多晶體金屬：斷口呈刀尖形多晶體金屬：斷口呈刀尖形 2 2、微孔聚集型斷裂、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，是通過微孔形核、長大聚合而導(dǎo)致材料分離，導(dǎo)致斷裂。導(dǎo)致斷裂。93 3、解理斷裂解理斷裂 金屬材料在一定條件下（如低溫），當(dāng)外加金屬材料在

33、一定條件下（如低溫），當(dāng)外加正應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后，正應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體以極快速率沿一定晶體學(xué)平面產(chǎn)生的穿晶斷裂學(xué)平面產(chǎn)生的穿晶斷裂，因與大理石斷裂類似，因與大理石斷裂類似，故稱此種晶體學(xué)平面為解理面故稱此種晶體學(xué)平面為解理面。 解理面一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶解理面一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶面。面。 斷裂的分類方法除了上面敘述的以外，還有斷裂的分類方法除了上面敘述的以外，還有按斷裂面的取向、作用力方式等。按斷裂面的取向、作用力方式等。94 二、解理斷裂二、解理斷裂 （一）解理裂紋的形成和擴(kuò)展（一）解理裂紋的形成和擴(kuò)展 解理斷裂仍然有少量的塑性變形，金屬材料的解

34、理斷裂仍然有少量的塑性變形，金屬材料的塑性變形是位錯運(yùn)動的結(jié)果。這便形成了位錯理論：塑性變形是位錯運(yùn)動的結(jié)果。這便形成了位錯理論： 1、甄納斯特羅位錯塞積理論、甄納斯特羅位錯塞積理論 2、柯垂耳位錯反應(yīng)理論、柯垂耳位錯反應(yīng)理論 以上兩種理論的以上兩種理論的共同點(diǎn)共同點(diǎn)是：先產(chǎn)生少量的塑性是：先產(chǎn)生少量的塑性變形，位錯運(yùn)動受阻，通過位錯塞積或反應(yīng)導(dǎo)致裂變形，位錯運(yùn)動受阻，通過位錯塞積或反應(yīng)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。紋的產(chǎn)生。95 （二）解理斷裂的微觀斷口特征（二）解理斷裂的微觀斷口特征 1 1、解理斷裂、解理斷裂的微觀斷口特征的微觀斷口特征 解理刻面：解理刻面：解理斷裂是沿特定界面發(fā)生的脆解理斷裂是沿特定

35、界面發(fā)生的脆性穿晶斷裂，斷口是由許多大致相當(dāng)于晶粒大小的性穿晶斷裂，斷口是由許多大致相當(dāng)于晶粒大小的解理面集合而成；解理面集合而成； 以晶粒大小為單位的解理面稱為以晶粒大小為單位的解理面稱為解理刻面解理刻面。 解理臺階和河流花樣解理臺階和河流花樣：裂紋跨越若干個相互：裂紋跨越若干個相互平行的、不同高度的解理面，從而在同一刻面內(nèi)部平行的、不同高度的解理面，從而在同一刻面內(nèi)部出現(xiàn)了出現(xiàn)了解理臺階和河流花樣解理臺階和河流花樣。如圖。如圖96 解理臺階是沿兩個高度不同的平行解理面上解理臺階是沿兩個高度不同的平行解理面上擴(kuò)展的解理裂紋相交形成的。擴(kuò)展的解理裂紋相交形成的。 解理臺階、河流花樣、舌狀花樣解

36、理臺階、河流花樣、舌狀花樣（圖）（圖）是解是解理斷裂的基本微觀特征理斷裂的基本微觀特征。 河流花樣是判斷是否為解理斷裂的重要依據(jù)河流花樣是判斷是否為解理斷裂的重要依據(jù)。河流方向?yàn)榱鸭y的擴(kuò)展方向，河流方向?yàn)榱鸭y的擴(kuò)展方向，按照裂紋的反方向按照裂紋的反方向可尋找到裂紋源可尋找到裂紋源。97 2 2、準(zhǔn)解理斷裂、準(zhǔn)解理斷裂的微觀斷口特征的微觀斷口特征 在淬火回火鋼的組織中常有細(xì)小、彌散的碳化在淬火回火鋼的組織中常有細(xì)小、彌散的碳化物質(zhì)點(diǎn)，影響裂紋的形成與擴(kuò)展。斷裂路徑不再與物質(zhì)點(diǎn)，影響裂紋的形成與擴(kuò)展。斷裂路徑不再與晶粒位向有關(guān)，而主要與細(xì)小碳化物質(zhì)點(diǎn)有關(guān)。其晶粒位向有關(guān)，而主要與細(xì)小碳化物質(zhì)點(diǎn)有關(guān)

37、。其斷裂微觀形態(tài)似解理又非解理，故稱準(zhǔn)解理。如圖斷裂微觀形態(tài)似解理又非解理，故稱準(zhǔn)解理。如圖 3、解理斷裂與準(zhǔn)解理斷裂的區(qū)別解理斷裂與準(zhǔn)解理斷裂的區(qū)別 解理斷裂裂紋解理斷裂裂紋源于晶界源于晶界；準(zhǔn)解理斷裂；準(zhǔn)解理斷裂源于晶內(nèi)源于晶內(nèi)某點(diǎn)發(fā)源的放射狀河流花樣。某點(diǎn)發(fā)源的放射狀河流花樣。 4、解理斷裂與準(zhǔn)解理斷裂的相同點(diǎn)解理斷裂與準(zhǔn)解理斷裂的相同點(diǎn) 都是穿晶斷裂；有小解理刻面；有臺階或撕裂都是穿晶斷裂；有小解理刻面；有臺階或撕裂棱及河流花樣。棱及河流花樣。 準(zhǔn)解理斷裂是解理斷裂的變種，機(jī)理是相同的。準(zhǔn)解理斷裂是解理斷裂的變種，機(jī)理是相同的。 98 三、微孔聚集型斷裂三、微孔聚集型斷裂 （一）微孔形

38、核和長大（一）微孔形核和長大 1 1、微孔的形成、微孔的形成 位錯移動在第二相周圍形成位錯環(huán)位錯移動在第二相周圍形成位錯環(huán)形形成塞積成塞積產(chǎn)生應(yīng)力集中產(chǎn)生應(yīng)力集中達(dá)到一定程度時，基達(dá)到一定程度時，基體與第二相剝離體與第二相剝離形成微孔（韌窩）。形成微孔（韌窩）。 2 2、微孔的長大、微孔的長大 微孔在進(jìn)一步的變形中會不斷擴(kuò)大。微孔在進(jìn)一步的變形中會不斷擴(kuò)大。兩微孔之兩微孔之間的金屬類似拉伸試樣的變形、頸縮、斷裂過程間的金屬類似拉伸試樣的變形、頸縮、斷裂過程。99 （二）微孔聚集型斷裂的微觀斷口特征（二）微孔聚集型斷裂的微觀斷口特征微孔微孔 1、微孔特征微孔特征 微孔與第二相、夾雜物相對應(yīng)。微孔

39、與第二相、夾雜物相對應(yīng)。 2、微孔分類微孔分類 韌窩韌窩是微孔聚集型斷裂的基本微觀斷是微孔聚集型斷裂的基本微觀斷口特征口特征。韌窩的形狀視應(yīng)力狀態(tài)不同分為。韌窩的形狀視應(yīng)力狀態(tài)不同分為三類。（見圖）三類。（見圖）100 等軸韌窩等軸韌窩：在垂直于正壓力的平面上長大傾：在垂直于正壓力的平面上長大傾向相同，形成等軸韌窩。如：拉伸試樣中心纖維向相同，形成等軸韌窩。如：拉伸試樣中心纖維區(qū)。區(qū)。 （見圖）（見圖） 拉長韌窩拉長韌窩：在切應(yīng)力作用下，如：扭轉(zhuǎn)載荷：在切應(yīng)力作用下，如：扭轉(zhuǎn)載荷或受雙向不等拉伸條件下、拉伸試樣剪切唇部分或受雙向不等拉伸條件下、拉伸試樣剪切唇部分將出現(xiàn)拉長韌窩。將出現(xiàn)拉長韌窩。

40、 撕裂韌窩撕裂韌窩：在拉、彎聯(lián)合作用下，微孔在拉：在拉、彎聯(lián)合作用下，微孔在拉長、長大的同時還要被彎曲，形成兩個相配斷口長、長大的同時還要被彎曲，形成兩個相配斷口上的方向相同的撕裂韌窩。上的方向相同的撕裂韌窩。101 韌窩大小韌窩大小（直徑和深度）（直徑和深度）決定于決定于第二相質(zhì)點(diǎn)第二相質(zhì)點(diǎn)的大小和密度、基體材料的塑性變形能力和應(yīng)變的大小和密度、基體材料的塑性變形能力和應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)、以及外加應(yīng)力的大小和應(yīng)力狀態(tài)。強(qiáng)化指數(shù)、以及外加應(yīng)力的大小和應(yīng)力狀態(tài)。 微孔聚集型斷裂一定有韌窩存在微孔聚集型斷裂一定有韌窩存在。但。但微觀形微觀形態(tài)上出現(xiàn)韌窩，其宏觀上不一定是韌性斷裂態(tài)上出現(xiàn)韌窩，其宏觀上不一

41、定是韌性斷裂（因（因脆性斷裂在局部區(qū)域內(nèi)也可能有塑性變形，從而脆性斷裂在局部區(qū)域內(nèi)也可能有塑性變形，從而顯示出韌窩形態(tài)）。顯示出韌窩形態(tài)）。102 四、斷裂強(qiáng)度四、斷裂強(qiáng)度 （一）理論斷裂強(qiáng)度（一）理論斷裂強(qiáng)度 決定材料強(qiáng)度的最基本因素是原子間結(jié)合力。決定材料強(qiáng)度的最基本因素是原子間結(jié)合力?？梢杂迷谕饧诱龖?yīng)力作用下，可以用在外加正應(yīng)力作用下，將晶體的兩個原子將晶體的兩個原子面沿垂直于外力方向拉斷所需要的應(yīng)力，即理論面沿垂直于外力方向拉斷所需要的應(yīng)力，即理論斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度。 理論斷裂強(qiáng)度的推導(dǎo)是建立在原子間作用力理論斷裂強(qiáng)度的推導(dǎo)是建立在原子間作用力和原子間位移之間的關(guān)系。和原子間位移之間的關(guān)

42、系。 103210aEsm 若將材料的若將材料的E、a0、s的值代入上式，可得的值代入上式，可得到理論斷裂強(qiáng)度。通常到理論斷裂強(qiáng)度。通常 。實(shí)際金屬。實(shí)際金屬材料的斷裂應(yīng)力僅為理論材料的斷裂應(yīng)力僅為理論 值的值的1/101/1000。這其實(shí)是金屬中的某些缺陷（如：位錯等）造成這其實(shí)是金屬中的某些缺陷（如：位錯等）造成的。的。 10/Emm104 （二）斷裂強(qiáng)度的裂紋理論（格雷菲斯裂紋理論）（二）斷裂強(qiáng)度的裂紋理論（格雷菲斯裂紋理論） 為了解釋玻璃、陶瓷等脆性材料斷裂強(qiáng)度的的為了解釋玻璃、陶瓷等脆性材料斷裂強(qiáng)度的的理論值與實(shí)際值之間的巨大差異，格雷菲斯于理論值與實(shí)際值之間的巨大差異，格雷菲斯于1

43、921年提出，實(shí)際材料中年提出，實(shí)際材料中已經(jīng)存在裂紋已經(jīng)存在裂紋、依據(jù)能量平衡、依據(jù)能量平衡原理推導(dǎo)出材料的斷裂強(qiáng)度原理推導(dǎo)出材料的斷裂強(qiáng)度 薄板：薄板： 厚板：厚板：212aESc21212aESc105必須指出必須指出： 1、格雷菲斯對長為、格雷菲斯對長為2a的中心穿透裂紋計算所的中心穿透裂紋計算所得的斷裂公式，對長為得的斷裂公式，對長為a的表面半橢圓裂紋也是適的表面半橢圓裂紋也是適用的。只是式中的用的。只是式中的a就是裂紋長度。就是裂紋長度。 2、格雷菲斯公式、格雷菲斯公式只適合于脆性材料只適合于脆性材料，如玻璃、，如玻璃、金剛石、超高強(qiáng)度鋼等。金剛石、超高強(qiáng)度鋼等。 3、對于工程材料

44、對于工程材料（如鋼等），裂紋尖端產(chǎn)生（如鋼等），裂紋尖端產(chǎn)生較大塑性變形，需要消耗掉大量塑性變形功，其數(shù)較大塑性變形，需要消耗掉大量塑性變形功，其數(shù)值不能忽略。故值不能忽略。故需要修正需要修正，歐羅萬和歐文修正后的，歐羅萬和歐文修正后的格雷菲斯公式為：格雷菲斯公式為：106212aEpsc因因 遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于 ，故上式可改寫成：，故上式可改寫成： ps2s2212aEpsc 格雷菲斯理論的格雷菲斯理論的前提是，承認(rèn)實(shí)際金屬材料中前提是，承認(rèn)實(shí)際金屬材料中已經(jīng)存在裂紋，不涉及裂紋的來源問題已經(jīng)存在裂紋，不涉及裂紋的來源問題。裂紋可能。裂紋可能是：在冶煉中，或在加工過程（鑄造、鍛造、焊接、是：在冶煉中，或在加工過程（鑄造、鍛造、焊接、熱處理等）中產(chǎn)生的，也可能是在使用過程中因塑熱處理等）中產(chǎn)生的，也可能是在使用過程中因塑性變形而誘發(fā)產(chǎn)生的。性變形而誘發(fā)產(chǎn)生的。107五、斷裂理論的應(yīng)用（五、斷裂理論的應(yīng)用（略）略） （三）真實(shí)斷裂強(qiáng)度和靜力韌度（三）真實(shí)斷裂強(qiáng)度和靜力韌度 韌性韌性是材料的力學(xué)性能，是材料的力學(xué)性能，是指材料斷裂前吸收是指