多晶體范性變形范性形變

多晶體范性變形范性形變講授提綱3.1概述3.2滑移、滑移系和Schmid定律3.3孿生3.4多晶體的范性變形3.5范性形變對(duì)材料組織及性能的影響3.6材料的斷裂2023/1/1223.4多晶體的范性形變工程中使用的材料絕大部分是多晶體多晶體和單晶體的顯著區(qū)別在于：晶界的存在1.晶界：一.概述多晶體由許多取向不同的晶粒組成，晶粒之間的過(guò)渡區(qū)域即為晶粒邊界，簡(jiǎn)稱晶界；二.晶界及其在范性形變中的作用2.晶界的分類：小角晶界；大角晶界；2023/1/1233.4多晶體的范性形變3.晶界的厚度：幾個(gè)或十幾個(gè)原子間距；二.晶界及其在范性形變中的作用4.晶界的組成：包含大量缺陷的晶態(tài)材料，這些缺陷包括：位錯(cuò)、空位、間隙原子、雜質(zhì)原子、某些沉淀相等；4.晶界的作用：多晶α-Fe的拉伸實(shí)驗(yàn)(a)低溫，(b)高溫低溫或室溫下，晶界強(qiáng)度高；高溫下，晶界強(qiáng)度低；2023/1/1243.4多晶體的范性形變二.晶界及其在范性形變中的作用4.晶界的作用：協(xié)調(diào)作用；障礙作用（低溫下）；促進(jìn)作用（高溫下）--晶界滑動(dòng)、晶界遷移；起裂作用；2023/1/1253.4多晶體的范性形變?nèi)?多晶體范性形變的過(guò)程多晶體中每個(gè)晶粒位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切應(yīng)力方向(稱晶粒處于軟位向),另一些晶粒的滑移面和滑移方向與最大切應(yīng)力方向相差較大(稱晶粒處于硬位向)。在發(fā)生滑移時(shí)，軟位向晶粒先開(kāi)始。當(dāng)位錯(cuò)在晶界受阻逐漸堆積時(shí)，其它晶粒發(fā)生滑移。因此多晶體變形時(shí)晶粒分批地逐步地變形，變形分散在材料各處。2023/1/1263.4多晶體的范性形變四.多晶體范性形變的微觀特點(diǎn)：多方式：除滑移和孿生外，還包括晶界滑動(dòng)和遷移以及點(diǎn)缺陷的定向擴(kuò)散；多滑移：為保證多晶體的完整性，每個(gè)晶粒至少有5個(gè)滑移系；不均勻性：產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；出現(xiàn)加工硬化；形成纖維組織和擇優(yōu)取向；2023/1/1273.4多晶體的范性形變五.晶粒度及其對(duì)性能的影響：

晶粒度的表征

Hall—Petch公式

晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)的晶界面積越多，對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用越大，金屬的強(qiáng)度越高。晶界與強(qiáng)度之間的關(guān)系有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式（Hall—Petch公式）：

σ=σ0+k×d-1/2

晶粒度對(duì)硬度的影響

HV或HB=A+B×d-1/4通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)同時(shí)提高金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性的方法稱細(xì)晶強(qiáng)化。

晶粒度對(duì)形變硬度行為的影響2023/1/128

晶粒拉長(zhǎng)或壓扁;1.形成纖維組織

雜質(zhì)呈細(xì)帶狀或鏈狀分布。3.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響一.范性形變對(duì)材料組織的影響

晶粒破碎為亞晶粒；2023/1/1293.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響一.范性形變對(duì)材料組織的影響

5%冷變形純鋁中的位錯(cuò)網(wǎng)(a)正火態(tài)(c)變形80%(b)變形40%2023/1/12102.形成形變織構(gòu)（1）形變織構(gòu)：多晶體材料由塑性變形導(dǎo)致的各晶粒呈擇優(yōu)取向的組織。

絲織構(gòu)：某一晶向趨于與拔絲方向平行。（拉拔時(shí)形成）（2）常見(jiàn)類型

板織構(gòu)：某晶面趨于平行于軋制面，某晶向趨于平行于主變形方向。（軋制時(shí)形成）

3.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響一.范性形變對(duì)材料組織的影響板織構(gòu)絲織構(gòu)形變織構(gòu)示意圖2023/1/12112.形成形變織構(gòu)

力學(xué)性能：利：深沖板材變形控制；弊：制耳。（3）對(duì)性能的影響(各向異性)

物理性能：硅鋼片<100>織構(gòu)可減少鐵損。

3.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響一.范性形變對(duì)材料組織的影響各向異性導(dǎo)致的銅板“制耳”有無(wú)2023/1/12123.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響一.范性形變對(duì)材料組織的影響

3.形成位錯(cuò)胞范性變形

位錯(cuò)纏結(jié)

位錯(cuò)胞（大量位錯(cuò)纏結(jié)在胞壁，胞內(nèi)位錯(cuò)密度低。）

（2）加工硬化的原因2023/1/12131.對(duì)力學(xué)性能的影響（1）出現(xiàn)加工硬化；

3.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響二.范性形變對(duì)材料性能的影響（2）導(dǎo)致殘余應(yīng)力的產(chǎn)生；

導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率下降，比重、熱導(dǎo)率下降；結(jié)構(gòu)缺陷增多，擴(kuò)散加快；化學(xué)活性提高，腐蝕加快。2.對(duì)物理、化學(xué)性能的影響2023/1/12143.對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）

（1）加工硬化（形變強(qiáng)化、冷作強(qiáng)化）：隨變形量的增加，材料的強(qiáng)度、硬度升高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。

3.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響二.范性形變對(duì)材料性能的影響

（2）金屬在冷加工過(guò)程中，要想不斷地塑性變形，就需要不斷增加外應(yīng)力(亦稱流變應(yīng)力)。這表明，金屬對(duì)塑性變形的抗力是隨變形量的增加而增加的。這種流變應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增加的現(xiàn)象就稱為應(yīng)變硬化。

2023/1/12153.對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）

（3）加工硬化對(duì)金屬力學(xué)性能的影響；

3.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響二.范性形變對(duì)材料性能的影響金屬典型的拉伸曲線

具有相同橫截面、不同預(yù)變形的試樣的拉伸曲線

2023/1/12163.對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）

（3）加工硬化對(duì)金屬力學(xué)性能的影響；

3.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響二.范性形變對(duì)材料性能的影響定量描述晶體硬化行為的主要參數(shù)有兩個(gè)。一個(gè)是材料的屈服極限，另一個(gè)是“硬化速率”或硬化系數(shù)k，其意義是增加單位應(yīng)變所需增加的應(yīng)力。這里的應(yīng)力是真應(yīng)力(即以瞬時(shí)的載荷除以該瞬時(shí)試樣的橫斷面積)，因而k就是真應(yīng)力-應(yīng)變曲線上各點(diǎn)的斜率。在變形量不大的情況下，也可以用名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率來(lái)近似地表示硬化速率。2023/1/12173.對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）

3.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響二.范性形變對(duì)材料性能的影響

（4）加工硬化的原因金屬發(fā)生塑性變形時(shí),位錯(cuò)密度增加,位錯(cuò)間的交互作用增強(qiáng),相互纏結(jié),造成位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力的增大,引起塑性變形抗力提高。另一方面由于晶粒破碎細(xì)化,使強(qiáng)度得以提高。2023/1/12181.對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）

3.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響二.范性形變對(duì)材料性能的影響

（5）實(shí)際晶體的硬化行為(a).面心立方晶體的實(shí)際硬化曲線(b).體心立方晶體的實(shí)際硬化曲線2023/1/12191.對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）

3.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響二.范性形變對(duì)材料性能的影響（5）實(shí)際晶體的硬化行為(a).面心立方晶體的實(shí)際硬化曲線I—彈性變形區(qū)，應(yīng)力—應(yīng)變成直線關(guān)系(符合虎克定律)；Ⅱ—過(guò)渡區(qū)，硬化速率不斷減少；Ⅲ-—線性硬化區(qū)，應(yīng)變硬化速率保持恒定值；Ⅳ—拋物線硬化區(qū)，此時(shí)應(yīng)力σ正比于，硬化速率不斷減小。過(guò)渡區(qū)是由于試樣內(nèi)晶粒度和亞結(jié)構(gòu)不同，因而變形很不均勻造成的。線性硬化區(qū)主要是多滑移引起的，而拋物線硬化區(qū)則和交滑移密切相關(guān)，因?yàn)榻换茣?huì)使應(yīng)力暫時(shí)松弛，因而硬化速率減小。至于各區(qū)的范圍(各段曲線的長(zhǎng)短)則和具體金屬有關(guān)，特別是和金屬的塑性有關(guān)。2023/1/12201.對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）

3.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響二.范性形變對(duì)材料性能的影響

（5）實(shí)際晶體的硬化行為(b).體心立方晶體的實(shí)際硬化曲線除了有彈性變形區(qū)(Ⅰ)、拋物線硬化區(qū)(Ⅲ)以外，還有一個(gè)特別的流動(dòng)區(qū)(Ⅱ)，其特點(diǎn)是有一個(gè)明顯的屈服點(diǎn)。當(dāng)應(yīng)力低于某一臨界值(上屈服點(diǎn))時(shí)，只有彈性變形。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到時(shí)突然發(fā)生顯著的塑性變形，且使試樣繼續(xù)變形所需的應(yīng)力迅速減小到更低的臨界值(下屈服點(diǎn))。只要外應(yīng)力維持在恒定的值，試樣就能繼續(xù)伸長(zhǎng)(塑性流動(dòng))，直到第Ⅲ階段開(kāi)始，試樣才發(fā)生明顯的硬化。這種具有明確的屈服點(diǎn)(明確的彈性—塑性變形分界點(diǎn))和塑性流動(dòng)現(xiàn)象就叫明顯屈服點(diǎn)現(xiàn)象。2023/1/12211.對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）

3.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響二.范性形變對(duì)材料性能的影響（5）實(shí)際晶體的硬化行為-體心立方晶體的實(shí)際硬化曲線和明顯屈服點(diǎn)現(xiàn)象密切相關(guān)的還有兩個(gè)其它的現(xiàn)象，即流動(dòng)帶和應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象。a).流動(dòng)帶又稱呂德-切爾諾夫帶。它是光滑的BCC金屬試樣在拉伸后表面出現(xiàn)的斜線，大致和拉伸方向成45o角。其形成原因是由于BCC晶體變形極不均勻。例如，在單向拉伸時(shí)，往往在試樣夾持端附近首先發(fā)生塑性變形，因?yàn)榇颂幱捎趭A頭作用引起應(yīng)力集中，應(yīng)力首先達(dá)到。一旦開(kāi)始變形，由于繼續(xù)變形所需的應(yīng)力低于；故該處將繼續(xù)塑性流動(dòng)，直到顯著硬化，引起相鄰區(qū)域應(yīng)力集中而開(kāi)始塑性變形。于是，塑性流動(dòng)就從最初變形區(qū)，轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)，依次類推?？梢?jiàn)，整個(gè)變形過(guò)程是依次在各區(qū)進(jìn)行的，而不是在試樣各處同時(shí)發(fā)生的。這樣一來(lái)，相鄰變形區(qū)之間就出現(xiàn)“邊界”，此邊界即為流動(dòng)線。應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象是指經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸至流動(dòng)平臺(tái)附近(處)然后卸載的BCC晶體，在第二次拉伸時(shí)，其屈服極限隨著卸載后停放的時(shí)間增加而提高。如果預(yù)拉伸卸載后立即進(jìn)行第二次拉伸，則屈服極限為；若卸載后停放了較長(zhǎng)的時(shí)間再拉伸，則屈服極限為(>)。2023/1/12221.對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）

（6）影響應(yīng)變硬化的因素:Ⅰ.變形溫度

Ⅱ變形速度3.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響二.范性形變對(duì)材料性能的影響

一般，溫度越高，屈服極限越低，硬化速率也越小。具體的影響還和金屬種類有關(guān)。例如，對(duì)FCC晶體，溫度主要影響硬化速率，對(duì)屈服極限影響不大。對(duì)BCC晶體，情況恰好相反，屈服極限隨著溫度降低而急劇增加，硬化速率則與溫度關(guān)系不太大；對(duì)CPH晶體，特別是c/a比較大的鋅、錦、鎂等晶體，溫度升高則屈服極限顯著降低。

原子熱運(yùn)動(dòng)會(huì)促進(jìn)塑性變形，而熱運(yùn)動(dòng)不但和溫度有關(guān)，而且和變形速度有關(guān)。因此，增加變形速度就相當(dāng)于降低溫度，因?yàn)槎叨家种沽嗽拥臒徇\(yùn)動(dòng)。當(dāng)然原子擴(kuò)散主要取決于溫度，變形速度的影響要小得多。實(shí)際上，在普通拉伸試驗(yàn)范圍內(nèi)改變變形速度對(duì)拉伸曲線沒(méi)有多大的影響。但是，在高速變形時(shí)就可能出現(xiàn)新的情況。例如金屬可能自動(dòng)升溫(因?yàn)樗苄宰冃芜^(guò)程中產(chǎn)生的熱量來(lái)不及散出去)。實(shí)驗(yàn)證明，在最快的拉伸試驗(yàn)中(應(yīng)變速率可達(dá)8000％/S)，頸縮斷面的溫度可能升高200℃，從而引起金屬軟化，拉伸曲線也就急劇下降。2023/1/12231.對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）

（6）影響應(yīng)變硬化的因素:Ⅲ晶粒度

Ⅳ合金元素

3.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響二.范性形變對(duì)材料性能的影響

晶粒越細(xì)，屈服極限及硬度越高。此外，晶粒度對(duì)拉伸曲線也有影響。例如，F(xiàn)CC晶體在變形量不太大時(shí)，晶粒越細(xì)，硬化越快，曲線也越陡。但在大變形量時(shí)，晶粒度影響就不大了，因?yàn)榇藭r(shí)即使是大晶粒的試樣也發(fā)生顯著的多滑移，硬化也很嚴(yán)重。對(duì)CPH晶體來(lái)說(shuō)，由于硬化的主要原因是晶界阻礙滑移，故晶粒越細(xì)，硬化越快。硬化曲線隨著晶粒度減小而急劇上升(變陡)。對(duì)BCC晶體來(lái)說(shuō)，硬化曲線的形狀主要取決于間隙式雜質(zhì)元素。加入合金元素大都是為了強(qiáng)化金屬，即提高屈服極限和硬化速率，或延長(zhǎng)硬化階段。同時(shí)，也容易使金屬變脆。合金元素的效果取決于它的數(shù)量、形態(tài)和分布。一般來(lái)說(shuō)，彌散分布的細(xì)小沉淀相(相距大約10nm)的強(qiáng)化效果最大，固溶強(qiáng)化次之，形成粗大的沉淀相時(shí)，強(qiáng)化效果最差。至于間隙式元素，它主要影響B(tài)CC晶體的硬化行為。2023/1/12241.對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）

強(qiáng)化金屬的重要途徑；

利

提高材料使用安全性；

材料加工成型的保證。

弊

變形阻力提高，動(dòng)力消耗增大；

脆斷危險(xiǎn)性提高。

3.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響二.范性形變對(duì)材料性能的影響(7).加工硬化對(duì)材料使用的影響

變形阻力提高，動(dòng)力消耗增大；脆斷危險(xiǎn)性提高。2023/1/12253.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響二.范性形變對(duì)材料性能的影響(4).加工硬化在工程中的應(yīng)用加工硬化是金屬材料五大強(qiáng)化手段之一；在生產(chǎn)中可通過(guò)冷軋、冷拔提高鋼板或鋼絲的強(qiáng)度。特別是對(duì)于純金屬和不能熱處理強(qiáng)化的材料，冷變形加工是強(qiáng)化它們的主要手段；案例1：鏈條板的軋制材料為Q345（16Mn)鋼的自行車鏈條經(jīng)過(guò)五次軋制，厚度由3.5mm壓縮到1.2mm，總變形量為65%，硬度從150HBS提高到275HBS；抗拉強(qiáng)度從510MPa提高到980MPa；使承載能力提高了將近一倍。2023/1/12261.對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）

3.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響二.范性形變對(duì)材料性能的影響(4).加工硬化在工程中的應(yīng)用案例2：彈簧鋼絲的強(qiáng)化65Mn彈簧鋼絲經(jīng)冷拉后，抗拉強(qiáng)度可達(dá)2000~3000MPa，比一般鋼材的強(qiáng)度提高4~6倍。2023/1/12271.對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）

3.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響二.范性形變對(duì)材料性能的影響(4).加工硬化在工程中的應(yīng)用案例3：高錳鋼的加工硬化高錳鋼（ZGMn13)屬于奧氏體鋼，熱處理不能強(qiáng)化，它的主要強(qiáng)化手段就是加工硬化。當(dāng)高錳鋼受到激烈摩擦或劇烈沖擊時(shí)，其表面部分就會(huì)產(chǎn)生微量塑性變形，隨之產(chǎn)生強(qiáng)烈的加工硬化，使其硬度和強(qiáng)度快速提高，從而能夠作為耐磨鋼使用。2023/1/12281.對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）

3.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響二.范性形變對(duì)材料性能的影響(4).加工硬化在工程中的應(yīng)用案例3：高錳鋼的加工硬化高錳鋼（ZGMn13)屬于奧氏體鋼，熱處理不能強(qiáng)化，它的主要強(qiáng)化手段就是加工硬化。當(dāng)高錳鋼受到激烈摩擦或劇烈沖擊時(shí)，其表面部分就會(huì)產(chǎn)生微量塑性變形，隨之產(chǎn)生強(qiáng)烈的加工硬化，使其硬度和強(qiáng)度快速提高，從而能夠作為耐磨鋼使用。2023/1/12291.對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）

3.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響二.范性形變對(duì)材料性能的影響(4).加工硬化在工程中的應(yīng)用案例4：加工硬化金屬的冷成型加工的保證金屬的冷成型正是利用了材料的加工硬化特性，使塑性變形均勻地分布于整個(gè)工件上，而不致于集中在某些局部而導(dǎo)致最終斷裂。2023/1/12301.對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）

3.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響二.范性形變對(duì)材料性能的影響(4).加工硬化在工程中的應(yīng)用案例5：加工硬化可以提高構(gòu)件的安全性構(gòu)件在使用過(guò)程中，往往不可避免地會(huì)某些部位出現(xiàn)應(yīng)力集中和過(guò)載現(xiàn)象，在這種情況下，由于金屬能加工硬化，使局部過(guò)載部位在產(chǎn)生少量塑性變形之后，提高了屈服強(qiáng)度并與所承受的應(yīng)力達(dá)到平衡，變形就不會(huì)繼續(xù)發(fā)展，從而在一定程度上提高了構(gòu)件的安全性。2023/1/12311.對(duì)力學(xué)性能的影響（加工硬化）

3.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響二.范性形變對(duì)材料性能的影響(4).加工硬化在工程中的應(yīng)用案例6：加工硬化的不利影響加工硬化使金屬在塑性變形過(guò)程中變形抗力逐漸增加，以致喪失繼續(xù)變形的能力。為了消除加工硬化，使金屬重新恢復(fù)變形的能力，必須對(duì)其進(jìn)行中間退火，這樣就增加了生產(chǎn)成本，而且延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期。2023/1/12323.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響二.范性形變對(duì)材料性能的影響3.形成殘余應(yīng)力（約占變形功的10％）

第一類殘余應(yīng)力（Ⅰ）：宏觀內(nèi)應(yīng)力，由整個(gè)物體變形不均勻引起。

1.分類

第二類殘余應(yīng)力（Ⅱ）：微觀內(nèi)應(yīng)力，由晶粒變形不均勻引起。

第三類殘余應(yīng)力（Ⅲ）：點(diǎn)陣畸變，由位錯(cuò)、空位等引起。80-90%。

利：預(yù)應(yīng)力處理，如汽車板簧的生產(chǎn)。

2.利弊

弊：引起變形、開(kāi)裂，如黃銅彈殼的腐蝕開(kāi)裂。

3.消除：去應(yīng)力退火。

2023/1/12333.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響二.范性形變對(duì)材料性能的影響由于金屬在發(fā)生塑性變形時(shí),金屬內(nèi)部變形不均勻,位錯(cuò)、空位等晶體缺陷增多，金屬內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力。即外力去除后，金屬內(nèi)部會(huì)殘留下來(lái)應(yīng)力。殘余內(nèi)應(yīng)力會(huì)使金屬的耐腐蝕性能降低，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致零件變形或開(kāi)裂。齒輪等零件，如表面通過(guò)噴丸處理，可產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力，則可提高疲勞強(qiáng)度。2023/1/1234

(1)殘余內(nèi)應(yīng)力的消除金屬塑性變形后的殘余內(nèi)應(yīng)力，可以通過(guò)去應(yīng)力退火來(lái)消除；如經(jīng)拉延成型的黃銅彈殼在280℃左右進(jìn)行去應(yīng)力退火，以避免變形和應(yīng)力腐蝕。3.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響2023/1/12353.5范性形變對(duì)材料組織和性能的影響(2)殘余內(nèi)應(yīng)力的利用生產(chǎn)中有意控制殘余內(nèi)應(yīng)力的分布，使其與工作應(yīng)力方向相反，可以提高工件的力學(xué)性能。右圖是鋼板彈簧的例子。2023/1/12363.6材料的斷裂一.概述1.晶體的范性形變超過(guò)一定值就會(huì)斷裂，斷裂的方式和特點(diǎn)不僅和晶體(材料)有關(guān)，而且和外部因素如溫度、加載方式等有關(guān)。2.斷裂的分類：①按照宏觀變形分類：韌性斷裂和脆性斷裂；②按照微觀裂縫擴(kuò)展速率分類：脆性斷裂和韌性斷裂；③按照引起斷裂的應(yīng)力分類：剪斷、拉斷；④按照斷口位置分類：穿晶斷裂、沿晶斷裂；此外，還有人根據(jù)結(jié)構(gòu)或部件的使用條件將斷裂分為低溫脆性斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂和韌性斷裂。2023/1/12373.6材料的斷裂一.脆性斷裂的微觀理論—Griffith裂縫理論

1.固體的理論斷裂強(qiáng)度假定有一塊玻璃，在拉力f的作用下沿垂直面m－n斷開(kāi)，如圖(a)所示。圖中的白圈代表原子，連接原子的短線代表結(jié)合鍵。根據(jù)物理學(xué)中討論的一對(duì)原子問(wèn)的作用力隨原子間距離的變化規(guī)律可知，使沒(méi)m－n面兩邊的相鄰原子面沿法線方向發(fā)生位移x所需的正應(yīng)力σ應(yīng)如圖7-29(b)所示。從曲線看出，當(dāng)位移達(dá)到某一臨界值xm時(shí)正應(yīng)力達(dá)到極大值σ0，顯然σ0就是固體沿m-n面斷開(kāi)的斷裂應(yīng)力或理論斷裂強(qiáng)度。2023/1/12383.6材料的斷裂一.脆性斷裂的微觀理論—Griffith裂縫理論

1.固體的理論斷裂強(qiáng)度固體斷裂前的最大彈性能(亦即σ=σ0時(shí)固體的彈性能)W必須等于斷裂后兩個(gè)新鮮表面(斷口)的表面能γA之和：(1)在(0σ0)區(qū)間的σ-x曲線近似看成是正弦曲線：(2)2023/1/12393.6材料的斷裂一.脆性斷裂的微觀理論—Griffith裂縫理論

1.固體的理論斷裂強(qiáng)度于是斷裂前瞬間固體的彈性能為：(3)當(dāng)x很小時(shí)，由虎克定律有：(4)另一方面，由(2)式有：(5)聯(lián)立(4)式和(5)式有：(6)2023/1/12403.6材料的斷裂一.脆性斷裂的微觀理論—Griffith裂縫理論

1.固體的理論斷裂強(qiáng)度由(6)式得：(7)將(7)式帶入（3）式，得到：(8)這就是固體理論斷裂強(qiáng)度的計(jì)算公式。按此式算出的理論斷裂強(qiáng)度σ0比固體的實(shí)際斷強(qiáng)度高1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。例如，對(duì)許多固體，

nm，E=1010Pa，γ＝l·N/m，代入上式得到，σ0約為7000MPa。但實(shí)際材料如普通玻璃的斷裂強(qiáng)度卻不到700MPa。2023/1/12413.6材料的斷裂一.脆性斷裂的微觀理論—Griffith裂縫理論

2.固體的實(shí)際斷裂強(qiáng)度在外應(yīng)力的作用下，在長(zhǎng)為2c、曲率半徑為ρ的橢圓形裂縫端部，有效拉應(yīng)力將達(dá)到：(7)為了計(jì)算方便起見(jiàn)，一般認(rèn)為ρ＝a(a是位于斷裂面兩邊相鄰原子的間距；同時(shí)，令斷裂條件應(yīng)為：σ=σ0；將式3-17和3-18代入上式就得到：(8)(7)這個(gè)就是Griffith裂縫擴(kuò)展所需的應(yīng)力，也就是晶體的實(shí)際斷裂強(qiáng)度。2023/1/12423.6材料的斷裂一.脆性斷裂的微觀理論—Griffith裂縫理論

3.指導(dǎo)意義Griffith裂縫理論特別適用于完全脆性材料，特別是非晶態(tài)材料。例如，剛剛拉制的玻璃絲，其彎曲強(qiáng)度高達(dá)6000MPa，接近理論強(qiáng)度。這是因?yàn)閯倓偫瞥鰜?lái)的細(xì)玻璃中沒(méi)有微裂縫(或微裂縫極小)。但在空氣中擱置幾小時(shí)后，由于大氣腐蝕的結(jié)果，表面可能形成微裂縫(蝕坑)，因而強(qiáng)度就降到理論強(qiáng)度的1%左右。脆性斷裂和裂縫，特別是和表面裂縫(包括它的大小、形狀和分布)密切相關(guān)。斷裂過(guò)程就是在拉力作用下裂縫迅速擴(kuò)展(直至斷裂)的過(guò)程。脆性斷裂的兩個(gè)特點(diǎn)：一個(gè)特點(diǎn)是，脆性材料沒(méi)有確定的斷裂強(qiáng)度，因?yàn)槿Q于裂紋形狀和尺寸；第二個(gè)特點(diǎn)是，脆性材料中的裂縫一旦開(kāi)始擴(kuò)展，就會(huì)加速進(jìn)行，因而斷裂過(guò)程十分突然，這就是所謂災(zāi)難性的斷裂。2023/1/12433.6材料的斷裂二.影響金屬的韌性、脆性和斷裂的因素1.內(nèi)因2.外因金屬的成分、結(jié)構(gòu)和組織，包括各相的結(jié)構(gòu)、數(shù)量、大小、形狀和分布，晶粒度，織構(gòu)，晶體缺陷等。溫度、應(yīng)力狀態(tài)、加載速度、加載方式、介質(zhì)和環(huán)境等等。2023/1/12443.6材料的斷裂三.影響金屬的韌性、脆性和斷裂的因素

內(nèi)因外因金屬的成分、結(jié)構(gòu)和組織，包括各相的結(jié)構(gòu)、數(shù)量、大小、形狀和分布，晶粒度，織構(gòu)，晶體缺陷等。溫度、應(yīng)力狀態(tài)、加載速度、加載方式、介質(zhì)和環(huán)境等等。影響因素2023/1/12453.6材料的斷裂三.影響金屬的韌性、脆性和斷裂的因素1.溫度溫度對(duì)金屬的韌性或脆性有很大的影響。溫度越高，韌性越好；溫度越低則越脆。但影響的程度則和金屬結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。例如，面心立方金屬即使在低溫下也有一定的塑性，不會(huì)發(fā)生完全脆性斷裂，而低對(duì)稱度的金屬，特別是體心立方金屬則只有在較高的溫度下才發(fā)生韌性(或塑性)斷裂，在低溫下發(fā)生脆性斷裂，并且溫度越低，越接近于完全脆性斷裂。在中間某一溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)由韌性到脆性的轉(zhuǎn)變。這個(gè)溫度范圍就稱為“韌性(或塑性)一脆性轉(zhuǎn)變溫度范圍”，或簡(jiǎn)稱脆性轉(zhuǎn)變溫度范圍。當(dāng)材料由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔褧r(shí)，出現(xiàn)以下現(xiàn)象：(1)在缺口沖擊試驗(yàn)中吸收的能量急劇減少；(2)在拉伸試驗(yàn)中延伸率或斷面收縮率急劇減少；(3)斷口上不規(guī)則的光亮小面增加，粗糙的纖維組織減少。2023/1/12463.6材料的斷裂三.影響金屬的韌性、脆性和斷裂的因素1.溫度碳鋼的夏氏V形缺口沖擊試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2023/1/12473.6材料的斷裂三.影響金屬的韌性、脆性和斷裂的因素2.應(yīng)力狀態(tài)所謂一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)是指通過(guò)該點(diǎn)的各個(gè)平面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分量。人們把某點(diǎn)的最大拉應(yīng)力分量σmax與最大剪應(yīng)力分量τmax之比作為應(yīng)力狀態(tài)“軟”或“硬”的度量。σmax/τmax越大，應(yīng)力狀態(tài)越硬，σmax/τmax越小，應(yīng)力狀態(tài)越軟。由于裂縫是在拉應(yīng)力下擴(kuò)展，故應(yīng)力狀態(tài)越硬，越易發(fā)生脆性斷裂。反之，若應(yīng)力狀態(tài)軟，則裂縫尖端易發(fā)生塑性變形而使應(yīng)力松弛，因而易發(fā)生韌性斷裂。根據(jù)這個(gè)道理，金屬在彎曲時(shí)比拉伸時(shí)更容易發(fā)生脆性斷裂，而在扭轉(zhuǎn)時(shí)則容易發(fā)生韌性斷裂。應(yīng)該指出，在生產(chǎn)實(shí)際中最危險(xiǎn)的應(yīng)力狀態(tài)是三向拉應(yīng)力狀態(tài)，因?yàn)楦鶕?jù)應(yīng)力分析(或從應(yīng)力圓)可知，此時(shí)剪應(yīng)力分量非常小，在裂縫尖端不發(fā)生塑性變形，因而應(yīng)力得不到松弛，斷裂必然是脆性的。2023/1/12483.6材料的斷裂三.影響金屬的韌性、脆性和斷裂的因素3.加載速率(應(yīng)變速率)加載速率(或應(yīng)變速率)對(duì)金屬的塑性變形和斷裂行為也有一定的影響，但影響遠(yuǎn)不如和應(yīng)力狀態(tài)等因素那樣大，而且僅限于體心立方和密排六方金屬。面心立方金屬對(duì)加載速率不敏感。具體的影響是：應(yīng)變速率越高，塑性變形就越受到限制(滑移來(lái)不及進(jìn)行)，因而需要在更高的應(yīng)力下屈服。由于應(yīng)力集中不能通過(guò)塑性變形來(lái)松弛，因而容易發(fā)生脆性斷裂。2023/1/12493.6材料的斷裂三.影響金屬的韌性、脆性和斷裂的因素4.交變應(yīng)力

如果材料受到大小和方向都隨時(shí)間而周期性變化的交變應(yīng)力作用，那么即使最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服極限，材料也可能在一定的時(shí)間(或一定的應(yīng)力交變次數(shù))后發(fā)生斷數(shù)；這種斷裂就稱為疲勞斷裂或疲勞破壞，其特點(diǎn)是斷裂前沒(méi)有明顯的塑性變形，因而屬于脆性斷裂。2023/1/12503.6材料的斷裂三.影響金屬的韌性、脆性和斷裂的因素5.環(huán)境和介質(zhì)周圍環(huán)境和介質(zhì)對(duì)金屬構(gòu)件的韌性和斷裂行為有很大的影響。

①腐蝕脆化腐蝕對(duì)金屬可能有以下幾方面影響：(1)影響表面能(或界面