力學(xué)性能講義01課件

材料力學(xué)性能講義

大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院曹志強(qiáng)教授5/5/2024教材與參考書：?工程材料力學(xué)性能?束德林，2004年，機(jī)械工業(yè)出版社。?材料性能學(xué)?王從曾，2001年，北京工業(yè)大學(xué)出版社。?金屬力學(xué)性能〔第二版〕?束德林，1995年，機(jī)械工業(yè)出版社。?金屬力學(xué)性能?孫茂才，2003年，機(jī)械工業(yè)出版社。5/5/2024TITANIC5/5/2024Titanic近代船用鋼板Titanic號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果5/5/2024哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事5/5/2024金屬材料的力學(xué)性能包括：強(qiáng)度、剛度、硬度、塑性、韌性、耐磨性、缺口敏感性、斷裂韌性等。人們將力學(xué)參量的臨界值〔或規(guī)定值〕定義為該材料的力學(xué)性能指標(biāo)，如強(qiáng)度指標(biāo)：σb、σ0.2、σ-1，塑性指標(biāo)：δ、ψ，韌性指標(biāo)：AK、KIC等。力學(xué)性能指標(biāo)具體數(shù)值的上下，表示金屬材料抵抗變形和斷裂能力的大小，是評(píng)定材料質(zhì)量的主要依據(jù)。可將其理解為：金屬材料抵抗外加載荷引起變形和斷裂的能力。5/5/2024金屬材料的力學(xué)性能取決于：化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、冶金質(zhì)量、剩余應(yīng)力及外表和內(nèi)部缺陷等內(nèi)在因素，也取決于載荷性質(zhì)、載荷譜、應(yīng)力狀態(tài)、溫度、環(huán)境介質(zhì)等因素。金屬力學(xué)性能的本質(zhì)及宏觀變化規(guī)律與金屬在變形和斷裂過(guò)程中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、增殖和交互作用等微觀過(guò)程有關(guān)。5/5/2024低碳鋼靜載荷沖擊載荷低溫常溫?cái)嗔秧g性斷裂脆性斷裂？？？？脆性斷裂韌性斷裂5/5/2024課程體系：性能的根本概念物理本質(zhì)影響因素性能指標(biāo)的工程意義指標(biāo)的測(cè)試與評(píng)價(jià)及應(yīng)用。提高金屬力學(xué)性能的方向和途徑金屬材料在各種服役條件下的變形現(xiàn)象和斷裂現(xiàn)象。材料性能與其化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)之間關(guān)系。5/5/2024材料力學(xué)性能講義

第一章材料單向靜拉伸的力學(xué)性能第二章材料在其它靜載下的力學(xué)性能第三章材料的沖擊韌性和低溫脆性第四章材料的斷裂韌性第五章材料的疲勞性能第六章材料的磨損性能第七章材料的高溫力學(xué)性能

5/5/2024第一章材料單向靜拉伸力學(xué)性能第一節(jié)力——伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力、應(yīng)變曲線第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)第五節(jié)斷裂——固體材料在力的作用下分成假設(shè)干局部的現(xiàn)象5/5/2024單向靜載拉伸試驗(yàn)是應(yīng)用最廣泛的材料力學(xué)性能測(cè)試方法。試驗(yàn)溫度確定應(yīng)力狀態(tài)確定加載速率確定可測(cè)試屈服強(qiáng)度

s(

0.2)抗拉強(qiáng)度

b伸長(zhǎng)率

斷面收縮率

第一節(jié)力--伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力、應(yīng)變曲線5/5/2024拉伸試驗(yàn)機(jī)5/5/2024

1.光滑試樣單向靜拉伸試驗(yàn)方法的主要特點(diǎn)：試樣通常為光滑圓柱形狀。試驗(yàn)過(guò)程中，溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速率是一定的。強(qiáng)調(diào)試樣光滑是為了防止外表產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致三向應(yīng)力狀態(tài)；強(qiáng)調(diào)軸向拉伸是防止試樣偏斜或不對(duì)中情況，否那么將導(dǎo)致復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。圖1－1圓柱拉伸試樣5/5/20242.實(shí)驗(yàn)條件：光滑試件、室溫大氣介質(zhì)、單向單調(diào)拉伸載荷a.拉伸加載速率較低,俗稱靜拉伸試驗(yàn)。嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其結(jié)果方為有效，只有這樣由不同的實(shí)驗(yàn)室和工作人員測(cè)定的拉伸性能數(shù)據(jù)才可以互相比較。b.拉伸試驗(yàn)機(jī)帶有自動(dòng)記錄或繪圖裝置，記錄或繪制試件所受的載荷P和伸長(zhǎng)量ΔL之間的關(guān)系曲線;5/5/2024一、力——伸長(zhǎng)曲線〔拉伸力F，絕對(duì)伸長(zhǎng)量△L〕測(cè)試方法：標(biāo)準(zhǔn)試樣，萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)ⅠⅡⅢⅣⅠ區(qū)－彈性變形階段Ⅱ區(qū)－屈服變形階段Ⅲ區(qū)－均勻塑性變形階段Ⅳ區(qū)－集中塑性變形階段斷裂5/5/2024o-e段，彈性變形階段，試樣產(chǎn)生彈性變形。e-C段，不均勻屈服塑性變形段，試樣產(chǎn)生屈服變形。C-B段，均勻塑性變形段，試樣產(chǎn)生均勻塑性變形。B-K段，不均勻塑性變形段，試樣產(chǎn)生頸縮。K點(diǎn)以后試樣斷裂圖1－2均勻塑性變形

5/5/2024圖1－35/5/2024二、應(yīng)力應(yīng)變曲線1.工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線：將力—伸長(zhǎng)曲線的縱橫坐標(biāo)分別以拉伸試樣的截面積A0和原始標(biāo)距長(zhǎng)度L0去除，那么得到應(yīng)力—應(yīng)變曲線。稱為“工程應(yīng)力應(yīng)變曲線〞σ=F/A0ε=△L/L0σp比例極限σe彈性極限σs屈服強(qiáng)度σb抗拉強(qiáng)度圖1－45/5/20242.真實(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線：真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線：用拉伸過(guò)程中每一瞬間的真實(shí)應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變繪制的曲線真應(yīng)力S=F/A真應(yīng)變de=dL/L在彈-塑性變形階段，只有真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線才能準(zhǔn)確描述材料的力學(xué)形為。圖1－55/5/2024e=ln(1+ε)真應(yīng)變小于工程應(yīng)變

S＝σ〔1＋ε〕真應(yīng)力大于工程應(yīng)力5/5/2024彈性變形：金屬材料在外力的作用下，產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去除以后變形也隨之消失的現(xiàn)象。彈性變形的特點(diǎn)：彈性變形是一種可逆現(xiàn)象，不管在加載期還是在卸載期，其應(yīng)力和應(yīng)變之間都保持單值線性關(guān)系。彈性變形量都很小，一般在0.5％～1％之間。金屬材料的原子彈性位移量只相當(dāng)于原子間距的幾分之一。故彈性變形量小于1％。第二節(jié)彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形5/5/2024原子引力斥力在平衡位置振動(dòng)由金屬正離子和自由電子間的庫(kù)侖力產(chǎn)生由離子之間及電子之間的排斥作用所致引力和斥力均為原子間距的函數(shù)當(dāng)原子間的相互平衡力因外力作用而受到破壞時(shí)，原子位置必須作相應(yīng)的調(diào)整，從而產(chǎn)生位移，以期到達(dá)新的平衡。原子位移的總和在宏觀上就表現(xiàn)為變形。外力去除后，原子依靠彼此間的作用力又回到原來(lái)的平衡位置，此時(shí)位移消失，宏觀上變形也就消失，從而表現(xiàn)彈性變形的可逆性。5/5/2024圖1－6雙原子模型原子間作用力：引力斥力原子間作用力非直線關(guān)系引力斥力合力原子間距r引力斥力FNF=0MFmaxRR為材料可承受的最大彈性變形量，理論值可達(dá)23％！但實(shí)際上材料的彈性變形量<1％，是由于實(shí)際材料中不可防止地存在各種缺陷所致。一、彈性變形的本質(zhì)5/5/2024Fm是拉伸時(shí)兩原子間的最大結(jié)合力。對(duì)應(yīng)的原子間距為rm;當(dāng)拉伸過(guò)程中r>rm時(shí)，就可以克服原子之間的引力而別離，因此，F(xiàn)m也就是材料在彈性狀態(tài)下的斷裂抗力。圖1－6雙原子模型引力斥力合力原子間距r引力斥力FNF=0MFmaxR5/5/2024由圖可以看出，彈性變形過(guò)程中并非完全的線性關(guān)系，而是拋物線關(guān)系，但在外力較小時(shí)，原子偏離平衡位置不遠(yuǎn)時(shí)，近似為線性關(guān)系，因此虎克定律只有在外力較小時(shí)近似成立。彈性變形的本質(zhì)是構(gòu)成材料的原子〔離子〕或分子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映。5/5/2024二、彈性模數(shù)〔彈性模量〕剛度1材料產(chǎn)生單位彈性應(yīng)變時(shí)，所需要的彈性應(yīng)力。即材料產(chǎn)生100％彈性變形時(shí)所需要的應(yīng)力。σ＝Eετ＝Gγ，E=2(1+)GE拉伸時(shí)楊氏模數(shù)105，G切變模數(shù)MPa，比彈性模數(shù)〔比剛度〕E/ρ單位m，將縱向應(yīng)變el與橫(徑)向應(yīng)變er之負(fù)比值表示為泊松比υ。5/5/2024材料彈性模量105/MPa(或者M(jìn)Jm-3)材料彈性模量105/MPa氧化鋁3.8石英玻璃0.7395%氧化鋁陶瓷3.0氧化鎂2.1尖晶石MgAlO42.4銅1.25鋁0.72氧化鋯1.9鑄鐵1.7-1.9鐵2.17低合金鋼2.0-2.1奧氏體不銹鋼1.9-2.0碳素鋼2.0-2.25/5/2024三、影響彈性模數(shù)的因素

1、鍵合方式和原子結(jié)構(gòu)室溫下金屬的彈性模量是原子序數(shù)的周期函數(shù)。

同一周期的元素隨原子序數(shù)的增大E值增大，這與元素價(jià)電子數(shù)增多及原子半徑減小有關(guān)。

同一族的元素隨原子序數(shù)的增大E值減小，這與原子半徑增大有關(guān)。圖1－85/5/20242、晶體結(jié)構(gòu)α-Fe,<111>E=2.7×105MPa，<100>E＝1.25×105MPa沿原子排列最密的晶向上彈性模量較大，多晶體各向同性。5/5/20245/5/2024冷塑性變形對(duì)E值稍有降低，一般在4％～6％，這與出現(xiàn)剩余應(yīng)力有關(guān)。當(dāng)塑性變形量很大時(shí)，因產(chǎn)生形變織構(gòu)而使E值出現(xiàn)各向異性，此時(shí)沿變形方向E值最大。

5、溫度溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，彈性模量降低碳鋼加熱時(shí)每升高100℃，E值下降3％～5％。但在-50℃～+50℃的范圍內(nèi)，鋼的E值變化不大，可以不考慮溫度的影響。5/5/20246、加載條件和負(fù)荷持續(xù)時(shí)間彈性變形的速率和聲速一樣快，遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)際加載速率，故加載速率對(duì)E值也無(wú)大的影響。結(jié)論：彈性模量是組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)5/5/2024例題：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料彈性模量纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維與基體構(gòu)成整體，共同承擔(dān)載荷，基體傳遞外力，提供塑性和韌性，而纖維承擔(dān)大局部外力，是復(fù)合材料中的主要承載單元?！?〕縱向彈性模量E1＝EfVf＋EmVm〔2〕橫向彈性模量E2＝Vf/Ef＋Vm/Em圖1－95/5/20241).縱向彈性模量假設(shè)纖維連續(xù)平行于拉伸力方向，那么有Ac、Af、Am分別為復(fù)合材料、纖維、基體截面積；Vf、Vm分別為纖維、基體的體積分?jǐn)?shù)；σf、σm分別為纖維、基體所受應(yīng)力?！?〕〔2〕5/5/2024根據(jù)虎克定律和等應(yīng)變假設(shè)：εc、εf、εm分別為復(fù)合材料、纖維、基體的應(yīng)變代入式〔3〕可得〔3〕根據(jù)式〔1〕〔2〕可得，復(fù)合材料所受平均拉應(yīng)力為：5/5/20242).橫向彈性模量當(dāng)拉伸應(yīng)力垂至于纖維方向，根據(jù)虎克定律：分別求出L后帶入〔1〕式得：因?yàn)椤?〕〔2〕5/5/2024由于由此可見，單相連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量與外加載荷的取向有關(guān)。所以上式為5/5/2024四、比例極限與彈性極限比例極限：σp是保證材料的彈性變形按正比關(guān)系變化的最大應(yīng)力－－應(yīng)力與應(yīng)變?cè)谡汝P(guān)系范圍內(nèi)的最大應(yīng)力。

彈性極限：σe是材料由彈性變形過(guò)渡到彈塑性變形時(shí)的應(yīng)力。σp0.01表示規(guī)定非比例伸長(zhǎng)率0.01％時(shí)的應(yīng)力。比例極限彈性極限5/5/2024p和e的實(shí)際意義是：對(duì)于要求在服役時(shí)其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系維持嚴(yán)格直線關(guān)系的機(jī)件，如測(cè)力彈簧是依靠彈性變形的應(yīng)力正比于應(yīng)變的關(guān)系顯示載荷大小的，那么選擇制造這類機(jī)件的材料應(yīng)以比例極限為依據(jù)；假設(shè)服役條件不允許產(chǎn)生微量塑性變形的機(jī)件，那么設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按彈性極限來(lái)選材。5/5/2024五、彈性比功又稱彈性比能或應(yīng)變比能ae是材料在彈性變形過(guò)程中吸收變形功的能力。彈性比功的含義就是彈性變形過(guò)程中所吸收的引起彈性變形的能量。數(shù)值上等于在應(yīng)力應(yīng)變曲線中被彈性變形階段的曲線所覆蓋的面積。彈簧鋼2.217MPa(MJm-3)(J=Nm)、磷青銅1.0，鈹青銅1.44、橡膠2、鋁0.1、銅0.003eσeεσεe圖1-10.彈性比功5/5/2024彈簧：減振、儲(chǔ)能高的彈性比功選用含碳量高的鋼參加Si、Mn等合金元素采用適宜的熱處理工藝提高彈性極限機(jī)械零件的體積越大，可吸收的彈性比功也越大?？梢姡饘俚腶e取決于

e和E，而E是組織不敏感因素，所以對(duì)一般金屬材料，只有用提高彈性極限的方法來(lái)提高彈性比功。5/5/2024第三節(jié)非理想彈性與內(nèi)耗一、理想彈性材料：①應(yīng)變與應(yīng)力的響應(yīng)是線性的②應(yīng)力和應(yīng)變是同相位③應(yīng)變是應(yīng)力的單值函數(shù)當(dāng)塑性材料所受的應(yīng)力低于彈性極限，其力學(xué)行為可近似地用虎克定律加以表述。進(jìn)入彈塑性變形階段，其力學(xué)行為需要用彈-塑性變形階段的數(shù)學(xué)表達(dá)式，或稱本構(gòu)方程加以表述。5/5/2024二、彈性后效對(duì)于完整的彈性體，彈性變形與加載速率無(wú)關(guān)，但對(duì)實(shí)際的金屬材料而言，彈性變形不僅是應(yīng)力的函數(shù)，而且是時(shí)間的函數(shù)。ABHaeO圖1-11.彈性后效示意圖應(yīng)變應(yīng)力時(shí)間bcdAB－正彈性后效eO－反彈性后效定義：彈性應(yīng)變落后于外加應(yīng)力，并和時(shí)間有關(guān)的的現(xiàn)象叫彈性后效〔滯彈性〕。

5/5/2024影響因素材料成分；組織；實(shí)驗(yàn)條件；溫度升高，彈性后效速率和變形量都顯著增加。如Zn，拉伸時(shí)溫度升高15℃，彈性后效速率增加50％；扭轉(zhuǎn)時(shí)溫度升高10℃，變形量增加1倍。溫度下降，變形量顯著下降，－185℃以下就無(wú)法確定彈性后效是否存在。5/5/2024產(chǎn)生彈性后效的原因可能與金屬中點(diǎn)缺陷的移動(dòng)有關(guān)。例如，-Fe中碳處于八面體空隙及等效位置上，施加z方向的拉應(yīng)力后，x,y軸上的碳原子就會(huì)向z軸擴(kuò)散移動(dòng)，會(huì)使z方向繼續(xù)伸長(zhǎng)變形(圖1-12〕，于是就產(chǎn)生了附加的彈性變形。因擴(kuò)散移動(dòng)需要時(shí)間，故附加應(yīng)變?yōu)闇椥詰?yīng)變，卸載后z軸多余的碳原子又會(huì)回到原來(lái)x,y軸上，使滯彈性應(yīng)變消失。5/5/20245/5/2024初始拉伸二次拉伸初始?jí)嚎s二次壓縮圖1-15.包申格效應(yīng)規(guī)定剩余伸長(zhǎng)應(yīng)力：試樣卸除拉伸力后，其標(biāo)距局部的剩余伸長(zhǎng)到達(dá)規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力。5/5/2024包申格效應(yīng)與金屬材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受的阻力變化有關(guān)。如圖1-16所示。在金屬預(yù)先受載產(chǎn)生少量塑性變形時(shí)，位錯(cuò)沿某一滑移面運(yùn)動(dòng)，圖1－16.林位錯(cuò)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響遇林位錯(cuò)而彎曲，結(jié)果，在位錯(cuò)前方，林位錯(cuò)密度增加，形成位錯(cuò)纏結(jié)和胞狀組織〔圖中1位置〕。這種位錯(cuò)結(jié)構(gòu)在力學(xué)上是相當(dāng)穩(wěn)定的，宏觀上表現(xiàn)為規(guī)定剩余伸長(zhǎng)應(yīng)力增加。5/5/2024卸載后施加反向力，位錯(cuò)被迫作反向運(yùn)動(dòng)，在反向路徑上，像林位錯(cuò)這類障礙數(shù)量較少，而且也不一定恰好位于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的前方，故位錯(cuò)可以在較低應(yīng)力下移動(dòng)較大距離，即第二次反向加載，規(guī)定剩余伸長(zhǎng)應(yīng)力降低。包申格效應(yīng)對(duì)于研究金屬疲勞問(wèn)題是很重要的。因?yàn)椴牧显谄谶^(guò)程中，每一周期內(nèi)都產(chǎn)生微量塑性變形，在反向加載時(shí)，微量塑性變形抗力〔規(guī)定剩余伸長(zhǎng)應(yīng)力〕降低，顯示循環(huán)軟化現(xiàn)象。另外，對(duì)于預(yù)先經(jīng)受冷變形的材料，如服役時(shí)受到反向力的作用，就要考慮微量塑性變形抗力降低的有害影響，如冷拉型材及管子在受壓狀態(tài)下使用就是這種情況。5/5/2024圖中的b-c段為包申格應(yīng)變。圖1－175/5/2024四、內(nèi)耗〔彈性滯后環(huán)〕在變形過(guò)程中被吸收的功，可用彈性滯后環(huán)面積度量。該環(huán)表示金屬在加載和卸載的過(guò)程中，一局部能量被金屬所吸收，這局部被吸收的能量稱為“金屬的內(nèi)耗〞。如果所加載荷為交變載荷那么得到的滯后環(huán)為交變滯后環(huán)。材料產(chǎn)生內(nèi)耗的原因與材料微觀組織結(jié)構(gòu)和物理性能的變化有關(guān)?！参诲e(cuò)、間隙原子、晶界、磁性的變化等〕圖1－19圖1－185/5/2024循環(huán)韌性〔塑性應(yīng)變環(huán)〕的意義：材料的循環(huán)韌性越高，那么機(jī)件依靠材料自身的消振能力越好。因此，高的循環(huán)韌性對(duì)于降低機(jī)械噪聲，抑制高速機(jī)械振動(dòng)，防止共振導(dǎo)致疲勞斷裂是非常重要的。飛機(jī)螺旋槳、氣輪機(jī)葉片需要高δ；而追求音響效果的元件如音叉、簧片等要低δ；灰鑄鐵的δ大，常用來(lái)作機(jī)床的床身、發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體和支架等。圖1－20自由振動(dòng)衰減曲線5/5/2024材料不同應(yīng)力下的比循環(huán)韌性31.50MPa46.23MPa77.28MPa碳鋼（0.1%C）2.282.784.16鎳鉻淬火回火鋼0.380.490.701Cr13不銹鋼8.088.018-8不銹鋼0.761.163.8灰鑄鐵2840.0黃銅0.500.865/5/2024第四節(jié)塑性變形及其性能指標(biāo)2一、塑性變形方式與特點(diǎn)材料的塑性變形是微觀結(jié)構(gòu)的相鄰局部產(chǎn)生永久性位移，并不引起材料斷裂的現(xiàn)象。

塑性變形是金屬材料區(qū)別于其它工業(yè)材料的重要特征，也是金屬材料在人類文明史上能夠發(fā)揮無(wú)與倫比的作用的原因。對(duì)塑性變形的機(jī)制和規(guī)律的研究，有助于我們更好地理解材料強(qiáng)度和塑性，為使用和研制新材料打下良好的根底。變形80％圖1－21工業(yè)純鐵在塑性變形前后的組織變化5/5/20241.塑性變形的方式圖1-22晶體塑性變形的根本方式孿生是指晶體的一局部沿一定晶面和晶向相對(duì)于另一局部發(fā)生的切變。發(fā)生切變的局部稱為孿生或攣晶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱為孿生面，孿生的結(jié)果使孿生面兩側(cè)的晶體呈鏡面對(duì)稱?；葡祷葡翟蕉?，金屬的塑性越好，但滑移系的數(shù)目不是決定金屬塑性的唯一因素。

滑移是材料在切應(yīng)力的作用下，沿滑移面和滑移方向進(jìn)行的切變過(guò)程。滑移面－原子最密排的晶面滑移方向－原子最密排方向金屬材料常見的塑性變形方式為滑移和孿生。5/5/2024滑移變形的特點(diǎn)：滑移只能在切應(yīng)力作用下發(fā)生，產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱為臨界切應(yīng)力；滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生，這是因?yàn)樵用芏茸畲蟮木婧途蛑g的間距最大，原子結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所需切應(yīng)力最小。5/5/2024滑移時(shí)，晶體兩局部的相對(duì)位移量是原子間距的整數(shù)倍，滑移的結(jié)果是在晶體外表形成臺(tái)階－滑移線，假設(shè)干滑移線組成一個(gè)滑移帶，如圖1－23所示。圖1－24為多晶銅經(jīng)塑性變形后在預(yù)先拋光的外表上觀察到的滑移帶。圖1－24變形多晶銅拋光外表上的滑移帶圖1－23鋁單晶體滑移線和滑移帶示意圖5/5/2024滑移的同時(shí)伴隨著晶體轉(zhuǎn)動(dòng)：一種是滑移面向外力軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)，另一種是在滑移面的滑移方向向最大切應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖1－25所示。轉(zhuǎn)動(dòng)的原因是正應(yīng)力分量n和n’及切應(yīng)力分量b和b’形成力偶。計(jì)算說(shuō)明，當(dāng)滑移面和滑移方向都與外力軸方向成45°角時(shí)，滑移方向上的切應(yīng)力分量最大，圖1－25滑移時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)因而最容易發(fā)生滑移。當(dāng)滑移面和滑移方向與外力軸方向平行或垂直時(shí)，切應(yīng)力分量

b＝0，晶體不發(fā)生滑移。5/5/2024圖1－26所示的是一刃型位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下在滑移面上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，即通過(guò)一根位錯(cuò)線從滑移面的一側(cè)到另一側(cè)的運(yùn)動(dòng)形成一個(gè)原子間距滑移量的過(guò)程。計(jì)算說(shuō)明，把滑移設(shè)想為剛性整體滑動(dòng)所需的理論臨界切應(yīng)力比實(shí)際測(cè)量值大3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，而按照位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算所得的臨界切應(yīng)力值那么與實(shí)測(cè)值相符。τ

圖1－26晶體中通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成滑移的示意圖—5/5/2024

位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中滑移面上原子位移的情況如圖1-27所示。可以看出，當(dāng)晶體通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生滑移時(shí)，只在位錯(cuò)中心的少數(shù)原子發(fā)生移動(dòng)，而且它們的移動(dòng)距離遠(yuǎn)小于一個(gè)原子間距，因而所需的臨界切應(yīng)力小，這種現(xiàn)象稱為位錯(cuò)的易動(dòng)性。

圖1－27位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)的原子位移5/5/2024

孿生的特點(diǎn)：孿生也是塑性變形的一種方式。fcc、bcc、hcp金屬材料都能以孿生方式產(chǎn)生塑性變形，只不過(guò)fcc金屬只在很低的溫度下才能產(chǎn)生孿生變形，而hcp金屬由于滑移系少，并且在c軸方向上沒(méi)有滑移矢量，因而更容易產(chǎn)生孿生變形。孿生提供的變形量很小，相當(dāng)于滑移的十幾到幾十分之一。與滑移不同，孿生使晶格位向發(fā)生改變，所需切應(yīng)力比滑移大得多，變形速度極快，接近于聲速。孿生時(shí)相鄰原子面的相對(duì)位移量小于一個(gè)原子間距。圖1-28純鈦中的變形攣晶5/5/20242.單晶體金屬的塑性變形單晶體受力后，外力P在任何晶面上都可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力，正應(yīng)力只能引起彈性變形及解理斷裂，只有在切應(yīng)力的作用下，金屬才能產(chǎn)生塑性變形。塑性變形的方式有兩種：滑移和孿生。多數(shù)情況下，金屬的塑性變形是以滑移方式進(jìn)行的。圖1－29單晶體的拉伸變形5/5/20243.多晶體塑性變形的特點(diǎn)：

〔1〕各晶粒變形的不同時(shí)性和不均勻性〔晶粒位向不同〕

〔2〕各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性〔晶界的存在〕－－多晶體材料產(chǎn)生屈服的條件。多晶體金屬作為一個(gè)連續(xù)的整體，不允許各個(gè)晶粒在任一滑移系中自由變形，否那么就會(huì)造成晶界開裂這就要求各晶粒之間能協(xié)調(diào)變形

〔3〕產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象和剩余內(nèi)應(yīng)力

〔4〕密度降低、電阻和矯頑力增加，化學(xué)活性增大，抗腐蝕性能降低5/5/2024在塑性變形過(guò)程中，由于晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)變形到達(dá)一定程度(70％以上)時(shí)，絕大局部晶粒的位向與外力方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱為形變織構(gòu)或擇優(yōu)取向，如圖1－30所示。形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性，在深沖零件時(shí)易產(chǎn)生“制耳〞現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不均。對(duì)性能的影響：隨變形量增加，金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降，稱為加工硬化。圖1－30形變織構(gòu)示意圖5/5/2024二、屈服現(xiàn)象與屈服強(qiáng)度

低碳鋼黃銅屈服伸長(zhǎng)ACσ0.20.2％εσO圖1－31屈服現(xiàn)象示意圖圖1－31為低碳鋼和黃銅拉伸時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線。A－上屈服點(diǎn)C－下屈服點(diǎn)AC－屈服平臺(tái)對(duì)于沒(méi)有明顯屈服點(diǎn)的材料，用人為規(guī)定的方法確定屈服點(diǎn)：0.01％；0.05％；0.2％；5/5/2024圖1－32呂德斯帶示意圖屈服變形始于試樣微觀不均勻處或應(yīng)力集中部位。屈服階段的伸長(zhǎng)變形是不均勻的，在局部開始形成與拉伸軸約成45°角的平行線，被稱為呂德斯(Lüders)帶，隨后沿試樣長(zhǎng)度方向逐漸擴(kuò)展，當(dāng)屈服線布滿整個(gè)試樣時(shí)，屈服伸長(zhǎng)結(jié)束，試樣開始進(jìn)入均勻塑性變形階段5/5/20241、屈服現(xiàn)象：材料在拉伸過(guò)程中，當(dāng)應(yīng)力增加到一定數(shù)值，突然下降并在一定數(shù)值下保持恒定〔或波動(dòng)〕，而變形持續(xù)增加，由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄宰冃螤顟B(tài)，這種現(xiàn)象稱為“屈服現(xiàn)象〞屈服現(xiàn)象與下面三個(gè)因素有關(guān)：①材料在變形前可動(dòng)位錯(cuò)密度小，或雖有大量位錯(cuò)但被釘扎，如鋼中的位錯(cuò)被雜質(zhì)原子或第二相粒子所釘扎；②隨塑性變形的發(fā)生，位錯(cuò)能快速增殖；③位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率與外加應(yīng)力有強(qiáng)烈的依存關(guān)系。5/5/2024材料變形速率?－塑性變形應(yīng)變速率b－柏氏矢量的模

－可動(dòng)位錯(cuò)密度V－位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)平均速率?=bρV··

－沿滑移面上的切應(yīng)力

0－位錯(cuò)以單位速率運(yùn)動(dòng)所需的切應(yīng)力m-應(yīng)力敏感指數(shù)m值越低，那么為使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率變化所需的應(yīng)力變化就越大，屈服現(xiàn)象越明顯。bcc金屬的m值一般小于20，所以具有較明顯的屈服現(xiàn)象；而fcc金屬的m值大于100～200，屈服現(xiàn)象就不太明顯。5/5/20242、屈服強(qiáng)度：材料抵抗起始塑性變形或產(chǎn)生微量塑性變形的能力

〔1〕規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力σp：拉伸過(guò)程中，材料標(biāo)距局部的非比例伸長(zhǎng)到達(dá)規(guī)定的原始標(biāo)距的百分比時(shí)的應(yīng)力。σp0.01〔加載〕(2)規(guī)定剩余伸長(zhǎng)應(yīng)力σr：試樣卸除拉伸力后，其標(biāo)距局部的剩余伸長(zhǎng)到達(dá)規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力。σr0.2〔卸載〕〔3〕規(guī)定總伸長(zhǎng)應(yīng)力σt：試樣標(biāo)距局部的總伸長(zhǎng)到達(dá)規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力。σt0.2〔加載〕5/5/2024規(guī)定剩余伸長(zhǎng)應(yīng)力不含彈性變形，規(guī)定總伸長(zhǎng)應(yīng)力含彈性變形和塑性變形，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化。σs工程意義：

①作為防止因材料過(guò)量塑性變形而導(dǎo)致機(jī)件失效的設(shè)計(jì)和選材依據(jù)

②σs/σb可以作為金屬冷塑性變形加工的參考依據(jù)和緩解應(yīng)力集中防止脆斷的參考依據(jù)。5/5/2024三、影響金屬材料屈服強(qiáng)度的因素〔1〕晶體結(jié)構(gòu)：①晶格阻力或派納力〔在理想晶體中。僅存在一個(gè)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)所需克服的阻力〕，滑移面間距最大，滑移方向原子間距最小，派納力最小

G為切變模量，v泊松比，a晶面間距，b柏氏矢量，ω為位錯(cuò)的寬度，滑移面內(nèi)原子位移大于50％b區(qū)域的寬度5/5/2024分析：滑移面的a最大

p-n小

位錯(cuò)容易運(yùn)動(dòng)。不同材料的a不同，故

p-n不同。位錯(cuò)寬度

大

位錯(cuò)周圍的原子偏離平衡位置不大

晶格畸變小

位錯(cuò)容易運(yùn)動(dòng)。5/5/2024②位錯(cuò)間的交互作用：平行位錯(cuò)間的交互作用運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與林位錯(cuò)間的交互作用

－比例系數(shù)；b－柏氏矢量的模；L－位錯(cuò)間距離；G－切變模量；

－位錯(cuò)密度；

與晶體本性、位錯(cuò)結(jié)構(gòu)及分布有關(guān)。如fcc金屬

≈0.2，bcc金屬

≈0.4。5/5/2024〔2〕晶界與亞結(jié)構(gòu)晶粒越細(xì)屈服強(qiáng)度越高，塑性也越好。晶粒小，晶界面積增加，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，故使材料的屈服強(qiáng)度增加。圖1－33晶粒小，減小晶粒內(nèi)部位錯(cuò)塞積長(zhǎng)度，使材料的韌性增加。5/5/2024Hall-Petch公式：i—位錯(cuò)在基體金屬中運(yùn)動(dòng)的總阻力，也稱摩擦阻力，取決于晶體結(jié)構(gòu)和位錯(cuò)密度；d—晶粒平均直徑；ky—釘扎常數(shù)，衡量晶界對(duì)強(qiáng)化奉獻(xiàn)的大小。在一定的溫度和應(yīng)變速率下，i和ky為常數(shù)。ky釘扎常數(shù)，fcc金屬較bcc金屬低，容易屈服。晶粒越小，屈服強(qiáng)度越高——細(xì)晶強(qiáng)化，同時(shí)還提高材料韌性，是金屬?gòu)?qiáng)韌化的重要手段。5/5/2024〔3〕溶質(zhì)元素固溶強(qiáng)化：金屬中參加溶質(zhì)元素，將對(duì)金屬產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，使材料的屈服強(qiáng)度增加。溶質(zhì)原子與基體原子的直徑不同，引起晶格畸變，形成畸變應(yīng)力場(chǎng)，使金屬?gòu)?qiáng)化。溶質(zhì)原子對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起到了釘扎作用。溶質(zhì)原子還和基體原子之間產(chǎn)生電學(xué)交互作用、化學(xué)交互作用以及有序化作用。圖1－345/5/20245/5/20245/5/2024切割機(jī)制：增加界面能?？勺冃蔚墓哺裣唷拨权曄唷?，位錯(cuò)可以切過(guò)〔晶格錯(cuò)排、新界面〕，使之與基體一同變形，由此也可以提高屈服強(qiáng)度。這是由于質(zhì)點(diǎn)與基體間晶格錯(cuò)排及位錯(cuò)切過(guò)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生新的界面需要做功等原因造成的。碳鋼，fα為鐵素體體積比，σα＋Fe3C珠光體屈服強(qiáng)度，第二相強(qiáng)化還與其尺寸、形狀、數(shù)量以及分布等有關(guān)。5/5/2024〔5〕溫度：4溫度升高，屈服強(qiáng)度降低。bcc金屬的p-n比f(wàn)cc金屬高很多，并且在影響屈服強(qiáng)度的因素中占有較大比例。p-n屬短程力，對(duì)溫度十分敏感，因此bcc金屬具有強(qiáng)烈的溫度效應(yīng)。圖1－35Fe:由室溫降至-196℃，

s增加4倍Ni:由室溫降至-196℃,

s增加0.4倍hcp金屬與fcc類似。5/5/2024

絕大多數(shù)常用結(jié)構(gòu)鋼是bcc結(jié)構(gòu)的Fe-C合金，因此，其屈服強(qiáng)度也有強(qiáng)烈的溫度效應(yīng)，如圖1-36所示，因此，鋼具有低溫脆性。圖1-36溫度對(duì)碳鋼σs的影響5/5/2024〔6〕應(yīng)變速率與應(yīng)力狀態(tài)高應(yīng)變速率時(shí)屈服明顯變大，m為應(yīng)變速率敏感系數(shù)圖1-37應(yīng)變速率對(duì)碳鋼強(qiáng)度的影響5/5/2024fcc金屬的應(yīng)力－應(yīng)變曲線易滑移階段，?很小，約百分之幾。線形硬化階段，?很大，且為常數(shù)。拋物線硬化階段，?逐漸減小。曲線的斜率d

/d

稱為應(yīng)變硬化速率?。

O5/5/2024應(yīng)力狀態(tài)對(duì)屈服強(qiáng)度有較大影響：切應(yīng)力分量越大，材料越容易產(chǎn)生塑性變形，即屈服強(qiáng)度越低，故

s扭轉(zhuǎn)<

s拉伸<

s彎曲。5/5/2024四、應(yīng)變硬化

材料在應(yīng)力作用下進(jìn)入塑性變形階段后，隨著變形量的增大，形變應(yīng)力不斷提高的現(xiàn)象。

1、應(yīng)變硬化機(jī)理

金屬材料的應(yīng)變硬化是由塑性變形過(guò)程中的多系滑移和交滑移造成的。5/5/2024應(yīng)變硬化能力在生產(chǎn)實(shí)際中具有重要意義：〔1〕應(yīng)變硬化可使金屬機(jī)件有一定的抗偶然過(guò)載能力，保證機(jī)件平安。機(jī)件在使用過(guò)程中，某些薄弱部位會(huì)因偶然過(guò)載而產(chǎn)生局部的塑性變形，如果金屬?zèng)]有應(yīng)變硬化能力，變形就會(huì)一直進(jìn)行下去，使承載應(yīng)力越來(lái)越高，從而導(dǎo)致斷裂。由于應(yīng)變硬化能力的存在，會(huì)阻止變形繼續(xù)進(jìn)行，從而保證機(jī)件的平安運(yùn)行。5/5/2024〔2〕應(yīng)變硬化和塑性變形適當(dāng)配合，可使金屬進(jìn)行均勻塑性變形，從而保證冷變形工藝順利實(shí)施。金屬的塑性變形是不均勻的，時(shí)間上也有先后，由于金屬具有應(yīng)變硬化能力，哪里有變形，它就在哪里阻止變形的繼續(xù)開展，從而使變形轉(zhuǎn)移到別處去，變形和硬化交替進(jìn)行就構(gòu)成了均勻塑性變形，從而獲得合格的冷變形加工的金屬制品。5/5/2024〔3〕應(yīng)變硬化是強(qiáng)化金屬的重要工藝手段之一。這種手段既可以單獨(dú)使用，也可以和其它方法聯(lián)合使用，尤其對(duì)那些不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化的材料。強(qiáng)化手段包括軋制、噴丸、滾壓等?？捎行岣咔?qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等。5/5/2024〔4〕應(yīng)變硬化可以降低塑性，改善低碳鋼的切削加工性能。低碳鋼切削時(shí)易產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象，外表加工質(zhì)量差。此時(shí)可利用冷變形降低塑性，使切屑容易脆離，從而改善切削性能。5/5/20242、應(yīng)變硬化指數(shù)〔Hollomon〕S＝Kenn為應(yīng)變硬化指數(shù)－－直線斜率，K為硬化系數(shù)S=(1+ε)σe=ln(1+ε)

n反映了材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力。n＝1，表示材料為理想的彈性體。n＝0，表示材料沒(méi)有應(yīng)變硬化能力，大多數(shù)金屬的n值在0.1～0.5之間。圖1－385/5/2024材料狀態(tài)nK碳鋼（0.05%C）退火0.26530.940CrNiMo鋼退火0.15641.2銅退火0.3-0.35317.2碳鋼（0.6%C）淬火，540℃回火0.101572碳鋼（0.6%）淬火，704℃回火0.191227.3H10黃銅退火0.35-0.4896.3碳鋼（0.4%C）調(diào)質(zhì)0.229920.7碳鋼（0.4%C）正火0.2211043.55/5/2024金屬晶格類型層錯(cuò)能/mJ?m-2n滑移特征18-8不銹鋼fcc<100.45平面狀銅fcc900.30平面狀/波紋狀鋁fcc2500.15波紋狀α-Febcc2500.2波紋狀5/5/2024五、縮頸條件與抗拉強(qiáng)度〔一〕縮頸的意義：縮頸是應(yīng)變硬化與截面減小綜合作用的結(jié)果。在B點(diǎn)以前，塑性變形是均勻的，因?yàn)殡S著材料變形的增加應(yīng)變硬化增加，且承載能力增加，可以補(bǔ)償因截面減小使其承載能力下降的作用。B點(diǎn)以后，由于應(yīng)變硬化跟不上塑性變形開展，使變形集中于試樣的局部，因此產(chǎn)生縮頸現(xiàn)象。B點(diǎn)以前dF＞0,B點(diǎn)以后dF＜0，B點(diǎn)dF＝0為最大力點(diǎn)。B點(diǎn)是局部塑性變形開始點(diǎn)，亦稱拉伸失穩(wěn)點(diǎn)或塑性失穩(wěn)點(diǎn)。5/5/2024〔二〕縮頸的判據(jù)dF=0,即拉伸圖上的B點(diǎn)〔最大力點(diǎn)〕，也是曲線的拐點(diǎn)。對(duì)其進(jìn)行全微分，那么有dF=AdS+SdA=0;

在塑性變形中，dS恒大于零，dA恒小于零。根據(jù)塑性變形中，體積不變的原理那么有：dV=0；因V=AL〔1〕5/5/2024故，AdL+LdA=0由〔1〕式〔2〕式，有：根據(jù)〔3〕式，當(dāng)應(yīng)變硬化速率等于該點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)力〔流變應(yīng)力〕時(shí)，縮頸產(chǎn)生。以下圖中兩曲線的交點(diǎn)那么為縮頸的產(chǎn)生點(diǎn)。〔dS/de=S〕圖1－39〔2〕〔3〕5/5/2024〔三〕確定縮頸點(diǎn)在拉伸失穩(wěn)點(diǎn)處，Hollomon關(guān)系仍成立，這說(shuō)明，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)，縮頸便會(huì)產(chǎn)生。5/5/2024〔四〕抗拉強(qiáng)度：拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，試樣拉斷過(guò)程中最大實(shí)驗(yàn)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，成為材料的設(shè)計(jì)依據(jù)。抗拉強(qiáng)度的實(shí)際意義：1)塑性金屬材料光滑試樣的實(shí)際承載能力。2)變形要求不高的機(jī)件的設(shè)計(jì)依據(jù)。3〕σb與硬度、疲勞強(qiáng)度等之間有一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。4〕材料的重要力學(xué)性能指標(biāo)，易于測(cè)定，重復(fù)性好。工程上代表材料在拉伸中，斷裂前所能承受最大外力時(shí)的應(yīng)力值。5/5/2024六、塑性與塑性指標(biāo)〔一〕塑性與塑性指標(biāo)塑性是指材料斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。塑性變形分為兩個(gè)階段，即均勻塑性變形階段和集中塑性變形階段。拉伸時(shí)形成縮頸的韌性金屬材料，其均勻塑性變形量比集中塑性變形量小的多，不超過(guò)50％。許多鋼材占5%~10％，鋁和硬鋁占18～20％，黃銅35～45％。5/5/2024延伸率：δ＝△L/L0×100%〔斷后伸長(zhǎng)率〕斷面收縮率：ψ＝(A0－A1)/A0×100%試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大減縮量與原始橫截面積的百分比。為了使同一金屬材料制成的不同尺寸的拉伸試樣得到相同的δ值，要求：5/5/2024通常K取5.65或11.3，即對(duì)于圓柱形拉伸試樣，相應(yīng)的尺寸為L(zhǎng)0=5d0或L0=10d0。分別記為“δ5和δ10〞前者稱為“短比例試樣〞，后者稱為“長(zhǎng)比例試樣〞。拉伸試樣加工后你需要檢查哪些方面？5/5/2024?，γ對(duì)于同一金屬材料制備的幾何相似的試樣為常數(shù)。

A0一定，L0越長(zhǎng)，δ越小。故δ5大于δ10。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，為使材料的

具有可比性，要求試樣的為常數(shù)，因此人們規(guī)定了試樣的規(guī)格，且

5>

105/5/2024除了用延伸率表示金屬材料的塑性性能外，還可用最大力下的總伸長(zhǎng)率來(lái)表示。最大力下總伸長(zhǎng)率：是試樣拉至最大力時(shí)標(biāo)距的總伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比。用“δgt〞表示。δgt表示實(shí)際上金屬材料拉伸時(shí)產(chǎn)生的最大均勻塑性變形量。〔其中包括彈性變形并不是嚴(yán)格意義上的塑性變形〕。

δgt和eB之間關(guān)系為：eB=ln(1+δgt)可通過(guò)δgt方便的推算出eB，繼而算出應(yīng)變硬化指數(shù)n。5/5/2024根據(jù)和的相對(duì)大小，可以判斷金屬材料拉伸時(shí)是否形成頸縮。如果>那么形成頸縮，且相差越大，頸縮越嚴(yán)重；如果≥那么不形成頸縮。塑性指標(biāo)不能直接用于機(jī)件的設(shè)計(jì)，但對(duì)靜載工作的機(jī)件都要求有一定的塑性，以防止機(jī)件偶然過(guò)載時(shí)產(chǎn)生突然破壞。同時(shí)，材料具有塑性才能進(jìn)行冷變形加工，機(jī)器的裝配、修復(fù)等也需要材料具有一定的塑性。5/5/2024〔二〕材料塑性的意義：①防止機(jī)件因偶然過(guò)載而發(fā)生突然破壞②通過(guò)塑性變形消除應(yīng)力集中③塑性加工和修復(fù)工藝④冶金質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)5/5/2024〔三〕超塑性材料在一定條件下呈現(xiàn)非常大的伸長(zhǎng)率，而不發(fā)生縮頸和斷裂的現(xiàn)象〔相變超塑性和結(jié)構(gòu)超塑性－純金屬或單相合金〕產(chǎn)生條件：①超細(xì)晶粒②適宜的條件，變形溫度≥0.4Tm，應(yīng)變速率ε≤10－3s－1③應(yīng)變速率敏感指數(shù)較高0.3≤m≤15/5/2024(四)靜力韌度靜力韌度—材料的S－e曲線下所包圍的面積與試樣斷裂前吸收的彈性能之間的差值。真實(shí)斷裂強(qiáng)度Sk—靜拉伸過(guò)程中，斷裂時(shí)的拉伸力Fk和瞬時(shí)截面積Ak的比值。Sk與截面形狀有關(guān)，如截面無(wú)縮頸,那么Sk等于σb，如有頸縮那么需用Bridgmen方法修正，且其修正值也不準(zhǔn)確，故Sk直接應(yīng)用很少。由此提出靜力韌度的概念。5/5/2024利用近似的真應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以求得靜力韌度的表達(dá)式a＝〔Sk＋σs〕ef/2Sk＝Fk/AkSK＝σs＋etanα＝σs＋De真應(yīng)變：ef＝〔Sk－σs〕/D圖1－41a＝〔Sk2－σs2〕/2DD為形變強(qiáng)化模數(shù)σs5/5/2024靜力韌度a與Sk、σs、D三個(gè)量有關(guān)，是派生的力學(xué)性能指標(biāo)。a與Sk、σs的關(guān)系比塑性和它們更密切，故在改變材料的組織狀態(tài)或改變外界因素〔如溫度或應(yīng)力狀態(tài)等〕時(shí)，韌度的變化比塑性變化更急劇。靜力韌度是靜力作用下并以σs為計(jì)算依據(jù)的機(jī)件其材料對(duì)于偶然過(guò)載的防范能力的反映,是偶然過(guò)載機(jī)件的重要平安力學(xué)性能指標(biāo)。5/5/2024第五節(jié)金屬的斷裂——固體材料在力的作用下分成假設(shè)干局部的現(xiàn)象機(jī)件的三大失效形式：磨損、腐蝕、斷裂。其中以斷裂的危害最大。研究斷裂的主要目的是防止斷裂，以保證構(gòu)件在服役過(guò)程中的平安。力學(xué)宏觀微觀正斷切斷韌斷脆斷剪切解理擴(kuò)展穿晶沿晶一、斷裂的類型及斷口特征5/5/2024韌性斷口解理型斷口沿晶斷裂穿晶斷裂5/5/2024剪切斷裂、解理斷裂是指斷裂的微觀機(jī)制。穿晶斷裂和沿晶斷裂，是指裂紋擴(kuò)展路線。正斷和切斷，是指引發(fā)斷裂的緣因和斷裂面的取向；正斷是由正應(yīng)力引起的，斷裂面與最大主應(yīng)力方向垂直；切斷是由切應(yīng)力引起的，斷裂面在最大切應(yīng)力作用面內(nèi)，而與最大主應(yīng)力方向呈450。5/5/20245/5/2024

根據(jù)斷口上宏觀微觀斷口分析可以真實(shí)地了解材料斷裂時(shí)裂紋萌生及擴(kuò)展的起因、經(jīng)歷及方式，有助于對(duì)斷裂的原因、條件及影響因素作出正確判斷。宏觀斷裂形態(tài)不一定與微觀斷裂特征完全相符。

中低碳鋼光滑圓柱試樣斷口呈杯錐狀，由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三局部組成。所謂拉伸斷口三要素。纖維區(qū)F放射區(qū)R剪切唇S圖1－42拉伸斷口三個(gè)區(qū)域示意圖5/5/2024纖維區(qū)F放射區(qū)R剪切唇S圖1－42拉伸斷口三個(gè)區(qū)域示意圖纖維區(qū)：斷口呈纖維狀，灰暗色。纖維狀是塑性變形中裂紋不斷擴(kuò)展和相互連接造成的。該區(qū)裂紋擴(kuò)展速度很慢。纖維區(qū)垂直于拉伸應(yīng)力方向；微觀特征為韌窩。放射區(qū)：斷口呈放射狀，放射線平行于裂紋擴(kuò)展方向，而垂直于裂紋前端的輪廓線，并逆指向裂紋源。是裂紋快速擴(kuò)展時(shí)形成的區(qū)域。5/5/2024纖維區(qū)F放射區(qū)R剪切唇S圖1－42拉伸斷口三個(gè)區(qū)域示意圖剪切唇：斷口外表光滑，與拉伸軸線呈45°，是典型的切斷型斷裂。也是最后斷裂階段由縮頸形成的5/5/2024拉伸時(shí)產(chǎn)生頸縮，試樣的應(yīng)力狀態(tài)由單項(xiàng)變?yōu)槿颍行妮S向應(yīng)力最大；在三向拉應(yīng)力作用下，塑性變形難于進(jìn)行致使試樣中心部位的夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)本身破碎，或使夾雜物與基體脫離形成微孔；5/5/2024微孔不斷聚合長(zhǎng)大形成顯微裂紋；顯微裂紋集中于極窄的變形帶內(nèi)，從宏觀上看大致與徑向成50o～60o角，新的微孔就在變形帶內(nèi)成核，當(dāng)與其裂紋連接時(shí)，裂紋便向前擴(kuò)展了一段距離；這樣的過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，就形成了纖維區(qū)。5/5/2024回憶6應(yīng)變硬化，〔Hollomon〕S＝Ken頸縮產(chǎn)生條件抗拉強(qiáng)度塑性韌性超塑性斷裂、斷口三要素5/5/20241.纖維區(qū)中裂紋擴(kuò)展速率很慢，到達(dá)臨界尺寸后就快速擴(kuò)展形成放射區(qū)。2.放射區(qū)是裂紋作快速低能量撕裂形成的，有放射線把戲特征。放射線平行裂紋擴(kuò)展方向。撕裂時(shí)塑性變形量越大，放射線越粗，極脆材料無(wú)放射線，溫度降低或材料強(qiáng)度增加，放射線變細(xì)甚至消失。3.斷裂的最后階段形成杯錐狀剪切唇，外表光滑，與拉伸軸呈45o角。5/5/2024圖1-43放射狀斷口5/5/2024圖1－44人字紋把戲示意圖板狀矩形拉伸試樣其斷口呈人字形把戲，如圖1－44所示。人字紋把戲的放射方向也與裂紋平行。其尖端指向裂紋源。實(shí)際上多晶體金屬斷裂時(shí)也常有人字紋把戲，其原因是主裂紋擴(kuò)展時(shí)前沿可能形成一些次生裂紋，這些裂紋呈低能量撕裂擴(kuò)展與主裂紋連接便形成了人字紋通常脆斷前也產(chǎn)生微量塑性變形，一般認(rèn)為光滑拉伸試樣

<5％為脆斷。5/5/2024〔二〕穿晶斷裂與沿晶斷裂穿晶斷裂的裂紋穿過(guò)晶內(nèi)；沿晶斷裂是裂紋沿晶界擴(kuò)展的一種脆性斷裂。穿晶斷裂可以是韌性斷裂也可以是脆性斷裂，而沿晶斷裂那么大局部是脆性斷裂。一般由晶界有脆性第二相、夾雜物引起。圖1－455/5/20245/5/2024裂紋擴(kuò)展有哪些形式？受哪些因素支配？包括穿晶和沿晶。裂紋擴(kuò)展決定于第二相質(zhì)點(diǎn)的大小和密度、基體材料的塑性變形的能力和應(yīng)變硬化指數(shù)，以及外加應(yīng)力的大小和狀態(tài)等。應(yīng)通過(guò)細(xì)化組織、減少夾雜物數(shù)量、改變夾雜物形貌來(lái)消除。5/5/2024〔三〕純剪切斷裂、微孔聚集型斷裂與解理斷裂剪切斷裂和解理斷裂都是穿晶斷裂。前者受剪切力作用是韌性斷裂，后者受正應(yīng)力作用，屬脆性斷裂。斷裂性質(zhì)完全不同。也就是說(shuō)穿晶斷裂既可能是韌性斷裂也可能是脆性斷裂。取決于材料的本性和力的作用方式。剪切斷裂是金屬材料在切應(yīng)力的作用下，沿滑移面別離而造成的滑移面別離斷裂，其中又分為滑斷〔純剪切斷裂〕和微孔聚集型斷裂。微孔聚集型斷裂是通過(guò)微孔的形核、長(zhǎng)大聚合而導(dǎo)致材料別離的。必須指出，微孔聚集斷裂一定有韌窩存在，但在微觀上出現(xiàn)韌窩，其宏觀上不一定就是韌性斷裂。5/5/2024解理面——一般是低指數(shù)晶面或外表能最低的晶面二、解理斷裂〔一〕解理裂紋的形成與擴(kuò)展解理斷裂是材料在一定條件下〔如低溫〕，當(dāng)外加應(yīng)力到達(dá)一定數(shù)值后，以極快的速度沿一定晶體學(xué)平面產(chǎn)生的穿晶斷裂。因與大理石斷裂類似，故稱為解理斷裂。5/5/20241.甄納－斯特羅〔Zener－Stroh〕〔位錯(cuò)塞積理論〕如圖1－47所示，在滑移面上的切應(yīng)力的作用下，刃型位錯(cuò)互相靠近，當(dāng)切應(yīng)力到達(dá)某一臨界值時(shí)，塞積群頂端假設(shè)干個(gè)位錯(cuò)將擠在一起形成一個(gè)柏氏矢量為nb、長(zhǎng)為r的楔形裂紋或孔洞形位錯(cuò)，該理論指出，如果塞積群頂端的應(yīng)力集中不能為塑性變形所松弛，那么其最大拉應(yīng)力f等于理論斷裂強(qiáng)度σm，從而形成裂紋。圖1－47位錯(cuò)塞積形成裂紋5/5/2024塞積群頂端的拉應(yīng)力在與滑移面呈＝70.5°時(shí)到達(dá)最大：

－

i—滑移面上的有效切應(yīng)力d—晶粒直徑，位錯(cuò)源S到塞積群頂端O的距離可視為d/2r—位錯(cuò)塞積群頂端到裂紋形成點(diǎn)的距離理想晶體沿解理面的斷裂強(qiáng)度為〔后文推導(dǎo)〕：s——外表能；a0——原子面間距；E——彈性模量5/5/2024形成裂紋的力學(xué)條件為：因E=2(1+

)G，r≈a0可得：5/5/2024圖1－48晶粒大小對(duì)低碳鋼屈服應(yīng)力和斷裂應(yīng)力的影響晶粒大小對(duì)斷裂應(yīng)力的影響已經(jīng)被許多試驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)：細(xì)化晶粒，斷裂應(yīng)力提高，材料的脆性減小。圖1-48為晶粒大小對(duì)低碳鋼屈服應(yīng)力和斷裂應(yīng)力的影響。對(duì)于有第二相質(zhì)點(diǎn)的合金，d實(shí)際上代表質(zhì)點(diǎn)間距，d越小，材料的斷裂應(yīng)力越高。5/5/2024解理裂紋的擴(kuò)展以上所述主要涉及解理裂紋的形成，并不意味著由此形成的裂紋將迅速擴(kuò)展而導(dǎo)致材料斷裂。解理斷裂過(guò)程包括以下三個(gè)階段：塑性變形形成裂紋；裂紋在同一晶粒內(nèi)初期長(zhǎng)大；裂紋越過(guò)晶界向相鄰晶粒擴(kuò)展〔如圖1－49所示〕圖1－49解理裂紋擴(kuò)展過(guò)程示意圖裂紋開始形成裂紋初期長(zhǎng)大越過(guò)晶界擴(kuò)展5/5/2024G.Zener—A.N.Stroh理論存在的問(wèn)題是：在那樣大的位錯(cuò)塞積下，將產(chǎn)生很大切應(yīng)力的集中，完全可以使相鄰晶粒內(nèi)的位錯(cuò)源開動(dòng)，產(chǎn)生塑性變形而將應(yīng)力松弛，使裂紋難以形成。按此模型的計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，裂紋擴(kuò)展所要求的條件比形核條件低，而形核又主要取決于切應(yīng)力，所以此理論與實(shí)際現(xiàn)象有出入。5/5/20242.A.H.Cottrell位錯(cuò)反響理論該理論是A.H.Cottrell為了解釋晶內(nèi)解理與bcc晶體〔如-Fe〕常從〔001〕面發(fā)生解理斷裂而提出的。圖1-50位錯(cuò)反響形成裂紋如圖1-50所示，在

-Fe中，滑移面為(110)，滑移方向?yàn)閇111]。有兩個(gè)相交的滑移面(101)和(10ī)，與解理面(001)相交，三個(gè)面的交線為[001]。5/5/2024沿(101)面有一群柏氏矢量為的刃型位錯(cuò)，而沿(10ī)有一群柏氏矢量為的刃型位錯(cuò)，相遇后產(chǎn)生以下反響：＋新形成的位錯(cuò)線在(001)面上，其柏氏矢量為。因?yàn)?001)面不是α-Fe的固有滑移面，故為不動(dòng)位錯(cuò)，結(jié)果兩相交滑移面上的位錯(cuò)群就在該不動(dòng)位錯(cuò)附近產(chǎn)生塞積，當(dāng)塞積較多時(shí)其多余的半原子面就如同楔子一樣插入解理面中間形成高度為nb的裂紋。5/5/2024裂紋底部邊長(zhǎng)即為切變位移nb，它是有效切應(yīng)力－i作用的結(jié)果。假定滑移帶穿過(guò)直徑為d的晶粒，那么分布在滑移帶上的彈性剪切位移為：5/5/2024A.H.Cottrell用能量分析法推導(dǎo)出解理裂紋擴(kuò)展的臨界條件為：σcnb=2s…………式中：c—外加正應(yīng)力；n—塞積的位錯(cuò)數(shù)；b—柏氏矢量；即：為了產(chǎn)生解理斷裂，裂紋擴(kuò)展時(shí)外加正應(yīng)力所作的功必須等于產(chǎn)生新增外表的外表能。5/5/2024滑移帶上的切應(yīng)力因出現(xiàn)塑性位移nb而被松弛，故彈性剪切位移應(yīng)等于塑性位移：······················

將代入，可得：

c(

－

i)d=2G

s

················

外力

＝

s時(shí)裂紋已經(jīng)形成：

＝

i＋kyd-1/2代入式，

c表示長(zhǎng)度相當(dāng)于直徑d的裂紋擴(kuò)展所需的應(yīng)力，或裂紋的實(shí)際斷裂強(qiáng)度，此式也就是屈服時(shí)產(chǎn)生解理斷裂的判據(jù)，可見，晶粒直徑d減小，

c提高。5/5/2024A.H.Cottrell提出的位錯(cuò)反響是降低能量的過(guò)程，因而裂紋成核是自動(dòng)進(jìn)行的。fcc金屬雖有類似的位錯(cuò)反響，但不是降低能量的過(guò)程，故fcc金屬不具有這樣的裂紋形成機(jī)理。5/5/20243.史密斯〔Smith〕理論〔脆性第二相開裂理論〕

碳化物開裂臨界有效切應(yīng)力,γf鐵素體外表能，d晶粒直徑，γc碳化物外表能，E彈性模量，ν泊松比圖1－515/5/2024〔二〕解理斷裂的微觀斷口特征一般只在bcc和hcp金屬中產(chǎn)生解理斷裂。這是因?yàn)橹挥挟?dāng)滑移帶很窄時(shí)，塞積位錯(cuò)才能在其端部產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中而使裂紋成核、擴(kuò)展。而fcc金屬易產(chǎn)生多系滑移而使滑移帶破碎，導(dǎo)致其尖端鈍化，應(yīng)力集中下降。1.解理斷裂5/5/2024解理斷口的宏觀形貌是較為平坦的、發(fā)亮的結(jié)晶狀斷面。解理斷裂是沿特定界面發(fā)生的脆性穿晶斷裂，其微觀特征應(yīng)該是類似于平坦的鏡面。但實(shí)際上，解理斷口是由許多相當(dāng)于晶粒大小的解理面集合而成的，這些解理面稱為解理刻面—解理斷裂是沿一族相互平行的晶面發(fā)生的，這組晶面就是解理刻面。進(jìn)一步研究說(shuō)明，這些解理刻面也并不是一個(gè)單一的平面，而是由一組平行的解理面所組成。解理斷裂實(shí)際上是沿一族相互平行的晶面(解理面)解理而引起的。5/5/2024在解理刻面內(nèi)部只從一個(gè)解理面發(fā)生解理破壞的情況是很少的，多數(shù)情況下裂紋要跨越假設(shè)干相互平行的而且位于不同高度的解理面，從而形成解理斷口的根本微觀特征——解理臺(tái)階〔假設(shè)干相互平行的而且位于不同高度的解理面〕。解理臺(tái)階是沿兩個(gè)不同高度的平行解理面上擴(kuò)展的解理裂紋相交時(shí)形成的。其形成過(guò)程有兩種方式：通過(guò)解理裂紋與螺位錯(cuò)相交形成；通過(guò)二次解理或撕裂形成。5/5/2024如圖1－52所示，一刃型位錯(cuò)AB運(yùn)動(dòng)時(shí)與一螺型位錯(cuò)CD相交，便產(chǎn)生一個(gè)柏氏矢量為b的割階，AB繼續(xù)運(yùn)動(dòng)與越來(lái)越多的螺型位錯(cuò)交割，便產(chǎn)生了為數(shù)眾多的臺(tái)階。AB

CDABCD

b圖1－52解理臺(tái)階的形成1.通過(guò)解理裂紋與螺位錯(cuò)相交形成5/5/2024河流把戲--解理臺(tái)階沿裂紋前端滑動(dòng)而相互集合。同號(hào)臺(tái)階集合長(zhǎng)大，異號(hào)臺(tái)階集合消毀。當(dāng)集合臺(tái)階高度足夠大時(shí)，便成為在電鏡下可以觀察到的河流把戲，如圖1－53所示。圖1－53河流把戲形成示意圖船用鋼板解理斷口的河流花樣5/5/2024河流把戲是判斷是否為解理斷裂的重要依據(jù)?！昂恿鳕暤姆较蚺c裂紋擴(kuò)展方向一致，所以可以根據(jù)“河流〞的流向確定在微觀范圍內(nèi)解理裂紋的擴(kuò)展方向，并按“河流〞反方向去尋找斷裂源。5/5/2024通過(guò)二次解理或撕裂方式形成解理臺(tái)階如圖1－54所示。二次解理是在解理裂紋擴(kuò)展的兩個(gè)相互平行、面間距較小的解理面上產(chǎn)生的。如果面間距較大，超過(guò)一個(gè)原子間距時(shí)，兩解理裂紋間的金屬會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形，結(jié)果借塑性撕裂形成臺(tái)階——撕裂棱。圖1－54二次解理和撕裂形成臺(tái)階a)沿二次解理面解理形成臺(tái)階

b)通過(guò)撕裂棱形成臺(tái)階(撕裂棱)2.通過(guò)二次解理或撕裂形成。5/5/2024解理斷裂的另一個(gè)微觀特征是舌狀把戲；它類似于伸出來(lái)的小舌頭，是解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展而留下的舌狀凸臺(tái)或凹坑。圖1－58解理舌形成示意圖

攣晶面(112)攣晶方向[111]解理面(001)擴(kuò)展方向[110]在某種條件下〔如低溫或高速變形〕，當(dāng)解理裂紋在基體中沿(001)面擴(kuò)展時(shí)，遇到攣晶面就沿?cái)伨鏀U(kuò)展，越過(guò)攣晶后再沿(001)面繼續(xù)擴(kuò)展，同時(shí)，沿基體和攣晶界面產(chǎn)生局部斷裂，從而形成解理舌。5/5/2024圖1－59準(zhǔn)解理斷口共同點(diǎn)—穿晶斷裂；小解理刻面；解理臺(tái)階或撕裂棱；河流把戲不同點(diǎn)—準(zhǔn)解理刻面不是晶體學(xué)解理面；解理裂紋源于晶界，準(zhǔn)解理源于晶內(nèi)質(zhì)點(diǎn)，河流把戲從晶內(nèi)呈放射狀。5/5/2024微孔聚集型斷裂屬韌性斷裂，包括微孔成核、長(zhǎng)大、聚合、斷裂，微觀形貌特征是韌窩。微孔是通過(guò)第二相或夾雜物質(zhì)點(diǎn)本身碎裂或與基體界面脫離而形成的。三、微孔聚集型斷裂〔一〕微孔形核和長(zhǎng)大5/5/2024材料中的異相〔第二相或夾雜物〕的力學(xué)性能如強(qiáng)度、塑性、彈性模量等均與基體不同。塑性變形時(shí)滑移沿基體滑移面進(jìn)行，異相起阻礙作用，其結(jié)果是在異相前形成位錯(cuò)塞積群，從而在異相與滑移面的交界處形成應(yīng)力集中。隨著應(yīng)變量的增加，塞積群中的位錯(cuò)個(gè)數(shù)也增多，應(yīng)力集中加劇。當(dāng)集中的應(yīng)力到達(dá)異相本身的強(qiáng)度或異相與基體界面的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致異相本身破裂或與基體界面別離，導(dǎo)致形成微孔。5/5/2024在拉伸力的作用下，塑性變形首先在微孔所在的截面內(nèi)開展，由于形變強(qiáng)化使其承載力提高，進(jìn)一步的變形便在該截面附近的材料內(nèi)進(jìn)行，結(jié)果該局部的材料被拉長(zhǎng)，導(dǎo)致鄰近的微孔相互連接，或者使位錯(cuò)不斷進(jìn)入微孔，這就是微孔的長(zhǎng)大和裂紋形成過(guò)程，此過(guò)程不斷進(jìn)行下去，導(dǎo)致了材料斷裂。5/5/2024當(dāng)位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)遇到第二相質(zhì)點(diǎn)時(shí)，往往按繞過(guò)機(jī)制在其周圍形成位錯(cuò)環(huán)；這些位錯(cuò)環(huán)在外加應(yīng)力作用下堆積在第二相質(zhì)點(diǎn)處