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第一章 材料在单向静拉伸载荷下的力学性能,材料力学性能,材料加工工程系 周 亮,Company Logo,第一章 材料在单向静拉伸载荷下的力学性能,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,1-2 弹性变形,1-3 塑性变形,1-4 材料的断裂,Company Logo,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,1、拉伸试验方法,一般采用圆形或板形二种试样。可分为三个部分，即工作部分、过渡部分和夹持部分。其中工作部分必须表面光滑，以保证材料表面也是单向拉伸状态；过渡部分必须有适当的台阶和圆角，以降低应力集中，避免该处变形和断裂；夹持部分是与试验机夹头连接的部分，以定位试样。,常用的拉伸试样几何,试样长度要求：,或,试样加载速率：,Company Logo,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,1、拉伸试验方法,常用的拉伸试样几何,Company Logo,拉伸力-拉伸曲线：由拉伸试验机自动记录或绘图装置，将作用在试样上的力和所引起的伸长自动记录绘出的力-伸长曲线。应力-应变曲线：由拉伸曲线经换算可以得相应的到工程应力-工程应变曲线。,低碳钢典型的应力-应变曲线,2、拉伸曲线,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,Company Logo,低碳钢典型的应力-应变曲线,弹性变形阶段：曲线的起始部分，图中的oa段。多数情况下呈直线形式，符合虎克定律。 屈服阶段：超出弹性变形范围之后，有的材料在塑性变形初期产生明显的塑性流动。此时，在外力不增加或增加很小或略有降低的情况下，变形继续产生，拉伸图上出现平台或呈锯齿状，如图中的ab段。,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,Company Logo,低碳钢典型的应力-应变曲线,均匀塑性变形阶段：屈服后，欲继续变形，必须不断增加载荷，此阶段的变形是均匀的，直到曲线达到最高点，均匀变形结束，如图中的bc段。 形变硬化：随塑性变形增大，变形抗力不断增加的现象。 不均匀塑性变形阶段：从试样承受的最大应力点开始直到断裂点为止，如图中的cd段。在此阶段，随变形增大，载荷不断下降，产生大量不均匀变形，且集中在颈缩处，最后载荷达到断裂载荷时，试样断裂。,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,Company Logo,典型的应力-应变曲线,3、应力-应变曲线的类型,（a）弹性-弹塑性-塑性型：工程上的调质钢和一些轻合金具有此类行为。加工硬化,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,Company Logo,典型的应力-应变曲线,（b）弹性-不均与塑性-均匀塑性型：与前者不同在于出现了明显的屈服点aa ，有时呈屈服平台状，有时呈齿状。应变约1%3%。退火低碳钢和某些有色金属具有此行为。,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,3、应力-应变曲线的类型,Company Logo,典型的应力-应变曲线,（c）弹性-均匀塑性型：未出现颈缩前的均匀变形过程中发生断裂。主要是许多金属及合金、部分陶瓷和非晶态高聚物具有此种曲线。,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,3、应力-应变曲线的类型,Company Logo,典型的应力-应变曲线,（d）弹性-不均匀塑性型：形变强化过程中出现多次局部失稳，其塑性变形方式通常是孪生而不是滑移。当孪生速率超过试验机夹头运动速度时，载荷会突然松弛而呈现锯齿形的曲线。某些低溶质固溶体铝合金及含杂质的铁合金具有此行为。,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,3、应力-应变曲线的类型,Company Logo,1-1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,4、真应力-应变曲线,定义： ； 式中：F外加载荷； S试样瞬间截面积； l0试样原始标距长度； l试样瞬间标距长度。注：相对而言， 曲线较 曲线真实 。 在小应变范围内，二者区别很小，可以不区分， 且 曲线更方便。,Company Logo,1-2 弹性变形,材料受外力作用发生尺寸和形状的变化，成为变形。外力去除后，随之消失的变形为弹性变形，剩余的变形为塑性变形。Hooke定律：金属弹性变形时，外力与应变成正比。 即：,1、弹性变形及其实质,加载,卸载,原子间的距离发生伸长和缩短，但原子间的结合键并没有发生破坏 卸载后变形迅速恢复,弹性变形特征：可逆性（受力作用后产生变形，载荷卸除后，变形消失）,1-2 弹性变形,1、弹性变形及其实质,在没有外加载荷作用时，金属中的原子N1、N2在平衡位置附近振动，相邻原子间的作用力由引力和斥力叠加而成。当原子间相互平衡力受外力而受到破坏时，原子位置相应调整，产生位移。而位移总和在宏观上表现为变形。外力去除后，原子依靠之间的作用力又回到原来平衡位置，位移消失，宏观变形消失。,由于晶体中的缺陷的存在，在弹性变形量尚小时的应力可以激活位错运动，代之以塑性变形。实际上可实现的弹性变形量不会很大。,曲线1：两原子间的引力曲线2：两原子间的斥力曲线3：两原子之间的作用力,1-2 弹性变形,2、弹性性能,弹性模量（E） （单向受力状态下）。它反映材料抵抗正应变的能力。切变模量（G） （纯剪受力状态下）。它反映材料抵抗切应变的能力。泊松比（ ）依据体积不变原理，纵向伸长，那么横向必然收缩 （单向-X方向受力状态下） 它反映材料横向正应变与受力方向正应变的相对比值。,1-2 弹性变形,2、弹性性能,体积弹性模量（K） 刚度：工程上弹性模型称为刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力。各向异性 单晶体金属表现为弹性各向异性 多晶体金属表现为伪各向同行（单个晶粒弹性模量的各向统计平均值）,1-2 弹性变形,2、弹性性能,弹性模量影响因素 金属原子本性和晶格类型 原子间作用力与原子距离 应力与应变 弹性模量 合金化、热处理、冷塑性变形 温度、加载速率弹性模量主要取决于结合键本性和原子结合力 共价键材料金属键材料分子键结合的高分子材料,均对弹性模量影响不大,1-2 弹性变形,2、弹性性能,弹性比功（弹性比能、应变比能） 一般用金属在塑性变形开始前单位体积材料 吸收的最大弹性变形功表示。,1-2 弹性变形,3、弹性不完整性（弹性后效）,在滞弹性变形期间产生的附加弹性应变称为滞弹性应变。滞弹性应变随时间的变化情况如图中下半部分所示。其中，正弹性后效CE段和反弹性后效GF段的滞弹性应变都是时间的函数，而瞬时弹性应变oa段和bd段则与时间无关。,实际金属在外力作用下产生弹性变形，开始时沿OA线产生瞬时弹性应变OC，如果载荷保持不变，还产生随时间延长而逐渐增加的应变CH。这种在加载状态下产生的滞弹性变形称为正弹性后效。卸载时，延BD线只有应变DH立即消失，而应变OD是卸载后随时间延长才缓慢消失的，这种在卸载后产生的滞弹性变形称为反弹性后效。,G,1-2 弹性变形,3、弹性不完整性（弹性滞后环）,弹性滞后环：弹性变形时因应变滞后于外加应力，使加载线和卸载线不重合而形成的回线称为弹性滞后环。,弹性滞后环的形状主要与载荷类型和加载速率有关!,加载时消耗在变形上的功大于卸载时金属恢复变形所做的功，换面积大小代表被金属吸收的那部分功。,交变循环载荷，加载速度缓慢 交变循环载荷，加载速度较快,1-2 弹性变形,3、弹性不完整性（弹性滞后环）,内耗：由弹性滞后环表征的加载时消耗于金属的变形功大于卸载时金属释放的变形功。而残留在金属内部的部分变形功，其大小可由滞后环的面积表示。循环韧性：一个应力循环中金属的内耗称为循环韧性。 意义：反映材料在单向或交变循环载荷作用下，能以不可逆的能量方式吸收而又不破坏的能力，即有靠自身消除机械振动的能力（消震性）。应用：工程上有截然相反的要求。仪器、仪表中的测力弹簧不允许有弹性后效，以保证其测量精度；而不允许有附加振动的零件（如床身、叶片等）要求使用循环韧性较大的材料，以达到消震的目的。,1-2 弹性变形,3、弹性不完整性（包申格效应）,包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形， （1）卸载后同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服极限）增加。 （2）反向加载，规定残余伸长应力降低。,初始压缩：弹性极限为176MPa卸载后二次压缩：弹性极限为287MPa,初始压缩：弹性极限为176MPa卸载后二次拉伸：弹性极限为85MPa,1-2 弹性变形,3、弹性不完整性（包申格效应）,包申格效应产生原因：位错理论 初次加载变形时，位错源在滑移面上产生的位错受阻，塞积后产生背应力，背应力反作用于位错源，当背应力做够大时，可使位错源停止开动。预变形时位错的运动方向和背应力的方向相反。 当反向加载时位错运动的方向和背应力方向一致，背应力帮助位错运动，塑性变形相对容易。,1-2 弹性变形,3、弹性不完整性（包申格效应）,应用：大型输气管道管线的UOE制造工艺U阶段：将板材冲压成U形O阶段：将U形板径向压缩成O形E阶段：周边焊接，内径扩展达到给定大小注意：包申格效应大的材料，内应力较大。,希望非常小的包申格效应，减低管子成型后的强度损失,消除：（1）予以较大残余塑性变形（2）在引起金属回复或再结晶的温度下退火 钢在400-500 以上退火，铜合金在250-270 以上退火。,Company Logo,1-3 塑性变形,1、塑性变形方式和特点,塑性变形的方式：位错滑移：最主要的变形机制。滑移是金属材料在切应力作用下，位错沿滑移面和滑移方向运动而进行的切边过程。滑移面：原子最密排面；滑移方向：原子最密排方向。滑移系：滑移面和滑移向的组合。滑移系越多，材料的 塑性越好。孪生：重要的变形机制，一般发生在低温形变或快速形变时。受晶体结构的影响较大：fccbcchcp,Company Logo,1-3 塑性变形,1、塑性变形方式和特点,宏观现象1）单晶材料（右图）2）多晶材料，如光滑低碳钢样品，拉伸后产生45度平行线结论塑性变形是一个切变过程；原子层之间发生相对位移，作用力是切应力。,Company Logo,1-3 塑性变形,1、塑性变形方式和特点,塑性变形的特点：各晶粒塑性变形的不同时性和不均匀性（1）滑移的临界分切应力 =(P/A)coscos 外应力与滑移面法线夹角； 外应力与滑移向的夹角； = coscos称为取向因子。（2）因为各晶粒的取向不同，coscos不同（3）对于具体材料，还存在母相和第二相的种类、数量、尺寸、形态、分布的影响。（4）晶粒取向：影响滑移先后。,有利取向和不利取向,Company Logo,1-3 塑性变形,1、塑性变形方式和特点,塑性变形的特点：变形的相互协调性 多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑移系中变形， 否则将造成晶界开裂。 五个独立的滑移系开动，才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形。塑性变形后金属的晶格发生点阵畸变，储存能量，产生内应力。第一、第二内应力。弹性应变产生内应力塑性应变量提高，金属强度增大，产生加工硬化。,Company Logo,1-3 塑性变形,2、屈服现象及其本质,金属的物理屈服：在金属塑性变形的开始阶段，外力不增加、甚至下降的情况下，而变形继续进行的现象，称为物理屈服。现象：上屈服点，下屈服点， 平台，锯齿,Company Logo,1-3 塑性变形,2、屈服现象及其本质,物理屈服过程：AB点：肩部开始产生滑移线，产生吕德斯带；BC点：变形开始后，吕德斯带扩大直到贯通整个样品；C点：屈服平台结束；CD点：均匀塑性变形；D点：开始颈缩；DK点：颈缩阶段；K点：断裂,D,K,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,金属材料一般是多晶体合金，往往具有多相组织，因此，讨论影响屈服强度的因素，必须注意以下几点： 屈服变形是位错增殖和运动的结果； 实际金属材料的力学行为是由许多晶粒综合作用的结果； 各种外界因素通过影响位错运动而影响屈服强度。 以下我们将从内、外两方面因素来进行分析。,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,影响屈服强度的内在因素1、金属本性及晶格类型2、晶粒大小和亚结构3、溶质元素4、第二相影响屈服强度的内在因素1、温度2、应变速率3、应力状态,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,1、金属本性及晶格类型 纯金属单晶体的屈服强度由位错运动时所受到的阻力决定的，这些阻力有晶格阻力、位错间交互作用产生的阻力等。 晶格阻力即派纳力。派纳力与位错宽度和柏氏矢量有关，两者又与晶体结构有关。 相变强化：通过热处理方式，在不改变金属成分的前提下，改变金属的晶格结构，使金属的强度得以提高的方法。,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,1、金属本性及晶格类型 纯金属单晶体的屈服强度由位错运动时所受到的阻力决定的，这些阻力有晶格阻力、位错间交互作用产生的阻力等。 位错间交互产生的阻力，包括平行位错间交互作用产生的阻力和运动位错与林位错交互作用产生的阻力。用公式表示：=aGb/L，式中 比例系数。 因为位错密度与1/L2成正比，故上式又可写为：=aGb ，由此可见，增加，也增加，所以屈服强度也随之提高。,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,2、晶粒大小和亚结构 晶粒大小的影响是晶界影响的反映，减小晶粒尺寸将增加位错运动障碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度提高。 许多金属与合金的屈服强度与晶粒大小的关系均符合霍尔派奇(HallPetch)公式： i 位错在基体金属中运动的总阻力，亦称摩擦阻力，决定于晶体结构和位错密度；ky 度量晶界对强化贡献大小的钉扎常数，或表示滑移带端部的应力集中系数；d 晶粒平均直径。,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,2、晶粒大小和亚结构细晶强化：减少晶粒尺寸会减少晶粒内部位错塞积的数量，减少位错塞积群的长度，降低塞积点处的应力，相邻晶粒中位错源开动所需的外加切应力提高，屈服强度增加。这种通过细化晶粒尺寸提高材料强度的方法称为细晶强化。亚晶界的作用与晶界类似，也阻碍位错运动。不同之处在于：（1）霍尔-派奇公式中的ky值不同。同无亚晶的材料相比， ky值低1/24/5。且d为亚晶粒的直径。（2）在亚晶界上产生屈服变形所需的应力对亚晶间的取向差不是很敏感的。,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,3、溶质元素固溶强化：在纯金属中加入溶质原子(间隙型或置换型)形成因溶合金(或多相合金中的基体相)，将显著提高屈服强度，此即为固镕强化。 通常，间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体。右图所示。 在固溶合金中，由于溶质原子和溶剂原子直径不同，在溶质周围形成了晶格畸变应力场该应力场与位错应力场产生交互作用，使位错运动受阻，从而使屈服强度提高。,低碳铁素体中固溶强化效果,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,4、第二相 工程上的金属材料，其显微组织一般是多相的。除了基体产生固溶强化外，第二相对屈服强度也有影响。 第二相质点的强化效果与质点本身在金属材料屈服变形过程中能否变形有很大关系。据此可将第二相质点分为不可变形的和可变形的两类。,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,4、第二相（a）不可变形的第二相质点 根据位错理论，位错线只能绕过不可变形的第二相质点。 1）为此，位错运动过程中必须克服位错弯曲所产生的线张力，使位错运动阻力增加。 2）位错绕过第二相质点后，在第二相质点周围留下位错环，位错环对后续位错产生斥力，再次提高位错的运动阻力。,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,（b）可变形的第二相质点 对于可变形的第二相质点，位错可以切过第二相质点，使之与基体一起变形，由此也能提高屈服强度。弥散强化：金属中的第二相质点通过粉末冶金等方法获得。沉淀强化（析出强化）：金属中的第二相质点通过固溶处理家时效等方法获得。 第二相的强化效果还与其尺寸、形状、数量和分布以及第二相与基体的强度、塑性相应变硬化待性、两相之间的晶体学配合和界面能等因素有关。,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,1、温度 一般升高温度，金属材料的屈服强度降低。同时，金属晶体结构不同，其变化趋势并不一样，如图所示。 在bcc金属（如Fe）中，p-n （晶格阻力）值较fcc金属（如Ni）高很多，p-n 在屈服强度中占有较大比例，而p-n属短程力，对温度十分敏感。因此，bcc金属的屈服强度具有强烈的温度效应可能是p-n 起主要作用。,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,2、应变速率 应变速率增大，金属材料的强度增加。由图可见，屈服强度随应变速率的变化较抗拉强度的变化要剧烈得多。应变速率硬化：因应变速率增加而产生的强度提高效应的现象。,应变速率对材料强度的影响,Company Logo,1-3 塑性变形,3、影响屈服强度的因素,3、应力状态 应力状态也影响屈服强度。位错运动的驱动力是切应力，切应力分量愈大，愈有利于塑性变形，屈服强度则愈低。 所以扭转比拉伸的屈服强度低，拉伸要比弯曲的屈服强度低，但三向不等拉伸下的屈服强度量最高。 要注意，不同应力状态下材料屈服强度不同，并非是材料性质变化，而是材料在不同条件下表现的力学行为不同而已。,Company Logo,1-3 塑性变形,4、加工硬化（应变硬化、形变强化）,在真应力-真应变曲线上，PB为均匀塑性变形阶段，应力与应变的关系满足： 其中，n为加工硬化指数，K为强度系数。对上式两边取对数，得到：理想弹性体（n=1）理想塑性体（n=0）,1-3 塑性变形,4、加工硬化（应变硬化、形变强化）,加工硬化指数n反映了材料开始屈服后，继续变形时材料的应变硬化情况，它决定了材料开始发生颈缩时的最大应力（ ）。根据颈缩判据，出现颈缩时 。也就是说，n决定了材料能够产生的最大均匀变形量。n在冷加工工艺中的重要性。,1-3 塑性变形,4、加工硬化（应变硬化、形变强化）,例： 低碳钢深冲薄板低碳钢：n=0.2铝合金：加工硬化能力较低，成型困难工作零件加工硬化能力的要求过量塑性变形，产生局部不均匀的变形或断裂形变硬化是提高材料强度的重要手段例如：（1）不锈钢的冷变形加工、高碳钢铅浴等温处理后的拉拔。（强度提高、塑性降低）（2）汽车工业中的复相钢（铁素体+15%马氏体）。（强度和塑性均提高）,1-3 塑性变形,1.3.5 颈缩现象和抗拉强度,颈缩：是韧性金属材料在拉伸试验时变形集中于局部区域的现象，是材料应变硬化（物理因素）与试样横截面减小（几何因素）共同作用的结果。 颈缩判据当金属材料的应变硬化指数等于最大真实均匀塑性应变量时，产生颈缩。颈缩前的变形是在单向应力条件下进行的，颈缩开始后，颈部的应力状态由单向应力变为三向应力：轴向应力S1、径向应力Sr和切向应力St。,1-3 塑性变形,1.3.5 颈缩现象和抗拉强度,缩颈颈部的应力状态及其修正这里： 为三向应力条件下的轴真应力； 为修正后的轴真应力。,拉伸试样颈部应力状态,真应力-应变曲线及其修正,1-3 塑性变形,1.3.5 颈缩现象和抗拉强度,：试样断裂前所承受的最大应力(工程应力)。物理意义：对塑性较好的材料， 表征材料最大均匀塑性变形的抗力，但不代表其断裂抗力。对塑性很差的材料，若没有或只有极小的均匀塑性变形，则 才能反映材料的断裂抗力。 只表征材料对最大均匀塑性变形的抗力。仅在特定的情况下， 才能反映材料的断裂抗力。,1-3 塑性变形,1.3.5 颈缩现象和抗拉强度,工程意义： 代表了静拉伸条件下实际零件所能承受的最大载荷； 易于测定，重现性好； 对材料的组织较敏感。因此， 是工程设计中一个十分重要的力学性能指标。,1-3 塑性变形,1.3.6 塑性,断后伸长率 :指试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。 注意：断后伸长是由均匀伸长和局部集中伸长二部分组成。 为使测得的断后伸长率具有可比性，必须采用比例标距的试样。这是因为局部集中变形所引起的伸长与试样的原始横截面积的平方根成正比，使总伸长与试样几何相关。即： 采用比例标距试样： 与 的短试样和长试样 ，所得到的断后伸长率用 和 表示。,1-3 塑性变形,1.3.6 塑性,最大力下的总伸长率 ： 试样拉到最大力时标距总伸长与原始标距的百分比。最大力下的非比例伸长率 用非比例伸长计算的最大力下的伸长率。测定方法：均采用图解法（见右图）。,图2.15,和n的关系：,1-3 塑性变形,1.3.6 塑性,断面收缩率 ：试样拉断后，颈缩断裂处横截面积的最大缩减量与原始横截面积之比。 式中：S为拉断后颈缩处最小横截面积。一般地， 比 值能更好地反映材料的真实极限变形能力。所以，测定 比测定 更有意义，且对组织更敏感。二者间关系： （B点之前）,1-3 塑性变形,1.3.6 塑性,金属材料塑性与强度的关系一般来讲，材料的强度提高，其变形抗力提高，变形能力下降，塑性降低。（1）相变强化、固溶强化、加工硬化及第二相弥散强化一般都会使塑性降低；（2）细晶强化不仅提高强度还使塑性提高。,1-3 塑性变形,1.3.6 韧性的概念及静力韧度分析,韧性：指材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。可分为静力韧度、冲击韧度和断裂韧度。静力韧度：金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功。 计算公式： 表示为应力-应变曲线下的面积。工程近似计算：,1-4 材料的断裂,1.3.6 韧性的概念及静力韧度分析,材料在塑性变形过程中，也在产生微孔，微孔的产生与发展，导致材料中微裂纹的形成与长大，这种损伤达到临界状态时，裂纹失稳，实现最终的断裂。塑性变形 裂纹的形成 裂纹扩展 断裂,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,材料的宏观断裂类型根据不同的分类方法而异（1）按断前有无产生明显的塑性变形：韧性断裂和脆性断裂。可以光滑拉伸试样断面收缩率等于5%为界。（2）按断裂机理分类：切离、微孔聚集型断裂、解理断裂、准解理断裂和沿晶断裂。（3）按断裂面的取向或按作用力方式：正断和切断。,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,断裂前不发生明显塑性变形脆性玻璃、陶瓷、硬塑料高强度钢断裂前发生明显塑性变形 韧性低强度钢、铜、铝、铅,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,”脆性断裂”所需的能量：分开原子新表面的表面能”韧性断裂”所需的能量：分开原子新表面的表面能+塑性变形消耗的能量（远大于前两者之和）,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,韧性断裂：金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂。,断口(形态)一般可由以下三部分组成： 1纤维区：因颈缩后试样心部的应力最大，所以裂纹开始于试样心部。实际上试样中心部分最先出现一些已明显可见的显微空洞（微孔或微裂纹），随后长大、聚集而形成锯齿状纤维断口。通常立体上呈环状。 2放射区：环状纤维区发展到一定尺寸（临界裂纹尺寸）后，裂纹开始快速扩展（失稳扩展）而形成放射区。表现为宏观正断，但微观上并非正断（解理）。与纤维区不同，放射区是在裂纹到达临界尺寸后进行快速低能撕裂的结果。 3剪切唇：放射区形成后，试样承载面积只剩下最外侧的环状面积，最后由拉伸应力的分切应力所切断，形成剪切唇。,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,光滑圆柱试样受拉伸力作用，产生缩颈时试样的应力状态也由单向变为三向，且中心区轴向应力最大。在中心三向拉应力作用下，塑性变形难于进行，致使其中的夹杂物或第二相质点本身碎裂，或使夹杂物与基体界面脱离而形成微孔。微孔不断长大和聚合就形成显微裂纹。显微裂纹形成、扩展过程重复进行就形成锯齿状的纤维区。裂纹达临界尺寸后就快速扩展而形成有放射线花样特征的放射区。放射线平行于裂纹扩展方向而垂直于裂纹前端（每一瞬间）的轮廓线，并逆指向裂纹源。最后由拉伸应力的分切应力切断，形成与拉伸轴呈45的杯状或锥状剪切唇。,杯锥状断口形成示意图,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,圆柱形拉伸试样断裂面与正应力垂直，断口平齐、光亮。断面上的放射状条纹汇聚于一个中心，此中心区域就是裂纹源。,板状矩形截面拉伸试样“人”字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行，但其尖顶指向裂纹源。,脆性断裂的宏观断口形态,脆性断裂断口的放射状花样 脆性断裂断口的人字纹花样,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,根据裂纹扩展的途径沿晶断裂和穿晶断裂 1沿晶断裂：指裂纹沿晶界扩展，大多是脆性断裂。在多晶体变形中，晶界起协调相邻晶粒变形的作用，当晶界受到损伤，其变形能力被消弱，不足以协调相邻晶粒的变形时，便形成晶界断裂。 断裂机制：（1）晶界上存在脆性相析出（过共析钢中二次渗碳体析出）（2）高温晶界变弱（加热温度过高，晶界熔化）（3）有害元素沿晶界富集（合金钢的回火脆性）（4）晶界上有弥散相析出（奥氏体高锰钢固溶-碳化物）（5）腐蚀环境下晶界被腐蚀等原因使晶界脆化或弱化所致。,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,根据裂纹扩展的途径沿晶断裂和穿晶断裂 1沿晶断裂断裂过程： 沿晶断裂过程包括裂纹的形成与扩展。晶界受损的材料受力变形时，晶内的运动位错受阻于晶界，在晶界处造成应力集中，当集中应力达到晶界强度时，便将晶界挤裂。 此集中应力与位错塞积群中的位错数目和滑移带长度有关，即：,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,根据裂纹扩展的途径沿晶断裂和穿晶断裂 1沿晶断裂断口形貌：沿晶断裂的性质取决于 与的的相对大小 当 时，晶界开裂发生于宏观屈服之前，晶界无塑性变形，断裂呈宏观脆性，产生冰糖状断口；当 时，先发生宏观屈服变形及形变强化，晶界有塑性变形，在完成一定的变形量后发生微孔型沿晶断裂，产生石状断口。,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,根据裂纹扩展的途径沿晶断裂和穿晶断裂 1沿晶断裂,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,根据裂纹扩展的途径沿晶断裂和穿晶断裂 2穿晶断裂穿晶断裂：指裂纹沿晶内（穿过晶粒）扩展。 穿晶断裂可依据不同的微观断裂机制而具有不同的微观断口形貌特征，主要有解理、微孔聚集、准解理等。 一般地，从宏观上看，沿晶断裂多为脆性断裂，而穿晶断裂则既可以是脆性断裂，也可以是韧性断裂。,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,(1) 微孔聚合剪切断裂剪切断裂一般是韧性断裂，有微孔聚合型剪切断裂和纯剪切断裂两类。后者主要是在单晶体或高纯金属中出现。前者则是在常用金属材料中出现的形式。微观特征：主要是韧窝 通常，对微观断口上的韧窝内部进行仔细观察，观察到的韧窝只是显微空洞的一半，而在对应的断口上必有一对应的韧窝，二者的底部，至少其中之一有夹杂物粒子存在。此外，韧窝也可在晶界、孪晶界及相界处形核，此时韧窝中可能没有第二相粒子。,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,微孔聚合断裂（韧窝形成）过程,韧窝的形成与异相粒子有关在外力作用下产生塑性变形时，异相阻碍基体滑移，便在异相与基体滑移面交界处造成应力集中，当应力集中达到异相与基体界面结合强度或异相本身强度时，会使二者界面脱离或异相自身断裂，从而形成裂纹（微孔），并不断扩大，最后使夹杂物之间基体金属产生“内颈缩”，当颈缩达到一定程度后基体金属被撕裂或剪切断裂，使空洞连接，从而形成韧窝断口形貌。,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,韧窝形貌,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,影响韧窝形成的因素,韧窝的形成位置、形状、大小和深浅受很多因素影响，大致归纳起来可分为三个方面。（1）成核粒子的大小和分布；（2）材料的塑性变形能力，尤其是形变硬化的能力；（3）外部因素（包括应力大小、应力状态、温度、变形速度等）。,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,韧窝的形状主要取决于应力状态或应力与断面的相对取向。如图，当正应力垂直于微孔的平面，使微孔在此平面上各方向长大倾向相同时，则形成等轴韧窝（图a）；当切应力平行于微孔截面时，在切应力作用下微孔被拉长，断裂时形成的韧窝必是抛物线状，且在对应断面上的抛物线方向相反（图 b），形成拉长韧窝；当微孔在不均匀拉伸或弯曲加载的拉应力作用下时，断口上也形成被拉长的抛物线状韧窝，但对应断面上的抛物线方向相同，都指向裂纹源（图c），形成撕裂韧窝。,不同应力状态下的韧窝形态,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,（2）解理断裂定义：指在拉伸应力作用下，沿一定结晶面而分离的断裂。所分离的结晶面称为解理面。 一般地，解理断裂是脆性断裂，而脆性断裂却不一定是解理断裂，且解理断裂也可以是在有一定塑性变形后产生，所以，解理断裂与脆性断裂不能完全等同。 解理面一般是低指数晶面，原因是低指数晶面一般表面能低，理论断裂强度最低，优先产生断裂。通常，体心立方（100面）和密排六方（0001面）金属中易发生解理断裂，而面心立方金属只在特殊情况下才产生。,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,解理断口的微观形貌特征 对于理想单晶体而言，解理断裂可以是完全沿单一结晶面的分离，其解理断口是一毫无特征的理想平面。 在实际晶体中，由于缺陷的存在，断裂并不是沿单一的晶面解理，而是沿一组平行的晶面解理，从而在不同高度上平行的解理面之间形成解理台阶。从垂直断面上看，台阶汇合形成一种所谓的河流花样，这是解理断裂最主要的微观特征。,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,河流花样特征,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,舌状花样特征,解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌头状凹坑或凸台。,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,舌状花样特征,形成机制：解理裂纹遇到孪晶，解理裂纹沿孪晶面扩展，越过孪晶面后继续沿解理面扩展，而形成舌状花样。,解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌头状凹坑或凸台。,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,（3）准解理指解理和微孔聚合断裂的混合。 微观特征：有辐射状的河流花样，也有韧窝，且在小平面内和小平面之间还有撕裂棱。 准解理与解理的对比： 共同点：都是穿晶断裂，有小解理刻面、台阶或撕裂棱及河流花样。 不同点：准解理断裂常起源于晶内硬质点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样；而解理裂纹则起始于晶界。 准解理是通过解理台阶和撕裂棱把解理和微孔聚合两种断裂机理掺和在一起，二者没有截然的划分。,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,准解理断口特征,1-4 材料的断裂,1.6.1 金属材料的断裂,1-4 材料的断裂,1.6.2 金属断裂强度,决定材料强度的最基本因素是原子间结合力，原子间结合力越高，则弹性模量、熔点就越高。理论切变强度：两原子面作相对刚性滑移时所需的理论切应力。理论断裂强度：在外加正应力作用下，将晶体的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力。晶体材料被拉开过程中，外力做的功消耗在断口的形成上，即外力功与断口的表面能相等。根据这一思想，晶体材料的理论断裂强度可由原子间结合力的图形算出。,1-4 材料的断裂,1.6.2 金属断裂强度,应力,能量,1-4 材料的断裂,1.6.2 金属断裂强度,上式为理想晶体脆性断裂的理论断裂强度。由此可见，晶体弹性模量越大，表面能越大、原子间距越小，即结合越紧密，则理论断裂强度就越大。,1-4 材料的断裂,1.6.2 金属断裂强度,固体材料的实际断裂强度低的原因是材料内部存在着裂纹。玻璃：结晶后，热应力产生固有的裂纹陶瓷：陶瓷粉末在压制烧结时不可避免的残存裂纹金属：金属结晶时是紧密的，并不是先天性的就含有裂纹。 金属中的裂纹来自两个方面：（1）在制造工艺过程中产生；（2）在受力时由于塑性变形不均匀，当变形受到阻碍产生了很大的应力集中，当应力集中达到理论断裂强度，而材料又不能通过塑性变形使应力松弛，这样便开始萌生裂纹。,格里菲斯裂纹理论 假定有一很宽的薄板，受均匀应力 作用后，将其两端固定，这时板不再伸长，外力就不做功了。两端固定的受载薄板可视为隔离系统。 如果在板内制造一椭圆形的穿透裂纹，裂纹长度为2a。此时因与外界无能量交换，裂纹的扩展动力只能来自系统内部储存的弹性能的释放。裂纹扩展时裂纹的表面积增加，增加的单位表面积所需要的能量为比表面能 。,1-4 材料的断裂,1.6.2 金属断裂强度,1-4 材料的断裂,1.6.2 金属断裂强度,系统释放的弹性能：表面能：则，系统总能量的变化为：在总能量曲线的最高点处，系统总能量对裂纹半长a的一阶偏导数为0，即：裂纹失稳扩展的临界应力（裂纹物体的实际断裂强度）为：当裂纹长大到尺寸ac时，达到失稳扩展的临界状态，即：,1-4 材料的断裂,1.6.2 金属断裂强度,对于厚板系统释放的弹性能：裂纹失稳扩展的临界应力：裂纹失稳扩展的临界尺寸：具有临界尺寸的裂纹成为格里菲斯裂纹。,1-4 材料的断裂,1.6.2 金属断裂强度,存在圆孔、椭圆孔型裂纹时板的应力分布情况,1-4 材料的断裂,1.6.2 金属断裂强度,奥罗万和欧文指出格里菲斯公式中（ ）的表面能应由形成裂纹表面所需之表面能 及产生塑性变形所需的塑性功 构成。即：式中 为单位面积裂纹表面所消耗的塑性功， 为有效表面能。由于 远大于 ，故上式改写为：格里菲斯理论的前提：承认实际金属材料中已经存在裂纹，不涉及裂纹的来源问题。,1-4 材料的断裂,1.6.2 金属断裂强度-位错塞积或位错反应理论,是金属材料屈服时产生解理断裂的判据。根据 和Hall-Petch关系（ ）因此：当左边右边，裂纹虽能形成但不能扩展；当左边右边，裂纹形成后就能自动扩展。考虑到应力状态的影响，上式改写为：降低金属材料脆断倾向的措施：,1-4 材料的断裂,1.6.2 金属断裂强度,Thank You !,