Chapter1金屬在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能

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)性能本章目的：本章目的：（1 1）揭示金屬變形和斷裂的基本規(guī)律；）揭示金屬變形和斷裂的基本規(guī)律；（2 2）闡述靜載荷下各種力學(xué)性能指標的本）闡述靜載荷下各種力學(xué)性能指標的本質(zhì)、意義、相互關(guān)系及變化規(guī)律；質(zhì)、意義、相互關(guān)系及變化規(guī)律；（3 3）掌握靜拉伸試驗方法。）掌握靜拉伸試驗方法。一、一、靜拉伸試驗的目的（意義）與條件靜拉伸試驗的目的（意義）與條件 目的目的：揭示金屬變形和斷裂的基本規(guī)律：揭示金屬變形和斷裂的基本規(guī)律 條件條件： 受力簡單、試樣理想受力簡單、試樣理想 具體：具體： 環(huán)境環(huán)境：常溫、空氣介質(zhì)：常溫、空氣介

2、質(zhì) 載荷載荷：靜負荷、軸向單拉伸：靜負荷、軸向單拉伸 試樣試樣: : 表面光滑、圓棒形表面光滑、圓棒形1 1 力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線力伸長曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線 = P/A0 (MPa) = L/L0=(L1-L0)/L0 以以-1987-1987為依據(jù)為依據(jù)圓棒試樣圓棒試樣 ：彈性變形：彈性變形 線性、可逆性線性、可逆性 ：屈服階段：屈服階段 塑性流動、不可逆塑性流動、不可逆 ：均勻塑性變形：均勻塑性變形 應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化 ：不均勻集中塑性變形：不均勻集中塑性變形 頸縮現(xiàn)象頸縮現(xiàn)象二、低碳鋼拉伸曲線及應(yīng)力應(yīng)變曲線二、低碳鋼拉伸曲線及應(yīng)力應(yīng)變曲線 1 1 低碳鋼拉伸曲線低碳鋼拉伸曲線典型性典型性

3、 拉伸力作用下的變形過程分為拉伸力作用下的變形過程分為四個階段四個階段：過程：彈性變形過程：彈性變形彈塑性變形彈塑性變形斷裂斷裂注意注意：(1)(1)實際使用的金屬材料，多數(shù)無屈服現(xiàn)象實際使用的金屬材料，多數(shù)無屈服現(xiàn)象 或四階段不全；或四階段不全；(2)(2)拉伸曲線反映了受力后變形的特性，以及材料拉伸曲線反映了受力后變形的特性，以及材料抵抗變形、斷裂的能力。抵抗變形、斷裂的能力。l鑄鐵鑄鐵退火純銅退火純銅冷拔鋼絲冷拔鋼絲鋁青銅鋁青銅 基于試樣初始截面和初始長度定義的應(yīng)力、基于試樣初始截面和初始長度定義的應(yīng)力、應(yīng)變應(yīng)變稱為工程應(yīng)力和工程應(yīng)變。稱為工程應(yīng)力和工程應(yīng)變。2 2 工程應(yīng)力工程應(yīng)力-

4、-工程應(yīng)變曲線工程應(yīng)變曲線條件應(yīng)力：條件應(yīng)力：條件應(yīng)變條件應(yīng)變( (以長度表示以長度表示) )： ( (以面積表示以面積表示) )： 0AF0ll0AA圖圖1-2 1-2 低碳鋼的工程應(yīng)力一工程應(yīng)變曲線低碳鋼的工程應(yīng)力一工程應(yīng)變曲線比例極限比例極限: P 彈性極限彈性極限: e屈服極限屈服極限: s抗拉強度抗拉強度: b斷裂極限斷裂極限: k 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線意義：可以建立材料經(jīng)拉工程應(yīng)力應(yīng)變曲線意義：可以建立材料經(jīng)拉伸條件下的力學(xué)性能指標伸條件下的力學(xué)性能指標另另：彈性應(yīng)變量、：彈性應(yīng)變量、 塑性應(yīng)變量等塑性應(yīng)變量等退火低碳鋼退火低碳鋼正火中碳鋼正火中碳鋼高碳鋼高碳鋼 注：注：（1）三者彈性

5、模）三者彈性模量相同，但屈服強量相同，但屈服強度、抗拉強度不同；度、抗拉強度不同； （2） 低碳鋼與低碳鋼與中碳鋼存在明顯屈中碳鋼存在明顯屈服現(xiàn)象，高碳鋼無服現(xiàn)象，高碳鋼無明顯屈服現(xiàn)象明顯屈服現(xiàn)象 本章結(jié)束后能本章結(jié)束后能解釋解釋1：有機玻璃：硬而脆：有機玻璃：硬而脆退火低碳鋼退火低碳鋼正火中碳鋼正火中碳鋼高碳鋼高碳鋼2：纖維增強熱固塑料：纖維增強熱固塑料： 硬而強硬而強尼龍：硬而韌尼龍：硬而韌聚四氟乙烯：軟而韌聚四氟乙烯：軟而韌 注：比較材料的軟硬與塑性好壞之間的差別注：比較材料的軟硬與塑性好壞之間的差別真實應(yīng)變真實應(yīng)變 e e: :真實應(yīng)力真實應(yīng)力S S： S =S = AF瞬時瞬時lnl

6、n e e 3 3 真應(yīng)力真實應(yīng)變曲線真應(yīng)力真實應(yīng)變曲線 -：工程應(yīng)力應(yīng)變曲線：工程應(yīng)力應(yīng)變曲線1 工程應(yīng)力工程應(yīng)力應(yīng)變曲線中應(yīng)變曲線中“頸縮頸縮”現(xiàn)象掩蓋了現(xiàn)象掩蓋了 “加工硬加工硬化化”。2 2 思考：是否曲線不下垂就是思考：是否曲線不下垂就是S Se e曲線。曲線。頸縮頸縮 S -eS -e：真應(yīng)力真應(yīng)變曲線：真應(yīng)力真應(yīng)變曲線真應(yīng)力真應(yīng)變真應(yīng)力真應(yīng)變曲線與曲線與工程應(yīng)力一工程應(yīng)變工程應(yīng)力一工程應(yīng)變曲線之間的差別曲線之間的差別圖圖1 14 4 典型金屬的真實應(yīng)力真實應(yīng)變曲線典型金屬的真實應(yīng)力真實應(yīng)變曲線(1)(1)隨變形加劇，變形抗力增大隨變形加劇，變形抗力增大形變強化；形變強化；(2)(

7、2)不同金屬的形變強化能力各不相同。不同金屬的形變強化能力各不相同。思考：思考：哪種材質(zhì)適于制造哪種材質(zhì)適于制造礦山用鉆頭？礦山用鉆頭？圖圖1 14 4 典型金屬的真實應(yīng)力真實應(yīng)變曲線典型金屬的真實應(yīng)力真實應(yīng)變曲線例如：高錳鋼初例如：高錳鋼初始強度不高，但始強度不高，但形變強化能力強形變強化能力強適于制造礦適于制造礦山用鉆頭山用鉆頭任一零、構(gòu)件服役中均處于彈性變形狀態(tài)。任一零、構(gòu)件服役中均處于彈性變形狀態(tài)。2 2 彈性變形階段的力學(xué)性能彈性變形階段的力學(xué)性能 其中鏜床彈桿、刀架、梁等對彈性其中鏜床彈桿、刀架、梁等對彈性變形量有嚴格要求。變形量有嚴格要求。剛度要求剛度要求 提高構(gòu)件剛度的經(jīng)驗提高

8、構(gòu)件剛度的經(jīng)驗： 改變材質(zhì)改變材質(zhì) 增大截面積增大截面積1 1 彈性變形的特點：彈性變形的特點：一、彈性變形及其物理本質(zhì)一、彈性變形及其物理本質(zhì) (1)可逆性可逆性；(2)應(yīng)力應(yīng)變間單值對應(yīng)、應(yīng)力應(yīng)變間單值對應(yīng)、 近線性關(guān)系近線性關(guān)系 ； 符合虎克定律：符合虎克定律： E (3)變形量小變形量?。?.50.51%1% 原因：材料內(nèi)部存在原因：材料內(nèi)部存在 缺陷：位錯、缺陷：位錯、 裂紋、夾雜等裂紋、夾雜等2 2 彈性變形的物理本質(zhì)彈性變形的物理本質(zhì) 固態(tài)金屬晶體點陣固態(tài)金屬晶體點陣中的原子，相鄰原子間中的原子，相鄰原子間同時存在引力和斥力同時存在引力和斥力兩種力的大小隨原兩種力的大小隨原子間距

9、離而變化。子間距離而變化。 r r0 0: : 引、斥兩力平衡的原子間距引、斥兩力平衡的原子間距本質(zhì)上，彈性變形的實質(zhì)是外力克服原子間本質(zhì)上，彈性變形的實質(zhì)是外力克服原子間作用力使原子間距發(fā)生具有可逆性的變化作用力使原子間距發(fā)生具有可逆性的變化, ,即外即外力撤除后原子能恢復(fù)平衡間距。力撤除后原子能恢復(fù)平衡間距。1 1 彈性模量的物理意義：彈性模量的物理意義： 彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變的比值，彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變的比值，即產(chǎn)生單位彈即產(chǎn)生單位彈性應(yīng)變所需應(yīng)力的大小性應(yīng)變所需應(yīng)力的大小，是金屬對彈性變形的抗力，是金屬對彈性變形的抗力，表征了材料彈性變形難易表征了材料彈性變形難易，EE，難。，難。二、

10、彈性模量二、彈性模量 HookeHooke定律：定律： 正應(yīng)力時：正應(yīng)力時：E E 切應(yīng)力時：切應(yīng)力時：G G正彈性模量正彈性模量切彈性模量切彈性模量2 2 彈性模量的工程技術(shù)意義彈性模量的工程技術(shù)意義 機床主軸、鏜床彈桿、刀架、梁等對彈機床主軸、鏜床彈桿、刀架、梁等對彈性變形量性變形量( (撓度撓度) )有嚴格要求。有嚴格要求。 剛度要求剛度要求 原因：原因：剛度小剛度小易于彈性變形，過量的彈易于彈性變形，過量的彈性變形導(dǎo)致構(gòu)件性變形導(dǎo)致構(gòu)件失穩(wěn)失穩(wěn)、加工精度降低加工精度降低等等lPlEAEAP或或 EAEA 工程上工程上 E E 稱為材料的剛度稱為材料的剛度 EA EA 則為實際構(gòu)件的剛度

11、則為實際構(gòu)件的剛度llAP/E E/提高構(gòu)件剛度的途徑：提高構(gòu)件剛度的途徑： 選擇高彈性模量材料；選擇高彈性模量材料； 加大構(gòu)件截面積加大構(gòu)件截面積剛度（剛度（E E）的實用意義：）的實用意義：是衡量構(gòu)件抵抗彈性變形的能力以及是衡量構(gòu)件抵抗彈性變形的能力以及構(gòu)件穩(wěn)定性的重要指標；構(gòu)件穩(wěn)定性的重要指標；例：制造飛機結(jié)構(gòu)的鋁合金例：制造飛機結(jié)構(gòu)的鋁合金 抗拉強度大約抗拉強度大約650 MN/mm650 MN/mm2 2以下；若提高強度，以下；若提高強度，截面積可減少截面積可減少但剛度不夠但剛度不夠 工程設(shè)計中強度、剛度均需校核工程設(shè)計中強度、剛度均需校核 有時寧可選擇強度較低、高彈性模量材料有時寧

12、可選擇強度較低、高彈性模量材料空間飛行器要求較高的空間飛行器要求較高的比彈性模量比彈性模量E/E/幾種材料在常溫下的彈性模量（幾種材料在常溫下的彈性模量（MPaMPa）材料名稱材料名稱彈性模量彈性模量E材料名稱材料名稱彈性模量彈性模量E低碳鋼低碳鋼2.0105石英玻璃石英玻璃0.73105不銹鋼不銹鋼(1.92.0) 105氧化鎂氧化鎂2.1105鎢鎢(3.84.2) 105聚乙烯聚乙烯(4.31.8) 103鋁合金鋁合金(0.80.6) 105聚氯乙稀聚氯乙稀(2.80.1) 103金剛石金剛石10.39 105皮革皮革(4.01.2) 102碳化硅碳化硅4.14105橡膠橡膠(7.80.2

13、) 10現(xiàn)象現(xiàn)象1 1： 無機非金屬材料、金屬、合金無機非金屬材料、金屬、合金EE；高分子聚合物高分子聚合物 E E ；現(xiàn)象現(xiàn)象2 2：超高強度鋼較低碳鋼強度高十倍。但：超高強度鋼較低碳鋼強度高十倍。但二者二者E E值基本相同。值基本相同。 主要主要與原子間結(jié)合力與原子間結(jié)合力( (結(jié)合鍵結(jié)合鍵) )有關(guān)有關(guān)3 3 影響彈性模量的因素影響彈性模量的因素（1 1）與原子間結(jié)合力有關(guān)：）與原子間結(jié)合力有關(guān)： 原子間距離或原子半徑原子間距離或原子半徑 a a或或r r愈小，愈小， E E 愈大愈大 E = k /E = k / a a m m m1 m1 價電子數(shù)：價電子數(shù)：價電子數(shù)愈多，價電子數(shù)愈

14、多， E E 愈大愈大注意特殊注意特殊：過渡族金屬較普通金屬：過渡族金屬較普通金屬E E值高值高 原因：原因：d d 層電子較多，原子結(jié)合力大，層電子較多，原子結(jié)合力大，且隨原子半徑增大而增大且隨原子半徑增大而增大 合金元素影響小合金元素影響?。? 2）溫）溫 度度 TT，a a ，EE 原因：影響原子間距離及原子間結(jié)合力原因：影響原子間距離及原子間結(jié)合力 Fe: Fe: 每升高每升高100 100 ，E E下降約下降約3 34 4晶界弱化晶界弱化溫度的影響總體較小，溫度的影響總體較小，故一般不需考慮溫度變故一般不需考慮溫度變化引起的剛度問題；但化引起的剛度問題；但精密儀表、高精度機床精密儀表

15、、高精度機床中某些零件除外。中某些零件除外。解決方法：恒溫環(huán)境解決方法：恒溫環(huán)境 采用采用(3)(3)加載速度加載速度 基本不影響基本不影響 原因：原因： 彈性變形速度相當于聲速，金屬、無彈性變形速度相當于聲速，金屬、無機物中達幾千機物中達幾千m/sm/s，擺錘沖擊速度僅，擺錘沖擊速度僅46 46 m/sm/s。 應(yīng)用：沖擊負荷的測定應(yīng)用：沖擊負荷的測定 利用彈性模量不變，測定應(yīng)變值即可：利用彈性模量不變，測定應(yīng)變值即可： 即即E( (4)4)合金化、熱處理、合金化、熱處理、 冷加工的影響冷加工的影響 取決于對原子間鍵合力的影響取決于對原子間鍵合力的影響 E E為非組織敏感參量，故影響小。為非

16、組織敏感參量，故影響小。 例例: : 中高碳鋼淬火后中高碳鋼淬火后 E E 下降下降10%;10%; 隨回火溫度升高，隨回火溫度升高，E E 逐漸回升逐漸回升。E E是力學(xué)性能中組織最不敏感參量。是力學(xué)性能中組織最不敏感參量。另：另：單晶體單晶體 E E 值各向異性；值各向異性； 原因：不同晶向原子排列不同原因：不同晶向原子排列不同 沿原子密排晶向上的彈性模量較大。沿原子密排晶向上的彈性模量較大。 多晶體多晶體 E E 偽各向同性偽各向同性 如：如：-Fe-Fe單晶體室溫下單晶體室溫下 沿沿晶向晶向: E=2.7: E=2.7 105MPaMPa 沿沿晶向晶向: E=1.25: E=1.25

17、105MPaMPa 非晶態(tài)材料玻璃等非晶態(tài)材料玻璃等各向同性各向同性 1 1 彈性極限彈性極限 e e 彈性變形的抗力彈性變形的抗力 由彈性變形過渡到彈塑性由彈性變形過渡到彈塑性 變形時的應(yīng)力變形時的應(yīng)力, , 但但實際難測，實際難測， 規(guī)定規(guī)定采用非比例伸長應(yīng)力采用非比例伸長應(yīng)力 p0.01p0.01或或 p0.05p0.05 ：產(chǎn)：產(chǎn)生規(guī)定生規(guī)定非比例伸長率非比例伸長率0.01%0.01%或或0.05%0.05%時對應(yīng)的應(yīng)力時對應(yīng)的應(yīng)力; ; 2 2 彈性模量彈性模量 E E（前已述）（前已述） 彈性變形的難易彈性變形的難易 3 3 最大彈性變形量最大彈性變形量E E三、金屬的彈性指標三、

18、金屬的彈性指標 e eE E4 4、彈性比功、彈性比功 W WE E（彈性比能、應(yīng)變比能）（彈性比能、應(yīng)變比能） 選材時須綜合考慮選材時須綜合考慮E E、E E、 P P。 引入彈性比功引入彈性比功 W WE E：表示材料吸收彈性：表示材料吸收彈性變形功的能力。變形功的能力。 W W (F(FP PllE E) )，兩端各除以兩端各除以A A0 0l l0 0 W WE E (P PE E) ) P P2 2/2E/2E單位體積內(nèi)吸收單位體積內(nèi)吸收的彈性功的彈性功提高比例極限提高比例極限P P比降低比降低E E更有效更有效彈簧或彈性元件的材料要求高的彈性比功：彈簧或彈性元件的材料要求高的彈性比

19、功： P P 大大 ，E E 小小 例如彈簧鋼成分與工藝設(shè)計目的均是為例如彈簧鋼成分與工藝設(shè)計目的均是為 P P （1 1）加）加SiSi、MnMn固溶強化固溶強化; ;（2 2）淬火中溫回火）淬火中溫回火細小第二相強化、細小第二相強化、 位錯強化位錯強化; ;（3 3）冷拉）冷拉位錯強化位錯強化. .彈性比功的意義：金屬開始塑性變形前單位體積彈性比功的意義：金屬開始塑性變形前單位體積吸收的最大彈性變形功，也是一個韌度指標。吸收的最大彈性變形功，也是一個韌度指標。 0e1 P P =240N/mm31784287585初始拉伸初始拉伸初始壓縮初始壓縮初始壓縮后卸載，初始壓縮后卸載，再進行第二次

20、壓縮再進行第二次壓縮初始壓縮后初始壓縮后卸載，第二卸載，第二次進行拉伸次進行拉伸2301初始拉伸后卸初始拉伸后卸載，再進行第載，再進行第二次拉伸二次拉伸第三節(jié)第三節(jié) 彈性的不完整性彈性的不完整性(1)(1)定義定義： 產(chǎn)生了少量塑性變形（產(chǎn)生了少量塑性變形（1 14 4）的材料，）的材料，再同向加載，則規(guī)定殘余伸長應(yīng)力再同向加載，則規(guī)定殘余伸長應(yīng)力r r（彈性（彈性極限極限e e與屈服強度與屈服強度s s）升高；反向加載則規(guī)）升高；反向加載則規(guī)定殘余伸長應(yīng)力定殘余伸長應(yīng)力r r（彈性極限（彈性極限e e與屈服強度與屈服強度s s）降低的現(xiàn)象，稱為包申格效應(yīng)。）降低的現(xiàn)象，稱為包申格效應(yīng)。(2)

21、(2)產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因： 與位錯運動所受的阻力變化有關(guān)。與位錯運動所受的阻力變化有關(guān)。 預(yù)先的少量塑性變形預(yù)先的少量塑性變形位錯在運動前沿受阻產(chǎn)位錯在運動前沿受阻產(chǎn)生聚集，甚至形成位錯胞生聚集，甚至形成位錯胞提高同向強度；提高同向強度； 反方向上，位錯阻力小反方向上，位錯阻力小降低反向強度降低反向強度(3)(3)實際意義實際意義： 害處：交變載荷工件強度下降問題；害處：交變載荷工件強度下降問題； 利用：薄板反向彎曲易于成形等利用：薄板反向彎曲易于成形等 (4)(4)消除消除：(1)(1)預(yù)先進行較大的塑性變形預(yù)先進行較大的塑性變形 （2 2）二次受力前回復(fù)或再結(jié)晶退火。）二次受力前回復(fù)或再結(jié)晶

22、退火。 2 2 彈性后效（滯彈性）彈性后效（滯彈性） 實際絕大多數(shù)固體材料非理想彈性體實際絕大多數(shù)固體材料非理想彈性體（2 2）種類：）種類：正彈性后效正彈性后效：加載時應(yīng)變落后于應(yīng)力而：加載時應(yīng)變落后于應(yīng)力而和時間有關(guān)的現(xiàn)象。和時間有關(guān)的現(xiàn)象。反彈性后效反彈性后效：卸載時應(yīng)變落后于應(yīng)力而：卸載時應(yīng)變落后于應(yīng)力而和時間有關(guān)的現(xiàn)象。和時間有關(guān)的現(xiàn)象。（1 1）定義：）定義：是指材料在快速加載或卸載是指材料在快速加載或卸載后，隨時間的延長而產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變，后，隨時間的延長而產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變，即應(yīng)變落后于應(yīng)力的性能。即應(yīng)變落后于應(yīng)力的性能。（3 3）產(chǎn)生原因：）產(chǎn)生原因： 與金屬中點缺陷、線缺陷的

23、運動有關(guān)。與金屬中點缺陷、線缺陷的運動有關(guān)。(5)(5)消除方法：消除方法： 長時間退火長時間退火( (消除各類組織缺陷消除各類組織缺陷) )（4 4）意義）意義 影響精密儀表如影響精密儀表如油壓表的測量精度；油壓表的測量精度； 校直件放置后又校直件放置后又彎曲現(xiàn)象彎曲現(xiàn)象碳在碳在FeFe中的有序擴散遷移中的有序擴散遷移C C 金屬在彈性區(qū)內(nèi)加載卸載時，由于應(yīng)變金屬在彈性區(qū)內(nèi)加載卸載時，由于應(yīng)變落后于應(yīng)力，使加載線與卸載線不重合而形落后于應(yīng)力，使加載線與卸載線不重合而形成一封閉回線，封閉回線稱為成一封閉回線，封閉回線稱為彈性滯后環(huán)彈性滯后環(huán)。 意義：材料吸收的變形功的大小意義：材料吸收的變形功

24、的大小(6) (6) 滯后環(huán)與循環(huán)韌性滯后環(huán)與循環(huán)韌性0e內(nèi)耗內(nèi)耗：在：在交變載荷交變載荷作用下，若所加載荷的作用下，若所加載荷的最大應(yīng)力最大應(yīng)力e e（在塑性區(qū)加載），則（在塑性區(qū)加載），則得到得到塑性塑性滯后環(huán)，稱為循環(huán)韌性。滯后環(huán)，稱為循環(huán)韌性。 注：實際中大多不區(qū)分二者注：實際中大多不區(qū)分二者循環(huán)韌性（內(nèi)耗）的意義（循環(huán)韌性（內(nèi)耗）的意義（P7P7）：）：v 循環(huán)韌性是金屬的力學(xué)性能，它表示材循環(huán)韌性是金屬的力學(xué)性能，它表示材料吸收不可逆變形功的能力，又稱為消振性。料吸收不可逆變形功的能力，又稱為消振性。 低內(nèi)耗材質(zhì)低內(nèi)耗材質(zhì)振動衰減慢振動衰減慢 音叉、鐘、琴弦、簧片等音叉、鐘、琴弦、

25、簧片等 高內(nèi)耗材質(zhì)高內(nèi)耗材質(zhì)振動衰減快振動衰減快 制作消震、消聲件（發(fā)動機缸體、制作消震、消聲件（發(fā)動機缸體、飛機螺旋槳、汽輪機葉片）飛機螺旋槳、汽輪機葉片）例：灰口鑄鐵例：灰口鑄鐵機床床身、機器支架、機床床身、機器支架、 第四節(jié)第四節(jié) 塑性變形階段的力學(xué)性能塑性變形階段的力學(xué)性能一、塑性變形的方式一、塑性變形的方式 主要方式：滑移和孿生主要方式：滑移和孿生 滑移是金屬在切應(yīng)力作用下沿滑移面和滑移是金屬在切應(yīng)力作用下沿滑移面和滑移方向進行的切變過程。滑移方向進行的切變過程。單晶體單晶體滑移示意圖滑移示意圖滑移線滑移線滑移帶滑移帶(100個原個原子間距子間距)10000個原子間距個原子間距 孿生

26、是發(fā)生在金屬晶體內(nèi)部局部區(qū)域的孿生是發(fā)生在金屬晶體內(nèi)部局部區(qū)域的一個均勻切變過程。切變區(qū)的寬度較小，切一個均勻切變過程。切變區(qū)的寬度較小，切變后已變形區(qū)的晶體取向與未變形區(qū)的晶體變后已變形區(qū)的晶體取向與未變形區(qū)的晶體取向成鏡面對稱關(guān)系。取向成鏡面對稱關(guān)系。孿晶帶孿晶帶孿生面孿生面孿生面孿生面 孿生示意圖孿生示意圖 1 1 屈服定義：材料承受載荷時，當載荷不再屈服定義：材料承受載荷時，當載荷不再增加而仍繼續(xù)發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象。增加而仍繼續(xù)發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象。 宏觀塑性變形開始的標志。宏觀塑性變形開始的標志。二、屈服現(xiàn)象及產(chǎn)生原因二、屈服現(xiàn)象及產(chǎn)生原因試樣局部區(qū)域出現(xiàn)呂德斯帶2 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因：

27、 理論一：柯氏氣團釘扎理論理論一：柯氏氣團釘扎理論 C、N原子形成柯氏氣團，釘扎位錯，原子形成柯氏氣團，釘扎位錯，使位錯運動受阻使位錯運動受阻存在上屈服點存在上屈服點 位錯從柯氏氣團擺脫釘位錯從柯氏氣團擺脫釘扎后，可低應(yīng)力運動扎后，可低應(yīng)力運動 下屈服點下屈服點理論二、低密度可動位錯理論理論二、低密度可動位錯理論 位錯密度位錯密度、其運動平均速率、其運動平均速率 、柏氏矢量、柏氏矢量b 和塑性應(yīng)變速率和塑性應(yīng)變速率之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：v 一些材料在屈服變形前其內(nèi)部可動位錯一些材料在屈服變形前其內(nèi)部可動位錯很少，很少，很低，而很低，而一定，故位錯要開動，一定，故位錯要開動，須須很大；一旦開動

28、，位錯迅速增殖，很大；一旦開動，位錯迅速增殖，減小減小存在上、下屈服點原因存在上、下屈服點原因 。 波動原因波動原因: 變形的不均勻性變形的不均勻性 )/(0mbvb位錯運動速率位錯運動速率應(yīng)力敏感指數(shù)應(yīng)力敏感指數(shù)3 3 產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的條件產(chǎn)生屈服現(xiàn)象的條件(P10)(P10) （1 1）材料變形前可動位錯密度很?。唬┎牧献冃吻翱蓜游诲e密度很??； （2 2）隨塑性變形發(fā)生，位錯能快速增殖；）隨塑性變形發(fā)生，位錯能快速增殖； （3 3）位錯運動速率應(yīng)力敏感指數(shù)）位錯運動速率應(yīng)力敏感指數(shù)mm小。小。 其它強化機其它強化機制如第二相制如第二相對位錯運動對位錯運動的影響更大的影響更大fccfcc結(jié)構(gòu)，

29、結(jié)構(gòu)，mm大大原因：原因：(1)(1)實際位實際位錯密度仍較大，錯密度仍較大，但大多被釘扎；但大多被釘扎；(2)(2)具有具有bccbcc結(jié)結(jié)構(gòu)，其構(gòu)，其mm小小問題：為什么退火、正火、調(diào)質(zhì)態(tài)低碳鋼、問題：為什么退火、正火、調(diào)質(zhì)態(tài)低碳鋼、中碳鋼屈服明顯，而銅、鋁、高碳鋼屈服中碳鋼屈服明顯，而銅、鋁、高碳鋼屈服不明顯？不明顯？3 3 屈服現(xiàn)象的意義及消除屈服現(xiàn)象的意義及消除 塑性變形開始的標志；塑性變形開始的標志； 害處：冷成形低碳鋼板表面的皺褶現(xiàn)象害處：冷成形低碳鋼板表面的皺褶現(xiàn)象 消除方法：消除方法： （1 1）添加少量）添加少量AlAl、TiTi固定固定C C、N N； （2 2）先）先1

30、 12 2的預(yù)軋變形，再沖擊變形的預(yù)軋變形，再沖擊變形三、塑性變形階段的力學(xué)性能三、塑性變形階段的力學(xué)性能 1 1 強度指標：強度指標： （1 1）屈服強度）屈服強度s s ：試樣出現(xiàn)應(yīng)力不再增加：試樣出現(xiàn)應(yīng)力不再增加而變形仍在進行的現(xiàn)象時的應(yīng)力。而變形仍在進行的現(xiàn)象時的應(yīng)力。 計算式：計算式：s s=F=Fs s/A/A0 0 有屈服平臺：屈服點或下屈服點有屈服平臺：屈服點或下屈服點 無屈服平臺：規(guī)定殘余伸長應(yīng)力無屈服平臺：規(guī)定殘余伸長應(yīng)力r0.2r0.2 殘余塑性變形量為殘余塑性變形量為0.2%0.2%的應(yīng)力的應(yīng)力 條件屈服強度條件屈服強度 材料抵抗微量塑性變形的抗力。材料抵抗微量塑性變形

31、的抗力。低碳鋼低碳鋼銅銅實際中，比例極限、彈性極限、屈服強度實際中，比例極限、彈性極限、屈服強度均為抵抗微量塑性變形的指標均為抵抗微量塑性變形的指標（2 2）抗拉強度）抗拉強度b b ： 使試樣保持最大均勻變形的極限應(yīng)力，使試樣保持最大均勻變形的極限應(yīng)力，又稱為又稱為強度極限強度極限。 用拉伸條件下材料所能承受的最大載荷用拉伸條件下材料所能承受的最大載荷的應(yīng)力值表示，計算式：的應(yīng)力值表示，計算式： b b=F=Fb b/A/A0 0 表征材料對最大均勻塑性變形的抗力。表征材料對最大均勻塑性變形的抗力。注意：非最大真應(yīng)力，也非斷裂負荷注意：非最大真應(yīng)力，也非斷裂負荷 另：另：屈強比屈強比（ s

32、/ b ）：）：0.60.85 屈強比高，強度利用率高；屈強比高，強度利用率高； 屈強比低，安全性高屈強比低，安全性高 綜合考慮材料利用率和安全性綜合考慮材料利用率和安全性2 2 塑性指標塑性指標： 塑性定義塑性定義：材料斷裂前發(fā)生永久不可逆變：材料斷裂前發(fā)生永久不可逆變形的能力稱為。形的能力稱為。 塑性的意義塑性的意義：偶然過載時，塑性變形造成應(yīng)變硬化偶然過載時，塑性變形造成應(yīng)變硬化, ,可一可一定程度上抵抗超負荷；定程度上抵抗超負荷；構(gòu)件內(nèi)部存在應(yīng)力集中構(gòu)件內(nèi)部存在應(yīng)力集中( (溝、槽、臺階等溝、槽、臺階等) )時，時，通過塑性變形使應(yīng)力緩解、重新分布；通過塑性變形使應(yīng)力緩解、重新分布；材

33、料可加工、易成型性，可裝配、修復(fù)材料可加工、易成型性，可裝配、修復(fù) 良好的塑性（而非強度）是金屬作為結(jié)良好的塑性（而非強度）是金屬作為結(jié)構(gòu)件的主要原因。構(gòu)件的主要原因。塑性衡量指標有二：塑性衡量指標有二：（1 1） 斷后伸長率斷后伸長率延伸率延伸率 = L/L0 =(L1-L0)/L0 那么，那么，是否與是否與 試樣尺寸無關(guān)？試樣尺寸無關(guān)？ 斷裂后的總伸長斷裂后的總伸長Lk= LgLN 故：故：Lk/ L L0 0=(L=(L0 0AA0 01/21/2)/L)/L0 0 A A0 01/21/2/ /L L0 0 LNLg：頸縮：頸縮前均勻塑前均勻塑性伸長性伸長與與L L0 0有關(guān)有關(guān)LN：

34、頸縮：頸縮后局部塑后局部塑性伸長性伸長與與A A0 0有關(guān)有關(guān) Lg A A0 01/21/2/ /L L0 0 結(jié)論：結(jié)論： （1 1）與與A A0 0、L L0 0有關(guān)：有關(guān)： A A0 0相同時，相同時， L L0 0愈長則愈長則愈小；愈小； L L0 0相同時，相同時， A A0 0愈大則愈大則愈大愈大 （2 2）為使）為使具有可比性，具有可比性， L L0 0/A/A0 01/21/2需為常數(shù)：需為常數(shù)： 國家標準規(guī)定：此值為國家標準規(guī)定：此值為5.655.65、11.311.3 分別對應(yīng)前所述分別對應(yīng)前所述 L L0 0 = 5d= 5d0 0; L; L0 0 = 10d= 10

35、d0 0; ; (3) (3) 不能用不能用5 5 與與1010相比較：相比較： 同種材料的同種材料的5 5 為為1010的的1.21.21.51.5倍倍（2 2）斷面收縮率）斷面收縮率 試樣拉斷后頸縮處橫截面積的最大縮減試樣拉斷后頸縮處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。量與原始橫截面積的百分比。 =A/A0（A A0 0A A1 1）/A/A0 0100%100%； 問題一、問題一、與與之間相等嗎？之間相等嗎？與與哪個哪個更接近真實塑性？更接近真實塑性？ 問題二、工程塑性問題二、工程塑性、與真塑性與真塑性 e e、e e之間的關(guān)系？之間的關(guān)系？均勻變形階段均勻變形階段，利用體積不變

36、定律可推導(dǎo)出：，利用體積不變定律可推導(dǎo)出： /(1+);/(1+); 得：得： 均勻均勻+ +不均勻變形不均勻變形即存在頸縮現(xiàn)象時：即存在頸縮現(xiàn)象時： 較較 顯著增大，且顯著增大，且 即：無論是否存在頸縮，塑性變形階段即：無論是否存在頸縮，塑性變形階段兩兩個工程塑性指標個工程塑性指標、均不相等均不相等均勻變形時均勻變形時與與關(guān)系的推導(dǎo)關(guān)系的推導(dǎo): :均勻變形時有：均勻變形時有： L L0 0S S0 0=LS =LS 另：另： L=LL=L0 0+L=L+L=L0 0(1+L/L(1+L/L0 0)=L)=L0 0 (1+) (1+) S=SS=S0 0-S=S-S=S0 0(1-S/S(1-

37、S/S0 0)=S)=S0 0 (1-)(1-)故：故： L L0 0S S0 0=L=L0 0 (1+)S(1+)S0 0 (1-)(1-) 1 1 (1+)(1-)(1+)(1-)有：有： /(1-); /(1-); /(1+);/(1+); 首先需建立首先需建立、與真實塑性指標與真實塑性指標e e 、e e間的關(guān)系，均勻變形階段有：間的關(guān)系，均勻變形階段有： e elnA/AlnA/A0 0；e=lnL/Le=lnL/L0 0 而：而：A/AA/A0 0L L0 0/L /L ； 得：得：e e- e- e即：均勻塑性變形階段，即：均勻塑性變形階段，兩個真實塑性兩個真實塑性 指標指標e

38、e、 e e相等相等問題：問題：與與，哪個更接近真實塑性？，哪個更接近真實塑性？ 進一步推導(dǎo)出均勻變形階段四個塑性進一步推導(dǎo)出均勻變形階段四個塑性指標間的關(guān)系為：指標間的關(guān)系為： e e -e eln(1+)ln(1+)ln1/(1-)ln1/(1-) 通過數(shù)學(xué)分析有以下結(jié)論：通過數(shù)學(xué)分析有以下結(jié)論：（1 1）僅形變量）僅形變量3% e e =e e（2 2）變形量）變形量30% 且且比比更接近真實塑性更接近真實塑性結(jié)論：結(jié)論：（1 1）比比更真實反映材料塑性；更真實反映材料塑性；（2 2）根據(jù)材料）根據(jù)材料與與的大小可判斷材料的大小可判斷材料是否形成頸縮是否形成頸縮 無頸縮無頸縮 頸縮，差別

39、越大越嚴重頸縮，差別越大越嚴重例如：例如： 高錳鋼高錳鋼: 55: 55，3535，無頸縮，無頸縮 12CrNi3: 2612CrNi3: 26，6565，頸縮，頸縮 屈服過程是位錯運動過程，屈服過程是位錯運動過程，純金屬單純金屬單晶體的屈服強度理論上講是位錯開始運動晶體的屈服強度理論上講是位錯開始運動所需的臨界切應(yīng)力所需的臨界切應(yīng)力，故所有阻礙位錯運動，故所有阻礙位錯運動的因素均提高屈服強度。的因素均提高屈服強度。位錯阻力：位錯阻力： 晶格阻力；晶格缺陷的阻力。晶格阻力；晶格缺陷的阻力。 四、影響屈服強度的因素四、影響屈服強度的因素 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 晶格阻力也稱派納力晶格阻力也稱派納力p-

40、np-n理想晶體中理想晶體中僅存在一個位錯運動時所須克服的阻力。僅存在一個位錯運動時所須克服的阻力。)2exp(12)1 (/2exp12bGbaGnp G: G: 切變模量；切變模量； ：泊松比：泊松比 a: a: 滑移面晶面間距滑移面晶面間距 b b：柏氏矢量的模。：柏氏矢量的模。 =a/(1-)=a/(1-)：位錯的寬度：位錯的寬度結(jié)論：結(jié)論：（1 1）晶體滑移所需克服的切應(yīng)力是很低的：）晶體滑移所需克服的切應(yīng)力是很低的： 派納力約為（派納力約為（10103 310104 4）G;G;（2 2）滑移面間距）滑移面間距a a值越大，柏氏矢量的模值越大，柏氏矢量的模 b b值越小，則晶格阻力

41、越小；值越小，則晶格阻力越?。?滑移系取最密排面滑移系取最密排面a a值最大值最大 最密排晶向最密排晶向b b值最小；值最??；（3 3）位錯寬度越小，滑移的晶格阻力越大。）位錯寬度越小，滑移的晶格阻力越大。 塑性材料塑性材料位錯寬度約位錯寬度約1010個原子間距；個原子間距； 陶瓷及定向共價鍵材料，位錯寬度很小陶瓷及定向共價鍵材料，位錯寬度很小 晶格阻力大、脆晶格阻力大、脆 另：另：s(f.c.c,位錯寬度大位錯寬度大)(bcc)p-np-n(fcc) (fcc) 而而p-np-n受溫度影響大受溫度影響大W晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) -W：穩(wěn)定晶型，體心立方，：穩(wěn)定晶型，體心立方，a=(0.316254

42、 0.000004)nm(25)；-W：亞穩(wěn)晶型，立方：亞穩(wěn)晶型，立方A15晶格，加熱至晶格，加熱至600700時轉(zhuǎn)變?yōu)闀r轉(zhuǎn)變?yōu)?W，a=0.50370.509nm；-W：面心立方，僅發(fā)現(xiàn)在濺射最初期的薄層和無定形鎢中，：面心立方，僅發(fā)現(xiàn)在濺射最初期的薄層和無定形鎢中，a=0.423 nm，700時轉(zhuǎn)變時轉(zhuǎn)變?yōu)闉?WMo的晶體結(jié)構(gòu)是否存在相變？若有，相變與力學(xué)性能有何關(guān)系？的晶體結(jié)構(gòu)是否存在相變？若有，相變與力學(xué)性能有何關(guān)系？五、應(yīng)變硬化（形變強化）五、應(yīng)變硬化（形變強化） 材料在應(yīng)力作用下進入塑性變形階段后，材料在應(yīng)力作用下進入塑性變形階段后，隨著變形量的增大，形變應(yīng)力不斷提高的現(xiàn)象隨著變形

43、量的增大，形變應(yīng)力不斷提高的現(xiàn)象 機理：位錯的增殖與交互作用導(dǎo)致的阻礙機理：位錯的增殖與交互作用導(dǎo)致的阻礙 0.00.51.01.52.00.00.51.01.52.0true strain-stress linePbPmStress / MPaStrain (1)(1)多晶體金屬的應(yīng)力多晶體金屬的應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 (2) (2) 均勻塑性變形階段應(yīng)力與應(yīng)變之間符合均勻塑性變形階段應(yīng)力與應(yīng)變之間符合HollomonHollomon關(guān)系式關(guān)系式 實驗證明：實驗證明：S=KeS=Ken n。 真應(yīng)力真應(yīng)力真應(yīng)變真應(yīng)變應(yīng)變硬化指數(shù)應(yīng)變硬化指數(shù)硬化系數(shù)：真實應(yīng)變等于硬化系數(shù)：真實應(yīng)變等于1.01.

44、0時的真實應(yīng)力。時的真實應(yīng)力。 S=K S=Ke en n。討論：討論： n=0n=0則則S=KS=K，S S為常數(shù)，與為常數(shù)，與e e無關(guān)無關(guān) 無形變強化能力。無形變強化能力。 例如：在室溫下即產(chǎn)生再結(jié)晶的軟例如：在室溫下即產(chǎn)生再結(jié)晶的軟金屬如金屬如PbPb、SnSn等，或已受強烈加工硬化等，或已受強烈加工硬化的材料。的材料。 n=1n=1則則S=KS=Ke e，S S與與e e線性關(guān)系線性關(guān)系 理想彈性體。理想彈性體。 n n從從0 0到到1 1區(qū)間內(nèi)，形變強化能力上升。區(qū)間內(nèi)，形變強化能力上升。 大多數(shù)金屬大多數(shù)金屬n n在在0.10.10.50.5之間。之間。 （3 3）n n 的意義

45、：的意義： a a、反映了金屬材料抵抗、阻止繼續(xù)塑性變形的、反映了金屬材料抵抗、阻止繼續(xù)塑性變形的能力，是表征金屬材料應(yīng)變硬化的性能指標；能力，是表征金屬材料應(yīng)變硬化的性能指標； b b、n n 較大，變形則較均勻；抗偶然過載能力較較大，變形則較均勻；抗偶然過載能力較強；安全性相對較好；強；安全性相對較好； n n 值的高低表示了材料發(fā)生頸縮前依靠硬值的高低表示了材料發(fā)生頸縮前依靠硬化使材料均勻變形能力的大小。化使材料均勻變形能力的大小。 c c、應(yīng)變硬化是強化的重要手段之一，尤不能熱、應(yīng)變硬化是強化的重要手段之一，尤不能熱處理的材料，如純金屬、無固態(tài)相變金屬等。處理的材料，如純金屬、無固態(tài)相

46、變金屬等。例如：例如： 噴丸強化噴丸強化 18188 8不銹鋼的形不銹鋼的形變強化：變強化： 4040時，時， b b22倍，倍， s s 4 45 5倍倍 復(fù)相鋼復(fù)相鋼(F+10(F+101515M)M)的形變強化的形變強化在汽在汽車工業(yè)上的應(yīng)用：車工業(yè)上的應(yīng)用： 同時同時、（4 4）n n的測定的測定實驗測定法（實驗測定法（GB5028-85GB5028-85） 由由S=KeS=Ken n lgSlgS=lgK=lgKn nlgelge 雙對數(shù)坐標雙對數(shù)坐標 lgSlgS與與lgelge線性關(guān)系，線性關(guān)系， 由于由于 S S=(1+); =(1+); e e=ln(1+)=ln(1+) 只

47、要在拉伸曲線上只要在拉伸曲線上 確定幾個確定幾個、即可。即可。 lgelge0 0 處可求處可求K K值值 直線斜率即為直線斜率即為n n 幾種金屬的幾種金屬的 n 值和層錯能（值和層錯能（mJm-2）金屬金屬奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼銅銅鋁鋁鐵鐵n0.450.550.30.250.15層錯能層錯能13402002001000 fccfcc金屬的金屬的n n值比值比bccbcc金屬要高金屬要高； fccfcc金屬中層錯能低的材料比層錯能高的金屬中層錯能低的材料比層錯能高的硬化能力大硬化能力大實質(zhì)影響因素是層錯能實質(zhì)影響因素是層錯能 原因：層錯能低不易交滑移原因：層錯能低不易交滑移易位錯增殖易位錯

48、增殖 層錯能低的層錯能低的 n n 值較高值較高 （5 5）影響）影響 n n 值的因素值的因素 材料的強度材料的強度： 經(jīng)驗式：經(jīng)驗式： n ns s = = 常數(shù)常數(shù)反比關(guān)系反比關(guān)系 經(jīng)過硬化的材料經(jīng)過硬化的材料 n n 值會減少值會減少 注：注：拉伸試樣出現(xiàn)均勻塑性變形階段的前拉伸試樣出現(xiàn)均勻塑性變形階段的前提是材料必須有足夠的應(yīng)變硬化能力。提是材料必須有足夠的應(yīng)變硬化能力。影響影響b b的因素：的因素：(1)(1)所有影響所有影響s s的因素均影響的因素均影響b b; ;但程度不同但程度不同(2)(2)與裂紋、夾雜等應(yīng)力集中因素有關(guān)與裂紋、夾雜等應(yīng)力集中因素有關(guān)幾種強度指標：幾種強度指

49、標： s s、0.20.2、p p、e e、b b 機器零件多采用機器零件多采用屈服強度屈服強度；變形要求嚴；變形要求嚴的零件如火炮炮鏜可采用的零件如火炮炮鏜可采用比例極限比例極限；變形要；變形要求不高或?qū)χ亓肯拗坪車栏穸燮诤芏痰那蟛桓呋驅(qū)χ亓肯拗坪車栏穸燮诤芏痰臉?gòu)件如火箭上某些構(gòu)件可采用構(gòu)件如火箭上某些構(gòu)件可采用抗拉強度；抗拉強度；微量塑變抗力指標微量塑變抗力指標結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)材料工程設(shè)計中最重要指標材料工程設(shè)計中最重要指標第五節(jié) 金屬的斷裂 1943 1943年年1 1月，一艘剛通過試船的油輪在碼月，一艘剛通過試船的油輪在碼頭停泊時，突然一聲巨響折斷為二。頭停泊時，突然一聲巨響折斷為二。

50、 核算后當時所受拉應(yīng)力僅為核算后當時所受拉應(yīng)力僅為70MN/m70MN/m2 2，而，而低碳鋼船體的低碳鋼船體的s s為為250MN/m250MN/m2 2，b b為為400400500MN/m500MN/m2 2； 低應(yīng)力斷裂低應(yīng)力斷裂 調(diào)查后發(fā)現(xiàn)：調(diào)查后發(fā)現(xiàn)：(1) (1) 氣溫為氣溫為55； (2)(2)內(nèi)部存在內(nèi)部存在0.10.110mm10mm的裂紋的裂紋 斷裂往往與裂紋有關(guān)斷裂往往與裂紋有關(guān)脆性斷裂脆性斷裂一、斷裂的類型及斷口的特征一、斷裂的類型及斷口的特征 (P24)(P24) 1 1 斷裂類型斷裂類型分類分類方法方法 1斷裂類型斷裂類型名稱名稱 斷裂斷裂示意圖示意圖斷裂特征斷裂

51、特征(判斷依據(jù)判斷依據(jù))斷裂前斷裂前塑性變塑性變形大小形大小韌性韌性斷裂斷裂斷裂前發(fā)生斷裂前發(fā)生明顯宏觀明顯宏觀塑性變形塑性變形: : 5%5%脆性脆性斷裂斷裂斷裂前不發(fā)生斷裂前不發(fā)生明顯宏明顯宏觀塑性變形觀塑性變形: : 5%5%5%斷裂前不發(fā)生明顯的塑斷裂前不發(fā)生明顯的塑性變形性變形: : 5% s s; ;工作工作s s 低應(yīng)力斷裂低應(yīng)力斷裂裂紋擴展過程較慢，裂紋擴展過程較慢，消耗大量塑性變形能消耗大量塑性變形能裂紋擴展過程較快裂紋擴展過程較快快速、突然性快速、突然性低碳鋼等塑性好低碳鋼等塑性好的金屬材料；的金屬材料；高分子材料高分子材料淬火鋼、灰鑄鐵；淬火鋼、灰鑄鐵；陶瓷、玻璃等脆性材

52、料陶瓷、玻璃等脆性材料注意：注意：并不只是脆性材料才發(fā)生脆性斷裂，塑并不只是脆性材料才發(fā)生脆性斷裂，塑性較好的材料也可能發(fā)生脆斷：性較好的材料也可能發(fā)生脆斷： 如：低溫時；如：低溫時； 加載速度極快時加載速度極快時沖擊沖擊脆斷時局部區(qū)域仍存在一定塑性變形脆斷時局部區(qū)域仍存在一定塑性變形 微觀區(qū)域可能存在韌斷特征微觀區(qū)域可能存在韌斷特征 該分類具有工程實用意義該分類具有工程實用意義 工程設(shè)計的依據(jù)不同：工程設(shè)計的依據(jù)不同：* * *只有塑斷可能的金屬材料設(shè)計時取屈服只有塑斷可能的金屬材料設(shè)計時取屈服強度；強度；* * *有脆斷可能的鋼（高強度鋼、低溫下使有脆斷可能的鋼（高強度鋼、低溫下使用的中強

53、度鋼）須從脆斷角度計算承載力。用的中強度鋼）須從脆斷角度計算承載力。 穿晶斷裂穿晶斷裂宏觀上可能是韌性的，也可能是脆宏觀上可能是韌性的，也可能是脆性的性的；沿晶斷裂通常是脆性斷裂。；沿晶斷裂通常是脆性斷裂。沿晶斷裂產(chǎn)生原因：沿晶斷裂產(chǎn)生原因： 晶界脆化晶界脆化( (晶界上存在連續(xù)或不連續(xù)的脆晶界上存在連續(xù)或不連續(xù)的脆性第二相、夾雜物，破壞了材料的連續(xù)性性第二相、夾雜物，破壞了材料的連續(xù)性) ) 或弱化或弱化(Sb(Sb、SnSn、AsAs、P P等元素在晶界富等元素在晶界富集集; ; 含氧較高的低碳鋼，晶界形成含氧較高的低碳鋼，晶界形成FeOFeO薄層薄層) )沿晶斷裂斷口形貌沿晶斷裂斷口形貌

54、沿晶斷裂斷口典型形貌：沿晶斷裂斷口典型形貌：冰糖狀冰糖狀淺坑淺坑局部區(qū)域有塑性變形局部區(qū)域有塑性變形 1 1 斷裂過程斷裂過程 中、低強度鋼的光滑圓柱試樣在室溫下中、低強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。的靜拉伸斷裂是典型的韌性斷裂。 斷裂過程如下：斷裂過程如下： 二、斷口的宏觀特征二、斷口的宏觀特征2 2 斷口的宏觀特征斷口的宏觀特征光滑圓柱拉伸試樣光滑圓柱拉伸試樣斷口斷口宏觀特征宏觀特征平板試樣斷口平板試樣斷口宏觀特征宏觀特征宏觀斷口特征三要素宏觀斷口特征三要素 1. 1. 纖維區(qū)纖維區(qū)： 裂紋生核及緩慢生長區(qū)裂紋生核及緩慢生長區(qū) 韌性斷裂區(qū)韌性斷裂區(qū) 2. 2. 放

55、射區(qū)放射區(qū)： 裂紋快速擴展區(qū)。裂紋快速擴展區(qū)。 脆性斷裂區(qū)脆性斷裂區(qū)3. 3. 剪切唇：剪切唇： 瞬時斷裂區(qū)瞬時斷裂區(qū) 韌性斷裂區(qū)韌性斷裂區(qū)3 3 實際構(gòu)件斷口分析方法實際構(gòu)件斷口分析方法(1) (1) 觀察斷口是否存在放射花樣或人字紋觀察斷口是否存在放射花樣或人字紋 尋找裂紋源尋找裂紋源(2) (2) 根據(jù)放射區(qū)與纖維區(qū)的相對比例，可根據(jù)放射區(qū)與纖維區(qū)的相對比例，可大致估計斷裂性質(zhì)大致估計斷裂性質(zhì)放射區(qū)或人字紋區(qū)放射區(qū)或人字紋區(qū)比例越大，脆性越大；比例越大，脆性越大；(3)(3)觀察放射線粗細，放射線越細，脆性越觀察放射線粗細，放射線越細，脆性越大；材料完全脆性時，放射線消失大；材料完全脆性

56、時，放射線消失 呈呈“結(jié)晶狀結(jié)晶狀”、 “冰糖狀冰糖狀”特特征。征。(4)(4)觀察斷口粗糙程度與光澤度觀察斷口粗糙程度與光澤度 斷口越粗糙、灰暗，韌性纖維斷裂比例越大；斷口越粗糙、灰暗，韌性纖維斷裂比例越大； 斷口越細平、光澤，脆性解理斷裂比例越大；斷口越細平、光澤，脆性解理斷裂比例越大；(5)(5)觀察斷口與最大正應(yīng)力方向的交角觀察斷口與最大正應(yīng)力方向的交角 斷口斷口 正應(yīng)力正應(yīng)力脆斷脆斷 斷口斷口 正應(yīng)力正應(yīng)力韌斷韌斷 注意：注意： 纖維區(qū)為韌斷區(qū)，但斷口平面纖維區(qū)為韌斷區(qū)，但斷口平面正應(yīng)力正應(yīng)力 原因：實際由許多小杯錐構(gòu)成原因：實際由許多小杯錐構(gòu)成 斷口區(qū)域的形態(tài)、大小和相對位置，因斷

57、口區(qū)域的形態(tài)、大小和相對位置，因試樣形狀、尺寸和材料的性能不同而變化：試樣形狀、尺寸和材料的性能不同而變化：(1)(1)強度強度，塑性，塑性，放射區(qū)尺寸，放射區(qū)尺寸；(2)(2)試樣尺寸試樣尺寸，放射區(qū)，放射區(qū)，纖維區(qū)變化小，纖維區(qū)變化小(3)(3)韌性斷裂時，宏觀斷口有三個區(qū)韌性斷裂時，宏觀斷口有三個區(qū), , 脆性斷裂時纖維區(qū)很小，剪切唇幾乎沒脆性斷裂時纖維區(qū)很小，剪切唇幾乎沒有有放射區(qū)大。放射區(qū)大。 韌性好的斷口韌性好的斷口纖維狀。纖維狀。 脆性斷口脆性斷口結(jié)晶狀、瓷狀。結(jié)晶狀、瓷狀。三、斷口微觀特征三、斷口微觀特征 1 1 解理斷裂的微觀斷口特征解理斷裂的微觀斷口特征 (1) (1) 存

58、在存在解理面和解理刻面解理面和解理刻面 解理面：在正應(yīng)力作用下沿一定晶體學(xué)平解理面：在正應(yīng)力作用下沿一定晶體學(xué)平面所產(chǎn)生的穿晶斷裂，因與大理石斷裂類似，面所產(chǎn)生的穿晶斷裂，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。 解理刻面：大致以晶粒大小為單位的解理解理刻面：大致以晶粒大小為單位的解理面，稱解理刻面。面，稱解理刻面。 掃描電鏡掃描電鏡15001500倍倍(2)(2)存在存在河流花樣河流花樣 每一支流實質(zhì)對應(yīng)著一每一支流實質(zhì)對應(yīng)著一個不同高度相互平行的解理個不同高度相互平行的解理面之間的臺階面之間的臺階解理斷裂基本微觀特征解理斷裂基本微觀特征（3 3）存在）存

59、在舌狀花樣舌狀花樣舌狀花樣舌狀花樣: : 解理裂紋沿孿晶界擴展解理裂紋沿孿晶界擴展留下的舌頭狀凹坑或凸臺。留下的舌頭狀凹坑或凸臺。 注意：注意： 河流花樣河流花樣 (1)(1)是解理斷裂最典型的特征；是解理斷裂最典型的特征； (2)(2)判斷是否解理斷裂的重要微觀依據(jù)；判斷是否解理斷裂的重要微觀依據(jù)； (3)(3)順河流反方向可找到裂紋源。順河流反方向可找到裂紋源。 微孔聚集斷裂過程包括微孔成核、長微孔聚集斷裂過程包括微孔成核、長大、聚合，直至斷裂。大、聚合，直至斷裂。 微孔成核機理：微孔成核機理：a a 晶內(nèi)或晶界的晶內(nèi)或晶界的非金屬夾雜物非金屬夾雜物與基體金屬與基體金屬結(jié)合力很弱，受力后沿

60、界面拉開；結(jié)合力很弱，受力后沿界面拉開；b b 硬脆相等硬脆相等與基體有一定結(jié)合力，先塑性與基體有一定結(jié)合力，先塑性變形，造成應(yīng)力集中變形，造成應(yīng)力集中使界面拉開或異使界面拉開或異相折斷相折斷空坑空坑2 2 韌性斷裂微觀特征韌性斷裂微觀特征 微孔聚集斷裂的微觀特征微孔聚集斷裂的微觀特征微觀基本特征：大量微觀基本特征：大量韌窩韌窩( (又稱空坑、迭波又稱空坑、迭波 ) )電鏡下不同形態(tài)韌窩電鏡下不同形態(tài)韌窩%注意：注意： （1 1）微孔聚集斷裂一定有韌窩存在微孔聚集斷裂一定有韌窩存在； （2 2）但）但微觀形態(tài)上出現(xiàn)韌窩，其宏觀上不微觀形態(tài)上出現(xiàn)韌窩，其宏觀上不一定就是韌性斷裂一定就是韌性斷裂。