第01 金属在单向静拉伸作用下的力学性能-材料力学性能

1、1第一章第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 静载静载是相对于交变载荷和高速载荷而言的，是相对于交变载荷和高速载荷而言的，如：静拉伸时，其变形速度如：静拉伸时，其变形速度8L0/min。 金属静载试验方法金属静载试验方法包括包括单向静拉伸试验单向静拉伸试验、压压缩、弯曲、扭转、剪切、硬度试验等缩、弯曲、扭转、剪切、硬度试验等，是工业上应，是工业上应用最广泛的金属力学性能试验方法。用最广泛的金属力学性能试验方法。 这些试验方法的这些试验方法的特点特点是：是：温度、应力状态和温度、应力状态和加载速率是确定的加载速率是确定的，并且，并且常用标准试样进行试验常用标准

2、试样进行试验（硬度试验除外）。（硬度试验除外）。 2 通过静载力学性能试验可以揭示金属材料在通过静载力学性能试验可以揭示金属材料在静载荷作用下静载荷作用下常见的三种失效形式常见的三种失效形式，即，即过量弹性变过量弹性变形形、塑性变形塑性变形和和断裂断裂。 可以标定出金属材料的最基本的力学性能指可以标定出金属材料的最基本的力学性能指标。这些性能指标是机械设计、制造、选材、工艺标。这些性能指标是机械设计、制造、选材、工艺评定以及内外贸易订货的评定以及内外贸易订货的主要依据主要依据。 本章将讨论性能指标的定义、测试方法以及试本章将讨论性能指标的定义、测试方法以及试验方法以及金属弹性变形、塑性变形和断

3、裂的基本验方法以及金属弹性变形、塑性变形和断裂的基本规律和原理。规律和原理。 31-1 1-1 拉伸力伸长曲线和应力应变曲线拉伸力伸长曲线和应力应变曲线 单向静拉伸试验是工业上应用最广泛的金属力单向静拉伸试验是工业上应用最广泛的金属力学性能试验之一，原因是其测得的学性能试验之一，原因是其测得的性能指标比较稳性能指标比较稳定，具有广泛的可比性定，具有广泛的可比性。 一、一、 光滑拉伸试样光滑拉伸试样 光滑试样是相对于缺口试样和裂纹试样而言的。光滑试样是相对于缺口试样和裂纹试样而言的。4 1 1、采用光滑试样的目的：、采用光滑试样的目的： 光滑试样可光滑试样可保证试验材料承受单向拉应力保证试验材料

4、承受单向拉应力，而缺口试样或裂纹试样将导致缺口或裂纹周围处而缺口试样或裂纹试样将导致缺口或裂纹周围处于两向或三向应力状态。于两向或三向应力状态。 2 2、试样的种类：、试样的种类： 经常使用的光滑试样可分为：经常使用的光滑试样可分为：圆柱形试样圆柱形试样、板状试样板状试样和和管状试样管状试样。详见国家标准（。详见国家标准（GB/T228-GB/T228-2002 2002 金属材料金属材料 室温拉伸试验方法）室温拉伸试验方法）5 3 3、光滑试样的组成、光滑试样的组成 光滑拉伸试样由三部分组成：如图所示光滑拉伸试样由三部分组成：如图所示 工作部分工作部分：是试样的中间部分，在：是试样的中间部分

5、，在取样和加取样和加工过程工过程中应按照中应按照GB/T2975-1998GB/T2975-1998钢及钢产品力钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备学性能试验取样位置及试样制备、GB/T2649-GB/T2649-19891989焊接接头机械性能试验取样方法焊接接头机械性能试验取样方法等相关等相关标准执行，试样在原材料或机件中的标准执行，试样在原材料或机件中的取向、部位取向、部位以及试样形状、精度、粗糙度和加工程序以及试样形状、精度、粗糙度和加工程序均按照均按照标准执行。标准执行。6 夹持部分夹持部分：这部分的作用是保持自身承载：这部分的作用是保持自身承载能力，不能断裂（其截面积大）；把载

6、荷正确能力，不能断裂（其截面积大）；把载荷正确地传递到工作部分上去。地传递到工作部分上去。 过渡部分过渡部分：是工作部分向外过渡的部分，：是工作部分向外过渡的部分，为减少应力集中，采用圆弧过渡的形式。处理为减少应力集中，采用圆弧过渡的形式。处理不好会在此断裂，导致试验失败（尤其是脆性不好会在此断裂，导致试验失败（尤其是脆性材料）。材料）。 7 二、拉伸曲线及应力应变曲线二、拉伸曲线及应力应变曲线 介绍试验机的种类、试样装夹、所用仪器和介绍试验机的种类、试样装夹、所用仪器和操作过程。操作过程。 1、拉伸曲线（力伸长曲线）：拉伸曲线（力伸长曲线）： F-纵坐标，纵坐标，L横坐标横坐标 如图所示如图

7、所示。 从拉伸曲线上可以看出其变形和断裂的过程。从拉伸曲线上可以看出其变形和断裂的过程。8弹性变形阶段弹性变形阶段不均匀屈服塑性变形阶段不均匀屈服塑性变形阶段均匀塑性变形阶段均匀塑性变形阶段不均匀集中塑性变形阶段不均匀集中塑性变形阶段试样形状和尺寸的变化，试样形状和尺寸的变化，如图所示如图所示 2 2、拉伸过程拉伸过程 退火低碳钢在拉伸力作用下的变形过程可分退火低碳钢在拉伸力作用下的变形过程可分为为四个阶段四个阶段：如图所示如图所示9 3、拉伸曲线的典型形式拉伸曲线的典型形式 见图所示见图所示，常见形式有常见形式有： 退火低碳钢的拉伸曲线退火低碳钢的拉伸曲线如图如图a所示，它有锯齿所示，它有锯

8、齿状的屈服阶段，分上、下屈服，均匀塑性变形后状的屈服阶段，分上、下屈服，均匀塑性变形后产生颈缩，然后试样断裂。产生颈缩，然后试样断裂。 中碳钢的拉伸曲线中碳钢的拉伸曲线如图如图b所示，它有屈服阶段，所示，它有屈服阶段，但波动微小，几乎成一条直线，均匀塑性变形后但波动微小，几乎成一条直线，均匀塑性变形后产生颈缩，然后试样断裂。产生颈缩，然后试样断裂。 淬火后低中温回火钢的拉伸曲线淬火后低中温回火钢的拉伸曲线如图如图c所示，所示，它无可见的屈服阶段，试样产生均匀塑性变形并它无可见的屈服阶段，试样产生均匀塑性变形并颈缩后产生断裂。颈缩后产生断裂。 铸铁、淬火钢等较脆材料在室温下的拉伸曲线铸铁、淬火钢

9、等较脆材料在室温下的拉伸曲线如图如图d所示，它不仅无屈服阶段，而且在产生少量所示，它不仅无屈服阶段，而且在产生少量均匀塑性变形后就突然断裂。均匀塑性变形后就突然断裂。10 4 4、 应力应变曲线应力应变曲线(-(-曲线曲线) ) 拉伸曲线（力伸长曲线）的不足之处是曲拉伸曲线（力伸长曲线）的不足之处是曲线的形状线的形状与拉伸试样的几何尺寸有关与拉伸试样的几何尺寸有关，只能反映，只能反映特定试样的力学性质。特定试样的力学性质。 若用应力应变曲线若用应力应变曲线（F/AF/A0 0）- (L/L- (L/LO O) ) 表示，它与试样的几何尺寸无关，其形状相似。表示，它与试样的几何尺寸无关，其形状相

10、似。同时还可直接从同时还可直接从-曲线上直接读出力学性能指曲线上直接读出力学性能指标标R Rm m、R Relel、A A等。等。 11AFS 三、真实应力与条件应力三、真实应力与条件应力 1 1、条件应力、条件应力 在拉伸试验过程中，试样的横截面积不断减在拉伸试验过程中，试样的横截面积不断减小，如果用外力除以横截面积，得到的应力为条小，如果用外力除以横截面积，得到的应力为条件应力。件应力。 2 2、真实应力、真实应力 如果用任意时刻的外力除以横截面积，得到如果用任意时刻的外力除以横截面积，得到的应力为真实应力。的应力为真实应力。0AF12AF1 (0AFS=0ll 3 3、真实应力与条件应力

11、的关系、真实应力与条件应力的关系 可见，随载荷的增加，横截面积不断减小，可见，随载荷的增加，横截面积不断减小，不断加大，真实应力不断加大，真实应力S在不断增加。在不断增加。 四、真实应变与条件应变四、真实应变与条件应变 1、条件应变条件应变 伸长量与原始标距长度之比，即伸长量与原始标距长度之比，即 称称为条件应变。为条件应变。13 2、真实应变真实应变e e 对任意时刻真正伸长率是这时刻相对于前时对任意时刻真正伸长率是这时刻相对于前时刻试样的伸长刻试样的伸长Li与前一时刻长度与前一时刻长度Li之比，即之比，即 i 试样的真实应变定义为每一时刻的真正伸长试样的真实应变定义为每一时刻的真正伸长率的

12、总和，即率的总和，即iille e 01ll102lll2103llll110.kkllll0ilkllldl0 0lnllk+143 3、条件应变与真实应变之间的关系条件应变与真实应变之间的关系e e 0lnllk)ln(00lLlklnln（1+1+） 断裂时：断裂时：e ek klnln（1+1+k k）15 五、真实应力应变曲线五、真实应力应变曲线 真实应力应变曲线见图真实应力应变曲线见图1-3，可分为三个区段，可分为三个区段，各区段有不同的特点。各区段有不同的特点。 区区：为直线，真应力与真应变成直线关系。：为直线，真应力与真应变成直线关系。 区区：为均匀塑性变形阶段，是向下弯曲的：

13、为均匀塑性变形阶段，是向下弯曲的曲线，遵循曲线，遵循Sken规律。规律。K，n均为材料常数。均为材料常数。n为形变强化指数。为形变强化指数。16 当当n1时时，上式变成，上式变成E，表示，表示理想刚性理想刚性状态状态。 当当n0时时，则表示，则表示无硬化效应，表示理想塑无硬化效应，表示理想塑性状态。性状态。 一般金属材料，一般金属材料，0nAZA金属材料形成颈缩金属材料形成颈缩，且，且Z与与A之差越之差越大，颈缩越严重；大，颈缩越严重； 如果如果Z ZA A或或A ZA Z则金属材料不产生颈缩。则金属材料不产生颈缩。 （三）颈缩颈部应力修正（三）颈缩颈部应力修正 略略74 （四）抗拉强度（四）

14、抗拉强度 1、定义：韧性金属试样拉断过程中最大试验、定义：韧性金属试样拉断过程中最大试验力所对应的应力。力所对应的应力。 2、衡量：、衡量： 3、实际意义：、实际意义： R Rm m 标志金属材料的实际承载能力标志金属材料的实际承载能力。易于测定，易于测定，重现性好重现性好，是工程上金属材料的重要力学性能指标。，是工程上金属材料的重要力学性能指标。但是，对韧性材料来讲，实际零件不允许产生较大但是，对韧性材料来讲，实际零件不允许产生较大的塑性变形量。且仅适用于单向拉伸，在复杂应力的塑性变形量。且仅适用于单向拉伸，在复杂应力状态下状态下Rm就不代表材料的实际有用强度。就不代表材料的实际有用强度。0

15、AFRbm75 对脆性材料而言，对脆性材料而言， Rm代表了断裂强度，可代表了断裂强度，可用于材料设计。用于材料设计。 Rm的高低决定于屈服强度和应变硬化指数。的高低决定于屈服强度和应变硬化指数。屈强比（屈强比（ ）对材料成形加工极为重要，）对材料成形加工极为重要，小的屈强比对冲压成形有利（有利于产生塑性变小的屈强比对冲压成形有利（有利于产生塑性变形）。形）。 Rm与布氏硬度、疲劳极限之间存在一定的与布氏硬度、疲劳极限之间存在一定的关系，可用经验公式来表示。但是，仅用于估计，关系，可用经验公式来表示。但是，仅用于估计，需要准确数值时，必须进行试验来测得。需要准确数值时，必须进行试验来测得。bs

16、/76 六、塑性六、塑性 （一）塑性与塑性指标（一）塑性与塑性指标 塑性是指金属材料断裂前发生塑性变形的能力。塑性是指金属材料断裂前发生塑性变形的能力。通常采用其断裂前产生的最大塑性变形代表其塑性通常采用其断裂前产生的最大塑性变形代表其塑性指标。指标。 1 1、断后伸长率、断后伸长率A A 定义定义：试样拉断后，原始标距部分的伸长：试样拉断后，原始标距部分的伸长与原始标距的百分比。与原始标距的百分比。 断裂位置的断裂位置的移位处理移位处理：如图所示：如图所示%10000LLLAU77 试样尺寸对断后伸长率的影响试样尺寸对断后伸长率的影响 金属材料断裂前所产生的塑性变形由金属材料断裂前所产生的塑

17、性变形由均匀塑性均匀塑性变形变形和和集中塑性变形集中塑性变形两部分组成。两部分组成。 大多数拉伸时形成颈缩的韧性金属材料，其大多数拉伸时形成颈缩的韧性金属材料，其均均匀塑性变形量比集中塑性变形量要小的多匀塑性变形量比集中塑性变形量要小的多，一般均，一般均不超过集中变形量的不超过集中变形量的50。许多钢材（尤其是高。许多钢材（尤其是高强度钢）均匀塑性变形量仅占集中变形量的强度钢）均匀塑性变形量仅占集中变形量的510，铝和硬铝占，铝和硬铝占1820，黄铜占，黄铜占3545。这就是说，。这就是说，拉伸缩颈形成后，塑性变形主要集拉伸缩颈形成后，塑性变形主要集中于试样缩颈附近中于试样缩颈附近。78实验结

18、果证明：实验结果证明：0001ALLL故：故： 00001LALLLA式中，式中，、对同一金属材料制成的对同一金属材料制成的几何形状相似几何形状相似的试样来的试样来说为常数。说为常数。 因此，为了使同一金属材料制成的不同尺寸拉伸试样得因此，为了使同一金属材料制成的不同尺寸拉伸试样得到相同的到相同的A值，要求值，要求 =K(常数常数)。通常取。通常取K值为值为5.65或或11.3，即对于圆柱形拉伸试样，相应的尺寸为即对于圆柱形拉伸试样，相应的尺寸为L0=5d0或或L0=10d0。这种试样称为这种试样称为比例试样比例试样，且前者称为短比例试样，后者称为，且前者称为短比例试样，后者称为长比例试样。由

19、于大多数韧性金属材料的集中塑性变形量大长比例试样。由于大多数韧性金属材料的集中塑性变形量大于均匀塑性变形量。因此，比例试样的尺寸越短，其断后伸于均匀塑性变形量。因此，比例试样的尺寸越短，其断后伸长率越大，即长率越大，即AA11.3。 00AL0000LALLLAU79 2 2、断面收缩率、断面收缩率Z Z 试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。原始横截面积的百分比。 根据断后伸长率根据断后伸长率A和断面收缩率和断面收缩率Z的相对大小，的相对大小，可以判断金属材料是否产生颈缩可以判断金属材料是否产生颈缩：如果：如果ZA，金属，金属拉

20、伸时产生颈缩，且两值相差越大，缩颈越严重；拉伸时产生颈缩，且两值相差越大，缩颈越严重；如果如果ZA或或AZ，则不产生颈缩。，则不产生颈缩。 实验表明：实验表明：Z Z与试样尺寸无关与试样尺寸无关。%10000AAAZU%10000SSSZU80 （二）塑性的意义（二）塑性的意义 1、塑性指标通常并不用于机件设计塑性指标通常并不用于机件设计，因为，因为塑塑性与材料服役行为之间无直接联系性与材料服役行为之间无直接联系， 2、对、对静载下工作的机件，都要求材料具有一静载下工作的机件，都要求材料具有一定塑性定塑性，以，以防止机件偶然过载时发生突然破坏防止机件偶然过载时发生突然破坏。故塑性指标是安全力学

21、性能指标。故塑性指标是安全力学性能指标。 3、塑性、塑性对压力加工具有重要意义对压力加工具有重要意义。 4、塑性大小、塑性大小能反映材料冶金质量的好坏能反映材料冶金质量的好坏。 81 七、静力韧度七、静力韧度 1、韧性的定义韧性的定义：表示金属材料断裂前吸收（弹表示金属材料断裂前吸收（弹性变形功）、塑性变形功和断裂功的能力，或指材性变形功）、塑性变形功和断裂功的能力，或指材料抵抗裂纹扩展的能力料抵抗裂纹扩展的能力。 习惯上，韧性和韧度两者不分，其实是有区别习惯上，韧性和韧度两者不分，其实是有区别的，韧度是对韧性的度量。的，韧度是对韧性的度量。 分分：静力韧度静力韧度、冲击韧度冲击韧度和和断裂韧

22、度断裂韧度。 2、静力韧度的衡量静力韧度的衡量：用真应力：用真应力-真应变曲线下真应变曲线下包围的面积。包围的面积。 3、应用应用：对于按屈服强度设计，在服役中有：对于按屈服强度设计，在服役中有可能遇到偶然过载的机件，如链条、起重吊钩等是可能遇到偶然过载的机件，如链条、起重吊钩等是必须考虑的重要指标。必须考虑的重要指标。821-4 1-4 金属的断裂金属的断裂 一、断裂的类型一、断裂的类型 磨损、腐蚀和断裂磨损、腐蚀和断裂是机件的三种主要失效形式是机件的三种主要失效形式，其中以断裂的危害最大。其中以断裂的危害最大。 金属材料被分成两个或几个部分，称为金属材料被分成两个或几个部分，称为完全断完全

23、断裂裂（简称断裂）；（简称断裂）； 内部存在裂纹，则为内部存在裂纹，则为不完全断裂不完全断裂。 大多数金属材料的大多数金属材料的断裂过程断裂过程都包括裂纹形成与都包括裂纹形成与扩展两个阶段。不同的断裂类型，这两个阶段的机扩展两个阶段。不同的断裂类型，这两个阶段的机理与特征并不相同。理与特征并不相同。83 断裂的分类断裂的分类： 按照断裂前是否产生明显塑性变形可分为：按照断裂前是否产生明显塑性变形可分为：韧韧性断裂与脆性断裂性断裂与脆性断裂。 按照裂纹扩展的路径不同，断裂可分为：按照裂纹扩展的路径不同，断裂可分为：穿晶穿晶断裂与沿晶断裂断裂与沿晶断裂。穿晶断裂可以是韧性断裂（如室。穿晶断裂可以是

24、韧性断裂（如室温下的穿晶断裂），也可以是脆性断裂（低温下的温下的穿晶断裂），也可以是脆性断裂（低温下的穿晶断裂）。沿晶断裂大多数是脆性断裂。穿晶断裂）。沿晶断裂大多数是脆性断裂。 按照断裂机理分类可分为：按照断裂机理分类可分为：解理断裂、微孔聚解理断裂、微孔聚集型断裂和纯剪切断裂集型断裂和纯剪切断裂。解理断裂是典型的脆性断。解理断裂是典型的脆性断裂。韧性断裂大多数是微孔聚集型断裂。裂。韧性断裂大多数是微孔聚集型断裂。 按照断裂面的取向分类可分为：按照断裂面的取向分类可分为：正断与切断正断与切断。 84 （一）韧性断裂与脆性断裂（一）韧性断裂与脆性断裂 1 1、韧性断裂、韧性断裂 韧性断裂是金属

25、材料断裂前产生明显宏观塑性韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂。变形的断裂。 中、低强度钢的光滑圆柱试样在室温下的静拉中、低强度钢的光滑圆柱试样在室温下的静拉伸断裂是典型的韧性断裂伸断裂是典型的韧性断裂，掌握其断口宏观特征对，掌握其断口宏观特征对于机件断裂失效分析具有重要意义。于机件断裂失效分析具有重要意义。 光滑圆柱拉伸试样的宏观韧性断口光滑圆柱拉伸试样的宏观韧性断口呈呈杯锥状杯锥状，由由纤维区、放射区和剪切唇纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，此即所三个区域组成，此即所谓的谓的断口特征三要素断口特征三要素。如图所示。如图所示85 三个区域的形成过程如下三个区域的形成过程如下：

26、 纤维区纤维区 在拉伸曲线的最高点，便在试样的局部产生在拉伸曲线的最高点，便在试样的局部产生缩缩颈颈，试样的应力状态，试样的应力状态由单向应力转变为三向应力由单向应力转变为三向应力。 在三向应力作用下，塑性变形难于进行，致使在三向应力作用下，塑性变形难于进行，致使夹杂物或第二相质点碎裂或夹杂物或第二相质点碎裂或与基体脱离而形成微孔与基体脱离而形成微孔。 微孔不断长大和聚合就形成显微裂纹。微孔不微孔不断长大和聚合就形成显微裂纹。微孔不断形成和聚合的过程便断形成和聚合的过程便形成纤维区形成纤维区。 纤维区所在的宏观平面与外力垂直。微细结构纤维区所在的宏观平面与外力垂直。微细结构是由许多小杯锥组成，

27、是由许多小杯锥组成， 每个小杯锥的小斜面大致与每个小杯锥的小斜面大致与外力呈外力呈5060。表面呈表面呈暗灰色暗灰色。86 放射区放射区 是裂纹达到临界尺寸后，作快速低能量扩展的是裂纹达到临界尺寸后，作快速低能量扩展的结果。宏观塑性变形量很小，表现为脆性断裂。此结果。宏观塑性变形量很小，表现为脆性断裂。此区较为区较为光亮光亮。 剪切唇剪切唇 断裂后期，由三向应力转变为平面应力状态，断裂后期，由三向应力转变为平面应力状态，裂纹快速失稳扩展，材料在二向应力作用下的塑性裂纹快速失稳扩展，材料在二向应力作用下的塑性变形量很大，属韧性断裂。变形量很大，属韧性断裂。特征特征为：为：表面光滑，与表面光滑，与

28、拉应力方向呈拉应力方向呈4545角角。87 当试样形状、尺寸、材料性能不同，以及试验当试样形状、尺寸、材料性能不同，以及试验温度、加载速度和受力状态不同时，断口三个区域温度、加载速度和受力状态不同时，断口三个区域的形态、大小、和相对位置都会发生变化。的形态、大小、和相对位置都会发生变化。 韧性断裂的危险性较小韧性断裂的危险性较小，原因是：，原因是： 实际生产中较少见到：许多机件在产生较大实际生产中较少见到：许多机件在产生较大塑性变形后就已经失效了。塑性变形后就已经失效了。 制定加工工艺时，要求材料产生较大的塑性制定加工工艺时，要求材料产生较大的塑性变形而不允许断裂。如：挤压、拉深等。变形而不允

29、许断裂。如：挤压、拉深等。88 2、脆性断裂脆性断裂 脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本不发脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本不发生塑性变形，没有明显的征兆，因而生塑性变形，没有明显的征兆，因而危险性较大危险性较大。 脆性断裂的特征脆性断裂的特征： 断裂面一般与正应力垂直（图），断口平齐断裂面一般与正应力垂直（图），断口平齐光亮，常呈放射状或结晶状光亮，常呈放射状或结晶状。 板状矩形拉伸试样断口，呈人字纹花样板状矩形拉伸试样断口，呈人字纹花样，花，花样的放射花样与裂纹扩展方向平行，且其尖顶指向样的放射花样与裂纹扩展方向平行，且其尖顶指向裂纹源。裂纹源。89 3 3、韧性断裂与脆性断裂的区别

30、、韧性断裂与脆性断裂的区别 相同之处相同之处：不论脆性断裂还是韧性断裂均产：不论脆性断裂还是韧性断裂均产生塑性变形。生塑性变形。 不同之处不同之处：脆性断裂产生的塑性变形量较小：脆性断裂产生的塑性变形量较小而已。而已。我国规定：我国规定：光滑拉伸试样的端面收缩率小光滑拉伸试样的端面收缩率小于于5者为脆性断裂；大于者为脆性断裂；大于5者为韧性断裂。者为韧性断裂。90 （二）穿晶断裂与沿晶断裂（二）穿晶断裂与沿晶断裂 按照裂纹扩展路径的不同（图），断裂分为按照裂纹扩展路径的不同（图），断裂分为 穿晶断裂穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部。：裂纹穿过晶粒内部。 沿晶断裂沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展。：裂纹沿晶界

31、扩展。 宏观上看：宏观上看： 穿晶断裂可以是韧性断裂穿晶断裂可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断（如室温下的穿晶断裂），裂），也可以是脆性的也可以是脆性的（如低温下的穿晶断裂）；（如低温下的穿晶断裂）； 沿晶断裂大多是脆性断裂沿晶断裂大多是脆性断裂，沿晶断裂主要是晶，沿晶断裂主要是晶界的不连续性（晶界的脆性第二相、夹杂物、杂质界的不连续性（晶界的脆性第二相、夹杂物、杂质在晶界偏聚）造成的。在晶界偏聚）造成的。91 沿晶断裂的断口沿晶断裂的断口呈冰糖状呈冰糖状， 实际金属材料的沿晶断裂断口，因晶粒较为细实际金属材料的沿晶断裂断口，因晶粒较为细小，无法辨认出冰糖状，小，无法辨认出冰糖状，颜色较纤维状断

32、口明亮，颜色较纤维状断口明亮，但比纯脆性断裂要灰暗。但比纯脆性断裂要灰暗。 穿晶断裂和沿晶断裂有时穿晶断裂和沿晶断裂有时可以混合发生可以混合发生。92 （三）纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂（三）纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂 1 1、剪切断裂、剪切断裂 见表见表 单晶体金属：断口呈锋利的楔形单晶体金属：断口呈锋利的楔形 多晶体金属：断口呈刀尖形多晶体金属：断口呈刀尖形 2 2、微孔聚集型断裂、微孔聚集型断裂 是通过微孔形核、长大聚合而导致材料分离，是通过微孔形核、长大聚合而导致材料分离，导致断裂。导致断裂。93 3、解理断裂解理断裂 金属材料在一定条件下（如低温），当外加金属材料在

33、一定条件下（如低温），当外加正应力达到一定数值后，正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面故称此种晶体学平面为解理面。 解理面一般是低指数晶面或表面能最低的晶解理面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面。面。 断裂的分类方法除了上面叙述的以外，还有断裂的分类方法除了上面叙述的以外，还有按断裂面的取向、作用力方式等。按断裂面的取向、作用力方式等。94 二、解理断裂二、解理断裂 （一）解理裂纹的形成和扩展（一）解理裂纹的形成和扩展 解理断裂仍然有少量的塑性变形，金属材料的解

34、理断裂仍然有少量的塑性变形，金属材料的塑性变形是位错运动的结果。这便形成了位错理论：塑性变形是位错运动的结果。这便形成了位错理论： 1、甄纳斯特罗位错塞积理论、甄纳斯特罗位错塞积理论 2、柯垂耳位错反应理论、柯垂耳位错反应理论 以上两种理论的以上两种理论的共同点共同点是：先产生少量的塑性是：先产生少量的塑性变形，位错运动受阻，通过位错塞积或反应导致裂变形，位错运动受阻，通过位错塞积或反应导致裂纹的产生。纹的产生。95 （二）解理断裂的微观断口特征（二）解理断裂的微观断口特征 1 1、解理断裂、解理断裂的微观断口特征的微观断口特征 解理刻面：解理刻面：解理断裂是沿特定界面发生的脆解理断裂是沿特定

35、界面发生的脆性穿晶断裂，断口是由许多大致相当于晶粒大小的性穿晶断裂，断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成；解理面集合而成； 以晶粒大小为单位的解理面称为以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面解理刻面。 解理台阶和河流花样解理台阶和河流花样：裂纹跨越若干个相互：裂纹跨越若干个相互平行的、不同高度的解理面，从而在同一刻面内部平行的、不同高度的解理面，从而在同一刻面内部出现了出现了解理台阶和河流花样解理台阶和河流花样。如图。如图96 解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交形成的。扩展的解理裂纹相交形成的。 解理台阶、河流花样、舌状花样解

36、理台阶、河流花样、舌状花样（图）（图）是解是解理断裂的基本微观特征理断裂的基本微观特征。 河流花样是判断是否为解理断裂的重要依据河流花样是判断是否为解理断裂的重要依据。河流方向为裂纹的扩展方向，河流方向为裂纹的扩展方向，按照裂纹的反方向按照裂纹的反方向可寻找到裂纹源可寻找到裂纹源。97 2 2、准解理断裂、准解理断裂的微观断口特征的微观断口特征 在淬火回火钢的组织中常有细小、弥散的碳化在淬火回火钢的组织中常有细小、弥散的碳化物质点，影响裂纹的形成与扩展。断裂路径不再与物质点，影响裂纹的形成与扩展。断裂路径不再与晶粒位向有关，而主要与细小碳化物质点有关。其晶粒位向有关，而主要与细小碳化物质点有关

37、。其断裂微观形态似解理又非解理，故称准解理。如图断裂微观形态似解理又非解理，故称准解理。如图 3、解理断裂与准解理断裂的区别解理断裂与准解理断裂的区别 解理断裂裂纹解理断裂裂纹源于晶界源于晶界；准解理断裂；准解理断裂源于晶内源于晶内某点发源的放射状河流花样。某点发源的放射状河流花样。 4、解理断裂与准解理断裂的相同点解理断裂与准解理断裂的相同点 都是穿晶断裂；有小解理刻面；有台阶或撕裂都是穿晶断裂；有小解理刻面；有台阶或撕裂棱及河流花样。棱及河流花样。 准解理断裂是解理断裂的变种，机理是相同的。准解理断裂是解理断裂的变种，机理是相同的。 98 三、微孔聚集型断裂三、微孔聚集型断裂 （一）微孔形

38、核和长大（一）微孔形核和长大 1 1、微孔的形成、微孔的形成 位错移动在第二相周围形成位错环位错移动在第二相周围形成位错环形形成塞积成塞积产生应力集中产生应力集中达到一定程度时，基达到一定程度时，基体与第二相剥离体与第二相剥离形成微孔（韧窝）。形成微孔（韧窝）。 2 2、微孔的长大、微孔的长大 微孔在进一步的变形中会不断扩大。微孔在进一步的变形中会不断扩大。两微孔之两微孔之间的金属类似拉伸试样的变形、颈缩、断裂过程间的金属类似拉伸试样的变形、颈缩、断裂过程。99 （二）微孔聚集型断裂的微观断口特征（二）微孔聚集型断裂的微观断口特征微孔微孔 1、微孔特征微孔特征 微孔与第二相、夹杂物相对应。微孔

39、与第二相、夹杂物相对应。 2、微孔分类微孔分类 韧窝韧窝是微孔聚集型断裂的基本微观断是微孔聚集型断裂的基本微观断口特征口特征。韧窝的形状视应力状态不同分为。韧窝的形状视应力状态不同分为三类。（见图）三类。（见图）100 等轴韧窝等轴韧窝：在垂直于正压力的平面上长大倾：在垂直于正压力的平面上长大倾向相同，形成等轴韧窝。如：拉伸试样中心纤维向相同，形成等轴韧窝。如：拉伸试样中心纤维区。区。 （见图）（见图） 拉长韧窝拉长韧窝：在切应力作用下，如：扭转载荷：在切应力作用下，如：扭转载荷或受双向不等拉伸条件下、拉伸试样剪切唇部分或受双向不等拉伸条件下、拉伸试样剪切唇部分将出现拉长韧窝。将出现拉长韧窝。

40、 撕裂韧窝撕裂韧窝：在拉、弯联合作用下，微孔在拉：在拉、弯联合作用下，微孔在拉长、长大的同时还要被弯曲，形成两个相配断口长、长大的同时还要被弯曲，形成两个相配断口上的方向相同的撕裂韧窝。上的方向相同的撕裂韧窝。101 韧窝大小韧窝大小（直径和深度）（直径和深度）决定于决定于第二相质点第二相质点的大小和密度、基体材料的塑性变形能力和应变的大小和密度、基体材料的塑性变形能力和应变强化指数、以及外加应力的大小和应力状态。强化指数、以及外加应力的大小和应力状态。 微孔聚集型断裂一定有韧窝存在微孔聚集型断裂一定有韧窝存在。但。但微观形微观形态上出现韧窝，其宏观上不一定是韧性断裂态上出现韧窝，其宏观上不一

41、定是韧性断裂（因（因脆性断裂在局部区域内也可能有塑性变形，从而脆性断裂在局部区域内也可能有塑性变形，从而显示出韧窝形态）。显示出韧窝形态）。102 四、断裂强度四、断裂强度 （一）理论断裂强度（一）理论断裂强度 决定材料强度的最基本因素是原子间结合力。决定材料强度的最基本因素是原子间结合力。可以用在外加正应力作用下，可以用在外加正应力作用下，将晶体的两个原子将晶体的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需要的应力，即理论面沿垂直于外力方向拉断所需要的应力，即理论断裂强度断裂强度。 理论断裂强度的推导是建立在原子间作用力理论断裂强度的推导是建立在原子间作用力和原子间位移之间的关系。和原子间位移之间的关

42、系。 103210aEsm 若将材料的若将材料的E、a0、s的值代入上式，可得的值代入上式，可得到理论断裂强度。通常到理论断裂强度。通常 。实际金属。实际金属材料的断裂应力仅为理论材料的断裂应力仅为理论 值的值的1/101/1000。这其实是金属中的某些缺陷（如：位错等）造成这其实是金属中的某些缺陷（如：位错等）造成的。的。 10/Emm104 （二）断裂强度的裂纹理论（格雷菲斯裂纹理论）（二）断裂强度的裂纹理论（格雷菲斯裂纹理论） 为了解释玻璃、陶瓷等脆性材料断裂强度的的为了解释玻璃、陶瓷等脆性材料断裂强度的的理论值与实际值之间的巨大差异，格雷菲斯于理论值与实际值之间的巨大差异，格雷菲斯于1

43、921年提出，实际材料中年提出，实际材料中已经存在裂纹已经存在裂纹、依据能量平衡、依据能量平衡原理推导出材料的断裂强度原理推导出材料的断裂强度 薄板：薄板： 厚板：厚板：212aESc21212aESc105必须指出必须指出： 1、格雷菲斯对长为、格雷菲斯对长为2a的中心穿透裂纹计算所的中心穿透裂纹计算所得的断裂公式，对长为得的断裂公式，对长为a的表面半椭圆裂纹也是适的表面半椭圆裂纹也是适用的。只是式中的用的。只是式中的a就是裂纹长度。就是裂纹长度。 2、格雷菲斯公式、格雷菲斯公式只适合于脆性材料只适合于脆性材料，如玻璃、，如玻璃、金刚石、超高强度钢等。金刚石、超高强度钢等。 3、对于工程材料

44、对于工程材料（如钢等），裂纹尖端产生（如钢等），裂纹尖端产生较大塑性变形，需要消耗掉大量塑性变形功，其数较大塑性变形，需要消耗掉大量塑性变形功，其数值不能忽略。故值不能忽略。故需要修正需要修正，欧罗万和欧文修正后的，欧罗万和欧文修正后的格雷菲斯公式为：格雷菲斯公式为：106212aEpsc因因 远大于远大于 ，故上式可改写成：，故上式可改写成： ps2s2212aEpsc 格雷菲斯理论的格雷菲斯理论的前提是，承认实际金属材料中前提是，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已经存在裂纹，不涉及裂纹的来源问题。裂纹可能。裂纹可能是：在冶炼中，或在加工过程（铸造、锻造、焊接、是：在冶炼中，或在加工过程（铸造、锻造、焊接、热处理等）中产生的，也可能是在使用过程中因塑热处理等）中产生的，也可能是在使用过程中因塑性变形而诱发产生的。性变形而诱发产生的。107五、断裂理论的应用（五、断裂理论的应用（略）略） （三）真实断裂强度和静力韧度（三）真实断裂强度和静力韧度 韧性韧性是材料的力学性能，是材料的力学性能，是指材料断裂前吸收是指