第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能-副本

1、材料性能学第一章第一章 金属在单向静拉伸金属在单向静拉伸 载荷下的力学性能载荷下的力学性能材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum主要内容主要内容塑性变形塑性变形弹性变形弹性变形金属的断裂金属的断裂材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml单向静拉伸试验单向静拉伸试验特点特点: :应力状态、加载速率、温度、试样等都有严格规定；应力状态、加载速率、温度、试样等都有严格规定；可揭示最基本的力学

2、行为（弹性、塑性、断裂等）；可揭示最基本的力学行为（弹性、塑性、断裂等）；最广泛使用的力学性能检测手段最广泛使用的力学性能检测手段强度、塑性等。强度、塑性等。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum1-1 1-1 拉伸力拉伸力- -伸长曲线和应力伸长曲线和应力- -应变曲线应变曲线l 力力伸长曲线伸长曲线试验过程（试验过程（GB/T228-2002GB/T228-2002） 常温常温 光滑试样光滑试样 拉伸试验机拉伸试验机 缓慢加载，低的变形速率缓慢加载，低的变形速率材料性能学材料性能学Pr

3、operty of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 拉伸试样拉伸试样（GB/T6397-1986GB/T6397-1986）长试样：长试样：L L0 0= =1010d d0 0短试样：短试样：L L0 0= =5 5d d0 0材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum拉伸拉伸材

4、料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum强度：强度：材料抵抗塑性变形或断裂的能力材料抵抗塑性变形或断裂的能力e 、 s 、 b、 、图图1-29圆形拉伸试样圆形拉伸试样图图1-30低碳钢单向静拉伸曲线低碳钢单向静拉伸曲线Fl 公式：公式：=F/s0 , =l/l0 材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 拉伸曲线拉伸曲线l 弹性变形弹性变形oeE = Ee l 均匀塑性变形（强化）均匀塑

5、性变形（强化）sb bl 不均匀集中塑性变形不均匀集中塑性变形bz “缩颈缩颈”现象现象低碳钢单向静拉伸曲线低碳钢单向静拉伸曲线l 不均匀屈服变形不均匀屈服变形es s、 0. 2l z点：试样发生断裂点：试样发生断裂s s、 0. 20. 2及及b b是设计和选材的是设计和选材的主要依据主要依据材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum陶瓷、玻璃陶瓷、玻璃塑料塑料含杂质铁合金含杂质铁合金淬火高温回火高淬火高温回火高碳钢碳钢黄铜黄铜低合金钢低合金钢材料性能学材料性能学Property of M

6、aterials中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumnKeSAPS/S真应力，真应力，e真应变，真应变，K强度系数强度系数n应变硬化指数，材料的应变强化能力应变硬化指数，材料的应变强化能力材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum1-2 1-2 弹性变形弹性变形一、弹性变形及其实质一、弹性变形及其实质可逆变形本质： 材料的原子（离子）或材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可分子自平衡位置产生可逆位移的反映。逆位移的反映。材料性能学材料性能学Pro

7、perty of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum二、虎克定律n简单应力状态的虎克定律简单应力状态的虎克定律1.单向拉伸EEyyzxyy。；E；、；yzxy拉应力泊松比弹性模量横向收缩应变纵向拉伸应变2.剪切和扭转G。；G；切应变切变模量切应力3.E、G和的关系12EG材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University

8、 of Petroleumn广义虎克定律广义虎克定律( (复杂应力状态）复杂应力状态）材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum三、弹性模量物理意义：物理意义：材料对弹性变形的抗力，其值越大，在相同应材料对弹性变形的抗力，其值越大，在相同应力下产生的弹性变形越小，工程上被称为力下产生的弹性变形越小，工程上被称为材料的刚度材料的刚度。用途：用途： 工程上，工程上，刚度刚度；梁、曲轴，弹簧钢；梁、曲轴，弹簧钢特点：特点： 决定于金属原子本性和晶格类型决定于金属原子本性和晶格类型，对组织不敏感对组织

9、不敏感E E 定义：定义： 产生产生100%100%弹性变形时所需要的应力。弹性变形时所需要的应力。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum四、弹性比功定义：材料在弹性变形过程中吸收弹性变形功的能力。定义：材料在弹性变形过程中吸收弹性变形功的能力。几何意义：几何意义：-曲线上弹性阶段下的面积曲线上弹性阶段下的面积用途：用途：弹簧钢、橡胶（减震、储能）

10、，要求弹簧钢、橡胶（减震、储能），要求a ae e大大 提高提高e e，或者降低，或者降低E E。体积越大，。体积越大，a ae e越大越大Eaeeee222材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum五、滞弹性（弹性后效）n现象：现象： 弹性应变落后于应力，与弹性应变落后于应力，与时间相关。时间相关。n定义：定义： 在弹性范围内在弹性范围内快速快速加载或卸加载或卸载后，随时间延长产生附加载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象。弹性应变的现象。n影响因素：影响因素：材料成分、组织材料成分、组织均

11、匀性均匀性弹性滞后环：弹性滞后环：由于具有滞弹性，金属在弹性区快速加载卸载时，应变落由于具有滞弹性，金属在弹性区快速加载卸载时，应变落后于应力，后于应力，使加载线与卸载线不重合使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线（图而形成一封闭回线（图a a）。存在滞）。存在滞后环说明加载时消耗于金属的变形功大于卸载时金属恢复变形放出的变形后环说明加载时消耗于金属的变形功大于卸载时金属恢复变形放出的变形功，有一部分变形功为金属所吸收，大小用滞后环面积度量。功，有一部分变形功为金属所吸收，大小用滞后环面积度量。e e ，图，图b b 。e e ，图，图c c 。材料性能学材料性能学Property of Ma

12、terials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum六、金属的循环韧性定义：定义： 金属在金属在交变载荷（或振动）下吸收不可逆变形功的能力交变载荷（或振动）下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的称为金属的循环韧性循环韧性，也叫金属的，也叫金属的内耗内耗或或消振性消振性。意义：意义： 力学性能之一；力学性能之一； 循环韧性越高，机件的消振能力越好循环韧性越高，机件的消振能力越好。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum七、包申格效应（Bausching

13、er）n定义：定义：材料经过预先加载材料经过预先加载并产生并产生少量少量塑性变形，卸塑性变形，卸载后，再同向加载，规定载后，再同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限残余伸长应力（弹性极限或屈服极限）增加，反向或屈服极限）增加，反向加载规定残余伸长应力降加载规定残余伸长应力降低（特别是弹性极限几乎低（特别是弹性极限几乎降低到零）的现象。降低到零）的现象。n微观本质微观本质： 预塑性变形，位错预塑性变形，位错增殖、运动、缠结。同向加载，增殖、运动、缠结。同向加载，位错运动受阻，规定残余应力位错运动受阻，规定残余应力r r增加；反向加载，位错被迫增加；反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易，作反向运动

14、，运动容易，规定残规定残余应力余应力r r降低。降低。n度量指标：度量指标：包申格应变包申格应变 在给定应力下，正向加载和反向在给定应力下，正向加载和反向加载两应力加载两应力- -应变曲线之间的应应变曲线之间的应变差。变差。=bc=bcn危害危害 影响疲劳寿命（交变载荷）影响疲劳寿命（交变载荷） 低周：应变控制，低周：应变控制，变形能力，变形能力，抗疲劳抗疲劳。 高周：应力控制，高周：应力控制，强度，强度，抗疲劳抗疲劳。 造成强度损失造成强度损失 对于需要高强度的构件有害对于需要高强度的构件有害 对于需要塑性成型的构件有利对于需要塑性成型的构件有利n消除方法消除方法预先进行较大的塑形变形预先进

15、行较大的塑形变形：位错增：位错增殖难于重分布，反向加载时强度变化不殖难于重分布，反向加载时强度变化不大。大。反向受力前做回复或再结晶退火反向受力前做回复或再结晶退火处理处理材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum1-3 1-3 塑性变形塑性变形一、塑性变形的方式及特点一、塑性变形的方式及特点微观结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象微观

16、结构的相邻部分产生永久性位移，并不引起材料破裂的现象l方式：方式：滑移滑移 主要方式主要方式通过位错的运动实现通过位错的运动实现材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml方式：方式：滑移滑移 主要方式主要方式孪生孪生 低温或快速形变时低温或快速形变时切应力切应力材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml多晶体的塑性变形特点(1)(1)晶界阻碍位错运动晶界阻碍位错运动 晶界使变形抗力提高，晶

17、界使变形抗力提高， 细晶强化细晶强化(2)(2)晶粒分批逐步变形，具有不同晶粒分批逐步变形，具有不同时性和不均匀性时性和不均匀性 材料表面优先材料表面优先 软位向先变形软位向先变形(3)(3)各晶粒变形的相互协调性各晶粒变形的相互协调性 需要多系滑移，应变硬化速率比单需要多系滑移，应变硬化速率比单晶体高。晶体高。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum二、屈服现象和屈服强度二、屈服现象和屈服强度l材料产生宏观塑性变形材料产生宏观塑性变形的一种标志的一种标志l屈服现象屈服现象 弹性向塑性变形过

18、渡明弹性向塑性变形过渡明显，外力保持恒定时试显，外力保持恒定时试样仍继续伸长，或外力样仍继续伸长，或外力增加到一定数值时突然增加到一定数值时突然下降，然后外力几乎不下降，然后外力几乎不变时，试样仍继续伸长变时，试样仍继续伸长变形。变形。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum屈服伸长变形是不均匀塑性变形，外力从上屈服点下降到下屈屈服伸长变形是不均匀塑性变形，外力从上屈服点下降到下屈服点时，在试样局部区域开始形成与拉伸轴约成服点时，在试样局部区域开始形成与拉伸轴约成45的雷德斯带的雷德斯带或屈

19、服线，随后在试样长度方向逐渐扩展，当屈服线布面整个或屈服线，随后在试样长度方向逐渐扩展，当屈服线布面整个长度方向时，屈服伸长结束，试样开始进入均匀塑性变形阶段。长度方向时，屈服伸长结束，试样开始进入均匀塑性变形阶段。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 屈服机理n外应力作用下，晶体中位错萌生、增殖和运动过程外应力作用下，晶体中位错萌生、增殖和运动过程n三个因素：三个因素： 变形前变形前可动位错可动位错密度很小密度很小 柯氏气团：柯氏气团：溶质原子聚集在位错线的周围，形成气团，位错被钉扎

20、溶质原子聚集在位错线的周围，形成气团，位错被钉扎 位错塞积群：位错塞积群：n n个位错同向运动受阻，形成塞积群个位错同向运动受阻，形成塞积群随塑性变形发生，位错能快速增殖随塑性变形发生，位错能快速增殖位错运动速率与外加应力有强烈依存关系位错运动速率与外加应力有强烈依存关系材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum 应变速率与位错密度、位错运动速率及柏氏矢量成正比应变速率与位错密度、位错运动速率及柏氏矢量成正比 n晶体结构变化，晶体结构变化，b b, , 应变速率应变速率n位错增值，位错增值，应

21、变速率应变速率n提高外应力提高外应力, , , , 应变速率应变速率 塑性变形前，位错密度低，欲满足一定的应变速率，必提高外应塑性变形前，位错密度低，欲满足一定的应变速率，必提高外应力，这就是实验中的上屈服点，一旦塑性变形产生，位错大量力，这就是实验中的上屈服点，一旦塑性变形产生，位错大量增殖，位错运动速率必然下降，相应的应力也就突然降低，从增殖，位错运动速率必然下降，相应的应力也就突然降低，从而产生屈服现象。位错运动速率对应力大小越敏感，屈服现象而产生屈服现象。位错运动速率对应力大小越敏感，屈服现象越明显，如越明显，如bccbcc的低碳钢有明显屈服。的低碳钢有明显屈服。vb材料性能学材料性能

22、学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 屈服强度s（su、sl）有些材料屈服点不明确有些材料屈服点不明确, ,用规定微量塑性伸长用规定微量塑性伸长应力表示屈服强度，如应力表示屈服强度，如0.20.2l条件屈服强度条件屈服强度规定微量塑性伸长应力规定微量塑性伸长应力根据测定方法不同，有三种指标：根据测定方法不同，有三种指标：规定规定非比例伸长非比例伸长应力应力(P) 0.01（条件比例极限）（条件比例极限）或或0.05，加载过程中测定，加载过程中测定规定规定残余伸长残余伸长应力应力(r) r0.2（屈服强度

23、），卸（屈服强度），卸载后测定。载后测定。试样在外力保持恒定仍能继续伸试样在外力保持恒定仍能继续伸长的应力称为屈服强度长的应力称为屈服强度s=Fs/A0规定规定总伸长总伸长应力应力(t0.5)，弹性伸长加塑性伸长，加载过程中测定，弹性伸长加塑性伸长，加载过程中测定材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum强度设计：强度设计：= = s s/n/n（n2n2）屈服判据：屈服判据： 屈雷斯加最大切应力判据屈雷斯加最大切应力判据：1 1-3 3=s s 米赛斯畸变能判据米赛斯畸变能判据： ( (1

24、1-2 2) )2 2+ + ( (2 2-3 3) )2 2 + + ( (3 3-1 1) )2 2=2=2s s2 2开始塑性变形的开始塑性变形的强度设计准则强度设计准则。是否越高越好是否越高越好? ? 屈强比屈强比 屈强比高，材料利用率高，但过高的屈强比，不利于某些应力集中屈强比高，材料利用率高，但过高的屈强比，不利于某些应力集中部位的应力重新分布，极易引起脆性断裂，所以应力状态较硬、应变部位的应力重新分布，极易引起脆性断裂，所以应力状态较硬、应变速率较高、截面变化较大的机件，选择屈服强度值较低的材料。速率较高、截面变化较大的机件，选择屈服强度值较低的材料。 降低屈服强度有利于材料冷成

25、型加工和改善焊接性。降低屈服强度有利于材料冷成型加工和改善焊接性。l s工程上从工程上从静强度角度静强度角度选择韧性材料的依据选择韧性材料的依据材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum三、影响屈服强度的因素三、影响屈服强度的因素合金：基体合金：基体 + + 强化相强化相塑性变形塑性变形位错位错基体基体影响位错增殖和运动影响位错增殖和运动影响屈服强度影响屈服强度l 内在因素：内在因素： 金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相第二相

26、l 外在因素：外在因素： 温度、应变速率、应力状态温度、应变速率、应力状态材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleumn1 1、金属本性及晶格类型、金属本性及晶格类型n纯金属单晶体，位错运动所受的各种阻力决定纯金属单晶体，位错运动所受的各种阻力决定n晶格阻力，派纳力理想晶体中仅存一个位错运动时所需克晶格阻力，派纳力理想晶体中仅存一个位错运动时所需克服的阻力，与位错宽度和柏氏矢量有关服的阻力，与位错宽度和柏氏矢量有关n位错交互作用阻力，与柏氏矢量和位错密度有关位错交互作用阻力，与柏氏矢量和位错密度

27、有关l 位错强化位错强化W位错宽度材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleumn2 2、晶粒大小和亚结构、晶粒大小和亚结构n晶界是位错运动的障碍晶界是位错运动的障碍n要使相邻晶粒中的位错源开动，必须加大外应力要使相邻晶粒中的位错源开动，必须加大外应力霍尔派奇（霍尔派奇（Hall-PetchHall-Petch）公式）公式l 细晶强化细晶强化21dkyis材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum

28、3 3、溶质元素、溶质元素溶质溶质晶格畸变应力场晶格畸变应力场晶格畸变应力场与位错应晶格畸变应力场与位错应力场产生交互作用，是位力场产生交互作用，是位错运动受阻，是屈服强度错运动受阻，是屈服强度提高。提高。间隙固溶体的强化效果比间隙固溶体的强化效果比置换的大！置换的大！l 固溶强化固溶强化材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum4 4、第二相、第二相弥散强化、沉淀强化弥散强化、沉淀强化位错切过或绕过位错切过或绕过尺寸、形状、数量及尺寸、形状、数量及分布；与基体的晶体分布；与基体的晶体学匹配程

29、度学匹配程度l 第二相强化第二相强化屈服强度对成分、组织极为敏感屈服强度对成分、组织极为敏感材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 影响屈服强度的外在因素影响屈服强度的外在因素（1 1）温度提高，位错运动容易，）温度提高，位错运动容易，ssnBBCBBC温度效应显著温度效应显著 nFCCFCC、HCPHCP不显著不显著 结构钢低温脆性结构钢低温脆性材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleu

30、mn（2）应变速率提高，）应变速率提高，s 应变速率硬化应变速率硬化 m应变速率敏感指数应变速率敏感指数mtC)(.1 材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleumn（3）应力状态）应力状态 切应力切应力，s。切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度越低。越低。扭转强度拉伸强度弯曲强度扭转强度拉伸强度弯曲强度 非材质变化，应力状态硬非材质变化，应力状态硬材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China U

31、niversity of Petroleum四、应变硬化（形变强化）四、应变硬化（形变强化）l定义：定义： 材料在应力作用下进入塑性变材料在应力作用下进入塑性变形阶段，随着变形量的增加，形阶段，随着变形量的增加，形变应力不断提高的现象。形变应力不断提高的现象。l机理：机理：塑变变形过程中的多系滑移和塑变变形过程中的多系滑移和交滑移造成的交滑移造成的位错增殖，运动受阻所致位错增殖，运动受阻所致材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 应变硬化的意义n（1）使金属进行均匀的塑性变形；）使金属进

32、行均匀的塑性变形；n（2）改善切削加工性能；）改善切削加工性能；n（3）保证机器的安全工作；）保证机器的安全工作；n（4）提高材料强度的重要手段（形变强化）。）提高材料强度的重要手段（形变强化）。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml应变硬化指数应变硬化指数 n，反映了金属材料抵抗继续塑，反映了金属材料抵抗继续塑性变形的能力。性变形的能力。n=0.10.5n=1n=1：s=s=keke, ,理想弹性体理想弹性体n=0n=0：s=k,s=k,无硬化能力无硬化能力退火态、层错能低，退火态、层

33、错能低，n n大大与与s s成反比，冷加工态成反比，冷加工态n n小小直线作图法求得直线作图法求得nKeS 材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum定义定义 材料在静拉伸条件下的最大材料在静拉伸条件下的最大位伸应力。位伸应力。意义：意义：（1 1）易于测定，重现性好，重要）易于测定，重现性好，重要的力学性能指标的力学性能指标（2 2）脆性材料产品设计重要依据脆性材料产品设计重要依据（3 3）取决于）取决于s s和和n n，s s/b b重要重要五、抗拉强度和缩颈现象五、抗拉强度和缩颈现象0A

34、Fbb材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 缩颈现象：缩颈现象： 韧性材料，变形集中于局部区域韧性材料，变形集中于局部区域 应变硬化应变硬化与与截面减小截面减小共同作用的结果共同作用的结果B点之前，塑性变形均匀，应变点之前，塑性变形均匀，应变硬化可以补偿因试样截面减小所硬化可以补偿因试样截面减小所带来的承载力下降；带来的承载力下降；B点之后，点之后，应变硬化跟不上塑性变化的发展，应变硬化跟不上塑性变化的发展，是变形集中于试样局部区域产生是变形集中于试样局部区域产生缩颈。缩颈。B点之前，

35、点之前，dF0；B点之点之后，后，dF 10 时，无颈缩，为脆性材料特征时，无颈缩，为脆性材料特征 时，有颈缩，为塑性材料特征时，有颈缩，为塑性材料特征材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml影响因素影响因素细化晶粒，塑性细化晶粒，塑性；软的第二相，塑性软的第二相，塑性；温度提高，塑性温度提高，塑性；高固溶、硬的第二相，塑性高固溶、硬的第二相，塑性。l 塑性的意义塑性的意义 安全力学性能指标安全力学性能指标 塑性变形缓和应力集中塑性变形缓和应力集中 轧制、挤压等冷热加工变形轧制、挤压等冷热

36、加工变形材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum七、静力韧度七、静力韧度l韧性：材料断裂前吸收韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功塑性变形功和断裂功的能力。的能力。l韧度：韧度：度量材料韧性的力学性能指标，度量材料韧性的力学性能指标， 静力韧度静力韧度、冲击韧度冲击韧度和和断裂韧度断裂韧度l静力韧度：静力韧度：静拉伸时，单位体积材料断裂前所吸收的功，静拉伸时，单位体积材料断裂前所吸收的功，它是强度和塑性的综合指标。它是强度和塑性的综合指标。)(21bsTbTUU或静力韧度对于按屈服强度设计

37、，而在服役中可能遇到偶然过载的机件静力韧度对于按屈服强度设计，而在服役中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。（如链条、起重吊钩等），是必须考虑的重要指标。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum思考题 画出该材料的工程应力画出该材料的工程应力-应变曲线和真应力应变曲线和真应力-应变曲线应变曲线 求求n和和K，并写出，并写出Hollomon方程方程今有今有10mm10mm直径的正火态直径的正火态60Mn60Mn拉伸试样，其试验数据如下拉伸试样，其试验数据如下(d

38、=9.9mm(d=9.9mm为屈服平台刚结束时的试样直径为屈服平台刚结束时的试样直径) )：F/KN39.543.547.652.955.454.052.44843.1d/mm9.919.879.819.659.218.618.217.416.78nKeS enKSlglglg)1ln(,)1 (eS材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum0.00.51.00.60.81.01.2 Engineering stress-strain curveTure stress-strain curve

39、材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum-1.8-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0-0.30-0.25-0.20-0.15-0.10-0.050.000.050.10 lgSlgeY=0.09102+0.21287x材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum金属在金属在单向静拉伸单向静拉伸载荷下的力学性能载荷下的力学性能材料性能学材料性能学Property

40、 of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum1-4 1-4 金属的断裂金属的断裂l失效：失效：磨损、腐蚀和断裂磨损、腐蚀和断裂l断裂：断裂：材料在力的作用下分成若干材料在力的作用下分成若干部分的现象部分的现象n裂纹裂纹: :不完全断裂不完全断裂n断裂过程包括裂纹萌生与扩展断裂过程包括裂纹萌生与扩展n研究目的：研究目的：防止断裂防止断裂材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum一、断口分析一、断口分析l手段：手段：肉眼、放大镜、扫描

41、电子显微镜（SEM） 宏观、微观结合l注意：注意：宏观断裂形态，微观断裂特征 材料断裂的实际情况复杂l目的：目的： 了解材料断裂时裂纹萌生及扩展的起因、经历及方式材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum二、断裂的类型二、断裂的类型断裂前塑性变形大小：断裂前塑性变形大小： 脆性断裂；韧性断裂脆性断裂；韧性断裂断裂面的取向：断裂面的取向： 正断；切断正断；切断裂纹扩展的途径：裂纹扩展的途径： 穿晶断裂；沿晶断裂穿晶断裂；沿晶断裂断裂机理：断裂机理： 解理断裂，微孔聚集型断裂；纯剪切断裂解理断裂，

42、微孔聚集型断裂；纯剪切断裂材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（一）韧性断裂和脆性断裂（一）韧性断裂和脆性断裂n定义定义：金属断裂前产生金属断裂前产生明显的宏观塑性变形明显的宏观塑性变形的断裂，在裂纹的断裂，在裂纹扩展过程中不断消耗能量。扩展过程中不断消耗能量。n特点特点：断裂面与主应力成断裂面与主应力成4545o o角角n断口特征：断口特征：纤维状，灰暗色，呈杯锥形。纤维状，灰暗色，呈杯锥形。n纤维区纤维区: :裂纹扩展慢裂纹扩展慢n放射区放射区: :快速低能量撕裂快速低能量撕裂n剪切

43、唇剪切唇: :表面光滑表面光滑, ,切断切断1. 1. 韧性断裂（韧性断裂（ductile fractureductile fracture）材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum韧性断裂过程韧性断裂过程: :中心夹杂物或中心夹杂物或硬质点破裂或硬质点破裂或与基体脱离与基体脱离材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml定义定义：n突然发生的断裂，基本不发生塑性突然发生的断裂，基本不发生塑

44、性变形，无明显前兆，危害性很大。变形，无明显前兆，危害性很大。l断口特征断口特征n断口与正应力垂直，平齐光亮，放断口与正应力垂直，平齐光亮，放射状或结晶状；人字纹花样射状或结晶状；人字纹花样2. 2. 脆性断裂（脆性断裂（brittle fracturebrittle fracture）3. 3. 脆性与韧性断裂的判定脆性与韧性断裂的判定n5 5，脆性断裂；，脆性断裂；( (微量的均匀塑性变形，无颈缩）微量的均匀塑性变形，无颈缩）n5 5，韧性断裂。，韧性断裂。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petr

45、oleum韧性与脆性断裂比较韧性与脆性断裂比较断裂类型断裂类型塑性变形塑性变形扩展速度扩展速度断口特征断口特征材料材料韧性断裂韧性断裂明显明显慢慢灰暗色灰暗色, ,纤维状纤维状金属及高分子金属及高分子脆性断裂脆性断裂无无突然突然, ,快速快速齐平光亮齐平光亮, ,放射放射或结晶状或结晶状淬火钢淬火钢, ,铸铁铸铁, ,陶陶瓷瓷材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 断口三要素的应用(1)(1)断裂分析中寻找裂纹源断裂分析中寻找裂纹源 放射线放射线; ; (2)(2)断裂类型的初步判定断裂

46、类型的初步判定 三区比例三区比例; ;材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum( (二二) )正断和剪断正断和剪断宏观断裂微观断裂正断与剪断的宏观与微观形式材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（三）穿晶断裂与沿晶断裂（三）穿晶断裂与沿晶断裂 裂纹穿过晶界裂纹穿过晶界 韧性或脆性断裂韧性或脆性断裂 裂纹沿晶界扩展裂纹沿晶界扩展 多数为脆性断裂多数为脆性断裂 断口一般呈结晶状断口一般呈结晶

47、状材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum( (四四) )纯剪切断裂、微孔聚集型、解理断裂纯剪切断裂、微孔聚集型、解理断裂l（1 1）纯剪切断裂）纯剪切断裂 在切应力作用下，沿滑移面在切应力作用下，沿滑移面分离，断口呈分离，断口呈楔形或刀尖型楔形或刀尖型，纯粹由滑移流变造成的断裂。纯粹由滑移流变造成的断裂。单晶体金属单晶体金属或者或者纯金属纯金属的常的常见断裂形式，见断裂形式，完全韧性断裂完全韧性断裂。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学Ch

48、ina University of Petroleuml（2 2）微孔聚集型断裂）微孔聚集型断裂n微孔形核、长大、聚合导致材料分离微孔形核、长大、聚合导致材料分离。沿晶界局部微孔聚沿晶界局部微孔聚合，形成合，形成沿晶脆性断裂沿晶脆性断裂；在晶内微孔聚合，形成；在晶内微孔聚合，形成穿晶韧性穿晶韧性断裂断裂。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml（3 3）解理断裂）解理断裂n正应力作用下，因原子间结合键断裂，正应力作用下，因原子间结合键断裂，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

49、的学平面产生的穿晶穿晶断裂。断裂。n解理面解理面低指数晶面或表面能量低的晶面。低指数晶面或表面能量低的晶面。nFCCFCC一般不发生一般不发生n解理断裂总是脆性断裂解理断裂总是脆性断裂晶体结构晶体结构材料材料主要解理面主要解理面次要解理面次要解理面BCCHCPFe, W, MoZn, Cd, Mg0010001, 11001121124材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum根据断裂前塑性根据断裂前塑性变形大小分类变形大小分类断裂前产生明显塑性变形断裂前产生明显塑性变形, ,断裂形貌是暗灰色

50、纤维状断裂形貌是暗灰色纤维状根据断裂面的取根据断裂面的取向分类向分类韧性断裂韧性断裂正断正断切断切断断裂的宏观表面垂直断裂的宏观表面垂直于于max方向方向断裂的宏观表面平断裂的宏观表面平行于行于max方向方向裂纹穿过晶粒内部裂纹穿过晶粒内部裂纹沿晶界扩展裂纹沿晶界扩展穿晶断裂穿晶断裂沿晶断裂沿晶断裂脆性断裂脆性断裂根据裂纹扩展的根据裂纹扩展的途径分类途径分类断裂前没有明显的塑性变断裂前没有明显的塑性变形形, , 形貌是光亮的结晶状形貌是光亮的结晶状材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum根据

51、断裂机理根据断裂机理分类分类解理断裂解理断裂微孔聚集型断微孔聚集型断裂裂纯剪切断裂纯剪切断裂沿滑移面分离剪切断沿滑移面分离剪切断裂裂( (单晶体单晶体) )通过缩颈导致最终断通过缩颈导致最终断裂裂( (多晶体多晶体, ,高纯金属高纯金属) )沿晶界微孔聚合沿晶界微孔聚合, ,沿沿晶脆性断裂晶脆性断裂在晶内微孔聚合在晶内微孔聚合, ,穿穿晶韧性断裂晶韧性断裂无明显塑性变形沿解无明显塑性变形沿解理面分离理面分离, ,穿晶脆性穿晶脆性断裂断裂材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum三、解理断裂机理

52、和微观断口特征三、解理断裂机理和微观断口特征1 1、甄纳甄纳- -斯特罗斯特罗(Zener-Stroh)(Zener-Stroh)位错塞积理论位错塞积理论n位错在晶界前受阻并相互靠位错在晶界前受阻并相互靠近形成位错塞积近形成位错塞积n塞积头处应力集中不能为塑塞积头处应力集中不能为塑性变形松弛，超过材料的强性变形松弛，超过材料的强度极限度极限裂纹形成裂纹形成（一）解理裂纹的形成和扩展（一）解理裂纹的形成和扩展l 解理断裂解理断裂有少量塑性变形有少量塑性变形与位错运动有关与位错运动有关材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China Universi

53、ty of Petroleumn理论断裂强度理论断裂强度21max)2/)(rdif 210)(aEsm塞积头处最大拉应力：塞积头处最大拉应力： 外加切应力外加切应力i： 位错运动阻力位错运动阻力 d：晶粒直径：晶粒直径 r：位错塞积头到裂纹形成点的距离：位错塞积头到裂纹形成点的距离材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum形成裂纹形成裂纹的条件：的条件：21max)2/)(rdif 210)(aEsm2121021021)1(42)()2)(dGdaEraErdSifsifsifr与与a0相

54、当相当E=2G(1+)f： 形成形成裂纹所需的切应力位裂纹所需的切应力位材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 解理裂纹扩展过程解理裂纹扩展过程(a)(a)塑性变形形成裂纹塑性变形形成裂纹; ; (b)(b)裂纹同一晶粒内初期长大裂纹同一晶粒内初期长大; ; (c)(c)裂纹越过晶界向相邻晶粒扩展。裂纹越过晶界向相邻晶粒扩展。解理裂纹形成后并不一定迅速扩展而断裂，其扩解理裂纹形成后并不一定迅速扩展而断裂，其扩展需要经历三个阶段，要满足一定的力学条件。展需要经历三个阶段，要满足一定的力学条

55、件。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml解理裂纹扩展的条件 n柯垂尔，能量分析法，解理裂柯垂尔，能量分析法，解理裂纹纹扩展的条件扩展的条件为：为： 外加外加正应力所做的功必须正应力所做的功必须等于产生裂纹新表面的表面能等于产生裂纹新表面的表面能。 滑移带上的切应力因出现滑移带上的切应力因出现塑性位移塑性位移nbnb而松弛，故而松弛，故弹性剪弹性剪切位移等于塑性位移切位移等于塑性位移。nbdGi)(snb2弹性剪切位移塑性位移材料性能学材料性能学Property of Materials

56、中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumGdnbdGsii2)()(snb2n晶粒细化，临界断裂应力（断裂强度）提高，材料的脆性减小。晶粒细化，临界断裂应力（断裂强度）提高，材料的脆性减小。n合金中第二相质点的间距越小，材料的断裂强度合金中第二相质点的间距越小，材料的断裂强度。dkGysc/2由于屈服时裂纹已经形成，由于屈服时裂纹已经形成，=s s，而，而s s 与晶粒直径之间满足与晶粒直径之间满足霍尔霍尔- -派奇关系，即：派奇关系，即：dkyis脆性裂纹扩展条件：脆性裂纹扩展条件：ky：位错定扎系数：位错定扎系数材料性能学材料性能学Property

57、 of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum2、柯垂耳(cottrell)位错反应理论两刃型位错相遇反应，新形成两刃型位错相遇反应，新形成的位错为不动位错，结果两相的位错为不动位错，结果两相交滑移面上的位错群在该不动交滑移面上的位错群在该不动位错附近产生塞积，当塞积位位错附近产生塞积，当塞积位错较多时，其多余半原子面如错较多时，其多余半原子面如同楔子一样插入解理面中间形同楔子一样插入解理面中间形成裂纹。成裂纹。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University o

58、f Petroleum2、柯垂耳(cottrell)位错反应理论nBCCBCC，位错反应，降低能量，位错反应，降低能量，自发进行；自发进行；FCCFCC，位错反应不，位错反应不能降低能量，不能自发进行能降低能量，不能自发进行l科垂耳理论和甄纳理论共同之科垂耳理论和甄纳理论共同之处：裂纹处：裂纹形核前形核前均需有塑性变均需有塑性变形；形；位错运动受阻位错运动受阻，在一定条，在一定条件下便会形成裂纹。件下便会形成裂纹。l裂纹在晶界、亚晶界、孪晶交裂纹在晶界、亚晶界、孪晶交叉处出现。叉处出现。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China Unive

59、rsity of Petroleum（二）解理裂纹的微观断口特征（二）解理裂纹的微观断口特征1 1、解理断裂、解理断裂n电子显微镜电子显微镜n微观特征：微观特征：解理台阶解理台阶、河流花样河流花样和和舌状花样舌状花样 l解理刻面：大致解理刻面：大致以晶粒大小为单位的解理面以晶粒大小为单位的解理面称为解理称为解理刻面。刻面。l解理台阶：解理断裂时，解理台阶：解理断裂时，裂纹跨越若干相互平行且位裂纹跨越若干相互平行且位于不同高度的解理面，从而在一个刻面内部出现了台于不同高度的解理面，从而在一个刻面内部出现了台阶状微观特征阶状微观特征。l河流花样：河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合，同解理台

60、阶沿裂纹前端滑动而相互汇合，同号台阶相互汇合长大，当汇合台阶足够大时，便形成号台阶相互汇合长大，当汇合台阶足够大时，便形成河流花样。河流花样。材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum解理台阶、河流花样形成示意图解理台阶、河流花样形成示意图材料性能学材料性能学Property of Materials中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum舌状花样：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解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌头状凹坑或凸台材料性能学