材料力学性能课件 第1章

1、第1章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能1主要内容1.1 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1.2 1.2 弹性变形弹性变形1.3 1.3 塑性变形塑性变形1.4 1.4 金属的断裂金属的断裂2 拉伸试验一、单向静拉伸试验特点一、单向静拉伸试验特点: :1.1.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; ;2.2.实验的实验的应力状态应力状态、加载速率加载速率、试样尺寸试样尺寸、温度温度等都有规定；等都有规定；（通常均匀施加拉伸力，直至试样断裂）（通常均匀施加拉伸力，直至试样断裂）3.3.揭示金属材料常见的力学行为揭示金属材料常见的力学行为（弹性变形

2、、塑性变形、断弹性变形、塑性变形、断裂裂）；4.4.可测最可测最基本基本力学性能指标：力学性能指标：强度强度（）、塑性塑性（、）、应变硬化应变硬化、韧性韧性等。等。3二、试验标准金属拉伸试验方法金属拉伸试验方法 老标准老标准GB228-76GB228-76 、GB228-87GB228-87金属材料室温拉伸试验方法金属材料室温拉伸试验方法 新标准新标准GB/T228-2002GB/T228-2002；试验是用拉力拉伸试样，一般拉至试验是用拉力拉伸试样，一般拉至断裂断裂，测定相应，测定相应的力学性能。除非另有规定，试验一般在的力学性能。除非另有规定，试验一般在室温室温10103535范围内进行，

3、对温度要求严格的试验，试验温度应范围内进行，对温度要求严格的试验，试验温度应为为232355。4三、拉伸试样三、拉伸试样1 1、金属拉伸试验试样标准：、金属拉伸试验试样标准： GB/T228-2002 GB/T228-20022 2、与拉伸试样相关的几个概念：、与拉伸试样相关的几个概念：标距标距：测量伸长用的试样圆柱和棱柱部分的长度测量伸长用的试样圆柱和棱柱部分的长度；原始标距原始标距 L L0 0：施力前的试样标距施力前的试样标距； 断后标距断后标距L Lu u：试样断裂后的标距试样断裂后的标距。平行长度平行长度L Lc c ：试样两头部或两夹持部分之间平行部分的长度试样两头部或两夹持部分之

4、间平行部分的长度；伸长伸长：试验期间任一时刻原始标距的增量试验期间任一时刻原始标距的增量。 拉伸试样一般为经机加工的试样和不经机加工的全截拉伸试样一般为经机加工的试样和不经机加工的全截面试样面试样, ,其横截面通常为圆形、矩形、异形以及不经加工的其横截面通常为圆形、矩形、异形以及不经加工的全截面形状。全截面形状。5拉伸试样1) 1) 圆形试样圆形试样 l0d0 62) 2) 矩形试样矩形试样l0tb3 3）异型试样）异型试样 7四、拉伸试验设备四、拉伸试验设备WEW-100DWEW-100D微机屏显液压万能试验机微机屏显液压万能试验机81.1 拉伸力伸长曲线和应力应变曲线弹性变形弹性变形( (

5、OeOe) )不均匀屈服塑性变形不均匀屈服塑性变形( (eCeC) )均匀塑性变形均匀塑性变形( (CBCB) )不均匀集中塑性变形不均匀集中塑性变形( (BkBk) ) 断裂断裂( (k k) )9应力应变曲线应力应变曲线101.2 弹性变形(1)(1)弹性变形及其实质弹性变形及其实质定义定义：当外力去除后，：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺能恢复到原来形状或尺寸的变形，叫寸的变形，叫弹性变形弹性变形。它是金属晶格中原子自它是金属晶格中原子自平衡位置产生可逆位移平衡位置产生可逆位移的反映。的反映。1112考虑右图的双原子模型考虑右图的双原子模型平衡时，引力斥力平衡时，引力斥力引力来源于静电

6、引力引力来源于静电引力斥力来源于正离子和电子斥力来源于正离子和电子间的斥力，及电子离心力间的斥力，及电子离心力引力引力：NoImager0引斥rrm2rA引13斥力斥力：其中其中A A，B B为常数，且为常数，且r rr r0 0时时，引力斥力。引力斥力。A A，B B决定于原决定于原子类型和晶体结构。子类型和晶体结构。总的作用力：总的作用力：见图中红色曲线。见图中红色曲线。r=rr=rm m时时m mNoImage4rB斥42rBrAr0引斥rrm金属弹性变形的特点金属弹性变形的特点可逆性；可逆性；弹性变形过程中材料处处连续，应力应变弹性变形过程中材料处处连续，应力应变单单值线性关系；值线性

7、关系；弹性变形量与物体的尺寸相比很小，一般不超过弹性变形量与物体的尺寸相比很小，一般不超过0.50.51 1。弹性变形过程中材料的体积不变。弹性变形过程中材料的体积不变。14（2 2）胡克定律）胡克定律简单应力状态的胡克定律简单应力状态的胡克定律 单向拉伸单向拉伸泊松比泊松比材料横向应变与纵向应变的比值的绝对值，也叫材料横向应变与纵向应变的比值的绝对值，也叫横向横向变形系数变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。，它是反映材料横向变形的弹性常数。15 剪切和扭转剪切和扭转 E E、G G和和的关系的关系弹性模量（又称杨氏模量）弹性模量（又称杨氏模量）理想材料有小形变时应力与相应的应变之比。理

8、想材料有小形变时应力与相应的应变之比。切变模量切变模量G G材料在弹性变形阶段内，剪切应力与对应剪切应变的比值材料在弹性变形阶段内，剪切应力与对应剪切应变的比值16广义胡克定律（复杂应力状态）广义胡克定律（复杂应力状态）x=-20MPa；y=30MPa；xy=20MPa17（3 3）弹性模量）弹性模量弹性模量的理论定义弹性模量的理论定义： 当应变为一个单位时的弹性应力，即产生当应变为一个单位时的弹性应力，即产生100%100%弹性变形所需的应力。弹性变形所需的应力。材料的刚度材料的刚度E E 工程上弹性模量被称为工程上弹性模量被称为材料的刚度材料的刚度，表征金属材，表征金属材料对弹性变形的抗力

9、，其值的大小反映金属弹性变料对弹性变形的抗力，其值的大小反映金属弹性变形的难易程度。形的难易程度。 E E越大变形越困难越大变形越困难。18构件的刚度构件的刚度AEAE 机器零件或构件的刚度与材料的刚度不同，既与材机器零件或构件的刚度与材料的刚度不同，既与材料刚度有关，还与截面形状、尺寸、载荷方式有关。反映料刚度有关，还与截面形状、尺寸、载荷方式有关。反映构件产生弹性变形的难易程度。构件产生弹性变形的难易程度。 欲提高机器零件的刚度，在不能增大截面积的情况下，欲提高机器零件的刚度，在不能增大截面积的情况下，应选用应选用E E值比较高的材料，如钢铁材料。值比较高的材料，如钢铁材料。19弹性模量的

10、影响因素弹性模量的影响因素键合方式和原子结构键合方式和原子结构共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模量；分子键结共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模量；分子键结合力较弱，弹性模量较低。合力较弱，弹性模量较低。晶体结构晶体结构单晶体单晶体 - - 弹性各向异性；多晶体弹性各向异性；多晶体 - - 弹性伪各向同性弹性伪各向同性; ;非晶态非晶态 - - 各向同性。各向同性。化学成分化学成分 材料化学成分变化将引起原子间距和键合方式的变化，因材料化学成分变化将引起原子间距和键合方式的变化，因此也将影响材料的弹性模量。此也将影响材料的弹性模量。20微观组织微观组织对于金属材料，在合金成分不变的情况下

11、，微观组织对弹对于金属材料，在合金成分不变的情况下，微观组织对弹性模数的影响较小，晶粒大小对性模数的影响较小，晶粒大小对E E值无影响。故热处理对值无影响。故热处理对弹性模量的影响不大。弹性模量的影响不大。对一般的固溶体合金（弹簧材料除外），在溶解度较小的对一般的固溶体合金（弹簧材料除外），在溶解度较小的情况下一般影响不大。如对于常用钢铁材料，合金元素对情况下一般影响不大。如对于常用钢铁材料，合金元素对弹性模量影响不大。弹性模量影响不大。总结：总结：金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标能指标。21温度温度温度升高，温度升高，E E值降低

12、。但在室温附近，值降低。但在室温附近，E E值变化不大，可以值变化不大，可以不考虑温度的影响。不考虑温度的影响。冷塑性变形冷塑性变形使使E E值稍有降低值稍有降低加载条件和负荷持续时间加载条件和负荷持续时间对对E E值影响不大值影响不大22（4 4）弹性比功（弹性比能）弹性比功（弹性比能） 定义定义：材料吸收弹性变形功的能力。：材料吸收弹性变形功的能力。可用材料开始塑性变形前可用材料开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功单位体积吸收的最大弹性变形功表示。表示。 材料拉伸时的弹性比功可用图示应力应变曲线弹材料拉伸时的弹性比功可用图示应力应变曲线弹性变形阶段的下影线面积表示。性变形阶段的下影线

13、面积表示。23金属材料的弹性比功决定于弹性模量金属材料的弹性比功决定于弹性模量E E和弹性极限和弹性极限e e。弹性模量对组织不敏感，只有用提高弹性极限弹性模量对组织不敏感，只有用提高弹性极限e e的方法提的方法提高弹性比功。高弹性比功。2Ee212e eea24弹簧是典型的弹性零件，应具有较高的弹性比功和良好的弹簧是典型的弹性零件，应具有较高的弹性比功和良好的弹性。弹簧钢含碳量高，并加入弹性。弹簧钢含碳量高，并加入SiSi、MnMn、CrCr、V V等合金元等合金元素以强化铁素体基体和提高钢的淬透性，经素以强化铁素体基体和提高钢的淬透性，经淬火加中温回淬火加中温回火火以及以及冷变形强化冷变形

14、强化可有效提高弹性极限，使弹性比功和弹可有效提高弹性极限，使弹性比功和弹性增加。性增加。25（5 5）滞弹性）滞弹性正弹性后效正弹性后效(direct elastic aftereffect)(direct elastic aftereffect)加载时，应变落后于应力，而和时间有关的现象称正加载时，应变落后于应力，而和时间有关的现象称正弹性后效，亦称弹性后效，亦称弹性蠕变弹性蠕变或或冷蠕变冷蠕变。反弹性后效反弹性后效(reverse elastic aftereffect)(reverse elastic aftereffect)卸载时，应变落后于应力的现象称反弹性后效。卸载时，应变落后于应

15、力的现象称反弹性后效。 弹性蠕变和弹性后效统称为弹性蠕变和弹性后效统称为滞弹性滞弹性，即，即在弹性范围内快速在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长而产生的附加弹性应变现象加载或卸载后，随时间延长而产生的附加弹性应变现象。26应力循环OAABBeeO应变循环Oaabbccd27弹性滞后环弹性滞后环金属在弹性区内单向快速加载、卸载时，由于应变落后应金属在弹性区内单向快速加载、卸载时，由于应变落后应力，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，即弹性力，使加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，即弹性滞后环。滞后环。交变载荷中最大应力低于宏观弹性极限弹性滞后环；交变载荷中最大应力超过宏观弹性极限塑性滞

16、后环28 金属的循环韧性金属的循环韧性 金属材料在交变载荷（振动）下吸收不可逆变形功的金属材料在交变载荷（振动）下吸收不可逆变形功的能力，称为能力，称为金属的循环韧性金属的循环韧性，也叫，也叫金属的内耗金属的内耗，亦称，亦称消振消振性性。 循环韧性与内耗的区别循环韧性与内耗的区别：循环韧性循环韧性用用塑性塑性滞后环面积来度量，在塑性区内加载时滞后环面积来度量，在塑性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。吸收不可逆变形功的能力。内耗内耗用用弹性弹性滞后环面积来度量，在弹性区内加载吸收不滞后环面积来度量，在弹性区内加载吸收不可逆变形功的能力。可逆变形功的能力。29循环韧性的意义循环韧性的意义： 材料循

17、环韧性愈高，则机件依靠材料自身的消振能力愈好。材料循环韧性愈高，则机件依靠材料自身的消振能力愈好。30（6 6）包申格效应）包申格效应定义定义： 金属材料经过预先加载金属材料经过预先加载产生少量塑性变形（残余应产生少量塑性变形（残余应变小于变小于1 14%4%），而后再同），而后再同向加载，规定残余伸长应力向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。伸长应力降低的现象。31包申格应变包申格应变指在给定应力下，拉伸指在给定应力下，拉伸卸载后第二次再拉伸与拉伸卸载后第二次再拉伸与拉伸卸载后第二次压缩两曲线之卸载后第二次压缩两曲线之间的应变差。间的应变

18、差。它是它是度量包申格效应的度量包申格效应的基本定量指标基本定量指标， = bc 32包申格效应的位错解释包申格效应的位错解释 在金属预先受载产生少在金属预先受载产生少量塑性变形时，位错沿某一滑移量塑性变形时，位错沿某一滑移面运动，遇林位错而弯曲。在位面运动，遇林位错而弯曲。在位错前方，林位错密度增加，形成错前方，林位错密度增加，形成位错缠结，该位错结构在力学上位错缠结，该位错结构在力学上稳定。稳定。33 林位错林位错晶体中位错呈空间网状分布，对某一个晶体中位错呈空间网状分布，对某一个位错线来讲，其滑移面和其它一些位错线是相交的，位错线来讲，其滑移面和其它一些位错线是相交的，则这些相交叉的位错

19、线即称林位错。则这些相交叉的位错线即称林位错。如果此时卸载并随后如果此时卸载并随后同向加载同向加载，位错线不能显著，位错线不能显著运动，宏观上表现为规定残余伸长应力增加；运动，宏观上表现为规定残余伸长应力增加；如果卸载后施加如果卸载后施加反向力反向力，位错被迫反向运动，在，位错被迫反向运动，在反向路径上，林位错等障碍数量少，位错可以在较低反向路径上，林位错等障碍数量少，位错可以在较低应力下移动较大距离，即规定残余伸长应力降低应力下移动较大距离，即规定残余伸长应力降低。34消除方法消除方法（1 1）预先经受较大的塑性变形；）预先经受较大的塑性变形；（2 2）在第二次反向受力前使金属材料于）在第二

20、次反向受力前使金属材料于回复回复或或再结再结晶晶温度下退火。温度下退火。 351.3 塑性变形（1 1）塑性变形方式及特点）塑性变形方式及特点塑性变形的方式塑性变形的方式滑移滑移 slipslip 滑移是金属材料在切应力作用下，位错沿滑移面和滑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变过程。滑移面和滑移方向的组合移方向运动而进行的切变过程。滑移面和滑移方向的组合称为滑移系。滑移系越多，金属的塑性越好，但不是唯一称为滑移系。滑移系越多，金属的塑性越好，但不是唯一因素。因素。36孪生孪生 twiningtwining 孪生是金属材料在切应力作用下的一种塑性变形方式，孪生是

21、金属材料在切应力作用下的一种塑性变形方式，孪生变形亦是沿特定的晶面和特定晶向进行的。孪生变形亦是沿特定的晶面和特定晶向进行的。37多晶体金属的塑性变形特点多晶体金属的塑性变形特点各晶粒变形的不同时性各晶粒变形的不同时性 晶粒取向不同，取向有利的晶粒先变形。组织愈不均晶粒取向不同，取向有利的晶粒先变形。组织愈不均匀，起始塑性变形不同时性愈明显。匀，起始塑性变形不同时性愈明显。各晶粒变形的不均匀性各晶粒变形的不均匀性 不均匀性存在于各晶粒之间，基体金属晶粒与第二相不均匀性存在于各晶粒之间，基体金属晶粒与第二相晶粒之间，即使同一晶粒内部，各处的变形亦不均匀。结晶粒之间，即使同一晶粒内部，各处的变形亦

22、不均匀。结果，宏观塑性变形量尚不大时，微观局部可能变形很大，果，宏观塑性变形量尚不大时，微观局部可能变形很大，在内应力作用下形成微裂纹，导致金属材料的早期断裂。在内应力作用下形成微裂纹，导致金属材料的早期断裂。38各晶粒变形的相互协调性各晶粒变形的相互协调性 多晶体作为一个连续整体，要求各晶粒之间能协调变多晶体作为一个连续整体，要求各晶粒之间能协调变形，否则将造成晶界开裂。故多晶体金属塑性变形需要进形，否则将造成晶界开裂。故多晶体金属塑性变形需要进行多系滑移，或在滑移同时进行孪生变形。行多系滑移，或在滑移同时进行孪生变形。 要求：每个晶粒至少必须有要求：每个晶粒至少必须有5 5个独立的滑移系开

23、动。个独立的滑移系开动。39（2 2）屈服现象和屈服点）屈服现象和屈服点 （屈服强度）（屈服强度） 当应力达到一定值时，应当应力达到一定值时，应力虽不增加（或者在小范围内力虽不增加（或者在小范围内波动），而变形却急剧增长的波动），而变形却急剧增长的现象，称为现象，称为屈服现象屈服现象 产生屈服现象时的应力值产生屈服现象时的应力值即为即为屈服点屈服点。 屈服伸长：屈服伸长：在屈服过程中在屈服过程中产生的伸长。产生的伸长。上屈服点上屈服点su、下屈服点、下屈服点sl40用应力表示的用应力表示的屈服点或下屈服点屈服点或下屈服点就是表征材料对微量塑性就是表征材料对微量塑性变形的抗力，即变形的抗力，即屈

24、服强度屈服强度。将下屈服点也选作材料屈服强度指标之一的理由是，在正将下屈服点也选作材料屈服强度指标之一的理由是，在正常试验条件下，常试验条件下， slsl的再现性较好。的再现性较好。41对对具有连续屈服特征的材料具有连续屈服特征的材料（如黄铜）（如黄铜）无屈服平台，可用规定微量塑性伸长应无屈服平台，可用规定微量塑性伸长应力表征材料对微量塑性变形的抗力。有力表征材料对微量塑性变形的抗力。有三种指标：三种指标：规定非比例伸长应力规定非比例伸长应力p p规定残余伸长应力规定残余伸长应力r r规定总伸长应力规定总伸长应力t t在不规定测定方法的情况下，一般将在不规定测定方法的情况下，一般将0.010.

25、01称为称为条件比例极限条件比例极限， 0.20.2称为称为屈屈服强度服强度。42屈服强度的应用屈服强度的应用：可以作为机械部件设计中选择材料的重要依据（屈服可以作为机械部件设计中选择材料的重要依据（屈服判据）。判据）。利用屈服判据，可以计算出达到机件受力要求的材料利用屈服判据，可以计算出达到机件受力要求的材料所需要的屈服强度值，为选择材料提供参考依据。所需要的屈服强度值，为选择材料提供参考依据。机件选材步骤机件选材步骤：机件受力情况机件受力情况（屈服判据）（屈服判据） 确定确定s s（安全系（安全系数）数）选择机件材料选择机件材料金属结构的强度设计中，许用应力金属结构的强度设计中，许用应力=

26、 = s s/n/n（其（其中中n n为安全系数，为安全系数，n n2 2）43对于复杂受载状况，对于复杂受载状况，s s仍然可建立屈服判据指标。仍然可建立屈服判据指标。屈雷斯加最大切应力判据屈雷斯加最大切应力判据：米赛斯畸变能判据米赛斯畸变能判据：式中式中1 1、 2 2、 3 3为主应力，且为主应力，且1 1 2 2 3 344（3 3）影响屈服强度的因素）影响屈服强度的因素内在因素内在因素金属的本性及晶格类型金属的本性及晶格类型 纯金属单晶体的屈服强度（理论上）是使位错开始运纯金属单晶体的屈服强度（理论上）是使位错开始运动的临界切应力，其值动的临界切应力，其值由位错运动所受各种阻力决定由

27、位错运动所受各种阻力决定。不。不同的金属及晶格类型，位错运动所受的阻力不同，故彼此同的金属及晶格类型，位错运动所受的阻力不同，故彼此的屈服强度不同。的屈服强度不同。晶格阻力晶格阻力（派纳力（派纳力p-np-n）在理想晶体中，仅存在一个位错运动时所需克服的阻力。在理想晶体中，仅存在一个位错运动时所需克服的阻力。45 G G 切变模量；切变模量； bb柏氏矢量的模；柏氏矢量的模； 泊松比；泊松比； aa滑移面晶面间距；滑移面晶面间距； 位错宽度，位错宽度， 由上式可知：由上式可知：p-np-n；p-np-n b b或或aap-np-n 故位错在滑移面的滑移方向上最易运动。故位错在滑移面的滑移方向上

28、最易运动。b2)-b(1a2-12-12e e GGnp1a46.位错间交互作用产生的阻力位错间交互作用产生的阻力 1 1、 平行位错间交互作用产生的阻力平行位错间交互作用产生的阻力 2 2、 运动位错与林位错交互作用产生的阻力运动位错与林位错交互作用产生的阻力 比例系数；比例系数； LL位错间距离；位错间距离； 位错密度位错密度 平行位错时：平行位错时：为主滑移面中位错的密度为主滑移面中位错的密度林位错时：林位错时：为林位错的密度为林位错的密度 由上式知：由上式知：，故屈服强度，故屈服强度。 1/2Gb LGb 47晶粒大小和亚结构晶粒大小和亚结构晶粒尺寸晶粒尺寸晶界晶界位错运动障碍数目位错

29、运动障碍数目，位错塞，位错塞积群长度积群长度s s（细晶强化）（细晶强化） 许多金属与合金许多金属与合金s s与晶粒大小均符合与晶粒大小均符合霍尔霍尔派奇派奇（Hall-PetchHall-Petch）公式）公式： i i位错在基体金属中运动的总阻力，亦称磨擦阻力；位错在基体金属中运动的总阻力，亦称磨擦阻力； k ky y度量晶界对强化贡献大小的钉扎常数；度量晶界对强化贡献大小的钉扎常数； d d 晶粒平均直径。晶粒平均直径。 亚晶界、相界的作用与晶界类似，均阻碍位错运亚晶界、相界的作用与晶界类似，均阻碍位错运动，霍尔派奇公式适用。动，霍尔派奇公式适用。2/1yik ds48溶质元素溶质元素

30、固溶合金中溶质原子和溶剂原子直径不同固溶合金中溶质原子和溶剂原子直径不同形成晶形成晶格畸变应力场格畸变应力场该应力场和位错应力场产生交互作用该应力场和位错应力场产生交互作用位错运动受阻位错运动受阻s s(固溶强化固溶强化) ) 固溶强化效果固溶强化效果：间隙型置换型：间隙型置换型49 第二相质点的强化效果与质点本身在屈服变形过第二相质点的强化效果与质点本身在屈服变形过程中能否变形有很大关系，据此将第二相质点分为两程中能否变形有很大关系，据此将第二相质点分为两类：类：不可变形不可变形（）和）和可变可变形形（）。）。 第二相的影响第二相的影响501 1）不可变形的硬脆第二相的影响）不可变形的硬脆第

31、二相的影响位错绕过第二相，按照这种方式，位错运动的阻力位错绕过第二相，按照这种方式，位错运动的阻力主要来自弯曲位错的线张力：主要来自弯曲位错的线张力： LGb 51 如果再考虑到质点大小的影响，则位错线的运动阻力为：如果再考虑到质点大小的影响，则位错线的运动阻力为： LL相邻质点的间距；相邻质点的间距；rr质点半径；质点半径； GG切变模量；切变模量；bb柏氏矢量柏氏矢量 由上式可知：由上式可知： 当当r rb b时，随着时，随着LL，即第二相，即第二相质点数量越多，越分散，材料的屈服强度就越高。质点数量越多，越分散，材料的屈服强度就越高。 随着绕过质点的位错数量随着绕过质点的位错数量 ，留下

32、的位错环，留下的位错环 ，质，质点间距点间距，屈服强度，屈服强度 。brln LGb 522 2）可变形的第二相的影响）可变形的第二相的影响 对于可变形的第二相质点，位错可以切过，使之同对于可变形的第二相质点，位错可以切过，使之同基体一起产生变形，由此也能提高基体一起产生变形，由此也能提高s s。 原因原因：由于质点与基体间晶格错排及位错切过第二：由于质点与基体间晶格错排及位错切过第二相质点产生新的界面需要作功等原因造成的。相质点产生新的界面需要作功等原因造成的。 5354第二类质点强化效果的影响因素：第二类质点强化效果的影响因素：粒子本身性质及其与基体结合情况；粒子本身性质及其与基体结合情况

33、；粒子尺寸、形状、数量；粒子尺寸、形状、数量；第二相与基体的强度、塑性、应变硬化特性、两相晶体学第二相与基体的强度、塑性、应变硬化特性、两相晶体学配合、界面能等。配合、界面能等。55影响屈服强度的外在因素影响屈服强度的外在因素 温度温度 TT金属材料的屈服强度金属材料的屈服强度，但金属晶体结构不一样，但金属晶体结构不一样，其变化趋势不一样。其变化趋势不一样。bccbcc金属的温度效应比金属的温度效应比fccfcc金属大；金属大；56应变速率应变速率 应变速率应变速率金属材料的强度金属材料的强度，但屈服强度随应变速率，但屈服强度随应变速率的变化比抗拉强度的变化剧烈（应变速率硬化现象）；的变化比抗

34、拉强度的变化剧烈（应变速率硬化现象）；57应力状态应力状态 切应力分量愈大切应力分量愈大愈有利于塑性变形愈有利于塑性变形屈服强度愈低。屈服强度愈低。 扭转扭转s s 拉伸拉伸s s 0dF0；B B点后，点后，dF0dF 形成缩颈，差值越大缩颈越严重；形成缩颈，差值越大缩颈越严重； 不形成缩颈不形成缩颈。71拉伸试样的比例试样中拉伸试样的比例试样中L L0 0=5d=5d0 0为为短比例试样短比例试样，断后伸长率为，断后伸长率为5 5；L L0 0=10d=10d0 0为为长比例试样长比例试样，断后伸长率为，断后伸长率为1010；由于大多数韧性金属材料的由于大多数韧性金属材料的集中塑性变形量大

35、于均匀塑性变形量集中塑性变形量大于均匀塑性变形量，因，因此，比例试样的尺寸越短，其断后伸长率越大，反映在此，比例试样的尺寸越短，其断后伸长率越大，反映在5 5与与1010的关的关系上是系上是5 5 1010。gtgt：最大力下的总伸长率，指试样拉伸至最大力时标距的总伸长与原：最大力下的总伸长率，指试样拉伸至最大力时标距的总伸长与原始标距的百分比。始标距的百分比。表征金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形量。表征金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形量。72（七）静力韧度（七）静力韧度 韧性与韧度韧性与韧度韧性韧性金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，或指材

36、料抵抗裂纹扩展的能力。的能力，或指材料抵抗裂纹扩展的能力。韧度韧度度量材料韧性的力学性能指标，又分为静度量材料韧性的力学性能指标，又分为静力韧度、冲击韧度、断裂韧度。力韧度、冲击韧度、断裂韧度。 静力韧度的定义静力韧度的定义在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功。在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功。73 静力韧度的表达式静力韧度的表达式严格的说，静力韧度值应该是真应力严格的说，静力韧度值应该是真应力- -应变曲线下所包应变曲线下所包围的面积也就是围的面积也就是 eTSdeU0bTU )(21bsTU工程上用近似计算，对韧性材料工程上用近似计算，对韧性材料 静力韧度对于按屈服强度设计而在服役

37、中可能遇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是必须考虑的指标。到偶然过载的机件是必须考虑的指标。741.4 金属的断裂（1 1）断裂的类型）断裂的类型机件的三种主要失效形式：机件的三种主要失效形式：磨损、腐蚀和断裂磨损、腐蚀和断裂断裂的危断裂的危害最大。害最大。完全断裂完全断裂在应力作用下，金属材料被分为两个或几个部在应力作用下，金属材料被分为两个或几个部分分不完全断裂不完全断裂内部存在裂纹内部存在裂纹7576 韧性断裂与脆性断裂韧性断裂与脆性断裂 一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5 5者为脆性者为脆性断裂；反之，大于断裂；反之，大

38、于5 5者为韧性断裂。者为韧性断裂。韧性断裂韧性断裂 金属材料断裂前产生金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形明显宏观塑性变形的断裂，有一的断裂，有一个个缓慢的撕裂缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中过程，在裂纹扩展过程中不断消耗能量不断消耗能量。 中、低强度钢光滑圆柱试样在室温的静拉伸断裂就是中、低强度钢光滑圆柱试样在室温的静拉伸断裂就是典型的韧性断裂，其宏观断口呈杯锥状，由典型的韧性断裂，其宏观断口呈杯锥状，由纤维区纤维区、放射放射区区和和剪切唇剪切唇三个区域组成，即所谓的三个区域组成，即所谓的断口特征三要素断口特征三要素。77纤维区纤维区：呈暗灰色，无金属光泽，：呈暗灰色，无金属光泽，表面粗糙，

39、呈纤维状，位于断表面粗糙，呈纤维状，位于断口中心，是裂纹源。口中心，是裂纹源。放射区放射区：宏观特征是表面呈结晶：宏观特征是表面呈结晶状，有金属光泽，并具有放射状，有金属光泽，并具有放射状纹路，纹路的放射方向与裂状纹路，纹路的放射方向与裂纹扩散方向平行，而且这些纹纹扩散方向平行，而且这些纹路逆指向裂纹源。路逆指向裂纹源。剪切唇剪切唇：宏观特征是表面光滑，：宏观特征是表面光滑，断面与外力呈断面与外力呈4545，位于试样，位于试样断口的边缘部位，典型切断型断口的边缘部位，典型切断型断裂。断裂。7879无缺口拉伸试样，断口和三个断裂区示意图断口三区域的形态、大断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样

40、小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料形状、尺寸和金属材料的性能以及温度、加载的性能以及温度、加载速率、受力状态不同而速率、受力状态不同而变化。变化。材料强度提高，塑性降材料强度提高，塑性降低，放射区比例增大；低，放射区比例增大；试样尺寸加大，放射区试样尺寸加大，放射区明显增大，纤维区变化明显增大，纤维区变化不大。不大。80韧断的特征韧断的特征： a) a) 伴随塑性变形及能量吸收；伴随塑性变形及能量吸收； b) b) 工件外形呈颈缩、弯曲及断面收缩；工件外形呈颈缩、弯曲及断面收缩； c) c) 断面一般平行于最大切应力并与主应力成断面一般平行于最大切应力并与主应力成4545。81脆性断裂脆

41、性断裂 脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形。脆性断裂的断裂面一般与正应力垂发生塑性变形。脆性断裂的断裂面一般与正应力垂直，直，断口断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。82板状矩形拉伸试样断口中的人字板状矩形拉伸试样断口中的人字纹花样的放射方向也与裂纹扩展纹花样的放射方向也与裂纹扩展方向平行，但其尖顶指向裂纹源。方向平行，但其尖顶指向裂纹源。83脆断的特征脆断的特征：a) a) 断裂时构件承载的工作应力并不高，通常不超过断裂时构件承载的工作应力并不高，通常不超过s s，故又称为，故又称为低应力脆断低应力脆断

42、。b) b) 脆断总是从构件内部存在的宏观裂纹作为脆断总是从构件内部存在的宏观裂纹作为“源源”开始的。开始的。c) c) 中、低强度钢脆断常在低温下发生，而高强钢则中、低强度钢脆断常在低温下发生，而高强钢则不一定。不一定。d) d) 断口平整光亮，有金属光泽，且与正应力垂直，断口平整光亮，有金属光泽，且与正应力垂直，断面上有人字或放射花纹。断面上有人字或放射花纹。84 穿晶断裂与沿晶断裂穿晶断裂与沿晶断裂穿晶断裂穿晶断裂的裂纹穿过晶内；的裂纹穿过晶内； 从宏观上看，穿晶断裂可以是韧性断裂从宏观上看，穿晶断裂可以是韧性断裂( (如韧脆转变温如韧脆转变温度以上的穿晶断裂度以上的穿晶断裂) )，也可

43、以是脆性断裂，也可以是脆性断裂( (低温下的穿晶解低温下的穿晶解理断裂理断裂) )；沿晶断裂沿晶断裂的裂纹沿晶界扩展。沿晶断裂是晶界上的一薄层的裂纹沿晶界扩展。沿晶断裂是晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。应力腐蚀、所造成，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等都是沿晶断裂。氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等都是沿晶断裂。 沿晶断裂则多数是脆性断裂，断口形貌呈冰糖状。沿晶断裂则多数是脆性断裂，断口形貌呈冰糖状。穿晶断裂和沿晶断裂有时

44、可以混合发生。穿晶断裂和沿晶断裂有时可以混合发生。 8586 纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂剪切断裂剪切断裂金属在切应力作用下，沿滑移面分离而造金属在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的断裂。其中又分滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集成的断裂。其中又分滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。型断裂。 纯剪切断裂纯剪切断裂纯粹由滑移流变所造成的断裂。纯金属纯粹由滑移流变所造成的断裂。纯金属尤其是单晶体金属常产生这类断裂。断口呈锋利楔形尤其是单晶体金属常产生这类断裂。断口呈锋利楔形或刀尖形。或刀尖形。 微孔聚集型断裂微孔聚集型断裂通过微孔形核、长大聚合而导致材通过微孔

45、形核、长大聚合而导致材料分离。常用金属材料一般均产生这类性质的断裂。料分离。常用金属材料一般均产生这类性质的断裂。8788 解理断裂解理断裂 金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面即解理面产生的穿晶断后，以极快速率沿一定晶体学平面即解理面产生的穿晶断裂。解理断裂总是脆性断裂，但有时也显示一定的塑性变裂。解理断裂总是脆性断裂，但有时也显示一定的塑性变形。形。89l 解理裂纹的形成与扩展解理裂纹的形成与扩展 甄纳斯特罗位错塞积理论甄纳斯特罗位错塞积理论 在滑移面上的切应力作用下，刃型位错在晶界前受阻在滑移面上的切应

46、力作用下，刃型位错在晶界前受阻并相互靠近形成并相互靠近形成位错塞积位错塞积。当切应力达到某一临界值当切应力达到某一临界值时，塞积头处的位错互相挤紧聚合成为高时，塞积头处的位错互相挤紧聚合成为高nbnb、长为、长为r r的的楔楔形裂纹形裂纹。 (2) (2) 解理断裂解理断裂 如果塞积头处的应力如果塞积头处的应力集中不能为塑性变形所松集中不能为塑性变形所松弛，则塞积头处的最大拉弛，则塞积头处的最大拉应力应力fmaxfmax能够等于理论断能够等于理论断裂强度而形成裂纹。裂强度而形成裂纹。90塞积头处的拉应力在与滑移面方向呈塞积头处的拉应力在与滑移面方向呈70.570.5度时达到最大度时达到最大值，

47、近似为值，近似为- -i i 滑移面上有效切应力；滑移面上有效切应力；dd晶粒直径；晶粒直径；rr自位错塞积头到裂纹形成点的距离。自位错塞积头到裂纹形成点的距离。理想晶体沿解理面断裂的理论断裂强度为：理想晶体沿解理面断裂的理论断裂强度为：s s表面能；表面能；a a0 0原子晶面间距；原子晶面间距；EE弹性模量。弹性模量。21max)2/)(rdif210)(aEsm91形成裂纹的力学条件为：形成裂纹的力学条件为：形成裂纹所需的切应力：形成裂纹所需的切应力：21021)()2)(aErdsi02daErsif92甄纳斯特罗位错塞积理甄纳斯特罗位错塞积理论探讨解理裂纹的形成，论探讨解理裂纹的形成

48、，未涉及裂纹迅速扩展导致未涉及裂纹迅速扩展导致断裂的过程。断裂的过程。实际解理断裂过程包括三实际解理断裂过程包括三个阶段：个阶段：塑性变形形成裂塑性变形形成裂纹纹；裂纹在同一晶粒内初裂纹在同一晶粒内初期长大期长大；裂纹越过晶界向裂纹越过晶界向相邻晶粒扩展相邻晶粒扩展。93柯垂耳柯垂耳用能量分析法推出用能量分析法推出解理裂纹扩展的临界条件解理裂纹扩展的临界条件为：为：其中，其中，外加正应力；外加正应力；nn塞积位错数；塞积位错数； b b位错柏氏矢量的模。位错柏氏矢量的模。为了产生解理断裂，为了产生解理断裂，裂纹扩展时外加正应力所做的功必裂纹扩展时外加正应力所做的功必须等于产生裂纹的新表面的表面

49、能须等于产生裂纹的新表面的表面能。snb294假定滑移带穿过直径为假定滑移带穿过直径为d d的晶粒，则原来分布在滑移带上的的晶粒，则原来分布在滑移带上的弹性剪切位移弹性剪切位移为：为：滑移带上的切应力因出现塑性位移滑移带上的切应力因出现塑性位移nbnb而被松弛，故而被松弛，故弹性剪切弹性剪切位移应等于塑性位移位移应等于塑性位移，即，即代入解理裂纹扩展的临界条件（代入解理裂纹扩展的临界条件（1-341-34），可得），可得dGi)(nbdGi)(Gdsi2)(95由于屈服时裂纹已形成，而由于屈服时裂纹已形成，而s s (= (=) )又和晶粒直径间存又和晶粒直径间存在霍尔派奇关系，即在霍尔派奇关

50、系，即因此因此，屈服时产生解理断裂的判据屈服时产生解理断裂的判据：c c 表示长度相当于直径表示长度相当于直径d d的裂纹扩展所需的应力，的裂纹扩展所需的应力，或裂纹体的实际断裂强度（屈服时，解理断裂的）或裂纹体的实际断裂强度（屈服时，解理断裂的）。晶晶粒直径粒直径d d减小，减小， c c提高；提高；对于有第二相质点的合金，对于有第二相质点的合金，d d实际代表质点间距，实际代表质点间距，d d越小越小则断裂应力越高。则断裂应力越高。21dkyisdkGdGysissc2)(296 柯垂耳位错反应理论柯垂耳位错反应理论在在bccbcc晶体中，有两个相交滑移面（晶体中，有两个相交滑移面（0)0

51、)和和(101)(101)与解理面与解理面(001)(001)相交，三面交线为相交，三面交线为010010。沿。沿(101)(101)面有一群柏氏矢面有一群柏氏矢量为量为 的刃型位错，而沿（的刃型位错，而沿（0)0)面有一群柏氏矢量为面有一群柏氏矢量为 的刃型位错，两者于的刃型位错，两者于010010轴相遇，发生如下反应：轴相遇，发生如下反应： 111 2a1112a0011112 111 2aaa97新形成的位错线在（新形成的位错线在（001001）面上，柏氏矢量为）面上，柏氏矢量为a001a001由于由于(001)(001)面不是面不是bccbcc晶体的固有滑移面，故晶体的固有滑移面，故a

52、001a001为不为不动位错。结果两相交滑移面上的位错群就在该不动位错动位错。结果两相交滑移面上的位错群就在该不动位错附近产生塞积。当塞积位错较多时，形成宽度为附近产生塞积。当塞积位错较多时，形成宽度为nbnb的裂的裂纹。纹。上述位错反应是降低能量的过程，解理裂纹扩展力学条上述位错反应是降低能量的过程，解理裂纹扩展力学条件同前。件同前。fccfcc金属不具有这样的裂纹成核机理。金属不具有这样的裂纹成核机理。两模型两模型相同点相同点：1 1）裂纹形核前均需有塑性变形裂纹形核前均需有塑性变形；2 2）位错运动受阻，在一定条件下形成裂纹位错运动受阻，在一定条件下形成裂纹。98 解理断裂的微观断口特征

53、解理断裂的微观断口特征解理断裂解理断裂沿特定界面发生的脆性穿晶断裂沿特定界面发生的脆性穿晶断裂。实际断口由许多。实际断口由许多大致相当于晶粒大小的解理面（解理刻面）集合而成。大致相当于晶粒大小的解理面（解理刻面）集合而成。 多数情况下，裂纹要跨越若干相互平行的且位于不同高多数情况下，裂纹要跨越若干相互平行的且位于不同高度的解理面从而在同一刻面内部出现解理断裂的度的解理面从而在同一刻面内部出现解理断裂的基本微基本微观特征观特征：解理台阶、河流花样、舌状花样。：解理台阶、河流花样、舌状花样。99p 解理台阶解理台阶解理台阶是沿两个高度解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩不同的平行解理面上扩展的

54、解理裂纹相交时形展的解理裂纹相交时形成的。成的。方式：方式：（1 1）解理裂纹与螺型位）解理裂纹与螺型位错相交形成台阶错相交形成台阶（2 2）通过次生解理或撕）通过次生解理或撕裂的方式形成台阶裂的方式形成台阶100解理台阶解理台阶101p 河流花样河流花样 解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合，同号台阶解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合，同号台阶相互汇合长大，当汇合台阶高度足够大时形成河流花相互汇合长大，当汇合台阶高度足够大时形成河流花样，河流花样实际是台阶的俯视图。样，河流花样实际是台阶的俯视图。 河流花样大多是从晶界开始在刻面内流动到同一刻河流花样大多是从晶界开始在刻面内流动到同一刻面的晶界而终

55、止，而且有支流汇合成干流的现象。河面的晶界而终止，而且有支流汇合成干流的现象。河流的流的流向与裂纹扩展方向一致流向与裂纹扩展方向一致，故可根据河流的流向，故可根据河流的流向判断解理裂纹在微观区域内的扩展方向，按河流反方判断解理裂纹在微观区域内的扩展方向，按河流反方向寻找断裂源。向寻找断裂源。102103p 舌状花样舌状花样 解理舌的形成是由于解理裂纹在沿解理面扩展过程中解理舌的形成是由于解理裂纹在沿解理面扩展过程中遇到了高速率形变所产生的孪晶时，裂纹局部沿形变孪晶与遇到了高速率形变所产生的孪晶时，裂纹局部沿形变孪晶与基体的界面扩展，断裂后造成的。基体的界面扩展，断裂后造成的。 在匹配断口上，在

56、匹配断口上，“舌头舌头”是黑白对应的。是黑白对应的。104 准解理准解理 在许多淬火回火钢中，其回火产物中有弥散细小的碳化物质点，在许多淬火回火钢中，其回火产物中有弥散细小的碳化物质点，它们影响裂纹形成与扩展。当裂纹在晶粒内扩展时，难于严格地沿它们影响裂纹形成与扩展。当裂纹在晶粒内扩展时，难于严格地沿一定晶体学平面扩展，断裂路径不再与晶体位向有关，而主要与细一定晶体学平面扩展，断裂路径不再与晶体位向有关，而主要与细小碳化物质点有关。其微观特征，似解理河流但又非真正解理，故小碳化物质点有关。其微观特征，似解理河流但又非真正解理，故称称准解理。准解理。 解理和准解理之间有联系。但也有很大差别。解理

57、和准解理之间有联系。但也有很大差别。 共同点共同点：都是穿晶断裂；有小解理刻面；有台阶或撕裂棱及河流花：都是穿晶断裂；有小解理刻面；有台阶或撕裂棱及河流花样。样。 区别区别：准解理小刻面不是晶体学解理面；真正的解理裂纹常源于晶：准解理小刻面不是晶体学解理面；真正的解理裂纹常源于晶界，而准解理裂纹则常源于晶内硬质点，形成从晶内某点发源的放界，而准解理裂纹则常源于晶内硬质点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。射状河流花样。105106准解理准解理(3) (3) 微孔聚集断裂微孔聚集断裂微孔形核与长大微孔形核与长大微孔聚集断裂过程包括：微孔聚集断裂过程包括：微孔成核、长大、聚合，直微孔成核、长大、

58、聚合，直至断裂至断裂。微孔通过第二相质点本身破裂或第二相与基体界面脱微孔通过第二相质点本身破裂或第二相与基体界面脱离而成核的，是金属材料在断裂前塑性变形进行到一定程离而成核的，是金属材料在断裂前塑性变形进行到一定程度是产生的。度是产生的。107108 微孔聚集型断裂的微观断口特征微孔聚集型断裂的微观断口特征 微孔聚集断裂的基本特征微孔聚集断裂的基本特征韧窝韧窝 微孔形核长大和聚合在断口上留下的痕迹，就是在电微孔形核长大和聚合在断口上留下的痕迹，就是在电镜下观察到的大小不等的圆形或椭圆形韧窝。镜下观察到的大小不等的圆形或椭圆形韧窝。 微孔聚集的过程亦有两种形式，一种是微孔聚集的过程亦有两种形式，

59、一种是相邻微孔成长相邻微孔成长至互相接触至互相接触；另外是；另外是相距较大的微孔由于微孔之间的基体相距较大的微孔由于微孔之间的基体金属发生变形金属发生变形颈缩而引起微孔的聚集颈缩而引起微孔的聚集。 109110有夹杂物的等轴韧窝拉长韧窝111韧窝的大小与深浅韧窝的大小与深浅 韧窝的大小决定于第二相质点的大小和密度、基体材料的塑性韧窝的大小决定于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硬化指数、外加应力大小和形态。变形能力和应变硬化指数、外加应力大小和形态。 （1 1）第二相质点密度第二相质点密度增大或间距减小，微孔尺寸减小；增大或间距减小，微孔尺寸减小； （2 2）应变硬化指数应变

60、硬化指数愈大，微孔尺寸越小；愈大，微孔尺寸越小； （3 3）在）在高的静水压力高的静水压力中，韧窝深度增大；在中，韧窝深度增大；在多向拉伸应力多向拉伸应力下或缺口下或缺口根部，韧窝较浅；根部，韧窝较浅； （4 4）韧窝的形核位置韧窝的形核位置多或材料相对多或材料相对塑性塑性差，则韧窝又小又浅；差，则韧窝又小又浅； （5 5）试验温度试验温度低，使韧窝变多变浅；低，使韧窝变多变浅； （6 6）材料）材料断裂韧性断裂韧性高，则韧窝大；高，则韧窝大； （7 7）应变速率应变速率，韧窝变小。，韧窝变小。112（4 4）断裂强度）断裂强度l理论断裂强度理论断裂强度假设一完整晶体受拉应力作用后，原子间结合