静载拉伸性能讲义课件

1、2022/9/26Chapter 2 静载拉伸性能基本的力学性能如何得到？最广泛使用性能测试方法？2022/9/24Chapter 2 静载拉伸性能基本的力2022/9/26Chapter 2 静载拉伸性能12拉伸性能和拉伸试验？43材料断裂及性能指标？弹性变形及性能指标？塑性变形及性能指标？ 2022/9/24Chapter 2 静载拉伸性能12拉伸2022/9/26拉伸性能与拉伸试验1、拉伸性能: 通过拉伸试验可测材料的弹性、强度、塑性、应变硬化和韧性等许多重要的基本力学性能指标，统称为材料的拉伸性能。2、拉伸性能的作用、用途：a.在工程应用中，拉伸性能是结构静强度设计的主要依据之一。b.

2、提供预测材料的其它力学性能的参量，如抗疲劳、断裂性能。 c研究新材料，或合理使用现有材料和改善其力学性能时，都要测定材料的拉伸性能2022/9/24拉伸性能与拉伸试验1、拉伸性能:2022/9/26拉伸试验拉伸性能与拉伸试验定义：在室温大气中，在缓慢施加的单向拉伸载荷作用下，用光滑试件测定材料力学性能的方法。试验方法和试样尺寸在试验标准中有明确规定。拉伸试验机由自动绘图机构连续记录拉伸力F和绝对伸长量的关系曲线，直至试样断裂，曲线称为拉伸图或力-伸长曲线。2022/9/24拉伸试验拉伸性能与拉伸试验定义：在室温大气2022/9/26拉伸试验机拉伸性能与拉伸试验2022/9/24拉伸试验机拉伸性

3、能与拉伸试验2022/9/26拉伸性能与拉伸试验拉伸试验-拉伸试样形状和尺寸常用的拉伸试件:为了比较不同尺寸试样所测得的延性,要求试样的几何相似，l0A01/2要为一常数其中A0为试件的初始横截面积光滑圆柱试件:试件的标距长度l0比直径d0要大得多；通常，l0=5d0或l0=10d0板状试件:试件的标距长度l0应满足下列关系式：l0=5.65A01/2或11.3A0 1/2 ； 具体标准：GB 6397862022/9/24拉伸性能与拉伸试验拉伸试验-拉伸试样形状和2022/9/26拉伸试验注意的问题拉伸加载速率较低,俗称静拉伸试验。严格按照国家标准进行拉伸试验，其结果方为有效，由不同的实验室

4、和工作人员测定的拉伸性能数据才可以互相比较。拉伸试验机带有自动记录或绘图装置，记录或绘制试件所受的载荷P和伸长量l之间的关系曲线;拉伸性能与拉伸试验2022/9/24拉伸试验注意的问题拉伸性能与拉伸试验2022/9/26拉伸性能与拉伸试验退火低碳钢拉伸图、工程应力-工程应变曲线、真实应力-真实应变曲线-最典型的拉伸曲线2022/9/24拉伸性能与拉伸试验退火低碳钢拉伸图、工程应2022/9/26拉伸性能与拉伸试验2022/9/24拉伸性能与拉伸试验2022/9/26拉伸性能与拉伸试验拉伸图（力行程曲线）-加载后标距间的长度变化量l 载荷P关系曲线拉伸曲线-应力应变曲线工程应力载荷除以试件的原始

5、截面积即得工程应力，S=PA0工程应变伸长量除以原始标距长度即得工程应变e， e =ll0拉伸图 拉伸曲线2022/9/24拉伸性能与拉伸试验拉伸图（力行程曲线）-2022/9/26拉伸性能与拉伸试验拉伸图 拉伸曲线设L0=100，L=110，则真应力：真应变：若设L0=100，L1101，L2102， L10=110，则e1=1%, e2=0.99%, e3=0.98%, e10=0.917%e1+ e2+ e3 e10 12022/9/24弹性变形及其性能指标弹性模量影响因素-键合2022/9/26弹性变形及其性能指标弹性模量影响因素-晶体结构单晶：沿原子排列最密的方向E最大。多晶：为各晶

6、粒的统计平均值，各向同性; 多晶体形成织构，沿流线方向的E最大非晶：各向同性，如非晶态金属，玻璃等。2022/9/24弹性变形及其性能指标弹性模量影响因素-晶体2022/9/26弹性变形及其性能指标弹性模量影响因素-晶体结构弹性模量的各向异性单晶：最大值与最小值相差可达四倍。多晶：介于单晶最大值与最小值之间2022/9/24弹性变形及其性能指标弹性模量影响因素-晶体2022/9/26弹性变形及其性能指标弹性模量影响因素-化学成分和微观组织化学成分： 溶质元素对固溶体合金弹性模量影响不大。 两相合金中若形成高熔点高弹性模量的第二相质点，则能提高弹性模量。微观组织： 显微组织对金属材料的弹性模量影

7、响不大。 显微组织对复合材料、高分子聚合物等的弹性模量影响较大。2022/9/24弹性变形及其性能指标弹性模量影响因素-化学2022/9/26T增大原子振动加剧结合力下降E下降弹性变形及其性能指标弹性模量影响因素-温度2022/9/24T增大原子振动加剧结合力下降E下降弹性变形2022/9/26加载速率的影响：对金属、陶瓷类材料的弹性模量几乎没有影响 材料的弹性变形速度与声速相同，远超过常见的加载速率，负荷持续时间的长短不会影响到原子之间的结合力。 冷变形的影响：冷变形会稍微降低材料的弹性模量。金属的弹性模量是一个对组织不敏感的性能指标，材料的加工过程，热处理等对其影响不大。弹性模量影响因素-

8、加载速度、变形加载条件弹性变形及其性能指标2022/9/24加载速率的影响：对金属、陶瓷类材料的弹性模2022/9/26比例极限、弹性极限与弹性比功弹性变形及其性能指标1、条件比例极限 p ：规定非比例伸长应力。2、条件弹性极限 e ：规定残余伸长应力。3、弹性比功 We（弹性应变能密度）2022/9/24比例极限、弹性极限与弹性比功弹性变形及其性2022/9/26e0e ee We = e e e / 2 = e2 / (2E)制造弹簧的材料要求高的弹性比功：（ e 大 ，E 小）比例极限、弹性极限与弹性比功弹性变形及其性能指标2022/9/24e0e ee We = e e e2022/9

9、/26比例极限、弹性极限与弹性比功弹性变形及其性能指标 提高弹性比功：提高弹性极限和降低弹性模量 一般通过提高材料的弹性极限来提高弹性比功2022/9/24比例极限、弹性极限与弹性比功弹性变形及其性2022/9/26弹性不完整性（非理想弹性）弹性变形及其性能指标1、理想弹性（完全弹性） ：应力应变同步变化，时间无关性，虎克定律2、非理想弹性（弹性不完整性） ：滞弹性（弹性后效）、粘弹性、伪弹性、包申格效应（Bauschinger）、内耗（弹性滞后环）2022/9/24弹性不完整性（非理想弹性）弹性变形及其性能2022/9/26弹性不完整性（非理想弹性）-滞弹性弹性变形及其性能指标解析：当突然施

10、加一应力于拉伸试样时，试样立即沿 OA 线产生瞬时应变 Oa 。如果低于材料的微量塑性变形抗力，则应变 Oa 只是材料总弹性应变 OH 中的一部分，应变 aH 是在应力长期保持下逐渐产生的， aH 对应的时间过程为 ab 曲线。这种现象称为正弹性后效或弹性蠕变。卸载时，如果速度也比较大，则当应力下降为零时，只有应变 eH 部分立即消逝掉，而应变 eO 是在卸载后逐渐去除的。这种现象称为反弹性后效。应力-应变曲线2022/9/24弹性不完整性（非理想弹性）-滞弹性弹性变形2022/9/26弹性不完整性（非理想弹性）-滞弹性弹性变形及其性能指标瞬间加载-正弹性后效（弹性蠕变）瞬间卸载-负弹性后效0

11、t10tee1e20tee1e2e1e2在仪表精密机械行业中极其重要2022/9/24弹性不完整性（非理想弹性）-滞弹性弹性变形2022/9/26弹性不完整性（非理想弹性）-滞弹性弹性变形及其性能指标材料组织不均匀-滞弹性越明显温度越高-滞弹性速率加快切应力分量增大-滞弹性越强烈与材料成分、组织和实验条件有关2022/9/24弹性不完整性（非理想弹性）-滞弹性弹性变形2022/9/26弹性不完整性（非理想弹性）-粘弹性弹性变形及其性能指标标准线性固体模型 定义：材料在外力作用下，弹性和粘性同时存在的力学行为恒应变下的应力松弛 恒应力下的蠕变 2022/9/24弹性不完整性（非理想弹性）-粘弹性

12、弹性变形2022/9/26弹性不完整性（非理想弹性）-伪弹性弹性变形及其性能指标在一定的温度条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将产生应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发相变产生大幅度的弹性变形的现象 记忆合金原理2022/9/24弹性不完整性（非理想弹性）-伪弹性弹性变形2022/9/26弹性不完整性（非理想弹性）-包申格效应弹性变形及其性能指标 产生了少量塑性变形材料，再同向加载则弹性极限与屈服强度升高；反向加载则弹性极限与屈服强度降低的现象。0e124.0217.8328.748.5230.12022/9/24弹性不完整性（非理想弹性）-包申格效应弹性2022/9/26弹性不完整性（非理

13、想弹性）-包申格效应弹性变形及其性能指标包申格效应意义 对于承受疲劳载荷作用的机件寿命很重要 工程上材料加工成型工艺需要考虑包申格效应 消除包申格效应方法：(1)预先进行较大的塑性变形(2)在第二次反向受力前先使金属材料于回复或再结晶温度下退火，如钢在400-500，铜合金在250-270退火 2022/9/24弹性不完整性（非理想弹性）-包申格效应弹性2022/9/26弹性不完整性-内耗（弹性滞后环）弹性变形及其性能指标加载和卸载时的应力应变曲线不重合形成一封闭回线 - 弹性滞后环0e0e2022/9/24弹性不完整性-内耗（弹性滞后环）弹性变形及2022/9/26弹性不完整性-内耗（弹性滞

14、后环）弹性变形及其性能指标 - 弹性滞后使加载时材料吸收的弹性变形能大于卸载时所释放的弹性变形能，即部分能量被材料吸收。 （弹性滞后环的面积-以不可逆方式吸收能量而不破坏的能力-循环韧性）2022/9/24弹性不完整性-内耗（弹性滞后环）弹性变形及2022/9/26弹性不完整性-内耗（弹性滞后环）弹性变形及其性能指标本质：与材料中微观组织结构和物理性能的 变化有关，微观运动都要消耗能量。 应用： 利用内耗大 - 消振性 如：铸铁，Cr13系列钢等（机床、底座、飞机螺旋桨和叶片等） 利用内耗小 - 音叉、簧片、钟等乐器 2022/9/24弹性不完整性-内耗（弹性滞后环）弹性变形及2022/9/2

15、6思考题弹性常数有哪些？它们之间的关系式？广义虎克定律公式？材料的刚度要求与那个弹性常数有关？2.弹性模量的影响因素及其影响规律？3. 弹性比功如何计算 , 如何提高材料的弹性比功？弹性比功的工程意义？ 4.滞弹性和内耗的概念？内耗的工程意义何在？弹性变形及其性能指标2022/9/24思考题弹性常数有哪些？它们之间的关系式？2022/9/26两个概念蠕变： 当对粘弹性体施加恒定应力，其应变随时间而增加，弹性模量也随时间而减小。 2.应力松弛： 当对粘弹性体施加恒定应变，则应力将随时间而减小，弹性模量也随时间而降低。弹性变形及其性能指标2022/9/24两个概念蠕变：弹性变形及其性能指标2022

16、/9/26塑性变形及其性能指标工程意义塑性变形可以引起材料内组织和材料性能的变 化，如加工硬化，纳米材料制备 外载荷卸去后，不能恢复的变形微观结构的相邻部分发生永久性位移，不引起材料断裂的现象2022/9/24塑性变形及其性能指标工程意义塑性变形可以引2022/9/26塑性变形及其性能指标塑性变形机理和特点最主要机制：位错滑移。即金属在切应力作用下沿着一定的晶面和一定的晶向进行的切变过程。这种特定的晶面和晶向称为金属的滑移面和滑移方向。重要变形机制：孪生。即晶体在切应力的作用下发生变形时，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向作均匀的切变，这些晶面和晶向称为孪生面和孪生方向。其他方式：晶界滑动和扩散性

17、蠕变（只在高温时才起作用），扭折（滑移和孪生都不能进行的情况下才起作用）。2022/9/24塑性变形及其性能指标塑性变形机理和特点最主2022/9/26塑性变形及其性能指标塑性变形机理和特点滑移位错在切应力作用下的运动 剪切带2022/9/24塑性变形及其性能指标塑性变形机理和特点滑移2022/9/26塑性变形及其性能指标塑性变形机理和特点滑移位错在切应力作用下的运动 2022/9/24塑性变形及其性能指标塑性变形机理和特点滑移2022/9/26塑性变形及其性能指标塑性变形机理和特点滑移位错在切应力作用下的运动 2022/9/24塑性变形及其性能指标塑性变形机理和特点滑移2022/9/26塑性

18、变形及其性能指标塑性变形机理和特点滑移位错在切应力作用下的运动 2022/9/24塑性变形及其性能指标塑性变形机理和特点滑移2022/9/26塑性变形及其性能指标塑性变形机理和特点孪生在切应力作用下晶体的一部分沿一定晶面（孪生面）发生切变 2022/9/24塑性变形及其性能指标塑性变形机理和特点孪生2022/9/26塑性变形及其性能指标塑性变形机理和特点滑移、孪生滑移、孪生的区别2022/9/24塑性变形及其性能指标塑性变形机理和特点滑移2022/9/26塑性变形及其性能指标塑性变形机理和特点滑移、孪生2022/9/24塑性变形及其性能指标塑性变形机理和特点滑移2022/9/26各晶粒塑性变形

19、的非同时性和不均匀性 主要是由于晶粒取向不同，开始产生滑移和变形量的大小不一造成的。各晶粒塑性变形的相互制约性与协调性 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。塑性变形及其性能指标塑性变形机理和特点2022/9/24各晶粒塑性变形的非同时性和不均匀性塑性变形2022/9/26塑性变形机理和特点塑性变形及其性能指标形变晶面转动形变织构各向异性（轧制方向有较高的强度和塑性）形变织构和各向异性2022/9/24塑性变形机理和特点塑性变形及其性能指标形变2022/9/26物理屈服现象和屈服强度塑性变形及其性能

20、指标1、物理屈服现象（非连续形变强化）PL0ABCDEF低碳钢应变时效2022/9/24物理屈服现象和屈服强度塑性变形及其性能指标2022/9/26塑性变形及其性能指标现象：上屈服点，下屈服点，平台，锯齿。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。低碳钢的物理屈服点及屈服传播物理屈服现象和屈服强度2022/9/24塑性变形及其性能指标现象：上屈服点，下屈服2022/9/26低碳钢中的吕德斯带塑性变形及其性能指标物理屈服现象和屈服强度2022/9/24低碳钢中的吕德斯带塑性变形及其性能指标物理2022/9/2

21、6柯氏气团： 主要是溶质原子、杂质与位错、外力的相互作用形成位错增值理论： 材料塑性应变速率与材料中的可动位错密度，位错运动速度v和位错柏氏矢量b的关系为： 塑性变形及其性能指标2、屈服现象的解释物理屈服现象和屈服强度 = b = ( /0 )m2022/9/24柯氏气团：塑性变形及其性能指标2、屈服现象2022/9/26塑性变形及其性能指标2、屈服现象的解释物理屈服现象和屈服强度 = b = ( /0 )m塑性变形开始时可动位错密度很低，塑性变形开始后位错密度增加很快哪些材料具有物理屈服现象：1）溶有C、N原子的体心立方金属（如Fe、Mo、Nb、Ta）2）溶有间隙原子的hcp金属，如嫡和Zn

22、3）溶有高浓度置换原子的fcc固溶体，如CuZn，CuSn2022/9/24塑性变形及其性能指标2、屈服现象的解释物理2022/9/26 问题：低碳钢轧制过程中变形不均匀，引起褶皱。例如在用低碳薄钢板冲压成型时，会因屈服延伸区的不均匀变形（吕德斯带）而使得工件表面粗糙不平。防止：为避免折皱出现，可对钢板预变形，变形量稍大于屈服应变，然后冲压时将不出现物理屈服，避免折皱。向钢中加入少量的Ti或者Al，C，N等间隙原子形成化合物，以消除屈服点，随后再进行冷压成形，便可以保证工件的表面平滑整洁。物理屈服现象和屈服强度物理屈服的问题与克服2、屈服现象的解释塑性变形及其性能指标2022/9/24 问题：

23、低碳钢轧制过程中变形不2022/9/26工程意义 作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选材依据；根据屈服强度与抗拉强度之比的大小，衡量材料进一步产生塑性变形的倾向，作为金属材料冷塑性变形加工和确定机件缓解应力集中防止脆断的参考依据。 塑性变形及其性能指标物理屈服现象和屈服强度3、屈服强度和条件屈服强度s 0.2 0.01 0.001 0.52022/9/24工程意义 作为防止因材料过量塑性变形而导2022/9/26塑性变形及其性能指标物理屈服现象和屈服强度4、影响屈服强度的因素-内因 金属的屈服强度与使位错开动的临界分切应力相关，其值由位错运动的所受的各种阻力决定。A、点阵阻力 ：

24、 派纳力2022/9/24塑性变形及其性能指标物理屈服现象和屈服强度2022/9/26塑性变形及其性能指标物理屈服现象和屈服强度4、影响屈服强度的因素-内因B、位错交互作用阻力剧烈冷变形位错密度增加4-5个数量级-形变强化！2022/9/24塑性变形及其性能指标物理屈服现象和屈服强度2022/9/26塑性变形及其性能指标物理屈服现象和屈服强度4、影响屈服强度的因素-内因C、晶界阻力-HallPetch公式：2022/9/24塑性变形及其性能指标物理屈服现象和屈服强度2022/9/26塑性变形及其性能指标物理屈服现象和屈服强度4、影响屈服强度的因素-内因C、晶界阻力-HallPetch公式：细晶

25、强化2022/9/24塑性变形及其性能指标物理屈服现象和屈服强度2022/9/26塑性变形及其性能指标物理屈服现象和屈服强度4、影响屈服强度的因素-内因C、晶界阻力-HallPetch公式：2022/9/24塑性变形及其性能指标物理屈服现象和屈服强度2022/9/26塑性变形及其性能指标物理屈服现象和屈服强度4、影响屈服强度的因素-内因D、固溶强化溶质原子与位错的：弹性交互作用电化学作用化学作用几何作用间隙固溶体的强化效果比置换固溶体的大！2022/9/24塑性变形及其性能指标物理屈服现象和屈服强度2022/9/26塑性变形及其性能指标物理屈服现象和屈服强度4、影响屈服强度的因素-内因E、第二

26、相强化聚合型（块状分布）：局部塑性约束导强化弥散型（细小弥散分布）：质点周围形成应力场对位错运动产生阻碍-位错弯曲2022/9/24塑性变形及其性能指标物理屈服现象和屈服强度2022/9/26温度：随着温度升高，材料屈服强度降低加载速率：加载速率增大到一定程度，金属的强度增大应力状态：材料中点所受的切应力分量越大，愈有利于塑性变形，屈服强度愈低。塑性变形及其性能指标物理屈服现象和屈服强度4、影响屈服强度的因素-外因派纳力2022/9/24温度：随着温度升高，材料屈服强度降低塑性变2022/9/26塑性变形及其性能指标物理屈服现象和屈服强度4、影响屈服强度的因素-外因2022/9/24塑性变形及

27、其性能指标物理屈服现象和屈服强度2022/9/26塑性变形及其性能指标物理屈服现象和屈服强度4、影响屈服强度的因素-外因扭转屈服强度拉伸屈服强度弯曲屈服强度 ne 2022/9/24拉伸失稳或颈缩现象塑性变形及其性能指标d 2022/9/26超塑性定义： 在一定的内部条件和外部条件下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能的现象。 2、特点 超塑性的特点有大延伸率，无缩颈，小应力， 易成形。塑性变形及其性能指标SUS304 晶界滑移2022/9/24超塑性定义：塑性变形及其性能指标SUS2022/9/26超塑性塑性变形及其性能指标 (1)超细晶粒，晶粒尺寸达微米量级，且为等轴晶； (2)合适

28、的变形条件，变形温度在0.4Tm以上， 应变速率一般大于或等于10-3s-1。 (3)应变速率敏感指数较高， 出现超塑性的条件是0.3m1。 （4）应变前后，晶粒基本上保持等轴状态。 晶界滑动产生的应变g 在总应变t中所占比例一般在50-70之间。2022/9/24超塑性塑性变形及其性能指标 (1)超细晶2022/9/26思考题塑性变形的机理和特点？2.决定屈服强度的因素有哪些？ 3.形变强化的原因及如何表征？4. 塑性指标有哪些？5 . 如何提高材料的屈服强度？塑性变形及其性能指标2022/9/24思考题塑性变形的机理和特点？塑性变形及其蠕变断裂应力腐蚀断裂疲劳断裂材料断裂及其性能指标？工程

29、意义蠕变断裂应力腐蚀断裂疲劳断裂材料断裂及其性能指标？工程意义工程意义材料断裂及其性能指标？断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一。失效形式：如弹塑性失稳、磨损、腐蚀等。断裂是材料的一种十分复杂的行为，在不同的力学、物理和化学环境下，会有不同的断裂形式。研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构件在服役过程中的安全。断裂的宏观与微观特征、断裂机理、断裂力学条件以及影响材料断裂的因素工程意义材料断裂及其性能指标？断裂是机械和工程构件失效的主要断裂分类材料断裂及其性能指标？ 1、根据断裂前塑性变形大小分类：脆性断裂；韧性断裂 2、根据断裂面的取向分类：正断；切断 3、根据裂纹扩展的途径分类：穿晶断裂；

30、沿晶断裂 4、根据断裂机理分类：解理断裂，剪切断裂（纯剪切断裂；微孔聚集型断裂）讨论在室温、单向加载时的金属断裂，按脆性断裂和延性断裂分别论述，包括断裂过程与微观机制，及韧脆转化断裂分类材料断裂及其性能指标？ 1、根据断裂前塑性变形断裂分类材料断裂及其性能指标？断裂分类材料断裂及其性能指标？宏微观分析方法材料断裂及其性能指标？断裂强度：f = Pf / Af 断口分析：Fractographic Studies 宏微观分析方法材料断裂及其性能指标？断裂强度：断口分析：材料断裂及其性能指标？脆性断裂 脆性断裂的宏观特征，理论上讲，是断裂前不发生塑性变形，而裂纹的扩展速度往往很快，接近音速。 脆性

31、断裂前无明显的征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的后果。因此，防止脆断。Vertical stabilizer 材料断裂及其性能指标？脆性断裂 脆性断裂的宏观特征，理定义：材料在拉应力的作用下，由于原子间结合键遭到破坏，严格沿一定的结晶学平面（即所谓“解理面”）劈开而造成（“Cleavage”）解理断口特征：断口平齐光亮，由许多大致相当晶粒大小的解理面集合而成，常呈放射状或结晶状断面；断口与正应力垂直，属于正断解理面一般是表面能最小的晶面， 且往往是低指数的晶面。材料断裂及其性能指标？低碳钢脆断脆性断裂微观机制1-解理断裂定义：材料在拉应力的作用下，由于原子间结合键遭到破坏，严格沿

32、材料断裂及其性能指标？脆性断裂微观机制1-解理断裂材料断裂及其性能指标？脆性断裂微观机制1-解理断裂材料断裂及其性能指标？脆性断裂微观机制1-解理断裂铸铁脆断穿晶断裂材料断裂及其性能指标？脆性断裂微观机制1-解理断裂铸铁脆断穿材料断裂及其性能指标？脆性断裂微观机制1-解理断裂Origin of crackOrigin of crack放射状山脊材料断裂及其性能指标？脆性断裂微观机制1-解理断裂Origi材料断裂及其性能指标？脆性断裂微观机制1-解理断裂解理断口微观形貌似应为一个平坦完整的晶面。但实际晶体总是有缺陷存在，如位错、第二相粒子等等解理断裂实际上不是沿单一的晶面，而是沿一族相互平行的晶

33、面(均为解理面)解理而引起的。在不同高度上的平行解理面之间形成了所谓的解理台阶。在电子显微镜下，解理断口的特征是河流状花样。河流状花样是由解理台阶的侧面汇合而形成的解理裂纹沿孪晶界扩展而留下的舌状凸台成凹坑材料断裂及其性能指标？脆性断裂微观机制1-解理断裂解理断口微解理断口河流花样材料断裂及其性能指标？脆性断裂微观机制1-解理断裂晶界解理断口材料断裂及其性能指标？脆性断裂微观机制1-解理断裂晶材料断裂及其性能指标？脆性断裂微观机制1-解理断裂材料断裂及其性能指标？脆性断裂微观机制1-解理断裂材料断裂及其性能指标？脆性断裂微观机制1-解理断裂材料断裂及其性能指标？脆性断裂微观机制1-解理断裂解理

34、断口的舌状花样材料断裂及其性能指标？脆性断裂微观机制1-解理断裂解理断裂的另一个微观特征是舌状花样；它类似于伸出来的小舌头，是解理裂纹沿孪晶界扩展而留下的舌状凸台成凹坑解理断口的舌状花样材料断裂及其性能指标？脆性断裂微观机制1-在淬火回火钢中，当裂纹在晶粒内部扩展时，难于严格的沿一定晶体学平面扩展，断裂路径不再与晶粒位向有关，而主要与细小的碳化物质点有关，其微观形态，与解理河流相似，但又不是真正的解理，所以称为准解理准解理断口微观特征：出现大量 短而弯曲的撕裂棱，河流状花样 已不十分明显。由一些单独形核 的裂纹相互连接而形成的准解理断口的微观形貌材料断裂及其性能指标？脆性断裂微观机制2-准解理

35、断裂在淬火回火钢中，当裂纹在晶粒内部扩展时，难于严格的沿一定晶体与解理断裂相比异同点: 1.相同点：穿晶断裂、有小解理刻面、台阶、撕裂棱或河流花样 2.不同点：1）准解理小刻面不是晶体学解理面。解理断裂裂纹一般源于晶界；而准解理裂纹常常源于晶内硬的质点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。准解理断口有许多撕裂棱；2）准解理断口上局部区域出现韧窝，是解理与微孔聚合的混合型断裂。3）准解理断裂的主要机制仍是解理，其宏观表现是脆性的。所以，常将准解理断裂归入脆性断裂材料断裂及其性能指标？脆性断裂微观机制2-准解理断裂与解理断裂相比异同点:材料断裂及其性能指标？脆性断裂微观机制裂纹沿晶界扩展的一种脆性

36、断裂。材料断裂及其性能指标？脆性断裂微观机制3-沿晶断裂沿晶断口微观特征：大量短而弯曲撕裂棱，河流状花样已不十分明显。沿晶断口的微观形貌裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。材料断裂及其性能指标？脆性断裂材料断裂及其性能指标？脆性断裂微观机制3-沿晶断裂沿晶断裂的原因大致有：晶界存在连续分布的脆性第二相，微量有害杂质元素在晶界上偏聚，由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。钢的高温回火脆性是微量有害元素P,Sb,As,Sn等偏聚于晶界，降低了晶界原子间的结合力，从而大大降低了裂纹沿晶界扩展的抗力，导致沿晶断裂。材料断裂及其性能指标？脆性断裂微观机制3-沿晶断

37、裂沿晶断裂的理论断裂强度和脆断强度理论？ 晶体的理论强度应由原子间结合力决定，现估算如下：一完整晶体在拉应力作用下，会产生位移。原子间作用力与位移的关系如下图。理论断裂强度理论断裂强度原子位移理论断裂强度和脆断强度理论？ 晶体的理论强度应由原子作为一级近似，该曲线可用正弦曲线表示： =msin(2x/) 式中x为原子间位移,d为正弦曲线的波长如位移很小，则sin(2x/ )=(2x/)，于是 =m(2x/) 根据虎克定律，在弹性状态下， =E=Ex/a0 式中E弹性模量；为弹性应变；a 0为平衡状态时原子间距合并上面两式，消去x，得 = 2a0 m /E理论断裂强度和脆断强度理论？理论断裂强度

38、作为一级近似，该曲线可用正弦曲线表示：理论断裂强度和脆断强度 另一方面，晶体脆性断裂时，必须提供足够的能量以形成两个新表面，即外力作功消耗在断口形成上的能量至少等于2面能为。 理想晶体解理断裂的理论断裂强度 m=（E/a0）1/2 在E，a0一定时，m与表面能有关 解理面往往是表面能最小的面 理论断裂强度和脆断强度理论？理论断裂强度 另一方面，晶体脆性断裂时，必须提供足够的能量以形成两个新理论断裂强度和脆断强度理论？理论断裂强度如用实际晶体的E，a。，值代入理论断裂强度公式计算，例如铁，E=2105 MPa, a0=2.510-10 m，=2 J/m2, 则m4104 MPaE/5。高强度钢，

39、其强度只相当于E/100，相差20倍。在实际晶体中必有某种缺陷,使其断裂强度降低。 需要发展符合实际的理论求解方法？理论断裂强度和脆断强度理论？理论断裂强度如用实际晶体的E，a理论断裂强度和脆断强度理论？Griffith裂纹理论1921年解释“为什么玻璃实际断裂强度 比从分子结构得到的理论强度低得多？”用能量平衡方法，推测“由于微小裂纹引起应力集中而导致”，提出适合于陶瓷玻璃等脆性材料断裂准则-(年仅26岁）A. A. Griffith. 1893-1963Griffith, A. A.(1921),“The phenomena of rupture and flow in solids”,P

40、hilosophical Transactions of the Royal Society of London, A221: 163198.（英国皇家学会会刊） 理论断裂强度和脆断强度理论？Griffith裂纹理论1921理论断裂强度和脆断强度理论？Griffith裂纹理论Griffith假定在实际材料中存在着裂纹，当名义应 力还很低时，裂纹尖端的局部应力已达到很高的数 值，从而使裂纹快速扩展，并导致脆性断裂。在此基础上，提出了裂纹理论。理论断裂强度和脆断强度理论？Griffith裂纹理论Grif设想有一单位厚度的无限宽形板，对其施加一拉应力后，与外界隔绝能源理论断裂强度和脆断强度理论？Gr

41、iffith裂纹理论裂纹扩展的动力，来自系统内部储存弹性能的释放设想有一单位厚度的无限宽形板，对其施加一拉应力理论断裂强度和板材每单位体积的弹性能为2/2E。长度为2a的裂纹，则原来弹性拉紧的平板就要释放弹性能。根据弹性理论计算，释放出来的弹性能为 Ue=-2a2/E 形成新表面所需的表面能为 W=4a 整个系统的能量变化为 Ue+W=4a-2a2/E系统能量随裂纹半长a的变化,如图理论断裂强度和脆断强度理论？Griffith裂纹理论亚稳失稳板材每单位体积的弹性能为2/2E。长度为2a的裂纹，则原来 当裂纹增长到2ac后，若再增长，则系统的总能量下降。从能量观点来看，裂纹长度的继续增长将是自发

42、过程。临界状态为:（Ue+W）/ a=4-22a/E =0 于是，裂纹失稳扩展的临界应力为:c=(2E/a)1/2 临界裂纹半长为ac=2E/2 上式便是著名的Griffith公式。 c是含裂纹板材的实际断裂强度，它与裂纹半长的平方根成反比； ac是临界裂纹长度理论断裂强度和脆断强度理论？Griffith裂纹理论 当裂纹增长到2ac后，若再增长，则系统的总能量下降。理论断裂强度和脆断强度理论？Griffith裂纹理论对于定裂纹长度a，外加应力达到c时,裂纹即失稳扩展。承受拉伸应力时，板材中半裂纹长度也有一个临界值ac，当a ac时，就会自动扩展。而当aac时，要使裂纹扩展须由外界提供能量，即增

43、大外力。Griffith公式和理论断裂强度公式比较 m=（E/a0）1/2 c=(2E/a)1/2在形式上两者是相同的。在研究裂纹扩展动力和阻力时，基本概念都是基于能量的消长与变化。理论断裂强度和脆断强度理论？Griffith裂纹理论对于定理论断裂强度和脆断强度理论？Griffith裂纹理论Griffith认为，裂纹尖端局部区域的材料强度可达其理论强度值。倘若由于应力集中的作用而使裂纹尖端的应力超过材料的理论强度值，则裂纹扩展，引起断裂。根据弹性应力集中系数的计算,可以得到相似公式Griffith公式适用于陶瓷、玻璃这类脆性材料理论断裂强度和脆断强度理论？Griffith裂纹理论Grif理论断

44、裂强度和脆断强度理论？Griffith裂纹理论试验证据：1）Griffith发现刚拉制玻璃棒的弯曲强度为6GPa；而 在空气中放置几小时后强度下降为成0.4 GPa。其原因 是由于大气腐蚀形成了表面裂纹。2) 约飞等人用温水溶去氯化钠表面的缺陷，强度即由 5MPa提高到1.6103MPa，提高了300多倍。3) 有人把石英玻璃纤维分割成几段不同的长度，测其 强度时发现，长度为12cm时，强度为275MPa；长度 为0.6cm时，强度可达760MPa。这是由于试件长，含 有危险裂纹的机会就多。理论断裂强度和脆断强度理论？Griffith裂纹理论试验证据理论断裂强度和脆断强度理论？Griffith

45、裂纹理论理论断裂强度和脆断强度理论？Griffith裂纹理论理论断裂强度和脆断强度理论？Griffith裂纹理论Griffith成功地解释了材料的实际断裂强度远低 于理论强度的原因，说明了脆性断裂的本质-微裂纹 扩展，且与实验相符，并能解释强度的尺寸效应。这 一理论应用于玻璃等脆性材料上取得了很大成功，但 用于金属和非晶体聚合物时遇到了新的问题。对金属材料，由于裂纹顶端的应力集中作用，局 部应力将超过材料的屈服强度，就会发生塑性变形， 存在塑性区。裂纹扩展必须首先通过塑性区，裂纹扩 展功主要耗费在塑性变形（塑性变形功Wp ，大约是 表面能的1000倍）上，金属和陶瓷的断裂过程的 主要区别也在这

46、里。理论断裂强度和脆断强度理论？Griffith裂纹理论Grif理论断裂强度和脆断强度理论？Griffith裂纹理论Griffith-Orowan-Irwin公式实际金属材料在纹尖端处发生塑性变形，需要塑性变形功Wp，Wp的数值往往比表面能大几个量级，是裂纹扩展需要克服的主要阻力。因而，需要修正为:c=2E（+Wp）/a 1/2 这就是Griffith-Orowan-Irwin公式。需要强调的是，Griffith理论的前提是材料中已存在着裂纹，但不涉及裂纹来源。理论断裂强度和脆断强度理论？Griffith裂纹理论Grif理论断裂强度和脆断强度理论？脆性断裂位错理论*如果晶体原来并无裂纹，在应力

47、作用下，能否形成裂纹，裂纹形成和扩展的机制，正应力和切应力在裂纹形成及扩展过程中作用，以及断裂前是否会产生局部塑性变形等问题，需要研究解决。用位错运动、塞积和相互作用来解释裂纹的成核和扩展-位错塞积理论、位错反应理论和脆性第二相开裂理论等位错反应，形成新位错，能量降低，有利于裂纹形核理论断裂强度和脆断强度理论？脆性断裂位错理论*如果晶体原来并材料断裂及其性能指标？延性断裂纯剪切断裂；微孔聚集型材料断裂及其性能指标？延性断裂纯剪切断裂；微孔聚集型定义：材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂材料断裂及其性能指标？延性断裂微观机制1-纯剪切断裂纯剪切断裂一般发生在纯金属或较软金属中单晶体：单

48、系滑移，沿滑移面分离多晶体：多个滑移系同时开动微孔聚集型断裂过程中也会发生切离过程材料断裂及其性能指标？延性断裂微观机制1-纯剪切断裂纯剪切断材料断裂及其性能指标？延性断裂微观机制2-微孔聚集型断裂（1）断裂特点：断裂前产生明显宏观变形；过程缓慢；中心断裂面垂直于最大正应力；边缘断裂面平行于最大切应力，与主应力成45度发生在低碳钢、调质或退火中碳钢、时效铝合金等断裂前机件已变形失效材料断裂及其性能指标？延性断裂微观机制2-微孔聚集型断裂（1材料断裂及其性能指标？延性断裂微观机制2-微孔聚集型断裂（2）断口特征：杯锥状断口三要素：纤维区、放射区 （星芒区）、剪切唇纤维区：纤维状，灰暗色放射区：裂

49、纹快速扩展。撕裂 时塑性变形量大，放射线粗剪切唇：切断。 大量“韧窝” 锥杯材料断裂及其性能指标？延性断裂微观机制2-微孔聚集型断裂（2（3）微观特征：韧窝形貌取决于应力状态 （a）正应力 微孔的平面，形成等轴韧窝； 拉伸试样中心纤维区就是等轴韧窝。（b）拉长韧窝 扭转、或双向不等应力状态（切应力） （c）撕裂韧窝 拉、弯应力状态；等轴韧窝拉长韧窝材料断裂及其性能指标？延性断裂微观机制2-微孔聚集型断裂（3）微观特征：韧窝形貌取决于应力状态等轴韧窝拉长韧窝材料断（4）延性断裂过程：“微孔形核微孔长大微孔聚合”劲缩引起三向拉应力状态微孔形成微孔长大微孔联接中心空腔形成45方向切断形成杯锥状断口材

50、料断裂及其性能指标？延性断裂微观机制2-微孔聚集型断裂（4）延性断裂过程：“微孔形核微孔长大微孔聚合”劲缩（4）延性断裂过程：“微孔形核微孔长大微孔聚合”材料断裂及其性能指标？延性断裂微观机制2-微孔聚集型断裂实际金属中总有第二相粒子存在，它们是微孔成核源第二相粒子分为两大类：一类是夹杂物，如钢中的硫化物，在不大的应力作用下便与基体脱开或本身裂开而形成微孔；另一类是强化相，如钢中的弥散的碳化物， 合金中的弥散的强化相,它们本身比较坚实，与基体结合比较牢固，是位错塞积引起的应力集中或在高应变条件下，第二相与基体塑性变形不协调而萌生微孔的。（4）延性断裂过程：“微孔形核微孔长大微孔聚合”材料（4）

51、延性断裂过程：“微孔形核微孔长大微孔聚合”材料断裂及其性能指标？延性断裂微观机制2-微孔聚集型断裂微孔成核与长大的位错模型，包括位错塞积理论、位错反应理论、脆性第二相开裂理论以及变形不协调理论等。微孔成核并逐渐长大，有两种不同聚合模式。一是正常聚合，微孔长大后出现“内颈缩”，使实际承载面积减少而应力增加，起“几何软化”作用。另一种聚合模式是裂纹尖端与微孔、或微孔与微孔之间产生了局部滑移，由于这种局部应变量大，产生了快速剪切裂开。这种模式微孔聚合速度快，消耗能量也较少，所以塑性韧性差。（4）延性断裂过程：“微孔形核微孔长大微孔聚合”材料材料断裂及其性能指标？延性断裂影响延性断裂的因素基体的形变强

52、化基体形变强化指数越大，则塑性变形后的强化越强烈，哪里变形，哪里便强化，其结果是各处均匀变形。相反地，如果基体的形变强化指数小，则变形容易局部化，较易出现快速剪切裂开。这种聚合模式塑性韧性低。第二相粒子 钢塑性下降；硫化物比碳化物的影响要明显得多。同时碳化物形状也对断裂应变有很大影响，球状的要比片状的好很多。材料断裂及其性能指标？延性断裂影响延性断裂的因素基体的形变强材料断裂及其性能指标？脆性韧性转变工程上总是希望构件在韧性状态下工作，避免危险的脆性断裂。航空航天事业，安全第一。构件或材料是韧性或脆性状态，取决材料本身的组织结构，还取决于应力状态，温度和加载速率等因素，并不是固定不变的，而是可

53、以互相转化的。材料断裂及其性能指标？脆性韧性转变工程上总是希望构件在韧性材料断裂及其性能指标？脆性韧性转变应力状态和柔度因数的影响由材料力学可知，任何复杂的应力状态都可以用切应力和正应力表示。切应力促进塑性变形，对塑性韧性有利；拉应力促进断裂，不利于塑性和韧性。最大切应力max=（1-3）与最大当量正应力Smax（Smax=1-（2+3）之比称为应力状态柔度系数(亦叫应力状态软性系数)，即=max/Smax 值愈大，应力状态愈“柔”，愈易变形而较不易开裂，即愈易处于韧性状态；值愈小，则相反，愈易脆性断裂材料断裂及其性能指标？脆性韧性转变应力状态和柔度因数的影响材料断裂及其性能指标？脆性韧性转变应力状态和柔度因数的影响佛里德曼()力学状态图材料断裂及其性能指标？脆性韧性转变应力状态和柔度因数的影响材料断裂及其性能指标？脆性韧性转变温度和加载速率的影响表面能和弹性模量E是决定断裂强度的主要因素温度对表面能和弹性模量E的影响不大，所以对断裂强度影响不大温度对屈服强度影响很大，主要是因为温度有助于激活F-R位错源，有利于位错运动，使滑移易于进行所以，普通碳钢在室温或高温下，断裂前有较大塑性变形，是韧断。但低于某一温度，位