第二章材料的力学性能

第二章材料的力学性能材料的力学性能是关于材料强度的一门科学，主要研究材料在外力作用下的力学行为、物理本质和评定方法。本章我们首先学习材料的力学性能，然后介绍不同类型的失效。第一节弹性变形一、胡克定律物体在受到外力作用之后发生形态变化，若除去作用力之后并能够恢复原来形状的性质叫做弹性。当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变就称为应变。物体由于外因(受力、湿度、温度场变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。在理想的弹性体，应力和应变的关系是线性的，但对于大多数固体材料，应力与应变的关系是比较复杂的。

胡克定律是力学基本定律之一，适用于一切固体材料的弹性定律，它指出：在弹性限度内，物体的形变跟引起形变的外力成正比。这个定律是英国科学家胡克发现的，所以叫做胡克定律。垂直于截面的应力分量称为正应力(或法向应力)，用σ表示；相切于截面的应力分量称为剪应力或切应力，用τ表示。单向拉伸状态下，胡克定律表示为：剪切状态下，胡克定律表示为：（E为杨氏模量）（G为切变模量）胡克定律应用的一个常见例子是弹簧。在弹性限度内，弹簧的弹力和弹簧的长度变化量成线性关系，即：

式中k是弹簧的劲度系数（或称为倔强系数），它由弹簧材料的性质和几何外形所决定，负号表示弹簧所产生的弹力与其伸长（或压缩）的方向相反。弹性模量被称为材料的刚度，表征材料对弹性变形的力，所以弹性模量越大，相同应力下材料产生的变形就越小。“弹性模量”是描述物质弹性的一个物理量，是一个总称，包括“杨氏模量”、“剪切模量””、“体积模量”等。杨氏模量——正应力与正应变的比值；剪切模量——切应力与切应变的比值体积模量——压力与体积变化的比值材

料E/GPa结合键软钢207金属键铸铁170～190金属键铜110金属键铝69金属键钨410金属键金刚石1140共价键Al2O3400离子键低密度聚乙烯0.2范德华键天然橡胶0.003～0.006范德华键表2-1一些工程材料的弹性模量和键型弹性比功表示材料吸收弹性变形功的能力，又称弹性比能或应变比能。弹性比功对于研究或理解大件的脆性断裂问题很有意义。拉伸时，应力-应变曲线上弹性变形阶段下的面积代表弹性比功的大小，如图2-1中的阴影面积。二、弹性比功图2-1弹性比功ae为弹性比功e为弹性极限e最大弹性应变ae/MJ材料E/MPa/MPa

m－3高碳弹簧钢2100009650.22865Mn～20000013804.76155Si2Mn～20000014805.476不锈钢（冷轧）～20000010002.5铍青铜1200005881.44磷青铜1010004501.0橡胶122表2-2几种弹性材料的弹性比功第二节塑性变形

塑性：指在外力作用下，材料能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力。对大多数的工程材料，当其应力低于比例极限（弹性极限）时，应力一应变关系是线性的，表现为弹性行为。而应力超过弹性极限后，发生的变形包括弹性变形和塑性变形两部分。弹性变形可逆，塑性变形不可逆。

强度：材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度，它是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。按外力作用的性质不同，主要有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。屈服强度：指材料发生屈服现象时的屈服极限，是抵抗塑性变形时，材料屈服的临界应力值。

注：当外力超过物体弹性极限，达到某一点后，在外力几乎不增加的情况下，变形骤然加快，此点为屈服点，达到屈服点的应力称为屈服强度或屈服应力。抗拉强度：试样拉断前所承受的最大拉应力。弹性阶段弹性极限P屈服阶段屈服极限S强化阶段强度极限B颈缩阶段材料的应力-应变曲线

脆性：材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。韧性：指材料在承受应力时对折断的抵抗，或者说在冲击载荷作用下不被破坏的能力，其定义为材料在破裂前所能吸收的能量与体积的比值。韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。韧性的材料比较柔软，它的拉伸断裂伸长率、抗冲击强度较大，硬度、拉伸强度和拉伸弹性模量相对较小。

硬度：材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。固体对外界物体入侵的局部抵抗能力，是比较各种材料软硬的指标。刚度是抵抗变形的能力，强度是抵抗破坏的能力，硬度是侵入其它物体的能力（也是不被其它物体侵入的能力）。刚度是强调不变形，或变形小，如机床的主轴等。强度是强调可靠性，即不能失效。硬度是强调侵入和反侵入的能力，如，夹具用的垫块、钻模套等，还有刀具等。刚度：机械零件和构件抵抗变形的能力，单位牛顿每米(N/m)。刚度可分为静刚度和动刚度：载荷下抵抗变形的能力称为静刚度，动载荷下抵抗变形的能力称为动刚度。

金属室温塑性变形主要以滑移和孪生两种方式进行。实际金属材料多为多晶体。但多晶体的塑变与组成它的各晶粒的变形有关。一、单晶体塑变机制

⑴定义:滑移是在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。正应力σ仅使晶格产生弹性伸长，当超过原子间结合力时，使将晶体拉断；切应力τ

使晶格产生弹性歪扭，在超过滑移抗力时引起滑移面两侧的晶体发生相对滑动。1、滑移晶体在切应力作用下的变形①滑移在切应力作用下产生⑵滑移变形具有以下特点:②滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍滑移面间距示意图滑移的发生总是沿着阻力最小的方式进行！因为密排面之间和密排方向之间的原子间距最大，其原子之间的结合力最弱，所以在外力作用下最易引起相对的滑动。③滑移沿原子密度最大的晶面和晶向发生

将金属试样抛光后进行适量的塑性变形，在普通金相显微镜下观察，会看到试样的表面有许多平行的变形痕迹，这些变形痕迹叫做“滑移带”。每条滑移带是由若干有滑移台阶的滑移线构成。④晶体的滑移造成滑移带

拉伸时，滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向

压缩时，滑移面逐渐趋于垂直于压力轴线。⑤滑移的同时伴随着晶体的转动⑶滑移系定义滑移总是沿一定晶面和晶向发生，它们分别称为滑移面（密排面）和滑移方向（密排方向）。一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系。晶体结构不同，其滑移系也不同。

图2-7三种常见金属晶体结构的滑移系a）体心立方b）面心立方c）密排六方

滑移方向的数目比滑移面的作用更大。体心立方和面心立方都有12个滑移系，但面心立方晶体的滑移方向多，塑性更好。图2-7三种常见金属晶体结构的滑移系a）体心立方b）面心立方c）密排六方

金属塑性变形的实质是晶体内部产生滑移的结果。在切向应力作用下，晶体的一部分与另一部分沿着一定的晶面产生相对滑移（该面称滑移面），从而造成晶体的塑性变形。当外力继续作用或增大时，晶体还将在另外的滑移面上发生滑移，使变形继续进行，因而得到一定的变形量。

⑷滑移机理:要实现这种滑移所需的外力要比试验测得的数据多3-4个数量级，这说明实际晶体结构及其塑性变形并不完全如此。原因是上述理论所描述的滑移运动是建立在理想晶体中，滑移运动相当于滑移面上下两部分晶体彼此以刚性整体作相对运动。实际晶体内部存在大量缺陷，其中以位错对金属塑性变形的影响最为明显。由于位错的存在，部分原子处于不稳定状态。在比理论值低得多的切应力作用下，处于高能位的原子很容易从一个相对平衡的位置上移动到另一个位置上，形成位错运动。位错运动的结果，就实现了整个晶体的塑性变形。所以可以说滑移是由位错运动造成的（滑移位错机制）2、孪生图2-10面心立方晶体孪生变形示意图a）孪生方向与孪晶面b）孪生时原子切变过程在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面（孪晶面）和一定晶相（孪生方向）相对于另一部分做均匀的切变所产生的变形。晶体滑移变形孪生变形2、孪生在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面（孪晶面）和一定晶相（孪生方向）相对于另一部分做均匀的切变所产生的变形。①孪生：均匀切变；

滑移：塑性变形是不均勺的。②孪生：孪生区域内原子沿孪生方向的移动量通常只是原子间距的几分之一；

滑移：变形时，滑移距离则是原于间距的整倍数。③孪生：晶体变形部分的位向发生变化，并且相对于孪晶面与未变形部分对称；

滑移：晶体位向并不发生变化。④孪生和滑移一样并不改变晶体的点阵类型。⑤孪生临界分切应力值大，因此，只在很难滑移的条件下，晶体才发生孪生。滑移系少的密排六方金属，常以孪生方式变形。

孪生与滑移的对比

孪生与滑移的对比孪生变形产生的塑性变形量一般不超过10％，但是孪生使晶体位向发生变化，从而引起滑移系取向变化，能促进滑移的发生。往往孪生与滑移交替发生，即可获得较大的塑性变形量。

通常使用的金属都是由大量微小晶粒组成的多晶体。其塑性变形可以看成是由组成多晶体的许多单个晶粒产生变形(称为晶内变形)的综合效果。同时，晶粒之间也有滑动和转动(称为晶间变形)。

3.1单晶体和多晶体的塑性变形二、多晶体塑变机制

多晶体金属在外力的作用下：处于软位向（晶向与外力成45°或接近45°）的晶粒优先产生滑移变形，处于硬位向（晶向与外力∥或⊥）的相邻晶粒尚不能滑移变形，只能以弹性变形相平衡。随着外力的增大，硬位向晶粒满足滑移的临界应力，产生位错运动，从而出现均匀的塑性变形。⑴主要影响因素：位向、晶界①位向：晶界对晶粒变形具有阻碍作用。双晶粒拉伸试样变形后在晶界处呈竹节状。每个晶粒中的滑移带均终止于晶界附近，晶界附近位错塞积。位错塞积密度增高，材料强度提高。因此，晶粒越细，晶界越多，材料强度越高。②晶界：晶粒越细，强度越高

原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动的阻力越大。晶粒越细，塑性越高

原因：晶粒越多，总变形量被分散到更多晶粒内，不至产生太大的应力集中导致晶体破坏，表现出高塑性。晶粒越细，韧性越高

原因：细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易萌生；晶界多，裂纹不易传播，表现出高韧性。

3.1单晶体和多晶体的塑性变形⑵晶粒度对材料性能的影响锌的单晶和多晶的拉伸曲线对于同一材料，相同粒度的多晶体要比单晶体强度高，但塑性比单晶体低。①在强度方面：多晶体晶界多，位错运动的阻力大，所以强度高。②在塑性方面：多晶体中各个晶粒的取向不同，在外力作用下，位错塞积在晶界附近，所以整个晶粒的变形便受到约束。相对于单晶体，多晶的变形要困难得多。原因：三、金属的强化机制

(一)细晶强化图2-13wC=0.15%的低碳钢的屈服强度与晶粒尺寸的关系利用细化晶粒提高金属材料强度的方法叫细晶强化。屈服强度与晶粒直径平方根的倒数呈直线关系，这就是著名的霍尔-派奇关系。利用位错塞积理论可导出霍尔-派奇（Hall-Petch）关系

(二)固溶强化图2-14低碳铁素体固溶强化效果示意图合金元素溶入基体金属中可得到单相固溶体合金，如能有效提高其屈服强度，被称为固溶强化。固溶强化的实质是溶质原子的长程应力场与位错产生交互作用，导致位错运动受阻。(三)应变硬化图2-15常见三种金属晶体的应力-应变曲线当外力超过金属材料屈服强度后，就要产生塑性变形，要使变形得以持续进行，必须增加外力，这表明金属材料有一种阻止继续塑变的能力，这就是应变硬化（加工硬化）。多晶体在均匀变形阶段的真应力与真应变关系符合Hollomon公式

S为真应力，e为真应变，K为强度系数，n形变强化指数。第三节静载力学性能一、单向静力拉伸单向静力拉伸实验是工业上应用最广泛的力学性能实验方法之一。金属拉伸试样尺寸可参考GB6397-86。通常采用标准光滑圆柱试样进行实验。除可测定弹性变形阶段的力性指标外，还可测定材料的强度指标和塑性指标。1、工程应力-工程应变曲线与拉伸力学性能图2-16材料的应力-应变曲线a）低碳钢b）1-铸铁；2-黄铜纵坐标为工程应力用表示，=P/A0

，式中P为载荷，A0为原始截面面积，应力单位为MPa；横作标为工程应变用表示，=l/l0，式中，l为试样两标距间绝对伸长，l0为试样原始标距长度。1.工作条件

标准试件（GB6397-86

），常温（20℃）下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%－0.3%的低碳钢。标准试件：l0/d=5、10(l0-标距,d--直径)d静力单向拉伸时的性能测试2.阶段划分A.有屈服点钢材σ--ε曲线可以分为五个阶段：

(1)弹性阶段(OB段)OBCDAE（2）弹塑性阶段（BC)

该段很短,表现出钢材的非弹性性质;

σB—屈服上限;σC—屈服下限(屈服点)（3）塑性阶段（CD)OBCDAE

该段σ基本保持不变（水平),ε急剧增大,称为屈服阶段,变形模量E=0。（4）强化阶段(DE段)极限抗拉强度fu（5）颈缩阶段(EF段)随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快OBCDAE这种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变形很小，破坏突然。fy=f0.20.2%fuεpB.对无明显屈服点的钢材3.单向拉伸时钢材的机械性能指标

（1）屈服强度fy--应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力，它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。（2）抗拉强度fu--应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材最大的抗拉强度。（3）伸长率（4）断面收缩率它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。当l0/d=5时，用δ5表示，当l0/d=10时，用δ10表示。A0A1（三）屈服现象的本质

屈服强度是一个对成分、组织结构十分敏感的力学性能指标。凡是影响位错运动的因素均对屈服强度有影响。除金属的晶体结构影响屈服强度外，变形温度、变形速率和应力状态等外部因素对屈服强度也有重要影响。例如降低温度可使体心立方金属的屈服强度急剧升高；提高应变速率也可明显提高材料屈服强度。当材料变形前可动位错密度很小，塑变时位错增殖速度很快，位错运动速度与外加应力有强烈依赖关系时，屈服现象明显。

三、硬度(一)布氏硬度图2-25布氏硬度实验原理将直径为D（mm）的淬火钢球或硬质合金球，以一定载荷F（kgf）(1kgf=9.8N)压入试样表面，保持一定时间后卸载，测量试样表面的压痕直径d（mm），求得球冠形压痕面积S。定义试样的布氏硬度为Dh为球冠形压痕面积，其中h=布氏硬度的单位为kg/mm2

洛氏硬度（HR）测试当被测样品过小或者布氏硬度大于450时，就改用洛氏硬度计量。试验方法是用一个顶角为120度的金刚石圆锥体或直径为1.588mm/3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕深度求出材料的硬度。(二)洛氏硬度洛氏硬度实验法是由美国人S.P.Rockwell和H.M.Rockwel于1919年提出的，也是目前常用的硬度实验法之一。图2-27洛氏硬度实验原理它是以所测量的压痕深度大小来表示硬度值。洛氏硬度值的计算公式

k是常数，使用金刚石压头时，多用于较硬的材料，k=0.2mm；使用淬火钢球时，多用于较软的材料，一般压痕较深，为防止硬度值出现零或负值，取k=0.26mm。规定0.002mm为一个硬度单位。标尺硬度符号压头类型初载荷P0/N主载荷P1/N测量硬度范围应用举例AHRA金刚石圆锥98.07490.320～88硬质合金、硬化钢板等BHRB1.588钢球882.620～100有色金属、软钢等CHRC金刚石圆锥137320～70热处理工具钢和结构钢表2-6洛氏硬度实验的标尺、实验规范及应用范围第五节失效

装备和构件在使用过程中，由于应力、时间、温度、环境介质和操作失误等因素作用，失去其原有功能的现象叫失效。

失效程度严重事故零件部件机器设备系统设备轻微失效中度失效xx失控/

爆炸等断裂/应力腐蚀开裂/氢脆等变形/

磨损/

轻微腐蚀等失效形式变形失效断裂失效腐蚀失效磨损失效局部腐蚀失效均匀腐蚀失效疲劳断裂失效韧性断裂失效脆性断裂失效塑性变形失效弹性变形失效高温变形失效2/3/202356失效原因设计不合理，如工程设计训练选材不当及材料缺陷制造工艺不合理使用操作不当和维护不当一、变形失效1、金属构件的弹性变形失效②失去弹性功能的弹性变形失效指构件产生的弹性变形量超过构件匹配所允许的值。判断过量的弹性变形失效比较难。①过量的弹性变形失效当弹性变形已不遵循变形可逆性的特征时，构件就失去了弹性功能而失效。失去功能的弹性变形失效容易判断,如弹簧被拉得很长;安全阀弹簧,压力没超压,就把阀芯顶起。⑴弹性变形失效的形式选择合适的材料或构件结构：选用E值高的材料或改善构件结构尽可能获得大的刚度；确定适当的构件匹配尺寸或变形的约束条件；采用减少变形影响的连接件，如皮带传动、软管连接、柔性轴、椭圆管板等。⑵弹性变形失效的原因过载、超温或材料变质是构件产生弹件变形失效的原因，而这些原因往往是由于构件原设计的考虑不周、计算错误或选材不当造成的。⑶防护措施二塑性变形失效2、塑性变形失效⑴塑性变形⑵金属塑性变形的特点材料中的应力超过屈服极限后产生显著的不可逆变形。材料塑性好坏的衡量指标：伸长率δ、断面收缩率ψ不可逆性变形量不恒定慢速变形伴随材料性能的变化⑶塑性变形失效的形式失效形式：鼓胀、椭圆度增大、翘曲、凹陷及歪扭畸变等。塑性变形失效：金属构件产生的塑性变形量超过允许的数值。

(a)未加压的圆筒形

(b)塑性变形后的鼓胀及断裂图3-3承受内压的304不锈钢塑性变形及断裂试验合理选材，选择合适的屈服强度，保证材料质量、组织状态及冶金缺陷；准确地确定构件的工作载荷，正确计算应力，合理选取安全系数及进行结构设计，减少应力集中及降低应力集中水平；严格按照加工工艺规程对构件成形，减少残余应力；严禁构件运行超载；监测腐蚀环境构件强度尺寸的减小。⑷塑性变形失效的原因及防护措施3、高温变形失效⑴蠕变变形失效高温：高于0.3Tm(Tm是以绝对温度表示的金属材料的熔点)，一般碳钢构件＞300℃，低合金钢构件＞400℃。蠕变：金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使应力低于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形。减速恒速加速图3-4典型的蠕变曲线过热管蠕变变形及胀裂⑵应力松弛变形失效图2-37金属的应力松弛曲线应力松弛是在变形量恒定条件下，随时间的延长，构件的弹性变形不断转为塑性变形使应力不断降低的过程。预防应力松弛失效的措施：①选用应力松弛稳定性好的材料。②对正在服役的紧固件要进行一次或多次的再紧固。但要注意每紧固一次，材料都将产生应变硬化，残余应力有所下降，随塑变总量的增加，材料最终会发生断裂。二、断裂失效断裂是工程材料的主要失效形式之一。完全断裂是材料在应力作用下，被分为两个或几个部分；材料内部产生裂纹则称为不完全断裂。1、韧性断裂构件断裂前产生显著的宏观塑性变形的断裂称为韧性断裂。液氨管韧性断裂失效⑴韧性断裂特征①缓慢的断裂过程：裂纹萌生及亚稳扩展阻力大、速度慢；②断前产生显著的塑性变形；③两种宏观断裂形貌：正断(或平断)---宏观断面取向与最大正应力相垂直；剪断(或斜断)---宏观断面取向与最大切应力方向相一致的切断，即与最大正应力约呈45°角。图2-39杯锥状断口形成示意图a）颈所缩导致三向应力b）微孔形成c）微孔长大d）微孔连接呈锯齿状e）边缘剪切断裂软钢的光滑圆柱试样的静力拉伸断裂是典型的韧性断裂。其宏观的断口为杯锥状，由纤维区、放射区和剪切唇区组成。⑵断口宏观形貌图3-10光滑圆棒试样韧性断口宏观形貌图2-40平板矩形拉伸试样宏观断口形态示意图拉伸断口三区的形态、大小和相对位置，因材料的性能、实验温度、加载速度、试样形状等不同而发生变化。对于光滑平板矩形试样，其断口和圆柱试样一样，也有三区，所不同的是各区形态不同。其中纤维区变成“椭圆形”，而放射区变为“人字形”花样。人字的尖端指向裂纹源。最后破坏区仍为剪切唇区。图3-48纯剪切断口

a）单滑移形成的切离b）多滑移形成的切离根据纤维区、放射区及剪切唇区在断口上所占的比例可初步评价材料的性能。纤维区较大---材料的塑性和韧性比较好；放射区较大---材料的塑性降低，而脆性增大。按三区评价材料性能要考虑构件截面形状及尺寸的影响，另外还要考虑随环境条件的影响。如温度降低、加载速度升高等，纤维区及剪切唇区减小、放射区增大；因温度降低会引起低温脆性；加载速度升高使裂纹扩展速率增加。从韧性断裂宏观形貌三区的特征可分析断口的类型、断裂的方式及性质，有助于判断失效的机理及找出失效的原因。脆性断裂是材料在断裂前没有明显的宏观塑性变形，没有明显的迹象，往往表现为突发的快速断裂过程。如杆件脆断时没有明显的伸长或弯曲，更无缩颈，容器破裂时没有直径的增大及壁厚的减薄。2、脆性断裂⑴脆性断裂行为①脆性断裂的步骤裂纹和缺陷的形成→裂纹或缺陷的扩展②脆性断裂的形式突发性断裂：材料受力→断裂源处裂纹尖端的横向拉应力达到材料的结合强度→裂纹扩展→引起周围应力再分配→裂纹的加速扩展→突发性断裂缓慢断裂：材料受力→裂纹缓慢生长→缓慢开裂裂纹的存在及其扩展行为是导致脆性断裂的根本原因，并决定材料抵抗断裂的能力！脆性断裂韧性断裂⑵断裂的断口形貌⑶脆性断裂种类①低应力脆性断裂(高/低强度钢易发生)当材料在应力水平不高，甚至低于材料屈服极限的情况下所发生的突然断裂现象称为低应力脆断。

20世纪50年代，美国发射北极星导弹，其固体燃料发动机壳体，采用了超高强度钢制造，屈服强度为1400MPa，按照传统强度设计与验收时，其各项性能指标都符合要求，设计时的工作应力远低于材料的屈服强度，但点火不久，就发生了爆炸。原因：传统力学把材料看成是均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的连续的理想固体，但是，实际工程材料在制备、加工（冶炼、铸造、锻造、焊接、热处理、冷加工等）及使用中（疲劳、冲击、环境温度等）都会产生各种缺陷（白点、气孔、渣、未焊透、热裂、冷裂、缺口等）。

缺陷和裂纹会产生应力集中，所受拉应力为平均应力的数倍。过分集中的拉应力如果超过材料的临界拉应力值时，将会产生裂纹或缺陷的扩展，导致脆性断裂。低温脆性指温度低于某一温度时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击值明显下降的现象。我国东北许多矿山上用的进口大型机械，在冬季就有低温脆性引起的大梁、车架等断裂现象。并不是所有的金属材料都具有低温脆性，只有以体心立方金属为基的冷脆金属才具有明显的低温脆性，而面心立方金属没有明显的低温脆性。②低温脆性断裂(中/低强度钢易发生)体心立方Fe和面心立方Ni、Cu的塑性和屈服强度随温度的变化

金属的低温脆性是由于金属的屈服强度随温度降低而升高造成的。金属材料脆性转变的本质是其塑性变形能力对温度变化的反映。面心立方金属中由于可用滑移方向足够多，阻碍滑移的因素受温度影响小，所以材料将保持足够的变形能力而不表现出脆性断裂。但是体心立方金属，如铁、铬、钨及其合金，在低温条件下，间隙杂质原子与位错和晶界相互作用的强度增加，阻碍位错运动、封锁滑移的作用加剧，使得对变形的适应能力减弱。裂纹的存在及其扩展行为决定了材料抵抗断裂的能力。在临界状态下，断裂源处裂纹尖端的横向拉应力高于结合强度时，会引起裂纹扩展，最终导致突发性断裂。当裂纹尖端处的横向拉应力尚不足以引起扩展，但在长期受力情况下，会出现裂纹的缓慢生长。如腐蚀环境中（氢气，水），金属和玻璃更容易出现缓慢开裂。⑷脆性断裂特征——突发性断裂与裂纹缓慢生长4防止措施⑸预防脆性断裂的途径防脆性断裂的合理结构设计：应考虑材料的断裂韧性水平、构件的最低工作温度和应力状态、承受的裁荷类型(交变载荷、冲击载荷等)以及环境腐蚀介质；构件的最低工作温度应高于材料的脆性转变温度；以断裂力学观点选材，除强度外，还应保证足够的韧性；设计和生产中，要避免应力集中；采用正确的焊接方法和合理的焊接工艺，保证焊接质量。3、疲劳断裂金属构件在交变载荷作用下，虽然应力水平低于材料的抗拉强度，甚至低于屈服强度，但经历一定循环周期后，由于累计损伤，而引起的断裂现象叫疲劳断裂。⑴疲劳断裂的分类疲劳断裂接触疲劳高温疲劳腐蚀疲劳微振疲劳环境高应力疲劳低应力疲劳应力大小扭转疲劳拉压疲劳拉伸疲劳弯曲疲劳混合疲劳载荷低周疲劳高周疲劳交变频率⑵疲劳过程—包括疲劳裂纹萌生、扩展和瞬时断裂三个阶段。①疲劳裂纹的萌生

疲劳裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的，主要方式有表面滑移带形成，第二相、夹杂物或其界面开裂，晶界或亚晶界开裂及各类冶金缺陷，工艺缺陷等。图3-29滑移带中产生的“挤入”及“挤出”示意②疲劳裂纹的扩展是一个包括滑移塑性形变与不稳定断裂交替作用的复杂过程，通常有切向扩展和正向扩展两个阶段。图3-30疲劳裂纹扩展的两个阶段(a)疲劳裂纹扩展示意图(b)螺栓实际使用中的疲劳裂纹软钢断裂试样(a)疲劳断裂(b)静拉伸断裂③瞬时断裂即使是塑性良好的合金钢或铝合金，疲劳断裂构件断口附近通常也观察不到宏观的塑性变形。⑶疲劳断口形貌三个区域：裂纹起源区、裂纹扩展区和最终断裂区(瞬断区)。①断口的形貌图2-61疲劳断口的宏观形貌a）疲劳断口实物照片b）疲劳断口三区示意图★裂纹起源区★裂纹扩展区呈河滩花样(或贝壳状条纹或疲劳弧带)★最终断裂区呈宏观脆性断裂特征(粗糙“晶粒”结构)疲劳源一般只有一个，所占的断面比例很小；疲劳源一般位于表面应力集中处或缺陷部位。表面缺陷：刀痕、划伤、烧伤、锈蚀、淬火裂等；心部或