力学性能讲义01课件

材料力学性能讲义

大连理工大学材料科学与工程学院曹志强教授11/9/2023教材与参考书：?工程材料力学性能?束德林，2004年，机械工业出版社。?材料性能学?王从曾，2001年，北京工业大学出版社。?金属力学性能〔第二版〕?束德林，1995年，机械工业出版社。?金属力学性能?孙茂才，2003年，机械工业出版社。11/9/2023TITANIC11/9/2023Titanic近代船用钢板Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果11/9/2023哥伦比亚号航天飞机失事11/9/2023金属材料的力学性能包括：强度、刚度、硬度、塑性、韧性、耐磨性、缺口敏感性、断裂韧性等。人们将力学参量的临界值〔或规定值〕定义为该材料的力学性能指标，如强度指标：σb、σ0.2、σ-1，塑性指标：δ、ψ，韧性指标：AK、KIC等。力学性能指标具体数值的上下，表示金属材料抵抗变形和断裂能力的大小，是评定材料质量的主要依据。可将其理解为：金属材料抵抗外加载荷引起变形和断裂的能力。11/9/2023金属材料的力学性能取决于：化学成分、组织结构、冶金质量、剩余应力及外表和内部缺陷等内在因素，也取决于载荷性质、载荷谱、应力状态、温度、环境介质等因素。金属力学性能的本质及宏观变化规律与金属在变形和断裂过程中的位错运动、增殖和交互作用等微观过程有关。11/9/2023低碳钢静载荷冲击载荷低温常温断裂韧性断裂脆性断裂？？？？脆性断裂韧性断裂11/9/2023课程体系：性能的根本概念物理本质影响因素性能指标的工程意义指标的测试与评价及应用。提高金属力学性能的方向和途径金属材料在各种服役条件下的变形现象和断裂现象。材料性能与其化学成分、组织结构之间关系。11/9/2023材料力学性能讲义

第一章材料单向静拉伸的力学性能第二章材料在其它静载下的力学性能第三章材料的冲击韧性和低温脆性第四章材料的断裂韧性第五章材料的疲劳性能第六章材料的磨损性能第七章材料的高温力学性能

11/9/2023第一章材料单向静拉伸力学性能第一节力——伸长曲线和应力、应变曲线第二节弹性变形及其性能指标第三节非理想弹性与内耗第四节塑性变形及其性能指标第五节断裂——固体材料在力的作用下分成假设干局部的现象11/9/2023单向静载拉伸试验是应用最广泛的材料力学性能测试方法。试验温度确定应力状态确定加载速率确定可测试屈服强度

s(

0.2)抗拉强度

b伸长率

断面收缩率

第一节力--伸长曲线和应力、应变曲线11/9/2023拉伸试验机11/9/2023

1.光滑试样单向静拉伸试验方法的主要特点：试样通常为光滑圆柱形状。试验过程中，温度、应力状态和加载速率是一定的。强调试样光滑是为了防止外表产生应力集中导致三向应力状态；强调轴向拉伸是防止试样偏斜或不对中情况，否那么将导致复杂的应力状态。图1－1圆柱拉伸试样11/9/20232.实验条件：光滑试件、室温大气介质、单向单调拉伸载荷a.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，只有这样由不同的实验室和工作人员测定的拉伸性能数据才可以互相比较。b.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ΔL之间的关系曲线;11/9/2023一、力——伸长曲线〔拉伸力F，绝对伸长量△L〕测试方法：标准试样，万能实验机图1－2退火低碳钢的拉伸力－伸长曲线ⅠⅡⅢⅣⅠ区－弹性变形阶段Ⅱ区－屈服变形阶段Ⅲ区－均匀塑性变形阶段Ⅳ区－集中塑性变形阶段断裂11/9/2023o-e段，弹性变形阶段，试样产生弹性变形。e-C段，不均匀屈服塑性变形段，试样产生屈服变形。C-B段，均匀塑性变形段，试样产生均匀塑性变形。B-K段，不均匀塑性变形段，试样产生颈缩。K点以后试样断裂图1－2均匀塑性变形

11/9/2023①高碳钢〔淬火、高温回火〕②低合金结构钢16Mn③黄铜④陶瓷、玻璃⑤橡胶〔无塑性变形〕⑥工程塑料图1－311/9/2023二、应力应变曲线1.工程应力—应变曲线：将力—伸长曲线的纵横坐标分别以拉伸试样的截面积A0和原始标距长度L0去除，那么得到应力—应变曲线。称为“工程应力应变曲线〞σ=F/A0ε=△L/L0σp比例极限σe弹性极限σs屈服强度σb抗拉强度图1－411/9/20232.真实应力—应变曲线：真应力－真应变曲线：用拉伸过程中每一瞬间的真实应力和真实应变绘制的曲线真应力S=F/A真应变de=dL/L在弹-塑性变形阶段，只有真应力-真应变曲线才能准确描述材料的力学形为。图1－511/9/2023e=ln(1+ε)真应变小于工程应变

S＝σ〔1＋ε〕真应力大于工程应力11/9/2023弹性变形：金属材料在外力的作用下，产生变形，当外力去除以后变形也随之消失的现象。弹性变形的特点：弹性变形是一种可逆现象，不管在加载期还是在卸载期，其应力和应变之间都保持单值线性关系。弹性变形量都很小，一般在0.5％～1％之间。金属材料的原子弹性位移量只相当于原子间距的几分之一。故弹性变形量小于1％。第二节弹性变形及其性能指标弹性变形11/9/2023原子引力斥力在平衡位置振动由金属正离子和自由电子间的库仑力产生由离子之间及电子之间的排斥作用所致引力和斥力均为原子间距的函数当原子间的相互平衡力因外力作用而受到破坏时，原子位置必须作相应的调整，从而产生位移，以期到达新的平衡。原子位移的总和在宏观上就表现为变形。外力去除后，原子依靠彼此间的作用力又回到原来的平衡位置，此时位移消失，宏观上变形也就消失，从而表现弹性变形的可逆性。11/9/2023图1－6双原子模型原子间作用力：引力斥力原子间作用力非直线关系引力斥力合力原子间距r引力斥力FNF=0MFmaxRR为材料可承受的最大弹性变形量，理论值可达23％！但实际上材料的弹性变形量<1％，是由于实际材料中不可防止地存在各种缺陷所致。一、弹性变形的本质11/9/2023Fm是拉伸时两原子间的最大结合力。对应的原子间距为rm;当拉伸过程中r>rm时，就可以克服原子之间的引力而别离，因此，Fm也就是材料在弹性状态下的断裂抗力。图1－6双原子模型引力斥力合力原子间距r引力斥力FNF=0MFmaxR11/9/2023由图可以看出，弹性变形过程中并非完全的线性关系，而是抛物线关系，但在外力较小时，原子偏离平衡位置不远时，近似为线性关系，因此虎克定律只有在外力较小时近似成立。弹性变形的本质是构成材料的原子〔离子〕或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。11/9/2023二、弹性模数〔弹性模量〕刚度1材料产生单位弹性应变时，所需要的弹性应力。即材料产生100％弹性变形时所需要的应力。σ＝Eετ＝Gγ，E=2(1+)GE拉伸时杨氏模数105，G切变模数MPa，比弹性模数〔比刚度〕E/ρ单位m，将纵向应变el与横(径)向应变er之负比值表示为泊松比υ。11/9/2023材料弹性模量105/MPa(或者MJm-3)材料弹性模量105/MPa氧化铝3.8石英玻璃0.7395%氧化铝陶瓷3.0氧化镁2.1尖晶石MgAlO42.4铜1.25铝0.72氧化锆1.9铸铁1.7-1.9铁2.17低合金钢2.0-2.1奥氏体不锈钢1.9-2.0碳素钢2.0-2.211/9/2023三、影响弹性模数的因素

1、键合方式和原子结构室温下金属的弹性模量是原子序数的周期函数。

同一周期的元素随原子序数的增大E值增大，这与元素价电子数增多及原子半径减小有关。

同一族的元素随原子序数的增大E值减小，这与原子半径增大有关。图1－811/9/20232、晶体结构α-Fe,<111>E=2.7×105MPa，<100>E＝1.25×105MPa沿原子排列最密的晶向上弹性模量较大，多晶体各向同性。11/9/20233、化学成分合金中固溶的溶质元素可以改变合金的晶格常数，但对于常用的钢铁材料而言，合金元素对其晶格常数的改变不大，因而对弹性模量的影响很小，合金钢和碳钢的弹性模量数值相当接近。4、微观组织金属材料组织不敏感性。热处理〔显微组织〕对弹性模量的影响不大。如晶粒大小对E值无影响；第二相的大小和分布对E值的影响也很小；淬火后E值稍有下降，但退火后又恢复到原来的水平11/9/2023冷塑性变形对E值稍有降低，一般在4％～6％，这与出现剩余应力有关。当塑性变形量很大时，因产生形变织构而使E值出现各向异性，此时沿变形方向E值最大。

5、温度温度升高，热运动加剧，弹性模量降低碳钢加热时每升高100℃，E值下降3％～5％。但在-50℃～+50℃的范围内，钢的E值变化不大，可以不考虑温度的影响。11/9/20236、加载条件和负荷持续时间弹性变形的速率和声速一样快，远超过实际加载速率，故加载速率对E值也无大的影响。结论：弹性模量是组织不敏感的力学性能指标11/9/2023例题：纤维增强复合材料弹性模量纤维增强复合材料中，纤维与基体构成整体，共同承担载荷，基体传递外力，提供塑性和韧性，而纤维承担大局部外力，是复合材料中的主要承载单元。〔1〕纵向弹性模量E1＝EfVf＋EmVm〔2〕横向弹性模量E2＝Vf/Ef＋Vm/Em图1－911/9/20231).纵向弹性模量假设纤维连续平行于拉伸力方向，那么有Ac、Af、Am分别为复合材料、纤维、基体截面积；Vf、Vm分别为纤维、基体的体积分数；σf、σm分别为纤维、基体所受应力。〔1〕〔2〕11/9/2023根据虎克定律和等应变假设：εc、εf、εm分别为复合材料、纤维、基体的应变代入式〔3〕可得〔3〕根据式〔1〕〔2〕可得，复合材料所受平均拉应力为：11/9/20232).横向弹性模量当拉伸应力垂至于纤维方向，根据虎克定律：分别求出L后带入〔1〕式得：因为〔1〕〔2〕11/9/2023由于由此可见，单相连续纤维增强复合材料的弹性模量与外加载荷的取向有关。所以上式为11/9/2023四、比例极限与弹性极限比例极限：σp是保证材料的弹性变形按正比关系变化的最大应力－－应力与应变在正比关系范围内的最大应力。

弹性极限：σe是材料由弹性变形过渡到弹塑性变形时的应力。σp0.01表示规定非比例伸长率0.01％时的应力。比例极限弹性极限11/9/2023p和e的实际意义是：对于要求在服役时其应力应变关系维持严格直线关系的机件，如测力弹簧是依靠弹性变形的应力正比于应变的关系显示载荷大小的，那么选择制造这类机件的材料应以比例极限为依据；假设服役条件不允许产生微量塑性变形的机件，那么设计时应按弹性极限来选材。11/9/2023五、弹性比功又称弹性比能或应变比能ae是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。弹性比功的含义就是弹性变形过程中所吸收的引起弹性变形的能量。数值上等于在应力应变曲线中被弹性变形阶段的曲线所覆盖的面积。弹簧钢2.217MPa(MJm-3)(J=Nm)、磷青铜1.0，铍青铜1.44、橡胶2、铝0.1、铜0.003eσeεσεe图1-10.弹性比功11/9/2023弹簧：减振、储能高的弹性比功选用含碳量高的钢参加Si、Mn等合金元素采用适宜的热处理工艺提高弹性极限机械零件的体积越大，可吸收的弹性比功也越大。可见，金属的ae取决于

e和E，而E是组织不敏感因素，所以对一般金属材料，只有用提高弹性极限的方法来提高弹性比功。11/9/2023第三节非理想弹性与内耗一、理想弹性材料：①应变与应力的响应是线性的②应力和应变是同相位③应变是应力的单值函数当塑性材料所受的应力低于弹性极限，其力学行为可近似地用虎克定律加以表述。进入弹塑性变形阶段，其力学行为需要用弹-塑性变形阶段的数学表达式，或称本构方程加以表述。11/9/2023二、弹性后效对于完整的弹性体，弹性变形与加载速率无关，但对实际的金属材料而言，弹性变形不仅是应力的函数，而且是时间的函数。ABHaeO图1-11.弹性后效示意图应变应力时间bcdAB－正弹性后效eO－反弹性后效定义：弹性应变落后于外加应力，并和时间有关的的现象叫弹性后效〔滞弹性〕。

11/9/2023影响因素材料成分；组织；实验条件；材料的组织越不均匀，弹性后效越明显。如钢淬火或塑性变形后，增加了组织的不均匀性，弹性后效倾向增大。温度升高，弹性后效速率和变形量都显著增加。如Zn，拉伸时温度升高15℃，弹性后效速率增加50％；扭转时温度升高10℃，变形量增加1倍。温度下降，变形量显著下降，－185℃以下就无法确定弹性后效是否存在。11/9/2023产生弹性后效的原因可能与金属中点缺陷的移动有关。例如，-Fe中碳处于八面体空隙及等效位置上，施加z方向的拉应力后，x,y轴上的碳原子就会向z轴扩散移动，会使z方向继续伸长变形(图1-12〕，于是就产生了附加的弹性变形。因扩散移动需要时间，故附加应变为滞弹性应变，卸载后z轴多余的碳原子又会回到原来x,y轴上，使滞弹性应变消失。11/9/2023三、包申格效应：是指金属材料经预先加载产生少量塑性变形，而后再同向加载，规定剩余伸长应力增加，卸载时降低的现象。所有退火态和高温回火态金属均有此效应。包申格效应可使规定剩余伸长应力增加或降低15％～20％。11/9/2023初始拉伸二次拉伸初始压缩二次压缩图1-15.包申格效应规定剩余伸长应力：试样卸除拉伸力后，其标距局部的剩余伸长到达规定的原始标距百分比时的应力。11/9/2023包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。如图1-16所示。在金属预先受载产生少量塑性变形时，位错沿某一滑移面运动，图1－16.林位错对位错运动的影响遇林位错而弯曲，结果，在位错前方，林位错密度增加，形成位错缠结和胞状组织〔图中1位置〕。这种位错结构在力学上是相当稳定的，宏观上表现为规定剩余伸长应力增加。11/9/2023卸载后施加反向力，位错被迫作反向运动，在反向路径上，像林位错这类障碍数量较少，而且也不一定恰好位于位错运动的前方，故位错可以在较低应力下移动较大距离，即第二次反向加载，规定剩余伸长应力降低。包申格效应对于研究金属疲劳问题是很重要的。因为材料在疲劳过程中，每一周期内都产生微量塑性变形，在反向加载时，微量塑性变形抗力〔规定剩余伸长应力〕降低，显示循环软化现象。另外，对于预先经受冷变形的材料，如服役时受到反向力的作用，就要考虑微量塑性变形抗力降低的有害影响，如冷拉型材及管子在受压状态下使用就是这种情况。11/9/2023图中的b-c段为包申格应变。消除包申格效应的方法：1.预先进行较大的塑性变形。2.在第二次反向受力前使金属材料在回复或再结晶温度下退火(如钢：400～500℃以上，铜合金：250～270℃以上)。图1－1711/9/2023四、内耗〔弹性滞后环〕在变形过程中被吸收的功，可用弹性滞后环面积度量。该环表示金属在加载和卸载的过程中，一局部能量被金属所吸收，这局部被吸收的能量称为“金属的内耗〞。如果所加载荷为交变载荷那么得到的滞后环为交变滞后环。材料产生内耗的原因与材料微观组织结构和物理性能的变化有关。〔位错、间隙原子、晶界、磁性的变化等〕图1－19图1－1811/9/2023循环韧性〔塑性应变环〕的意义：材料的循环韧性越高，那么机件依靠材料自身的消振能力越好。因此，高的循环韧性对于降低机械噪声，抑制高速机械振动，防止共振导致疲劳断裂是非常重要的。飞机螺旋桨、气轮机叶片需要高δ；而追求音响效果的元件如音叉、簧片等要低δ；灰铸铁的δ大，常用来作机床的床身、发动机的缸体和支架等。图1－20自由振动衰减曲线11/9/2023材料不同应力下的比循环韧性31.50MPa46.23MPa77.28MPa碳钢（0.1%C）2.282.784.16镍铬淬火回火钢0.380.490.701Cr13不锈钢8.088.018-8不锈钢0.761.163.8灰铸铁2840.0黄铜0.500.8611/9/2023第四节塑性变形及其性能指标2一、塑性变形方式与特点材料的塑性变形是微观结构的相邻局部产生永久性位移，并不引起材料断裂的现象。

塑性变形是金属材料区别于其它工业材料的重要特征，也是金属材料在人类文明史上能够发挥无与伦比的作用的原因。对塑性变形的机制和规律的研究，有助于我们更好地理解材料强度和塑性，为使用和研制新材料打下良好的根底。变形80％图1－21工业纯铁在塑性变形前后的组织变化11/9/20231.塑性变形的方式图1-22晶体塑性变形的根本方式孪生是指晶体的一局部沿一定晶面和晶向相对于另一局部发生的切变。发生切变的局部称为孪生或挛晶，沿其发生孪生的晶面称为孪生面，孪生的结果使孪生面两侧的晶体呈镜面对称。滑移系滑移系越多，金属的塑性越好，但滑移系的数目不是决定金属塑性的唯一因素。

滑移是材料在切应力的作用下，沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。滑移面－原子最密排的晶面滑移方向－原子最密排方向金属材料常见的塑性变形方式为滑移和孪生。11/9/2023滑移变形的特点：滑移只能在切应力作用下发生，产生滑移的最小切应力称为临界切应力；滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生，这是因为原子密度最大的晶面和晶向之间的间距最大，原子结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。11/9/2023滑移时，晶体两局部的相对位移量是原子间距的整数倍，滑移的结果是在晶体外表形成台阶－滑移线，假设干滑移线组成一个滑移带，如图1－23所示。图1－24为多晶铜经塑性变形后在预先抛光的外表上观察到的滑移带。图1－24变形多晶铜抛光外表上的滑移带图1－23铝单晶体滑移线和滑移带示意图11/9/2023滑移的同时伴随着晶体转动：一种是滑移面向外力轴方向转动，另一种是在滑移面的滑移方向向最大切应力方向转动。如图1－25所示。转动的原因是正应力分量n和n’及切应力分量b和b’形成力偶。计算说明，当滑移面和滑移方向都与外力轴方向成45°角时，滑移方向上的切应力分量最大，图1－25滑移时晶体的转动因而最容易发生滑移。当滑移面和滑移方向与外力轴方向平行或垂直时，切应力分量

b＝0，晶体不发生滑移。11/9/2023图1－26所示的是一刃型位错在切应力作用下在滑移面上运动的过程，即通过一根位错线从滑移面的一侧到另一侧的运动形成一个原子间距滑移量的过程。计算说明，把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力比实际测量值大3-4个数量级，而按照位错运动模型计算所得的临界切应力值那么与实测值相符。τ

图1－26晶体中通过位错运动造成滑移的示意图—11/9/2023

位错运动过程中滑移面上原子位移的情况如图1-27所示。可以看出，当晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移动，而且它们的移动距离远小于一个原子间距，因而所需的临界切应力小，这种现象称为位错的易动性。

图1－27位错运动时的原子位移11/9/2023

孪生的特点：孪生也是塑性变形的一种方式。fcc、bcc、hcp金属材料都能以孪生方式产生塑性变形，只不过fcc金属只在很低的温度下才能产生孪生变形，而hcp金属由于滑移系少，并且在c轴方向上没有滑移矢量，因而更容易产生孪生变形。孪生提供的变形量很小，相当于滑移的十几到几十分之一。与滑移不同，孪生使晶格位向发生改变，所需切应力比滑移大得多，变形速度极快，接近于声速。孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。图1-28纯钛中的变形挛晶11/9/20232.单晶体金属的塑性变形单晶体受力后，外力P在任何晶面上都可分解为正应力和切应力，正应力只能引起弹性变形及解理断裂，只有在切应力的作用下，金属才能产生塑性变形。塑性变形的方式有两种：滑移和孪生。多数情况下，金属的塑性变形是以滑移方式进行的。图1－29单晶体的拉伸变形11/9/20233.多晶体塑性变形的特点：

〔1〕各晶粒变形的不同时性和不均匀性〔晶粒位向不同〕

〔2〕各晶粒变形的相互协调性〔晶界的存在〕－－多晶体材料产生屈服的条件。多晶体金属作为一个连续的整体，不允许各个晶粒在任一滑移系中自由变形，否那么就会造成晶界开裂这就要求各晶粒之间能协调变形

〔3〕产生加工硬化现象和剩余内应力

〔4〕密度降低、电阻和矫顽力增加，化学活性增大，抗腐蚀性能降低11/9/2023在塑性变形过程中，由于晶粒的转动，当变形到达一定程度(70％以上)时，绝大局部晶粒的位向与外力方向趋于一致，这种现象称为形变织构或择优取向，如图1－30所示。形变织构使金属呈现各向异性，在深冲零件时易产生“制耳〞现象，使零件边缘不齐，厚薄不均。对性能的影响：随变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称为加工硬化。图1－30形变织构示意图11/9/2023二、屈服现象与屈服强度

低碳钢黄铜屈服伸长ACσ0.20.2％εσO图1－31屈服现象示意图图1－31为低碳钢和黄铜拉伸时的应力应变曲线。A－上屈服点C－下屈服点AC－屈服平台对于没有明显屈服点的材料，用人为规定的方法确定屈服点：0.01％；0.05％；0.2％；11/9/2023图1－32吕德斯带示意图屈服变形始于试样微观不均匀处或应力集中部位。屈服阶段的伸长变形是不均匀的，在局部开始形成与拉伸轴约成45°角的平行线，被称为吕德斯(Lüders)带，随后沿试样长度方向逐渐扩展，当屈服线布满整个试样时，屈服伸长结束，试样开始进入均匀塑性变形阶段11/9/20231、屈服现象：材料在拉伸过程中，当应力增加到一定数值，突然下降并在一定数值下保持恒定〔或波动〕，而变形持续增加，由弹性变形转变为弹塑性变形状态，这种现象称为“屈服现象〞屈服现象与下面三个因素有关：①材料在变形前可动位错密度小，或虽有大量位错但被钉扎，如钢中的位错被杂质原子或第二相粒子所钉扎；②随塑性变形的发生，位错能快速增殖；③位错运动速率与外加应力有强烈的依存关系。11/9/2023材料变形速率έ－塑性变形应变速率b－柏氏矢量的模

－可动位错密度V－位错运动平均速率έ=bρV··

－沿滑移面上的切应力

0－位错以单位速率运动所需的切应力m-应力敏感指数m值越低，那么为使位错运动速率变化所需的应力变化就越大，屈服现象越明显。bcc金属的m值一般小于20，所以具有较明显的屈服现象；而fcc金属的m值大于100～200，屈服现象就不太明显。11/9/20232、屈服强度：材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力

〔1〕规定非比例伸长应力σp：拉伸过程中，材料标距局部的非比例伸长到达规定的原始标距的百分比时的应力。σp0.01〔加载〕(2)规定剩余伸长应力σr：试样卸除拉伸力后，其标距局部的剩余伸长到达规定的原始标距百分比时的应力。σr0.2〔卸载〕〔3〕规定总伸长应力σt：试样标距局部的总伸长到达规定的原始标距百分比时的应力。σt0.2〔加载〕11/9/2023规定剩余伸长应力不含弹性变形，规定总伸长应力含弹性变形和塑性变形，可以实现测量自动化。σs工程意义：

①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

②σs/σb可以作为金属冷塑性变形加工的参考依据和缓解应力集中防止脆断的参考依据。11/9/2023三、影响金属材料屈服强度的因素〔1〕晶体结构：①晶格阻力或派纳力〔在理想晶体中。仅存在一个位错运动时所需克服的阻力〕，滑移面间距最大，滑移方向原子间距最小，派纳力最小

G为切变模量，v泊松比，a晶面间距，b柏氏矢量，ω为位错的宽度，滑移面内原子位移大于50％b区域的宽度11/9/2023分析：滑移面的a最大

p-n小

位错容易运动。不同材料的a不同，故

p-n不同。位错宽度

大

位错周围的原子偏离平衡位置不大

晶格畸变小

位错容易运动。11/9/2023②位错间的交互作用：平行位错间的交互作用运动位错与林位错间的交互作用

－比例系数；b－柏氏矢量的模；L－位错间距离；G－切变模量；

－位错密度；

与晶体本性、位错结构及分布有关。如fcc金属

≈0.2，bcc金属

≈0.4。11/9/2023〔2〕晶界与亚结构晶粒越细屈服强度越高，塑性也越好。晶粒小，晶界面积增加，阻碍位错运动，故使材料的屈服强度增加。图1－33晶粒小，减小晶粒内部位错塞积长度，使材料的韧性增加。11/9/2023Hall-Petch公式：i—位错在基体金属中运动的总阻力，也称摩擦阻力，取决于晶体结构和位错密度；d—晶粒平均直径；ky—钉扎常数，衡量晶界对强化奉献的大小。在一定的温度和应变速率下，i和ky为常数。ky钉扎常数，fcc金属较bcc金属低，容易屈服。晶粒越小，屈服强度越高——细晶强化，同时还提高材料韧性，是金属强韧化的重要手段。11/9/2023〔3〕溶质元素固溶强化：金属中参加溶质元素，将对金属产生固溶强化作用，使材料的屈服强度增加。溶质原子与基体原子的直径不同，引起晶格畸变，形成畸变应力场，使金属强化。溶质原子对位错的运动起到了钉扎作用。溶质原子还和基体原子之间产生电学交互作用、化学交互作用以及有序化作用。图1－3411/9/2023

空位引起的晶格畸变类似于由置换型原子所引起的晶格畸变：淬火空位、辐照空位。原子能工程上必须考虑材料在服役过程中空位浓度不断增加，使屈服强度显著提高，脆性增加，引起突发性灾难。11/9/2023〔4〕第二相不可变形的非共格相，位错可以绕过〔线张力〕这与相邻质点的间距有关，绕过质点的位错线在质点周围留下一个个位错环，这相当于质点间距减小，屈服强度增大。不可变形的第二相大都是以很小的质点方式存在，其强化可以有两种类型：弥散强化：第二相质点用粉末冶金法获得沉淀强化：先固溶到基体里，然后在回火〔或时效〕时弥散析出在基体上。11/9/2023切割机制：增加界面能。可变形的共格相〔θ〞相〕，位错可以切过〔晶格错排、新界面〕，使之与基体一同变形，由此也可以提高屈服强度。这是由于质点与基体间晶格错排及位错切过质点产生新的界面需要做功等原因造成的。碳钢，fα为铁素体体积比，σα＋Fe3C珠光体屈服强度，第二相强化还与其尺寸、形状、数量以及分布等有关。11/9/2023〔5〕温度：4温度升高，屈服强度降低。bcc金属的p-n比fcc金属高很多，并且在影响屈服强度的因素中占有较大比例。p-n属短程力，对温度十分敏感，因此bcc金属具有强烈的温度效应。图1－35Fe:由室温降至-196℃，

s增加4倍Ni:由室温降至-196℃,

s增加0.4倍hcp金属与fcc类似。11/9/2023

绝大多数常用结构钢是bcc结构的Fe-C合金，因此，其屈服强度也有强烈的温度效应，如图1-36所示，因此，钢具有低温脆性。图1-36温度对碳钢σs的影响11/9/2023〔6〕应变速率与应力状态高应变速率时屈服明显变大，m为应变速率敏感系数图1-37应变速率对碳钢强度的影响11/9/2023fcc金属的应力－应变曲线易滑移阶段，έ很小，约百分之几。线形硬化阶段，έ很大，且为常数。抛物线硬化阶段，έ逐渐减小。曲线的斜率d

/d

称为应变硬化速率έ。

O11/9/2023应力状态对屈服强度有较大影响：切应力分量越大，材料越容易产生塑性变形，即屈服强度越低，故

s扭转<

s拉伸<

s弯曲。11/9/2023四、应变硬化

材料在应力作用下进入塑性变形阶段后，随着变形量的增大，形变应力不断提高的现象。

1、应变硬化机理

金属材料的应变硬化是由塑性变形过程中的多系滑移和交滑移造成的。11/9/2023应变硬化能力在生产实际中具有重要意义：〔1〕应变硬化可使金属机件有一定的抗偶然过载能力，保证机件平安。机件在使用过程中，某些薄弱部位会因偶然过载而产生局部的塑性变形，如果金属没有应变硬化能力，变形就会一直进行下去，使承载应力越来越高，从而导致断裂。由于应变硬化能力的存在，会阻止变形继续进行，从而保证机件的平安运行。11/9/2023〔2〕应变硬化和塑性变形适当配合，可使金属进行均匀塑性变形，从而保证冷变形工艺顺利实施。金属的塑性变形是不均匀的，时间上也有先后，由于金属具有应变硬化能力，哪里有变形，它就在哪里阻止变形的继续开展，从而使变形转移到别处去，变形和硬化交替进行就构成了均匀塑性变形，从而获得合格的冷变形加工的金属制品。11/9/2023〔3〕应变硬化是强化金属的重要工艺手段之一。这种手段既可以单独使用，也可以和其它方法联合使用，尤其对那些不能进行热处理强化的材料。强化手段包括轧制、喷丸、滚压等。可有效提高屈服强度、抗拉强度、疲劳强度等。11/9/2023〔4〕应变硬化可以降低塑性，改善低碳钢的切削加工性能。低碳钢切削时易产生粘刀现象，外表加工质量差。此时可利用冷变形降低塑性，使切屑容易脆离，从而改善切削性能。11/9/20232、应变硬化指数〔Hollomon〕S＝Kenn为应变硬化指数－－直线斜率，K为硬化系数S=(1+ε)σe=ln(1+ε)

n反映了材料抵抗继续塑性变形的能力。n＝1，表示材料为理想的弹性体。n＝0，表示材料没有应变硬化能力，大多数金属的n值在0.1～0.5之间。图1－3811/9/2023材料状态nK碳钢（0.05%C）退火0.26530.940CrNiMo钢退火0.15641.2铜退火0.3-0.35317.2碳钢（0.6%C）淬火，540℃回火0.101572碳钢（0.6%）淬火，704℃回火0.191227.3H10黄铜退火0.35-0.4896.3碳钢（0.4%C）调质0.229920.7碳钢（0.4%C）正火0.2211043.511/9/2023金属晶格类型层错能/mJ∙m-2n滑移特征18-8不锈钢fcc<100.45平面状铜fcc900.30平面状/波纹状铝fcc2500.15波纹状α-Febcc2500.2波纹状n值与金属材料的层错能有关，层错能低者n值高，冷加工状态n值低，退火n高，晶粒变粗，n高n值升高，材料软，nσs＝constant11/9/2023五、缩颈条件与抗拉强度〔一〕缩颈的意义：缩颈是应变硬化与截面减小综合作用的结果。在B点以前，塑性变形是均匀的，因为随着材料变形的增加应变硬化增加，且承载能力增加，可以补偿因截面减小使其承载能力下降的作用。B点以后，由于应变硬化跟不上塑性变形开展，使变形集中于试样的局部，因此产生缩颈现象。B点以前dF＞0,B点以后dF＜0，B点dF＝0为最大力点。B点是局部塑性变形开始点，亦称拉伸失稳点或塑性失稳点。11/9/2023〔二〕缩颈的判据dF=0,即拉伸图上的B点〔最大力点〕，也是曲线的拐点。对其进行全微分，那么有dF=AdS+SdA=0;

在塑性变形中，dS恒大于零，dA恒小于零。根据塑性变形中，体积不变的原理那么有：dV=0；因V=AL〔1〕11/9/2023故，AdL+LdA=0由〔1〕式〔2〕式，有：根据〔3〕式，当应变硬化速率等于该点的真实应力〔流变应力〕时，缩颈产生。以下图中两曲线的交点那么为缩颈的产生点。〔dS/de=S〕图1－39〔2〕〔3〕11/9/2023〔三〕确定缩颈点在拉伸失稳点处，Hollomon关系仍成立，这说明，金属材料的应变硬化指数等于最大真实均匀塑性应变量时，缩颈便会产生。11/9/2023〔四〕抗拉强度：拉伸实验时，试样拉断过程中最大实验力所对应的应力，成为材料的设计依据。抗拉强度的实际意义：1)塑性金属材料光滑试样的实际承载能力。2)变形要求不高的机件的设计依据。3〕σb与硬度、疲劳强度等之间有一定的经验关系。4〕材料的重要力学性能指标，易于测定，重复性好。工程上代表材料在拉伸中，断裂前所能承受最大外力时的应力值。11/9/2023六、塑性与塑性指标〔一〕塑性与塑性指标塑性是指材料断裂前产生塑性变形的能力。塑性变形分为两个阶段，即均匀塑性变形阶段和集中塑性变形阶段。拉伸时形成缩颈的韧性金属材料，其均匀塑性变形量比集中塑性变形量小的多，不超过50％。许多钢材占5%~10％，铝和硬铝占18～20％，黄铜35～45％。11/9/2023延伸率：δ＝△L/L0×100%〔断后伸长率〕断面收缩率：ψ＝(A0－A1)/A0×100%试样拉断后，缩颈处横截面积的最大减缩量与原始横截面积的百分比。为了使同一金属材料制成的不同尺寸的拉伸试样得到相同的δ值，要求：11/9/2023通常K取5.65或11.3，即对于圆柱形拉伸试样，相应的尺寸为L0=5d0或L0=10d0。分别记为“δ5和δ10〞前者称为“短比例试样〞，后者称为“长比例试样〞。拉伸试样加工后你需要检查哪些方面？11/9/2023ß，γ对于同一金属材料制备的几何相似的试样为常数。

A0一定，L0越长，δ越小。故δ5大于δ10。实验结果说明，为使材料的

具有可比性，要求试样的为常数，因此人们规定了试样的规格，且

5>

1011/9/2023除了用延伸率表示金属材料的塑性性能外，还可用最大力下的总伸长率来表示。最大力下总伸长率：是试样拉至最大力时标距的总伸长与原始标距的百分比。用“δgt〞表示。δgt表示实际上金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形量。〔其中包括弹性变形并不是严格意义上的塑性变形〕。

δgt和eB之间关系为：eB=ln(1+δgt)可通过δgt方便的推算出eB，继而算出应变硬化指数n。11/9/2023根据和的相对大小，可以判断金属材料拉伸时是否形成颈缩。如果>那么形成颈缩，且相差越大，颈缩越严重；如果≥那么不形成颈缩。塑性指标不能直接用于机件的设计，但对静载工作的机件都要求有一定的塑性，以防止机件偶然过载时产生突然破坏。同时，材料具有塑性才能进行冷变形加工，机器的装配、修复等也需要材料具有一定的塑性。11/9/2023〔二〕材料塑性的意义：①防止机件因偶然过载而发生突然破坏②通过塑性变形消除应力集中③塑性加工和修复工艺④冶金质量的评价标准11/9/2023〔三〕超塑性材料在一定条件下呈现非常大的伸长率，而不发生缩颈和断裂的现象〔相变超塑性和结构超塑性－纯金属或单相合金〕产生条件：①超细晶粒②适宜的条件，变形温度≥0.4Tm，应变速率ε≤10－3s－1③应变速率敏感指数较高0.3≤m≤111/9/2023(四)静力韧度静力韧度—材料的S－e曲线下所包围的面积与试样断裂前吸收的弹性能之间的差值。真实断裂强度Sk—静拉伸过程中，断裂时的拉伸力Fk和瞬时截面积Ak的比值。Sk与截面形状有关，如截面无缩颈,那么Sk等于σb，如有颈缩那么需用Bridgmen方法修正，且其修正值也不准确，故Sk直接应用很少。由此提出静力韧度的概念。11/9/2023利用近似的真应力应变曲线，可以求得静力韧度的表达式a＝〔Sk＋σs〕ef/2Sk＝Fk/AkSK＝σs＋etanα＝σs＋De真应变：ef＝〔Sk－σs〕/D图1－41a＝〔Sk2－σs2〕/2DD为形变强化模数σs11/9/2023静力韧度a与Sk、σs、D三个量有关，是派生的力学性能指标。a与Sk、σs的关系比塑性和它们更密切，故在改变材料的组织状态或改变外界因素〔如温度或应力状态等〕时，韧度的变化比塑性变化更急剧。静力韧度是静力作用下并以σs为计算依据的机件其材料对于偶然过载的防范能力的反映,是偶然过载机件的重要平安力学性能指标。11/9/2023第五节金属的断裂——固体材料在力的作用下分成假设干局部的现象机件的三大失效形式：磨损、腐蚀、断裂。其中以断裂的危害最大。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平安。力学宏观微观正断切断韧断脆断剪切解理扩展穿晶沿晶一、断裂的类型及断口特征11/9/2023韧性断口解理型断口沿晶断裂穿晶断裂11/9/2023剪切断裂、解理断裂是指断裂的微观机制。穿晶断裂和沿晶断裂，是指裂纹扩展路线。正断和切断，是指引发断裂的缘因和断裂面的取向；正断是由正应力引起的，断裂面与最大主应力方向垂直；切断是由切应力引起的，断裂面在最大切应力作用面内，而与最大主应力方向呈450。11/9/2023〔一〕韧性断裂〔ductilefracture〕和脆性断裂(brittlefracture)

韧性断裂是材料断裂前及断裂过程中产生明显塑性变形的断裂过程〔断口呈灰色、纤维状〕

脆性断裂是材料断裂前根本上不产生明显的宏观塑性变形的断裂过程〔断口比较齐平光亮，呈放射状或结晶状〕淬火钢、铸铁等。脆性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〔脆性断口最危险〕。因此，应防止脆性脆断。11/9/2023

根据断口上宏观微观断口分析可以真实地了解材料断裂时裂纹萌生及扩展的起因、经历及方式，有助于对断裂的原因、条件及影响因素作出正确判断。宏观断裂形态不一定与微观断裂特征完全相符。

中低碳钢光滑圆柱试样断口呈杯锥状，由纤维区、放射区和剪切唇三局部组成。所谓拉伸断口三要素。纤维区F放射区R剪切唇S图1－42拉伸断口三个区域示意图11/9/2023纤维区F放射区R剪切唇S图1－42拉伸断口三个区域示意图纤维区：断口呈纤维状，灰暗色。纤维状是塑性变形中裂纹不断扩展和相互连接造成的。该区裂纹扩展速度很慢。纤维区垂直于拉伸应力方向；微观特征为韧窝。放射区：断口呈放射状，放射线平行于裂纹扩展方向，而垂直于裂纹前端的轮廓线，并逆指向裂纹源。是裂纹快速扩展时形成的区域。11/9/2023纤维区F放射区R剪切唇S图1－42拉伸断口三个区域示意图剪切唇：断口外表光滑，与拉伸轴线呈45°，是典型的切断型断裂。也是最后断裂阶段由缩颈形成的11/9/2023拉伸时产生颈缩，试样的应力状态由单项变为三向，中心轴向应力最大；在三向拉应力作用下，塑性变形难于进行致使试样中心部位的夹杂物或第二相质点本身破碎，或使夹杂物与基体脱离形成微孔；11/9/2023微孔不断聚合长大形成显微裂纹；显微裂纹集中于极窄的变形带内，从宏观上看大致与径向成50º～60º角，新的微孔就在变形带内成核，当与其裂纹连接时，裂纹便向前扩展了一段距离；这样的过程重复进行，就形成了纤维区。11/9/2023回忆6应变硬化，〔Hollomon〕S＝Ken颈缩产生条件抗拉强度塑性韧性超塑性断裂、断口三要素11/9/20231.纤维区中裂纹扩展速率很慢，到达临界尺寸后就快速扩展形成放射区。2.放射区是裂纹作快速低能量撕裂形成的，有放射线把戏特征。放射线平行裂纹扩展方向。撕裂时塑性变形量越大，放射线越粗，极脆材料无放射线，温度降低或材料强度增加，放射线变细甚至消失。3.断裂的最后阶段形成杯锥状剪切唇，外表光滑，与拉伸轴呈45º角。11/9/2023图1-43放射状断口11/9/2023图1－44人字纹把戏示意图板状矩形拉伸试样其断口呈人字形把戏，如图1－44所示。人字纹把戏的放射方向也与裂纹平行。其尖端指向裂纹源。实际上多晶体金属断裂时也常有人字纹把戏，其原因是主裂纹扩展时前沿可能形成一些次生裂纹，这些裂纹呈低能量撕裂扩展与主裂纹连接便形成了人字纹通常脆断前也产生微量塑性变形，一般认为光滑拉伸试样

<5％为脆断。11/9/2023〔二〕穿晶断裂与沿晶断裂穿晶断裂的裂纹穿过晶内；沿晶断裂是裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。穿晶断裂可以是韧性断裂也可以是脆性断裂，而沿晶断裂那么大局部是脆性断裂。一般由晶界有脆性第二相、夹杂物引起。图1－4511/9/2023沿晶断裂的原因大致有：①晶界存在连续分布的脆性第二相，②微量有害杂质元素在晶界上偏聚，③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。11/9/2023裂纹扩展有哪些形式？受哪些因素支配？包括穿晶和沿晶。裂纹扩展决定于第二相质点的大小和密度、基体材料的塑性变形的能力和应变硬化指数，以及外加应力的大小和状态等。应通过细化组织、减少夹杂物数量、改变夹杂物形貌来消除。11/9/2023〔三〕纯剪切断裂、微孔聚集型断裂与解理断裂剪切断裂和解理断裂都是穿晶断裂。前者受剪切力作用是韧性断裂，后者受正应力作用，属脆性断裂。断裂性质完全不同。也就是说穿晶断裂既可能是韧性断裂也可能是脆性断裂。取决于材料的本性和力的作用方式。剪切断裂是金属材料在切应力的作用下，沿滑移面别离而造成的滑移面别离断裂，其中又分为滑断〔纯剪切断裂〕和微孔聚集型断裂。微孔聚集型断裂是通过微孔的形核、长大聚合而导致材料别离的。必须指出，微孔聚集断裂一定有韧窝存在，但在微观上出现韧窝，其宏观上不一定就是韧性断裂。11/9/2023解理面——一般是低指数晶面或外表能最低的晶面二、解理断裂〔一〕解理裂纹的形成与扩展解理断裂是材料在一定条件下〔如低温〕，当外加应力到达一定数值后，以极快的速度沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂。因与大理石断裂类似，故称为解理断裂。11/9/20231.甄纳－斯特罗〔Zener－Stroh〕〔位错塞积理论〕如图1－47所示，在滑移面上的切应力的作用下，刃型位错互相靠近，当切应力到达某一临界值时，塞积群顶端假设干个位错将挤在一起形成一个柏氏矢量为nb、长为r的楔形裂纹或孔洞形位错，该理论指出，如果塞积群顶端的应力集中不能为塑性变形所松弛，那么其最大拉应力f等于理论断裂强度σm，从而形成裂纹。图1－47位错塞积形成裂纹11/9/2023塞积群顶端的拉应力在与滑移面呈＝70.5°时到达最大：

－

i—滑移面上的有效切应力d—晶粒直径，位错源S到塞积群顶端O的距离可视为d/2r—位错塞积群顶端到裂纹形成点的距离理想晶体沿解理面的断裂强度为〔后文推导〕：s——外表能；a0——原子面间距；E——弹性模量11/9/2023形成裂纹的力学条件为：因E=2(1+

)G，r≈a0可得：11/9/2023图1－48晶粒大小对低碳钢屈服应力和断裂应力的影响晶粒大小对断裂应力的影响已经被许多试验结果所证实：细化晶粒，断裂应力提高，材料的脆性减小。图1-48为晶粒大小对低碳钢屈服应力和断裂应力的影响。对于有第二相质点的合金，d实际上代表质点间距，d越小，材料的断裂应力越高。11/9/2023解理裂纹的扩展以上所述主要涉及解理裂纹的形成，并不意味着由此形成的裂纹将迅速扩展而导致材料断裂。解理断裂过程包括以下三个阶段：塑性变形形成裂纹；裂纹在同一晶粒内初期长大；裂纹越过晶界向相邻晶粒扩展〔如图1－49所示〕图1－49解理裂纹扩展过程示意图裂纹开始形成裂纹初期长大越过晶界扩展11/9/2023G.Zener—A.N.Stroh理论存在的问题是：在那样大的位错塞积下，将产生很大切应力的集中，完全可以使相邻晶粒内的位错源开动，产生塑性变形而将应力松弛，使裂纹难以形成。按此模型的计算结果说明，裂纹扩展所要求的条件比形核条件低，而形核又主要取决于切应力，所以此理论与实际现象有出入。11/9/20232.A.H.Cottrell位错反响理论该理论是A.H.Cottrell为了解释晶内解理与bcc晶体〔如-Fe〕常从〔001〕面发生解理断裂而提出的。图1-50位错反响形成裂纹如图1-50所示，在

-Fe中，滑移面为(110)，滑移方向为[111]。有两个相交的滑移面(101)和(10ī)，与解理面(001)相交，三个面的交线为[001]。11/9/2023沿(101)面有一群柏氏矢量为的刃型位错，而沿(10ī)有一群柏氏矢量为的刃型位错，相遇后产生以下反响：＋新形成的位错线在(001)面上，其柏氏矢量为。因为(001)面不是α-Fe的固有滑移面，故为不动位错，结果两相交滑移面上的位错群就在该不动位错附近产生塞积，当塞积较多时其多余的半原子面就如同楔子一样插入解理面中间形成高度为nb的裂纹。11/9/2023裂纹底部边长即为切变位移nb，它是有效切应力－i作用的结果。假定滑移带穿过直径为d的晶粒，那么分布在滑移带上的弹性剪切位移为：11/9/2023A.H.Cottrell用能量分析法推导出解理裂纹扩展的临界条件为：σcnb=2s…………式中：c—外加正应力；n—塞积的位错数；b—柏氏矢量；即：为了产生解理断裂，裂纹扩展时外加正应力所作的功必须等于产生新增外表的外表能。11/9/2023滑移带上的切应力因出现塑性位移nb而被松弛，故弹性剪切位移应等于塑性位移：······················

将代入，可得：

c(

－

i)d=2G

s

················

外力

＝

s时裂纹已经形成：

＝

i＋kyd-1/2代入式，

c表示长度相当于直径d的裂纹扩展所需的应力，或裂纹的实际断裂强度，此式也就是屈服时产生解理断裂的判据，可见，晶粒直径d减小，

c提高。11/9/2023A.H.Cottrell提出的位错反响是降低能量的过程，因而裂纹成核是自动进行的。fcc金属虽有类似的位错反响，但不是降低能量的过程，故fcc金属不具有这样的裂纹形成机理。11/9/20233.史密斯〔Smith〕理论〔脆性第二相开裂理论〕

碳化物开裂临界有效切应力,γf铁素体外表能，d晶粒直径，γc碳化物外表能，E弹性模量，ν泊松比图1－5111/9/2023〔二〕解理断裂的微观断口特征一般只在bcc和hcp金属中产生解理断裂。这是因为只有当滑移带很窄时，塞积位错才能在其端部产生很大的应力集中而使裂纹成核、扩展。而fcc金属易产生多系滑移而使滑移带破碎，导致其尖端钝化，应力集中下降。1.解理断裂11/9/2023解理断口的宏观形貌是较为平坦的、发亮的结晶状断面。解理断裂是沿特定界面发生的脆性穿晶断裂，其微观特征应该是类似于平坦的镜面。但实际上，解理断口是由许多相当于晶粒大小的解理面集合而成的，这些解理面称为解理刻面—解理断裂是沿一族相互平行的晶面发生的，这组晶面就是解理刻面。进一步研究说明，这些解理刻面也并不是一个单一的平面，而是由一组平行的解理面所组成。解理断裂实际上是沿一族相互平行的晶面(解理面)解理而引起的。11/9/2023在解理刻面内部只从一个解理面发生解理破坏的情况是很少的，多数情况下裂纹要跨越假设干相互平行的而且位于不同高度的解理面，从而形成解理断口的根本微观特征——解理台阶〔假设干相互平行的而且位于不同高度的解理面〕。解理台阶是沿两个不同高度的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。其形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。11/9/2023如图1－52所示，一刃型位错AB运动时与一螺型位错CD相交，便产生一个柏氏矢量为b的割阶，AB继续运动与越来越多的螺型位错交割，便产生了为数众多的台阶。AB

CDABCD

b图1－52解理台阶的形成1.通过解理裂纹与螺位错相交形成11/9/2023河流把戏--解理台阶沿裂纹前端滑动而相互集合。同号台阶集合长大，异号台阶集合消毁。当集合台阶高度足够大时，便成为在电镜下可以观察到的河流把戏，如图1－53所示。图1－53河流把戏形成示意图船用钢板解理断口的河流花样11/9/2023河流把戏是判断是否为解理断裂的重要依据。“河流〞的方向与裂纹扩展方向一致，所以可以根据“河流〞的流向确定在微观范围内解理裂纹的扩展方向，并按“河流〞反方向去寻找断裂源。11/9/2023通过二次解理或撕裂方式形成解理台阶如图1－54所示。二次解理是在解理裂纹扩展的两个相互平行、面间距较小的解理面上产生的。如果面间距较大，超过一个原子间距时，两解理裂纹间的金属会产生较大的塑性变形，结果借塑性撕裂形成台阶——撕裂棱。图1－54二次解理和撕裂形成台阶a)沿二次解理面解理形成台阶

b)通过撕裂棱形成台阶(撕裂棱)2.通过二次解理或撕裂形成。11/9/2023解理断裂的另一个微观特征是舌状把戏；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或凹坑。图1－58解理舌形成示意图

挛晶面(112)挛晶方向[111]解理面(001)扩展方向[110]在某种条件下〔如低温或高速变形〕，当解理裂纹在基体中沿(001)面扩展时，遇到挛晶面就沿挛晶面扩展，越过挛晶后再沿(001)面继续扩展，同时，沿基体和挛晶界面产生局部断裂，从而形成解理舌。11/9/20232.准解理断裂〔淬火回火钢〕宏观上属脆性断裂准解理裂纹常源于晶内硬质点，形成从晶内某点发源的放射状河流把戏。准解理面不是晶体学解理面。准解理断裂多在马氏体回火钢中出现。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。图1－59准解理断口共同点—穿晶断裂；小解理刻面；解理台阶或撕裂棱；河流把戏不同点—准解理刻面不是晶体学解理面；解理裂纹源于晶界，准解理源于晶内质点，河流把戏从晶内呈放射状。11/9/2023微孔聚集型断裂属韧性断裂，包括微孔成核、长大、聚合、断裂，微观形貌特征是韧窝。微孔是通过第二相或夹杂物质点本身碎裂或与基体界面脱离而形成的。三、微孔聚集型断裂〔一〕微孔形核和长大11/9/2023材料中的异相〔第二相或夹杂物〕的力学性能如强度、塑性、弹性模量等均与基体不同。塑性变形时滑移沿基体滑移面进行，异相起阻碍作用，其结果是在异相前形成位错塞积群，从而在异相与滑移面的交界处形成应力集中。随着应变量的增加，塞积群中的位错个数也增多，应力集中加剧。当集中的应力到达异相本身的强度或异相与基体界面的结合强度时，会导致异相本身破裂或与基体界面别离，导致形成微孔。11/9/2023在拉伸力的作用下，塑性变形首先在微孔所在的截面内开展，由于形变强化使其承载力提高，进一步的变形便在该截面附近的材料内进行，结果该局部的材料被拉长，导致邻近的微孔相互连接，或者使位错不断进入微孔，这就是微孔的长大和裂纹形成过程，此过程不断进行下去，导致了材料断裂。11/9/2023当位错线运动遇到第二相质点时，往往按绕过机制在其周围形成位错环；这些位错环在外加应力作用下堆积在第二相质点处；应力集中到一定程度时质点与基体沿滑移面别离形成