第1章 材料在單向拉伸下的力學(xué)性能

1、1主講人主講人: : 張寧張寧2材料力學(xué)性能的定義材料力學(xué)性能的定義:v材料在外加載荷（外力）作用下，或載荷材料在外加載荷（外力）作用下，或載荷與環(huán)境因素（如溫度、介質(zhì)和加載速率）與環(huán)境因素（如溫度、介質(zhì)和加載速率）聯(lián)合作用下所表現(xiàn)的行為，又稱為力學(xué)行聯(lián)合作用下所表現(xiàn)的行為，又稱為力學(xué)行為。為。v宏觀上一般表現(xiàn)為材料的變形或斷裂。宏觀上一般表現(xiàn)為材料的變形或斷裂。第一章第一章 材料在單向拉伸下的力學(xué)性能材料在單向拉伸下的力學(xué)性能 3v機器零件（簡稱機件）的承載條件一般用各種機器零件（簡稱機件）的承載條件一般用各種力學(xué)參數(shù)（如應(yīng)力、斷裂韌度等），力學(xué)參數(shù)（如應(yīng)力、斷裂韌度等），v所以就將表征材料

2、的力學(xué)參數(shù)的所以就將表征材料的力學(xué)參數(shù)的臨界值臨界值或或規(guī)定規(guī)定值值稱為稱為材料的力學(xué)性能指標(biāo)或判據(jù)材料的力學(xué)性能指標(biāo)或判據(jù)。v材料力學(xué)性能指標(biāo)材料力學(xué)性能指標(biāo)具體數(shù)值的高低表示材料抵具體數(shù)值的高低表示材料抵抗變形和斷裂能力的大小抗變形和斷裂能力的大小，是評定材料質(zhì)量的，是評定材料質(zhì)量的主要依據(jù)。主要依據(jù)。第一章第一章 材料在單向拉伸下的力學(xué)性能材料在單向拉伸下的力學(xué)性能 4v 一、拉伸力一、拉伸力-伸長曲線和應(yīng)力伸長曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線v 二、彈性變形二、彈性變形v 三、塑性變形三、塑性變形v 四、金屬的斷裂四、金屬的斷裂第一章第一章 材料在單向拉伸下的力學(xué)性能材料在單向拉伸下的力學(xué)

3、性能 5v 1.1 1.1 金屬力學(xué)性能基本概念金屬力學(xué)性能基本概念v 1.2 1.2 單項靜拉伸試驗單項靜拉伸試驗v 1.3 1.3 拉伸力拉伸力- -伸長曲線伸長曲線v 1.4 1.4 應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線v 1.5 1.5 拉伸力學(xué)性能指標(biāo)拉伸力學(xué)性能指標(biāo)第一節(jié)第一節(jié) 拉伸力拉伸力-伸長曲線和應(yīng)力伸長曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線6力作用于材料力作用于材料彈性變形彈性變形彈彈 塑塑 性性 變變 形形斷斷 裂裂1.1 金屬力學(xué)性能基本概念金屬力學(xué)性能基本概念7力學(xué)性能強度成形性剛度韌性耐久性拉伸屈服壓縮彎曲剪切蠕變延伸率斷面收縮率彎曲曲率模量彎曲模量沖擊強度缺口敏感性磨損阻力疲勞強

4、度金屬的服役性能與力學(xué)性能相關(guān)拉伸測試沖擊試驗硬度試驗1.1 金屬力學(xué)性能基本概念金屬力學(xué)性能基本概念81.1 金屬力學(xué)性能基本概念金屬力學(xué)性能基本概念：應(yīng)力及應(yīng)力類型力 變形方式 應(yīng)力類型單向應(yīng)力剪切應(yīng)力扭轉(zhuǎn)力矩彎曲力矩拉伸伸長 壓縮壓縮剪切剪切扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)彎曲彎曲v 工程構(gòu)件可能受到的應(yīng)力類型有：拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲 等9v單向靜拉伸試驗特點單向靜拉伸試驗特點v應(yīng)力狀態(tài)：單向拉應(yīng)力，應(yīng)力狀態(tài)簡單，最基本的、應(yīng)用最廣泛的力學(xué)性能。v拉伸試驗反映的信息：彈性變形、塑性變形和斷裂（三種基本力學(xué)行為），能綜合評定力學(xué)性能。v通過拉伸試驗可測材料的彈性、強度、延伸率、加工硬化和韌性等重要的力學(xué)性

5、能指標(biāo)，它是材料的基本力學(xué)性能。1.2 單單向向靜拉伸試驗靜拉伸試驗10v拉伸性能的作用、用途拉伸性能的作用、用途 a.在工程應(yīng)用中，拉伸性能是結(jié)構(gòu)靜強度設(shè)計的主要依據(jù)之一。 b.提供預(yù)測材料的其它力學(xué)性能的參量，如抗疲勞、斷裂性能。 c.研究新材料，或合理使用現(xiàn)有材料和改善其力學(xué)性能時，都要測定材料的拉伸性能。 注意：拉伸試驗的應(yīng)力狀態(tài)、加載速率、溫度、試樣等都有嚴格規(guī)定（方法：GB/T228-2002；試樣：GB/T6397-1986）。1.2 單單向向靜拉伸試驗靜拉伸試驗111.2 單單向向靜拉伸試驗靜拉伸試驗121.2 單單向向靜拉伸試驗靜拉伸試驗13可移動橫梁試樣載荷與位移讀數(shù)載荷和

6、運動控制v試驗條件和樣品要符合標(biāo)準(zhǔn)v工程應(yīng)力：engstress = P/A0A0 原始截面積v真應(yīng)力：truestress = P/AA = 實時截面積1.2 單單向向靜拉伸試驗靜拉伸試驗1.2 單單向向靜拉伸試驗靜拉伸試驗美特斯工業(yè)系統(tǒng)美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國中國)有限公司有限公司CMT5105 系列微機控制電子萬能試驗機系列微機控制電子萬能試驗機試驗機的結(jié)構(gòu)及零部件（外部）試驗機的結(jié)構(gòu)及零部件（外部）15ABFA工程應(yīng)力工程應(yīng)力載荷除以試件的原始截面積即得工程應(yīng)力s s = F/A0式中F為載荷， A0為原始截面積。(單位: N/m2 or Pascal (Pa)1.2 單向靜拉伸試驗：應(yīng)力

7、單向靜拉伸試驗：應(yīng)力16v工程應(yīng)變工程應(yīng)變伸長量除以原始標(biāo)距長度即得工程應(yīng)變e，應(yīng)變用來描述塑性變形和彈性變形程度v單位長度上的變化量： e = DL / L0 式中DL 為試樣伸長量，DL=L - L0， L0為試樣原始標(biāo)長，L為與F相對應(yīng)的標(biāo)長部分的長度。無單位 (m/m，mm/mm)1.2 單向靜拉伸試驗：應(yīng)變單向靜拉伸試驗：應(yīng)變171.3 拉伸力拉伸力-伸長曲線伸長曲線181.3 拉伸力拉伸力-伸長曲線伸長曲線191.3 拉伸力拉伸力-伸長曲線伸長曲線20彈性變形階段21屈服點22屈服發(fā)生后的卸載23均勻塑性變形階段24頸縮階段25v材料分類：材料分類： 按材料在拉伸斷裂前是否發(fā)生塑性

8、變形，將材料分為脆性材料和塑性材料兩大類。（1 1）脆性材料：）脆性材料：在拉伸斷裂前不產(chǎn)生塑性變形, 只發(fā)生彈性變形；（2 2）塑性材料：）塑性材料：在拉伸斷裂前會發(fā)生不可逆塑性變形。 高塑性材料：高塑性材料：在拉伸斷裂前不僅產(chǎn)生均勻的伸長，而且發(fā)生頸縮現(xiàn)象，且塑性變形量大。 低塑性材料：低塑性材料：在拉伸斷裂前只發(fā)生均勻伸長，不發(fā)生頸縮，且塑性變形量較小。 1.3 拉伸力拉伸力-伸長曲線：伸長曲線：26v 原子間的距離發(fā)生伸長和縮短，但原子間的結(jié)合鍵并沒有發(fā)生破壞v 卸載后變形迅速恢復(fù)1.3 拉伸力拉伸力-伸長曲線：伸長曲線：彈性變形彈性變形27v 相鄰原子改變，改變后又會迅速產(chǎn)生新的平衡

9、v 卸載后產(chǎn)生不可恢復(fù)的永久變形1.3 拉伸力拉伸力-伸長曲線：伸長曲線：塑性變形塑性變形28塑性變形一定導(dǎo)致斷裂嗎？塑性變形一定導(dǎo)致斷裂嗎？v一些材料可以承受一定的塑性變形而不破壞。wire29基本設(shè)計準(zhǔn)則基本設(shè)計準(zhǔn)則 施加的應(yīng)力必須小于材料的強度 強度就是材料變形和斷裂的臨界應(yīng)力301.4 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線31v 脆性材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線：脆性材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線：v 典型材料：玻璃、多種陶瓷、巖石，低溫下的金屬材料、淬火狀態(tài)的高碳鋼和普通灰鑄鐵等。v 曲線特征：在拉伸斷裂前，只發(fā)生彈性變形，不發(fā)生塑性變形，在最高載荷點處斷裂。v 斷口特征：平斷口，斷口平面與拉力軸線垂直。1.4 應(yīng)

10、力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線32v 塑性材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線：塑性材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線：1.4 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線33v（1）最常見的金屬材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線 Oa為彈性變形階段，ab為形變強化階段，bk為縮頸階段，在k點發(fā)生斷裂，如圖1.7(a) 。 典型材料有調(diào)質(zhì)鋼、黃銅和鋁合金。1.4 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線34v（2）具有明顯屈服點的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 曲線有明顯的屈服點aa，屈服點呈屈服平臺或呈齒狀，相應(yīng)的應(yīng)變量在1%3%范圍，圖1.7 (b) 。 典型材料：退火低碳鋼和某些有色金屬。1.4 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線35v（3）不出現(xiàn)頸縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 只有彈性變形oa和均勻塑性變

11、形ak階段，圖1.7 (c) 。 典型材料：鋁青銅和高錳鋼。1.4 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線36v（4）不穩(wěn)定型材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 在形變強化過程中出現(xiàn)多次局部失穩(wěn)，原因是孿生變形機制的參與，當(dāng)孿生應(yīng)變速率超過試驗機夾頭運動速度時，導(dǎo)致局部應(yīng)力松弛，從而出現(xiàn)齒形特征，如圖1.7 (d) 。 典型材料：低溶質(zhì)固溶體鋁合金和含雜質(zhì)鐵合金。1.4 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線37v孿生變形孿生變形 除位錯的滑移外，晶體的變形還可以借孿生（晶）來實現(xiàn)。孿生變形是晶體特定晶面（孿晶面）的原子沿一定方向（孿生方向）協(xié)同位移（稱為切變）的結(jié)果，但是不同的層原子移動的距離也不同。 圖中帶淺咖啡色的部分為原子

12、移動后形成的孿晶孿晶。可以看出，孿晶與未變形的基體間以孿晶面為對稱面成孿晶與未變形的基體間以孿晶面為對稱面成鏡面對稱關(guān)系鏡面對稱關(guān)系。1.4 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線38v 真應(yīng)力真應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線1.4 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線391.4 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線v 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線不能真實反映變形過程中的應(yīng)力和應(yīng)變的變化 40真實應(yīng)變與工程應(yīng)變區(qū)別：真實應(yīng)變與工程應(yīng)變區(qū)別：v1、工程應(yīng)變往往不能真實反映或度量應(yīng)變。v2、真實應(yīng)變可以疊加，可以不計中間的加載歷史，只需要知道試樣的初始長度和最終長度。v3、工程應(yīng)變總大于真應(yīng)變，工程應(yīng)變?yōu)?.1左右時，兩者相差不多，隨著應(yīng)變量

13、的增加，兩者的相差越來越大。在彈-塑性變形階段，只有真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線才能描述材料的力學(xué)形為。1.4 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線41v大多數(shù)的工程材料都可以看作彈性體，因此彈性模量具有普遍性v彈性系數(shù)和彈性模量的區(qū)別1.5 拉伸力學(xué)性能指標(biāo)（拉伸力學(xué)性能指標(biāo)（1）彈性模量彈性模量E F= kx42彈性模量E: 單純彈性變形過程中應(yīng)力與應(yīng)變的比值，表示材料對彈性變形的抗力。stanEeE（1）彈性模量彈性模量E 43材料的彈性模量具有組織不敏感性！（1）彈性模量彈性模量E 44懸臂梁撓度與彈性模量聚苯乙烯鋁鋼45v 對于拉伸曲線上有明顯的屈服平臺的材料，塑性變形硬化不連續(xù)，屈服平臺所對應(yīng)的應(yīng)力即

14、為屈服強度，記為ssss = Ps / A0 對于拉伸曲線上沒有屈服平臺的材料，塑性變形硬化過程是連續(xù)的，此時將屈服強度定義為產(chǎn)生0.2% 殘余伸長時的應(yīng)力，記為0.2 ss = 0.2 = P0.2 / A0（2）屈服強度）屈服強度46（2）屈服強度）屈服強度47v小塑性變形抗力指標(biāo)（2）屈服強度）屈服強度48 抗拉強度sb：v 定義為試件斷裂前所能承受的最大工程應(yīng)力，以前稱為強度極限。取拉伸圖上的最大載荷，即對應(yīng)于b點的載荷除以試件的原始截面積，即得抗拉強度之值，記為bb = PmaxA0 （3）抗拉強度）抗拉強度49 拉伸斷裂時的真應(yīng)力稱為真實斷裂強度，記為f 。試驗時測出斷裂點的截荷P

15、f，試件的最小截面積Af，則斷裂時的平均真應(yīng)力，即平均斷裂強度值，f表示如下f = Pf / Af v大塑性變形抗拉指標(biāo)（4）真實斷裂強度）真實斷裂強度50v斷裂前不發(fā)生明顯塑性變形脆性 玻璃、陶瓷、硬塑料 高強度鋼v斷裂前發(fā)生明顯塑性變形韌性 低強度鋼、銅、鋁、鉛脆性與韌性脆性與韌性51Brittle fractureDuctile fracture“脆性斷裂”所需的能量：分開原子新表面的表面能“韌性斷裂”所需的能量：分開原子新表面的表面能+塑性變形消耗的能量（遠大于前兩者之和）脆性斷裂韌性斷裂52應(yīng)變應(yīng)變應(yīng)力應(yīng)力塑性材料脆性材料玻璃、陶瓷下面兩種材料強度相近，誰的韌性大？脆性與韌性脆性與韌

16、性53v 2.1 2.1 彈性變形及其實質(zhì)彈性變形及其實質(zhì)v 2.2 2.2 胡克定律胡克定律v 2.3 2.3 彈性模量彈性模量v 2.4 2.4 彈性比功彈性比功v 2.5 2.5 滯彈性滯彈性v 2.6 2.6 包申格（包申格（BauschingerBauschinger）效應(yīng)）效應(yīng)第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形彈性變形54v 金屬彈性變形是一種可逆變形（卸載后可金屬彈性變形是一種可逆變形（卸載后可以恢復(fù)變形前形狀的變形）；以恢復(fù)變形前形狀的變形）；v 彈性變形微觀解釋：變形的實質(zhì)彈性變形微觀解釋：變形的實質(zhì)雙原雙原子模型子模型2.1 彈性變形及其實質(zhì)彈性變形及其實質(zhì)55v圖圖1-4中，在沒有外

17、加載荷作用時，金屬中的原中，在沒有外加載荷作用時，金屬中的原子子N1、N2在其平衡位置附近產(chǎn)生振動。相鄰兩在其平衡位置附近產(chǎn)生振動。相鄰兩個原于之間的作用力個原于之間的作用力(曲線曲線3)由引力由引力(曲線曲線1)與斥與斥力力(曲線曲線2)疊加而成。引力與斥力都是原子間距疊加而成。引力與斥力都是原子間距的函數(shù)。當(dāng)兩原子因受力而接近時，斥力開始的函數(shù)。當(dāng)兩原子因受力而接近時，斥力開始緩慢增加，而后迅速增加；而引力則隨原子間緩慢增加，而后迅速增加；而引力則隨原子間距減小增加緩慢。合力曲線距減小增加緩慢。合力曲線3在原子平衡位置處在原子平衡位置處為零。為零。2.1 彈性變形及其實質(zhì)彈性變形及其實質(zhì)5

18、6v當(dāng)原子間相互平衡力因受外力作用而受到破壞當(dāng)原子間相互平衡力因受外力作用而受到破壞時，原子的位置必須作相應(yīng)調(diào)整，即產(chǎn)生位移，時，原子的位置必須作相應(yīng)調(diào)整，即產(chǎn)生位移，以期外力、引力和斥力三者達到新的平衡。原以期外力、引力和斥力三者達到新的平衡。原子的位移總和在宏觀上就表現(xiàn)為變形。外力去子的位移總和在宏觀上就表現(xiàn)為變形。外力去除后，原子依靠彼此之間的作用力又回到原來除后，原子依靠彼此之間的作用力又回到原來的平衡位置，位移消失，宏觀上變形也就消失。的平衡位置，位移消失，宏觀上變形也就消失。這就是彈性變形的這就是彈性變形的可逆性可逆性。v金屬彈性變形量比較小，一般不超過金屬彈性變形量比較小，一般不

19、超過0.51。這是因為原子彈性位移量只相當(dāng)于原子間距的這是因為原子彈性位移量只相當(dāng)于原子間距的幾分之一，所以彈性變形量小于幾分之一，所以彈性變形量小于1。2.1 彈性變形及其實質(zhì)彈性變形及其實質(zhì)57v單向拉伸單向拉伸v = E E：彈性模量：彈性模量v剪切和扭轉(zhuǎn)剪切和扭轉(zhuǎn)v = G ：切應(yīng)力：切應(yīng)力G：切變模量：切變模量：切應(yīng)變：切應(yīng)變2.2 胡克定律胡克定律58v定義：當(dāng)應(yīng)變?yōu)橐粋€單位時，彈性模量即為彈定義：當(dāng)應(yīng)變?yōu)橐粋€單位時，彈性模量即為彈性應(yīng)力，即產(chǎn)生性應(yīng)力，即產(chǎn)生100%彈性變形時所需要的應(yīng)彈性變形時所需要的應(yīng)力。力。v這個定義對金屬來講是沒有任何意義的，這是這個定義對金屬來講是沒有任

20、何意義的，這是因為金屬材料所能產(chǎn)生的彈性變形量是很小的因為金屬材料所能產(chǎn)生的彈性變形量是很小的。2.3 彈性模量彈性模量59v工程上彈性模量被稱為材料的工程上彈性模量被稱為材料的剛度剛度，表征金屬表征金屬材料對彈性變形的抗力材料對彈性變形的抗力，其值越大，則在相同，其值越大，則在相同應(yīng)力下產(chǎn)生的彈性變形就越小。應(yīng)力下產(chǎn)生的彈性變形就越小。v機器零件或構(gòu)件的剛度與材料剛度不同機器零件或構(gòu)件的剛度與材料剛度不同，前者，前者除與材料剛度有關(guān)外，尚與其截面形狀和尺寸除與材料剛度有關(guān)外，尚與其截面形狀和尺寸以及載荷作用的方式有關(guān)。剛度是金屬材料重以及載荷作用的方式有關(guān)。剛度是金屬材料重要的力學(xué)性能指標(biāo)之

21、一。一些機件或構(gòu)件在選要的力學(xué)性能指標(biāo)之一。一些機件或構(gòu)件在選材或設(shè)計時常要用到它。材或設(shè)計時常要用到它。v合金化、熱處理合金化、熱處理(顯微組織顯微組織)、冷塑性變形對彈、冷塑性變形對彈性模量的影響較小，所以，性模量的影響較小，所以，金屬材料的彈性模金屬材料的彈性模量是一個對組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。量是一個對組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。溫度溫度、加載速率等外在因素對其影響也不大。、加載速率等外在因素對其影響也不大。2.3 彈性模量彈性模量60v彈性比功彈性比功又稱彈性比能、應(yīng)變比能，又稱彈性比能、應(yīng)變比能，表示金屬表示金屬材料吸收彈性變形功的能力材料吸收彈性變形功的能力。一般用金屬開始一般用

22、金屬開始塑性變形前單位體積吸收的最大彈性變形功表塑性變形前單位體積吸收的最大彈性變形功表示示。金屬拉伸時的彈性比功用圖。金屬拉伸時的彈性比功用圖1-2應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)力應(yīng)變曲線上彈性變形階段下的面積表示，即曲線上彈性變形階段下的面積表示，即vae為彈性比功，為彈性比功，e為彈性極限（是材料由彈性為彈性極限（是材料由彈性變形過渡到彈變形過渡到彈-塑性變形時的應(yīng)力），塑性變形時的應(yīng)力），e為最大為最大彈性應(yīng)變。彈性應(yīng)變。2.4 彈性比功彈性比功61v彈性極限表示材料對微量塑性變形的抗力，是彈性極限表示材料對微量塑性變形的抗力，是對組織敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。對組織敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。v金屬材料的彈性比功決定

23、于其彈性模量和彈性金屬材料的彈性比功決定于其彈性模量和彈性極限。由于彈件模量是組織不敏感性能，因此極限。由于彈件模量是組織不敏感性能，因此，對于一般金屬材料，只有用提高彈性極限的對于一般金屬材料，只有用提高彈性極限的方法才能提高彈性比功。方法才能提高彈性比功。2.4 彈性比功彈性比功62v完整的彈性應(yīng)該是加載時立即變形，卸載時立完整的彈性應(yīng)該是加載時立即變形，卸載時立即恢復(fù)原狀，應(yīng)力即恢復(fù)原狀，應(yīng)力應(yīng)變曲線上加載線與卸載應(yīng)變曲線上加載線與卸載線完全重合，即應(yīng)力與應(yīng)變同相，變形值大小線完全重合，即應(yīng)力與應(yīng)變同相，變形值大小與時間無關(guān)，即變形的性質(zhì)的確是完全彈性的與時間無關(guān)，即變形的性質(zhì)的確是完全

24、彈性的。但實際上，如上所述，。但實際上，如上所述，彈性變形時加載線與彈性變形時加載線與卸載線并不重合，應(yīng)變落后于應(yīng)力卸載線并不重合，應(yīng)變落后于應(yīng)力，存在著彈，存在著彈性后效、彈性滯后、包申格效應(yīng)等。性后效、彈性滯后、包申格效應(yīng)等。這些現(xiàn)象這些現(xiàn)象屬于彈性變形中的非彈性問題，稱為屬于彈性變形中的非彈性問題，稱為彈性的不彈性的不完整性完整性。2.5 滯彈性滯彈性63v把一定大小的應(yīng)力驟然加到多把一定大小的應(yīng)力驟然加到多晶體試樣上，試樣立即產(chǎn)生的晶體試樣上，試樣立即產(chǎn)生的彈性應(yīng)變僅是該應(yīng)力所應(yīng)該引彈性應(yīng)變僅是該應(yīng)力所應(yīng)該引起的總應(yīng)變起的總應(yīng)變(OH)中的一部分中的一部分(Oa)，其余部分的應(yīng)變，其余

25、部分的應(yīng)變(aH)是是在保持該應(yīng)力大小不變的條件在保持該應(yīng)力大小不變的條件下逐漸產(chǎn)生的，此現(xiàn)象稱為下逐漸產(chǎn)生的，此現(xiàn)象稱為正正彈性后效彈性后效。v當(dāng)外力驟然去除后，彈性應(yīng)變當(dāng)外力驟然去除后，彈性應(yīng)變消失，但也不是全部應(yīng)變同時消失，但也不是全部應(yīng)變同時消失，而只先消失一部分消失，而只先消失一部分 (eH)，其余部分，其余部分(Oe)也是逐漸消失也是逐漸消失的，此現(xiàn)象稱為的，此現(xiàn)象稱為反彈性后效反彈性后效。v工程上通常所說的彈性后效就工程上通常所說的彈性后效就是指的這種反彈性后效。是指的這種反彈性后效。2.5 滯彈性滯彈性64v總之，這種在應(yīng)力作用下應(yīng)變不斷隨時間而發(fā)展總之，這種在應(yīng)力作用下應(yīng)變不

26、斷隨時間而發(fā)展的行為，以及應(yīng)力去除后應(yīng)變逐漸恢復(fù)的現(xiàn)象都的行為，以及應(yīng)力去除后應(yīng)變逐漸恢復(fù)的現(xiàn)象都可統(tǒng)稱為可統(tǒng)稱為彈性后效彈性后效。v在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨著時間延長在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨著時間延長產(chǎn)生的附加彈性應(yīng)變的現(xiàn)象，稱為產(chǎn)生的附加彈性應(yīng)變的現(xiàn)象，稱為滯彈性滯彈性。2.5 滯彈性滯彈性65金屬的循環(huán)韌性金屬的循環(huán)韌性v定義：定義：v金屬材料在交變載荷（或振動）下吸收不可逆金屬材料在交變載荷（或振動）下吸收不可逆變形功的能力，也稱為金屬的變形功的能力，也稱為金屬的內(nèi)耗內(nèi)耗或或消振性消振性。n意義：意義：n循環(huán)韌性越高，機件依靠自身的消振能力越循環(huán)韌性越高，機件依靠自身的

27、消振能力越好，所以高循環(huán)韌性對于降低機器的噪聲，好，所以高循環(huán)韌性對于降低機器的噪聲，抑制高速機械的振動，防止共振導(dǎo)致疲勞斷抑制高速機械的振動，防止共振導(dǎo)致疲勞斷裂意義重大。裂意義重大。2.5 滯彈性滯彈性66v下圖所示為退火態(tài)軋制黃銅在不同加載條件下下圖所示為退火態(tài)軋制黃銅在不同加載條件下彈性極限變化的情況。曲線彈性極限變化的情況。曲線1為初始拉伸，為初始拉伸，e=240MPa；曲線；曲線2為初始壓縮，為初始壓縮， e=176MPa；如果將初始壓縮后的試樣卸載，再進行第二；如果將初始壓縮后的試樣卸載，再進行第二次壓縮，則次壓縮，則e=287MPa（曲線（曲線3）；如果將初）；如果將初始壓縮后

28、的試樣卸載，再進行第二次拉伸，則始壓縮后的試樣卸載，再進行第二次拉伸，則e=85MPa（曲線（曲線4）。）。2.6 包申格（包申格（BauschingerBauschinger）效應(yīng)）效應(yīng)67v金屬材料經(jīng)過頂先加載產(chǎn)生少量塑性變形金屬材料經(jīng)過頂先加載產(chǎn)生少量塑性變形(殘殘余應(yīng)變約為余應(yīng)變約為1 4)。卸載后再同向加載，。卸載后再同向加載，規(guī)定殘余伸長應(yīng)力規(guī)定殘余伸長應(yīng)力(彈性極限或屈服強度，下彈性極限或屈服強度，下同同)增加；反向加載，規(guī)定殘余伸長應(yīng)力降低增加；反向加載，規(guī)定殘余伸長應(yīng)力降低（特別是彈件極限在反向加載時幾乎降低到零（特別是彈件極限在反向加載時幾乎降低到零）的現(xiàn)象，稱為）的現(xiàn)象，

29、稱為包申格效應(yīng)包申格效應(yīng)。v幾乎所有的退火或高溫回火態(tài)金屬或合金都有幾乎所有的退火或高溫回火態(tài)金屬或合金都有該效應(yīng)。該效應(yīng)。2.6 包申格（包申格（BauschingerBauschinger）效應(yīng)）效應(yīng)68vT10鋼淬火鋼淬火350回火試樣，拉伸時屈服強度回火試樣，拉伸時屈服強度為為1130MPa，但如事先經(jīng)過預(yù)壓縮變形再拉伸，但如事先經(jīng)過預(yù)壓縮變形再拉伸時，其屈服強度就降至?xí)r，其屈服強度就降至880MPa。2.6 包申格（包申格（BauschingerBauschinger）效應(yīng)）效應(yīng)69v工程上有些材料要通過成型工藝制造構(gòu)件，要工程上有些材料要通過成型工藝制造構(gòu)件，要考慮包申格效應(yīng)，加大

30、型輸油氣管線工藝制造考慮包申格效應(yīng)，加大型輸油氣管線工藝制造的管子，希望所用材料具有非常小的或幾乎沒的管子，希望所用材料具有非常小的或幾乎沒有包申格效應(yīng)。以免管子成型后強度損失。在有包申格效應(yīng)。以免管子成型后強度損失。在有些情況下，人們也可以利用包申格效應(yīng)，如有些情況下，人們也可以利用包申格效應(yīng)，如薄板反向彎曲成形、拉拔的鋼棒經(jīng)過軋輥壓制薄板反向彎曲成形、拉拔的鋼棒經(jīng)過軋輥壓制較直等。較直等。2.6 包申格（包申格（BauschingerBauschinger）效應(yīng)）效應(yīng)70v消除包申格效應(yīng)的方法：消除包申格效應(yīng)的方法：v（1）預(yù)先進行較大的塑性變形；預(yù)先進行較大的塑性變形；v（2）在第二次反

31、向受力前先使金屬材料于回）在第二次反向受力前先使金屬材料于回復(fù)或再結(jié)晶溫度下退火，如鋼在復(fù)或再結(jié)晶溫度下退火，如鋼在400500，銅合金在銅合金在250270退火。退火。2.6 包申格（包申格（BauschingerBauschinger）效應(yīng)）效應(yīng)71v 3.1 3.1 塑性變形方式及特點塑性變形方式及特點v 3.2 3.2 屈服現(xiàn)象和屈服點（屈服強度）屈服現(xiàn)象和屈服點（屈服強度）v 3.3 3.3 影響屈服強度的因素影響屈服強度的因素v 3.4 3.4 應(yīng)變硬化（形變強化）應(yīng)變硬化（形變強化）v 3.5 3.5 縮頸現(xiàn)象縮頸現(xiàn)象v 3.6 3.6 塑性塑性第三節(jié)第三節(jié) 塑性變形塑性變形72

32、v金屬材料常見的變形方式：金屬材料常見的變形方式：v（1）滑移）滑移 滑移是金屬材料在切應(yīng)力作用下沿滑移面和滑移是金屬材料在切應(yīng)力作用下沿滑移面和滑移方向進行的切變過程。通常，滑移面是原滑移方向進行的切變過程。通常，滑移面是原子最密排的晶面，而滑移方向是原子最密排的子最密排的晶面，而滑移方向是原子最密排的方向。滑移面和滑移方向的組合稱為滑移系。方向?；泼婧突品较虻慕M合稱為滑移系。v（2）孿生）孿生 孿生也是金屬材料在切應(yīng)力作用下的一種塑孿生也是金屬材料在切應(yīng)力作用下的一種塑性變形方式。孿生變形可以調(diào)整滑移面的方向性變形方式。孿生變形可以調(diào)整滑移面的方向，使新的滑移系開動，間接對塑性變形有貢

33、獻，使新的滑移系開動，間接對塑性變形有貢獻。3.1 塑性變形方式及特點塑性變形方式及特點733.1 塑性變形方式及特點塑性變形方式及特點v多晶體金屬中，每一晶?；谱冃蔚囊?guī)多晶體金屬中，每一晶粒滑移變形的規(guī)律與單晶體金屬相同。但由于多晶體金律與單晶體金屬相同。但由于多晶體金屬存在著晶界，各晶粒的取向也不相同屬存在著晶界，各晶粒的取向也不相同，因而其塑性變形有如下特點：，因而其塑性變形有如下特點：v（1）各晶粒變形的不同時性和不均勻性）各晶粒變形的不同時性和不均勻性v（2）各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性）各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性743.2 屈服現(xiàn)象和屈服點（屈服強度）屈服現(xiàn)象和屈服點（屈服強度）v屈服現(xiàn)象

34、屈服現(xiàn)象是材料產(chǎn)生宏觀塑性變形的一種是材料產(chǎn)生宏觀塑性變形的一種標(biāo)志標(biāo)志。v金屬材料從彈性變形階段向塑性變形階段的過金屬材料從彈性變形階段向塑性變形階段的過渡明顯，表明外力保持恒定時試樣仍繼續(xù)伸長渡明顯，表明外力保持恒定時試樣仍繼續(xù)伸長，或者外力增加到一定數(shù)值時突然下降，然后，或者外力增加到一定數(shù)值時突然下降，然后外力幾乎不變時，試樣仍繼續(xù)伸長變形，這就外力幾乎不變時，試樣仍繼續(xù)伸長變形，這就是是屈服現(xiàn)象屈服現(xiàn)象。v呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象的金屬材料在拉伸時，試樣在外呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象的金屬材料在拉伸時，試樣在外力保持恒定仍能繼續(xù)伸長的應(yīng)力稱為力保持恒定仍能繼續(xù)伸長的應(yīng)力稱為屈服點屈服點，記為記為s，又稱，又稱

35、屈服強度屈服強度。753.3 影響屈服強度的因素影響屈服強度的因素v（一）內(nèi)在因素（一）內(nèi)在因素v1. 金屬本身及晶格類型金屬本身及晶格類型v一般多相合金的塑性變形主要沿基體相進行，一般多相合金的塑性變形主要沿基體相進行，這表明位錯主要分布在基體相中。如果不計合這表明位錯主要分布在基體相中。如果不計合金成分的影響，那么一個基體相就相當(dāng)于純金金成分的影響，那么一個基體相就相當(dāng)于純金屬單晶體。屬單晶體。純金屬單晶體的屈服強度從理論上純金屬單晶體的屈服強度從理論上來說是使位錯開始運動的臨界切應(yīng)力，其值由來說是使位錯開始運動的臨界切應(yīng)力，其值由位錯運動所受的各種阻力決定。位錯運動所受的各種阻力決定。這

36、些阻力有晶這些阻力有晶格阻力、位錯間交互作用產(chǎn)生的阻力等。不同格阻力、位錯間交互作用產(chǎn)生的阻力等。不同的金屬及晶格類型，位錯運動所受的各種阻力的金屬及晶格類型，位錯運動所受的各種阻力并不相同。并不相同。763.3 影響屈服強度的因素影響屈服強度的因素v2. 晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)v晶粒大小的影響是晶界影響的反映，因為晶界晶粒大小的影響是晶界影響的反映，因為晶界是位錯運動的障礙，在一個晶粒內(nèi)部，必須塞是位錯運動的障礙，在一個晶粒內(nèi)部，必須塞積足夠數(shù)量的位錯才能提供必要的應(yīng)力，使相積足夠數(shù)量的位錯才能提供必要的應(yīng)力，使相鄰晶粒中的位錯源開動并產(chǎn)生宏觀可見的塑性鄰晶粒中的位錯源開動并產(chǎn)生宏

37、觀可見的塑性變形。因而，變形。因而，減小晶粒尺寸將增加位錯運動障減小晶粒尺寸將增加位錯運動障礙的數(shù)目，減小晶粒內(nèi)位錯塞積群的長度，使礙的數(shù)目，減小晶粒內(nèi)位錯塞積群的長度，使屈服強度提高屈服強度提高（細晶強化細晶強化）。）。773.3 影響屈服強度的因素影響屈服強度的因素v2. 晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)v亞結(jié)構(gòu)亞結(jié)構(gòu)：在實際金屬晶體中，一個晶粒內(nèi)部其：在實際金屬晶體中，一個晶粒內(nèi)部其晶格位向并不像理想晶體那樣完全一致，而是晶格位向并不像理想晶體那樣完全一致，而是存在許多尺寸更小、位向差也很?。ㄒ话銥閹状嬖谠S多尺寸更小、位向差也很小（一般為幾十分到十分到1-2度）的小晶塊，它們相互鑲嵌成一

38、度）的小晶塊，它們相互鑲嵌成一顆晶粒，顆晶粒，這些小晶塊稱為亞結(jié)構(gòu)，或稱亞晶粒這些小晶塊稱為亞結(jié)構(gòu)，或稱亞晶粒、鑲嵌塊、鑲嵌塊。v亞晶界的作用與晶界類似，也阻礙位錯運動。亞晶界的作用與晶界類似，也阻礙位錯運動。783.3 影響屈服強度的因素影響屈服強度的因素v3. 溶質(zhì)元素溶質(zhì)元素v在純金屬中加入溶質(zhì)原子（間隙型或置換型）在純金屬中加入溶質(zhì)原子（間隙型或置換型）形成固溶合金（或多相合金中的基體相），將形成固溶合金（或多相合金中的基體相），將顯著提高屈服強度，稱為顯著提高屈服強度，稱為固溶強化固溶強化。v通常，間隙固溶體的強化效果大于置換固溶體通常，間隙固溶體的強化效果大于置換固溶體。793.3

39、 影響屈服強度的因素影響屈服強度的因素v4. 第二相第二相v 第二相質(zhì)點的強化效果與質(zhì)點本身在屈服變形過程中第二相質(zhì)點的強化效果與質(zhì)點本身在屈服變形過程中能否變形有很大關(guān)系。能否變形有很大關(guān)系。據(jù)此可將第二相質(zhì)點分為不可據(jù)此可將第二相質(zhì)點分為不可變形的變形的（如鋼中的碳化物與氮化物等）（如鋼中的碳化物與氮化物等）和可變形的和可變形的（如時效鋁合金中如時效鋁合金中GP區(qū)的共格析出物區(qū)的共格析出物相及粗大的碳化相及粗大的碳化物等）物等）兩類兩類。這些第二相質(zhì)點都比較小，有的可用粉。這些第二相質(zhì)點都比較小，有的可用粉末冶金法獲得（由此產(chǎn)生的強化叫末冶金法獲得（由此產(chǎn)生的強化叫彌散強化）彌散強化），有

40、的，有的則可用固溶處理和隨后的沉淀析出獲得（由此產(chǎn)生的則可用固溶處理和隨后的沉淀析出獲得（由此產(chǎn)生的強化叫強化叫沉淀強化沉淀強化）。）。v 表征金屬微量塑性變形抗力的屈服強度是一個對成分表征金屬微量塑性變形抗力的屈服強度是一個對成分、組織極為敏感的力學(xué)性能指標(biāo)、組織極為敏感的力學(xué)性能指標(biāo)，受許多內(nèi)在因素的，受許多內(nèi)在因素的影響，影響，改變合金成分或熱處理工藝改變合金成分或熱處理工藝都可使屈服強度產(chǎn)都可使屈服強度產(chǎn)生明顯變化。生明顯變化。803.3 影響屈服強度的因素影響屈服強度的因素v（二）外在因素（二）外在因素v1. 溫度溫度v 一般，升高溫度金屬材料的屈服強度降低。一般，升高溫度金屬材料的

41、屈服強度降低。v2. 應(yīng)變速率應(yīng)變速率v 因應(yīng)變速率增加而產(chǎn)生的強度提高效應(yīng)，稱為因應(yīng)變速率增加而產(chǎn)生的強度提高效應(yīng)，稱為應(yīng)變速應(yīng)變速率硬化率硬化現(xiàn)象?，F(xiàn)象。v3. 應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài)v 應(yīng)力狀態(tài)也影響屈服強度，應(yīng)力狀態(tài)也影響屈服強度，切應(yīng)力分量越大，越有利切應(yīng)力分量越大，越有利于塑性變形，屈服強度則越低于塑性變形，屈服強度則越低，所以扭轉(zhuǎn)比拉伸的屈，所以扭轉(zhuǎn)比拉伸的屈服強度低，拉伸要比彎曲的屈服強度低，服強度低，拉伸要比彎曲的屈服強度低，但三向不等但三向不等拉伸下的屈服強度為最高。拉伸下的屈服強度為最高。v 扭轉(zhuǎn)強度拉伸強度彎曲強度扭轉(zhuǎn)強度拉伸強度彎曲強度813.4 應(yīng)變硬化（形變強化）應(yīng)變硬

42、化（形變強化）v定義：定義：v在金屬整個變形過程中，當(dāng)外力超過屈服強度在金屬整個變形過程中，當(dāng)外力超過屈服強度之后，塑性變形并不是像屈服平臺那樣連續(xù)流之后，塑性變形并不是像屈服平臺那樣連續(xù)流變下去，而需要不斷增加外力才能繼續(xù)進行，變下去，而需要不斷增加外力才能繼續(xù)進行，這說明金屬有一種阻止繼續(xù)塑性變形的抗力，這說明金屬有一種阻止繼續(xù)塑性變形的抗力，這種抗力就是這種抗力就是應(yīng)變硬化性能應(yīng)變硬化性能。v塑性應(yīng)變是硬化的原因，而硬化則是塑性應(yīng)變塑性應(yīng)變是硬化的原因，而硬化則是塑性應(yīng)變的結(jié)果。的結(jié)果。應(yīng)變硬化是位錯增殖、運動受阻所致應(yīng)變硬化是位錯增殖、運動受阻所致。823.4 應(yīng)變硬化（形變強化）應(yīng)變

43、硬化（形變強化）v應(yīng)變硬化的作用：應(yīng)變硬化的作用：v（1）應(yīng)變硬化可使金屬機件具有一定的抗偶）應(yīng)變硬化可使金屬機件具有一定的抗偶然過載能力，保證機件安全。然過載能力，保證機件安全。v（2）應(yīng)變硬化和塑性變形適當(dāng)配合可使金屬）應(yīng)變硬化和塑性變形適當(dāng)配合可使金屬均勻塑性變形，保證冷變形工藝順利實施。均勻塑性變形，保證冷變形工藝順利實施。v（3）可降低塑性，改善低碳鋼的切削加工性）可降低塑性，改善低碳鋼的切削加工性能。能。833.5 縮頸現(xiàn)象和抗拉強度縮頸現(xiàn)象和抗拉強度v（一）定義（一）定義v縮頸是韌性金屬材料在拉伸試驗時縮頸是韌性金屬材料在拉伸試驗時變形集中于局變形集中于局部區(qū)域部區(qū)域的特殊現(xiàn)象，

44、這是的特殊現(xiàn)象，這是應(yīng)變硬化（物理因素）應(yīng)變硬化（物理因素）與截面減?。◣缀我蛩兀┡c截面減小（幾何因素）共同作用的結(jié)果。共同作用的結(jié)果。v 縮縮頸頸一旦產(chǎn)生，拉伸試樣原來所受的單向應(yīng)力一旦產(chǎn)生，拉伸試樣原來所受的單向應(yīng)力狀態(tài)就被破壞，而在縮頸區(qū)出現(xiàn)三向應(yīng)力狀態(tài)。狀態(tài)就被破壞，而在縮頸區(qū)出現(xiàn)三向應(yīng)力狀態(tài)。843.6 塑性塑性v（一）塑性與塑性指標(biāo)（一）塑性與塑性指標(biāo)v塑性定義：塑性定義： 指金屬材料斷裂前發(fā)生塑性變形（不可逆永久變指金屬材料斷裂前發(fā)生塑性變形（不可逆永久變形）的能力。形）的能力。v金屬材料斷裂前所產(chǎn)生的塑性變形由均勻塑性變金屬材料斷裂前所產(chǎn)生的塑性變形由均勻塑性變形和集中塑性變形

45、兩部分構(gòu)成。形和集中塑性變形兩部分構(gòu)成。試樣拉伸至縮頸試樣拉伸至縮頸前的塑性變形是前的塑性變形是均勻塑性變形均勻塑性變形，縮頸后縮頸區(qū)的，縮頸后縮頸區(qū)的塑性變形是塑性變形是集中塑性變形集中塑性變形。v金屬材料常用的塑性指標(biāo)為金屬材料常用的塑性指標(biāo)為斷后伸長率斷后伸長率和和斷面收斷面收縮率縮率。v斷后伸長率斷后伸長率是試樣拉斷后標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距是試樣拉斷后標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比，用的百分比，用表示表示v式中：式中：L0：試樣原始標(biāo)距長度；：試樣原始標(biāo)距長度； L1：試樣斷裂后的標(biāo)距長度。：試樣斷裂后的標(biāo)距長度。85%100001LLL3.6 塑性塑性v斷面收縮率斷面收縮率是試樣拉斷后，

46、縮頸處橫截面積的最是試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號表表示示v式中：式中：A0：試樣原始橫截面積；：試樣原始橫截面積； A1：縮頸處最小橫截面積。：縮頸處最小橫截面積。86%100010AAA3.6 塑性塑性873.6 塑性塑性v（二）塑性的意義與影響因素（二）塑性的意義與影響因素v對機件來講，都要求材料具有一定的塑性，以防對機件來講，都要求材料具有一定的塑性，以防止機件偶然過載時產(chǎn)生突然破壞。止機件偶然過載時產(chǎn)生突然破壞。v影響因素：影響因素：（1）溶質(zhì)元素會降低鐵素體的塑性；）溶質(zhì)元素會降低鐵素體的塑性；（2）鋼的塑

47、性受碳化物體積比以及形狀的影響；）鋼的塑性受碳化物體積比以及形狀的影響；（3）細化顆?？墒共牧系乃苄栽黾印＃┘毣w?？墒共牧系乃苄栽黾印?8v 4.1 4.1 斷裂的類型斷裂的類型v 4.2 4.2 解理斷裂解理斷裂v 4.3 4.3 微孔聚集斷裂微孔聚集斷裂第四節(jié)第四節(jié) 金屬的斷裂金屬的斷裂89第四節(jié)第四節(jié) 金屬的斷裂金屬的斷裂v斷裂斷裂是工程材料的主要失效形式之一。工程結(jié)構(gòu)是工程材料的主要失效形式之一。工程結(jié)構(gòu)或機件的斷裂會造成重大的經(jīng)濟損失，甚至人員或機件的斷裂會造成重大的經(jīng)濟損失，甚至人員傷亡。因此，如何提高材料的斷裂抗力，防止斷傷亡。因此，如何提高材料的斷裂抗力，防止斷裂事故發(fā)生，一

48、直是人們普遍關(guān)注的課題。在材裂事故發(fā)生，一直是人們普遍關(guān)注的課題。在材料塑性變形過程中，也在產(chǎn)生微孔損傷。微孔的料塑性變形過程中，也在產(chǎn)生微孔損傷。微孔的產(chǎn)生與發(fā)展，即損傷的累積，導(dǎo)致材料中微裂紋產(chǎn)生與發(fā)展，即損傷的累積，導(dǎo)致材料中微裂紋的形成與長大，即連續(xù)性的不斷喪失，這種損傷的形成與長大，即連續(xù)性的不斷喪失，這種損傷達到臨界狀態(tài)時，裂紋失穩(wěn)擴展，實現(xiàn)最終的斷達到臨界狀態(tài)時，裂紋失穩(wěn)擴展，實現(xiàn)最終的斷裂?？梢哉f，裂?？梢哉f，任何斷裂過程都是由裂紋形成和擴任何斷裂過程都是由裂紋形成和擴展兩個過程組成的，而裂紋形成則是塑性變形的展兩個過程組成的，而裂紋形成則是塑性變形的結(jié)果。結(jié)果。對斷裂的研究，

49、主要關(guān)注的是斷裂過程的對斷裂的研究，主要關(guān)注的是斷裂過程的機理及其影響因素，其目的在于根據(jù)對斷裂過程機理及其影響因素，其目的在于根據(jù)對斷裂過程的認識制訂合理的措施，實現(xiàn)有效的斷裂控制。的認識制訂合理的措施，實現(xiàn)有效的斷裂控制。904.1 斷裂的類型斷裂的類型v磨損、腐蝕和斷裂是機件的三種主要失效磨損、腐蝕和斷裂是機件的三種主要失效形式，其中以斷裂的危害最大。形式，其中以斷裂的危害最大。v在應(yīng)力作用下（有時還兼有熱及介質(zhì)的共在應(yīng)力作用下（有時還兼有熱及介質(zhì)的共同作用），金屬材料被分成兩個或幾個部同作用），金屬材料被分成兩個或幾個部分，稱為分，稱為完全斷裂完全斷裂；內(nèi)部存在裂紋，則為；內(nèi)部存在裂紋

50、，則為不完全斷裂不完全斷裂。914.1 斷裂的類型斷裂的類型v按斷裂前有無產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形按斷裂前有無產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形分類：分類：v（一）韌性斷裂與脆性斷裂（一）韌性斷裂與脆性斷裂v韌性斷裂韌性斷裂：指金屬斷裂前產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變指金屬斷裂前產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形的斷裂，這種斷裂有一個緩慢的撕裂過程，在形的斷裂，這種斷裂有一個緩慢的撕裂過程，在裂紋擴展過程中不斷消耗能量。裂紋擴展過程中不斷消耗能量。v韌性斷裂的斷裂面一般平行于最大切應(yīng)力并與主韌性斷裂的斷裂面一般平行于最大切應(yīng)力并與主應(yīng)力成應(yīng)力成45角。用肉眼或放大鏡觀察時，斷口角。用肉眼或放大鏡觀察時，斷口呈呈纖維狀，灰暗色纖維

51、狀，灰暗色。纖維狀是塑性變形過程中微。纖維狀是塑性變形過程中微裂紋不斷擴展和相互連接造成的，而灰暗色則是裂紋不斷擴展和相互連接造成的，而灰暗色則是纖維斷口表面對光反射能力很弱所致。纖維斷口表面對光反射能力很弱所致。924.1 斷裂的類型斷裂的類型v中、低強度鋼的光滑圓柱試樣在室溫下的靜拉伸中、低強度鋼的光滑圓柱試樣在室溫下的靜拉伸斷裂是典型的韌性斷裂，其宏觀斷口呈斷裂是典型的韌性斷裂，其宏觀斷口呈杯錐形杯錐形，由由纖維區(qū)纖維區(qū)、放射區(qū)放射區(qū)和和剪切唇剪切唇三個區(qū)域組成（圖三個區(qū)域組成（圖1-17），即所謂的），即所謂的斷口特征三要素斷口特征三要素。這種斷口的。這種斷口的形成過程如圖形成過程如圖

52、1-18所示。所示。934.1 斷裂的類型斷裂的類型v這種斷口的形成過程如圖這種斷口的形成過程如圖1-18所示。所示。944.1 斷裂的類型斷裂的類型v當(dāng)光滑圓柱拉伸試樣受拉伸力作用，在試驗力達到拉當(dāng)光滑圓柱拉伸試樣受拉伸力作用，在試驗力達到拉伸力伸力伸長曲線最高點時，便在試樣局部區(qū)域產(chǎn)生縮伸長曲線最高點時，便在試樣局部區(qū)域產(chǎn)生縮頸，同時試樣的應(yīng)力狀態(tài)也由單向變?yōu)槿?，且中心頸，同時試樣的應(yīng)力狀態(tài)也由單向變?yōu)槿?，且中心軸向應(yīng)力最大。軸向應(yīng)力最大。在中心三向拉應(yīng)力作用下，塑性變形在中心三向拉應(yīng)力作用下，塑性變形難于進行，致使試樣中心部分的夾雜物或第二相質(zhì)點難于進行，致使試樣中心部分的夾雜物或第

53、二相質(zhì)點本身碎裂、或使夾雜物質(zhì)點與基體界面脫離而形成微本身碎裂、或使夾雜物質(zhì)點與基體界面脫離而形成微孔。微孔不斷長大和聚合就形成顯微裂紋?？?。微孔不斷長大和聚合就形成顯微裂紋。早期形成早期形成的顯微裂紋，其端部產(chǎn)生較大塑性變形，且集中于極的顯微裂紋，其端部產(chǎn)生較大塑性變形，且集中于極窄的高變形帶內(nèi)。這些剪切變形帶從宏觀上看大致與窄的高變形帶內(nèi)。這些剪切變形帶從宏觀上看大致與徑向呈徑向呈5060角。新的微孔就在變形帶內(nèi)成核、角。新的微孔就在變形帶內(nèi)成核、長大和聚合，當(dāng)其與裂紋連接時，裂紋便向前擴展了長大和聚合，當(dāng)其與裂紋連接時，裂紋便向前擴展了一段距離。這樣的過程重復(fù)進行就形成鋸齒形的纖維一段距

54、離。這樣的過程重復(fù)進行就形成鋸齒形的纖維區(qū)。區(qū)。纖維區(qū)所在平面（即裂紋擴展的宏觀平面）垂直纖維區(qū)所在平面（即裂紋擴展的宏觀平面）垂直于拉伸應(yīng)力方向。于拉伸應(yīng)力方向。954.1 斷裂的類型斷裂的類型v纖維區(qū)中裂紋擴展的速率是很慢的，當(dāng)其達到臨界尺纖維區(qū)中裂紋擴展的速率是很慢的，當(dāng)其達到臨界尺寸后就快速擴展而形成放射區(qū)。寸后就快速擴展而形成放射區(qū)。放射區(qū)是裂紋作放射區(qū)是裂紋作快速快速低能量低能量撕裂形成的。撕裂形成的。放射區(qū)有放射線花樣特征。放射區(qū)有放射線花樣特征。放射放射線平行于裂紋擴展方向而垂直于裂紋前瑞（每一瞬間線平行于裂紋擴展方向而垂直于裂紋前瑞（每一瞬間）的輪廓線，并）的輪廓線，并逆指向

55、裂紋源逆指向裂紋源。撕裂時塑性變形量越撕裂時塑性變形量越大，則放射線越粗。大，則放射線越粗。對于幾乎不產(chǎn)生塑性變形的極脆對于幾乎不產(chǎn)生塑性變形的極脆材料，放射線消失。溫度降低或材料強度增加，由于材料，放射線消失。溫度降低或材料強度增加，由于塑性降低，放射線由粗交細乃至消失。塑性降低，放射線由粗交細乃至消失。v試樣拉伸斷裂的最后階段形成杯狀或錐狀的剪切唇。試樣拉伸斷裂的最后階段形成杯狀或錐狀的剪切唇。剪切唇表面光滑，與拉伸軸呈剪切唇表面光滑，與拉伸軸呈45 ，是典型的切斷型，是典型的切斷型斷裂。斷裂。964.1 斷裂的類型斷裂的類型v韌性斷口的宏觀斷口同時具有上述三個區(qū)域，而韌性斷口的宏觀斷口同

56、時具有上述三個區(qū)域，而脆性斷口纖維區(qū)很小，剪切唇幾乎沒有脆性斷口纖維區(qū)很小，剪切唇幾乎沒有。v一般說來，材料強度提高，塑性降低，則放射區(qū)一般說來，材料強度提高，塑性降低，則放射區(qū)比例增大；試樣尺寸加大，放射區(qū)增大明顯，而比例增大；試樣尺寸加大，放射區(qū)增大明顯，而纖維區(qū)變化不大。纖維區(qū)變化不大。974.1 斷裂的類型斷裂的類型v脆性斷裂脆性斷裂是突然發(fā)是突然發(fā)生的斷裂，斷裂前生的斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生塑性基本上不發(fā)生塑性變形，沒有明顯征變形，沒有明顯征兆，因而兆，因而危害性很危害性很大大。脆性斷裂的斷脆性斷裂的斷裂面一般與正應(yīng)力裂面一般與正應(yīng)力垂直，斷口垂直，斷口平齊而平齊而光亮光亮，常呈，常

57、呈放射狀放射狀或或結(jié)晶狀結(jié)晶狀。板狀矩板狀矩形拉伸試樣斷口中形拉伸試樣斷口中的人字紋花樣如圖的人字紋花樣如圖1-19所示。所示。984.1 斷裂的類型斷裂的類型v人字紋花樣的放射方向也與裂紋擴展方向平行人字紋花樣的放射方向也與裂紋擴展方向平行，但其尖頂指向裂紋源。，但其尖頂指向裂紋源。實際多晶體金屬斷裂實際多晶體金屬斷裂時主裂紋向前擴展，其前沿可能形成一些次生時主裂紋向前擴展，其前沿可能形成一些次生裂紋，這些裂紋向后擴展借低能量撕裂與主裂裂紋，這些裂紋向后擴展借低能量撕裂與主裂紋連接便形成人字紋。紋連接便形成人字紋。994.1 斷裂的類型斷裂的類型v通常，脆斷前也產(chǎn)生微量塑性變形。通常，脆斷前

58、也產(chǎn)生微量塑性變形。一般規(guī)定一般規(guī)定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5者為脆性者為脆性斷裂；反之，大于斷裂；反之，大于5者為韌性斷裂。者為韌性斷裂。由此可由此可見，金屬材料的韌性與脆性是根據(jù)一定條件下見，金屬材料的韌性與脆性是根據(jù)一定條件下的塑性變形量來規(guī)定的。條件改變，材料的韌的塑性變形量來規(guī)定的。條件改變，材料的韌性與脆性行為也將隨之變化。性與脆性行為也將隨之變化。1004.1 斷裂的類型斷裂的類型v（二）穿晶斷裂與沿晶斷裂（二）穿晶斷裂與沿晶斷裂v多晶體金屬斷裂時，裂紋擴展的路徑可能是不多晶體金屬斷裂時，裂紋擴展的路徑可能是不同的。同的。穿晶斷裂穿晶斷裂的裂紋穿過

59、晶內(nèi)；的裂紋穿過晶內(nèi)；沿晶斷裂沿晶斷裂的的裂紋沿晶界擴展。裂紋沿晶界擴展。按裂紋擴展的途徑分類：按裂紋擴展的途徑分類：1014.1 斷裂的類型斷裂的類型v從宏觀上看，從宏觀上看，穿晶斷裂可以是韌性斷裂穿晶斷裂可以是韌性斷裂（如韌（如韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上的穿晶斷裂脆轉(zhuǎn)變溫度以上的穿晶斷裂)，也可以是脆性也可以是脆性斷裂斷裂（低溫下的穿晶解理斷裂），而（低溫下的穿晶解理斷裂），而沿晶斷裂沿晶斷裂則多數(shù)是脆性斷裂則多數(shù)是脆性斷裂。沿晶斷裂是由晶界上的一。沿晶斷裂是由晶界上的一薄層連續(xù)或不連續(xù)脆性第二相、夾雜物，破壞薄層連續(xù)或不連續(xù)脆性第二相、夾雜物，破壞了晶界的連續(xù)性所造成，也可能是雜質(zhì)元素向了晶界的連

60、續(xù)性所造成，也可能是雜質(zhì)元素向晶界偏聚引起的。應(yīng)力腐蝕、氫脆、回火脆性晶界偏聚引起的。應(yīng)力腐蝕、氫脆、回火脆性、淬火裂紋、磨削裂紋等大都是沿晶斷裂。、淬火裂紋、磨削裂紋等大都是沿晶斷裂。1024.1 斷裂的類型斷裂的類型v沿晶斷裂的斷口形貌呈冰糖狀沿晶斷裂的斷口形貌呈冰糖狀（圖（圖1-20），但如晶），但如晶粒很細小，則肉眼無法辨認出冰糖狀形貌，此時粒很細小，則肉眼無法辨認出冰糖狀形貌，此時斷斷口一般呈晶粒狀，顏色較纖維狀斷口明亮，但比純口一般呈晶粒狀，顏色較纖維狀斷口明亮，但比純脆性斷口要灰暗些脆性斷口要灰暗些，因為它們沒有反光能力很強的，因為它們沒有反光能力很強的小平面。穿晶斷裂和沿晶斷裂