《材料性能學(xué)》1-4章電子教案2

《材料性能學(xué)》電子教案〔面向21世紀(jì)材料科學(xué)與工程高等教育改革試用教材〔北京工業(yè)大學(xué)出版社〕王從曾主編〕材料與科學(xué)工程學(xué)院主講人：孫昊1序言一、關(guān)于本課程和教材

《材料性能學(xué)》課程原名《金屬機(jī)械性能》，在我校已開(kāi)設(shè)多年課程性質(zhì)：必修科學(xué)時(shí)：50h〔2h復(fù)習(xí)，2h考試，課堂講授46h〕

主要參考書(shū)：1、《材料性能學(xué)》王從曾主編，2002年，北京工業(yè)大學(xué)出版社2、《金屬機(jī)械性能》修訂本，金屬機(jī)械性能編寫(xiě)組編1982年，機(jī)械工業(yè)出版社〔綠皮〕3、《材料的力學(xué)性能》鄭修麟主編，西北工業(yè)大學(xué)出版社4、《磁性材料》田民波編，清華大學(xué)出版社2二、本課程的學(xué)習(xí)目的1、

材料性能是評(píng)定材料質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要依據(jù)評(píng)論材料的好與差，不能依靠組織成分，而應(yīng)以性能來(lái)說(shuō)話(huà)。2、

是科研和生產(chǎn)的主要手段和工具科研：開(kāi)發(fā)新材料或研究新工藝，要不斷地測(cè)試各種性能指標(biāo)；來(lái)滿(mǎn)足各種不同的需求。生產(chǎn)：生產(chǎn)中往往依靠性能選材來(lái)生產(chǎn)機(jī)械零件3、

進(jìn)一步掌握材料各種主要性能的根本概念、物理本質(zhì)、變化規(guī)律以及性能指標(biāo)的工程意義，了解影響材料性能的主要因素及材料性能與其化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系3三、本課程學(xué)習(xí)內(nèi)容1、

材料在力的作用下所表現(xiàn)出的力學(xué)性能及力學(xué)性能指標(biāo)2、

材料的斷裂特征及斷裂指標(biāo)3、

材料的疲勞性能4、

材料的磨損性能5、

材料的高溫及熱學(xué)性能6、

材料的特殊性能及指標(biāo)其中包括材料的磁學(xué)性能、電學(xué)性能、光學(xué)性能、腐蝕性能、壓電性能及老化與穩(wěn)定性能等。

4四、本課程的學(xué)習(xí)方法以宏觀研究分析為主，由于是面面具到，而學(xué)時(shí)少，因而只是簡(jiǎn)單介紹根本概念、根本原理、根本方法及一些較常用的性能指標(biāo)。請(qǐng)同學(xué)們記好筆記，考試以課堂講授的內(nèi)容為主。5第一章材料單向靜拉伸的力學(xué)性能

概述材料力學(xué)性能研究的重要任務(wù)，就是研究材料在受載過(guò)程中變形和斷裂的規(guī)律．作為一種重要手段，單向靜拉伸試驗(yàn)是工業(yè)生產(chǎn)和材料科學(xué)研究中應(yīng)用最廣泛的材料力學(xué)性能試驗(yàn)方法．通過(guò)拉伸試驗(yàn)可以揭示材料在靜載作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及常見(jiàn)的3種失效形式〔過(guò)量彈性變形、塑性變形和斷裂〕的特點(diǎn)和根本規(guī)律，還可以評(píng)定出材料的根本力學(xué)性能指標(biāo)，如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和斷面收縮率等．這些性能指標(biāo)既是材料的工程應(yīng)用、構(gòu)件設(shè)計(jì)和科學(xué)研究等方面的計(jì)算依據(jù)，也是材料的評(píng)定和選用以及加工工藝選擇的主要依據(jù)．

6第一節(jié)力－伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力一應(yīng)變曲線一、力－伸長(zhǎng)曲線〔拉伸圖〕

材料的單向靜拉伸試驗(yàn)通常是在室溫下按常規(guī)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用光滑圓柱試樣在緩慢加載和低的變形速率下進(jìn)行的．試驗(yàn)方法和試樣尺寸在試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中有明確規(guī)定．在拉伸過(guò)程中，隨著載荷的不斷增加，圓柱試樣的長(zhǎng)度將不斷的增加，這些量的變化可由試驗(yàn)機(jī)上安裝的自動(dòng)繪圖機(jī)構(gòu)連續(xù)描繪出，拉伸力F和絕對(duì)伸長(zhǎng)量ΔL的關(guān)系曲線，直至試樣斷裂．如圖1－1所示。78拉伸開(kāi)始后，試樣的絕對(duì)伸長(zhǎng)量隨力F的增加而增大．1、彈性變形：在P點(diǎn)以下拉伸力F和伸長(zhǎng)量ΔL呈直線關(guān)系．當(dāng)拉伸力超過(guò)Fp后，力一伸長(zhǎng)曲線開(kāi)始偏離直線．拉伸力小于Fe時(shí)，試樣的變形在卸除拉伸力后可以完全恢復(fù)，因此e點(diǎn)以?xún)?nèi)的變形為彈性變形；2、塑性變形:當(dāng)拉伸力到達(dá)FA后，試樣便產(chǎn)生不可恢復(fù)的永久變形，即出現(xiàn)塑性變形；3、屈服現(xiàn)象：塑性變形開(kāi)始后，力一伸長(zhǎng)曲線上出現(xiàn)平臺(tái)式鋸齒，直至C點(diǎn)結(jié)束．4、均勻變形〔彈－塑性變形〕：變形隨著外力的增大而均勻地增加5、不均勻變形〔頸縮階段〕及斷裂階段因此，在整個(gè)拉伸過(guò)程中的變形可分為彈性變形、塑性變形及斷裂三個(gè)根本階段。96、拉伸圖的種類(lèi)10

曲線1為淬火、高溫回火后的高碳鋼的力－伸長(zhǎng)曲線，只有彈性變形少量的均勻塑性變形；曲線2為低合金結(jié)構(gòu)鋼〔如16Mn〕的力－伸長(zhǎng)曲線，其特征與低碳鋼的曲線類(lèi)似；曲線3為黃銅的力－伸長(zhǎng)曲線，有彈性變形、均勻塑性變形和不均勻塑性變形；曲線4為陶瓷、玻璃類(lèi)材料的力－伸長(zhǎng)曲線，只有彈性變形而沒(méi)有明顯的塑性變形；曲線5為橡膠類(lèi)材料的力－伸長(zhǎng)曲線，其特點(diǎn)是彈性變形量很大，可高達(dá)1000％，且只有彈性變形而不產(chǎn)生或產(chǎn)生很微小的塑性變形；曲線6為工程塑料的力－伸長(zhǎng)曲線，也有彈性變形、均勻塑性變形和不均勻變形?！沧⒁狻?對(duì)于高分子聚合物材料，由于其在結(jié)構(gòu)上的力學(xué)狀態(tài)差異及對(duì)溫度的敏感性，力－伸長(zhǎng)曲線可有多種形式．不同的材料或同一材料在不同條件下可有不同形式的力一伸長(zhǎng)曲線．這主要是由材料的鍵合方式、化學(xué)成分和組織狀態(tài)等因素決定的．有多種形式．不同的材料或同一材料在不同條件下可有不同形式的力一伸長(zhǎng)曲線．這主要是由材料的鍵合方式、化學(xué)成分和組織狀態(tài)等因素決定的．11二、應(yīng)力一應(yīng)變曲線1、

〔條件〕應(yīng)力與〔條件〕應(yīng)變

應(yīng)力：應(yīng)變：2、

應(yīng)力－應(yīng)變曲線〔工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線〕工程應(yīng)力一應(yīng)變曲線對(duì)材料在工程中的應(yīng)用是非常重要的，根據(jù)該曲線可獲得材料靜拉伸條件下的力學(xué)性能指標(biāo)，如圖1－3中的比例極限σp、彈性極限σe、屈服點(diǎn)σs、抗拉強(qiáng)度σb等，可提供給工程設(shè)計(jì)或選材應(yīng)用時(shí)參考．12３、各種性能指標(biāo)〔1〕、強(qiáng)度指標(biāo)①?gòu)椥詷O限：σe＝Fe/S0②比例極限：σp＝Fp/S0③屈服極限：σs＝Fs/S0；屈服強(qiáng)度σ0.2＝F0.2/S0④強(qiáng)度極限：σb＝Fb/S0⑤斷裂強(qiáng)度：σk＝Fk/Sk〔2〕、塑性指標(biāo)①延伸率：δｋ＝(Ｌk-L0)/L0X100%②斷面收縮率：ψk＝〔S0－Sk〕/S0X100%根據(jù)試樣的大小，可將延伸率分為２種，一種是：δ5〔標(biāo)準(zhǔn)短試樣：Ｌ0/d0=5〕另一種是：δ10〔標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)試樣：Ｌ0/d0=１０〕13４、真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線〔S－e曲線〕實(shí)際上，在拉伸過(guò)程中，試棒的截面積和長(zhǎng)度隨著拉伸力的增大是不斷變化的，工程應(yīng)力一應(yīng)變曲線并不能反映試驗(yàn)過(guò)程中的真實(shí)情況．如果以瞬時(shí)截面積A除其相應(yīng)的拉伸力F，那么可得到瞬時(shí)的真應(yīng)力S，同樣，當(dāng)拉伸力F有一增量dF時(shí)，試樣在瞬時(shí)長(zhǎng)度L的根底上變?yōu)長(zhǎng)＋dL，于是應(yīng)變的微分增量應(yīng)是de＝dL／L，那么試棒自L0伸長(zhǎng)至L后，總的應(yīng)變量為：

真應(yīng)力：其中，F(xiàn)－瞬時(shí)載荷，A－瞬時(shí)面積真應(yīng)變：那么：又14那么或因1＞ψ＞0,那么有S＞σ說(shuō)明真應(yīng)力S永遠(yuǎn)大于工程應(yīng)力σ

15兩曲線比較階段變形性質(zhì)σ－ε曲線表現(xiàn)S－e曲線表現(xiàn)OP段彈性變形直線關(guān)系曲線關(guān)系PB段彈－塑性變形曲線關(guān)系曲線關(guān)系BK段集中變形及頸縮曲線關(guān)系直線加曲線真應(yīng)力S和真應(yīng)變e作為坐標(biāo)繪制的應(yīng)力一應(yīng)變曲線稱(chēng)為真應(yīng)力一真應(yīng)變曲線〔圖1-4〕．與工程應(yīng)力一應(yīng)變曲線相比較，可以看出，在彈性變形階段，由于試棒的伸長(zhǎng)和截面收縮都很小，兩曲線根本重合，真實(shí)屈服應(yīng)力和工程屈服應(yīng)力在數(shù)值上非常接近，但在塑性變形階段，兩者之間就出現(xiàn)了顯著的差異．在工程應(yīng)用中，多數(shù)構(gòu)件的變形量限制在彈性變形范圍內(nèi)，二者的差異可以忽略，同時(shí)工程應(yīng)力、工程應(yīng)變便于測(cè)量和計(jì)算，因此，工程設(shè)計(jì)和材料選用中一般以工程應(yīng)力、工程應(yīng)變?yōu)橐罁?jù)．但在材料科學(xué)研究中，真應(yīng)力與真應(yīng)變將具有重要意義．16第二節(jié)彈性變形及其實(shí)質(zhì)一、彈性變形的特點(diǎn)前已敘及，在單向拉伸過(guò)程中，絕大局部固體材料都首先產(chǎn)生彈性變形，外力去除后，變形消失而恢復(fù)原狀，對(duì)于金屬、陶瓷或結(jié)晶態(tài)的高分子聚合物在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變之間可以看成具有1、可逆性；2、單值線性關(guān)系；3、彈性變形量較小〔ε＜0.5～1％〕

對(duì)于橡膠態(tài)的高分子聚合物，那么在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變之間不呈線性關(guān)系，且變形量較大．無(wú)論變形量大小和應(yīng)力與應(yīng)變是否呈線性關(guān)系，凡彈性變形都是可逆變形．材料彈性變形的本質(zhì)：概括說(shuō)來(lái)，都是構(gòu)成材料的原子〔離子〕或分子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映．金屬、陶瓷類(lèi)晶體材料的彈性變形是處于晶格結(jié)點(diǎn)的離子在力的作用下在其平衡位置附近產(chǎn)生的微小位移；橡膠類(lèi)材料那么是呈卷曲狀的分子鏈在力的作用下通過(guò)鏈段的運(yùn)動(dòng)沿受力方向產(chǎn)生的伸展．17二、金屬、陶瓷類(lèi)材料彈性變形的微觀過(guò)程的雙原子模型解釋?zhuān)?/p>

在正常狀態(tài)下，晶格中的離子能保持在其平衡位置僅作微小的熱振動(dòng)，這是受離子之間的相互作用力控制的結(jié)果．一般認(rèn)為，這種作用力分為引力和斥力，引力是由正離子和自由電子間的庫(kù)侖力所產(chǎn)生，而斥力是由離子之間因電子殼層產(chǎn)生應(yīng)變所致．引力和斥力都是離子間距的函數(shù)。圖1－5即為離子互相作用時(shí)的受力模型，圖沖N1、N2分別為兩離子的平衡位置，曲線1為引力，曲線2為斥力，曲線3為合力，引力斥力18在離子的平衡位置時(shí)合力為零．當(dāng)外力對(duì)離子作用時(shí)，合力曲線的零點(diǎn)位置改變，離子的位置亦隨之作相應(yīng)的調(diào)整，即產(chǎn)生位移，離子位移的總和在宏觀上就表現(xiàn)為材料的變形．當(dāng)外力去除后，離子依靠彼此間的作用力又回到原來(lái)的平衡位置，宏觀的變形也隨之消逝，從而表現(xiàn)了彈性變形的可逆性。需要說(shuō)明的是，根據(jù)上述模型導(dǎo)出的離子間相互作用力與離子間彈性位移的關(guān)系并非虎克定律所說(shuō)的直線關(guān)系，而是拋物線關(guān)系．其合力的最大值為Fmax，如果外加拉應(yīng)力大于Fmax，就意味著可以克服離子間的引力而使它們別離。因此，F(xiàn)max就是材料在彈性狀態(tài)下的理論斷裂抗力，此時(shí)相應(yīng)的離子彈性變形量εmax可達(dá)25％。實(shí)際上，因?yàn)樵诠こ虘?yīng)用的材料中，不可防止地存在著各種缺陷、雜質(zhì)、氣孔或微裂紋，因而實(shí)際斷裂抗力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Fmax，材料就發(fā)生了斷裂或產(chǎn)生了塑性變形．實(shí)際材料的彈性變形只相當(dāng)于合力曲線的起始階段，因此虎克定律所表示的外力和位移的線性關(guān)系是近似正確的。且變形量很小。三、彈性模數(shù)〔彈性模量〕19正彈性模量〔E〕彈性模量即:切彈性模量〔G〕彈性模量的物理意義：在工程上，表征材料對(duì)彈性變形的抗力，即材料的剛度，其值越大，表示在相同的應(yīng)力作用下，材料的彈性變形量越小，使機(jī)械零件和工程構(gòu)建不易發(fā)生塑性變形.影響因素：１．鍵合方式和原子結(jié)構(gòu)〔四種鍵和位置的影響〕２．晶體結(jié)構(gòu)〔各向異性〕３．化學(xué)成分〔原子間距和鍵合方式的改變引起〕４．微觀結(jié)構(gòu)５．溫度〔隨溫度升高而變小〕６．加載條件和負(fù)荷持續(xù)時(shí)間第三節(jié)彈性的不完整性與內(nèi)耗通常，人們把材料受載后產(chǎn)生一定的變形，而卸載后這局部變形消逝，材料恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)的性質(zhì)稱(chēng)為材料的彈性．根據(jù)材料在彈性變形過(guò)程中應(yīng)力和應(yīng)變的響應(yīng)特點(diǎn)，彈性可以分為理想彈性〔完全彈性〕和非理想彈性〔彈性不完整性〕兩類(lèi)．20對(duì)于理想彈性材料

在外力作用下，應(yīng)力和應(yīng)變服從虎克定律，并同時(shí)滿(mǎn)足3個(gè)條件，即：〔１〕應(yīng)變對(duì)于應(yīng)力是線性關(guān)系；〔２〕應(yīng)力和應(yīng)變同相位〔同時(shí)性〕；〔３〕應(yīng)變是應(yīng)力的單值函數(shù)〔單值性〕．實(shí)際上，絕大多數(shù)固體材料的彈性行為很難滿(mǎn)足上述條件，一般都表現(xiàn)出非理想彈性性質(zhì)，非理想彈性行為大致可以分為滯彈性、粘彈性、偽彈性及包申格效應(yīng)等幾種類(lèi)型21一、滯彈性〔彈性后效〕22一、滯彈性〔彈性后效〕1．正彈性后效滯彈性的材料其應(yīng)力一應(yīng)變曲線與時(shí)間的關(guān)系如圖1－11所示，當(dāng)突然施加一應(yīng)力于拉伸試樣時(shí)，試樣立即沿OA線產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)變Oa．而應(yīng)變aH是在σ0長(zhǎng)期保持下逐漸產(chǎn)生的，這種加載時(shí)應(yīng)變落后于應(yīng)力而與時(shí)間有關(guān)的滯彈性也稱(chēng)為正彈性后效或彈性蠕變〔所謂蠕變，是指變形隨時(shí)間的延長(zhǎng)而變化的現(xiàn)象〕．2．反彈性后效．卸載時(shí)，那么當(dāng)應(yīng)力下降為零時(shí)，只有應(yīng)變eH局部立即消逝掉，而應(yīng)變eo是在卸載后隨著時(shí)間逐漸去除的，我們把卸載時(shí)應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象也稱(chēng)為反彈性后效．滯彈性在金屬材料和高分子材料中表現(xiàn)得比較明顯，其彈性后效速率和滯彈性應(yīng)變量與材料成分、組織有關(guān)，也與試驗(yàn)條件有關(guān)．材料組織越不均勻，滯彈性越明顯．鋼經(jīng)淬火或塑性變形后，由于增加了組織不均勻性，滯彈性?xún)A向加大．此外，溫度升高和切應(yīng)力分量增大，滯彈性越強(qiáng)烈．而在沒(méi)有切應(yīng)力的多向壓應(yīng)力作用下，完全看不到滯彈性。233．產(chǎn)生原因

金屬產(chǎn)生滯彈性的原因可能與晶體中點(diǎn)缺陷的移動(dòng)有關(guān)，例如，α－Fe中的C原子處于八面體空隙及等效位置上，施加Z向拉應(yīng)力后，x、y軸上的碳原子就會(huì)向Z軸方向擴(kuò)散遷移，使Z軸方向繼續(xù)伸長(zhǎng)變形，于是就產(chǎn)生了附加彈性變形．因擴(kuò)散移動(dòng)需要時(shí)間，故附加應(yīng)變?yōu)闇椥詰?yīng)變．卸載后Ｚ軸多余的碳原子又會(huì)擴(kuò)散回到原來(lái)的X必軸上，使滯彈性應(yīng)變消逝．４．危害材料的滯彈性對(duì)儀器儀表和精密機(jī)械中的重要傳感元件的測(cè)量精度有很大影響，因此選用材料時(shí)需要考慮滯彈性問(wèn)題．如長(zhǎng)期受載的測(cè)力彈簧、薄膜傳感器等，所選用材料的滯彈性較明顯時(shí)，會(huì)使儀表精度缺乏，甚至無(wú)法使用．５．應(yīng)用利用彈性后效形成的滯后環(huán)可以消震器．６．消除的方法長(zhǎng)時(shí)間的回火

24二、粘彈性1.粘彈性：是指材料在外力作用下，彈性和粘性?xún)煞N變形機(jī)理同時(shí)存在的力學(xué)行為．其特征是應(yīng)變對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)〔或反之〕不是瞬時(shí)完成的，需要通過(guò)一個(gè)弛豫過(guò)程，但卸載后，應(yīng)變恢復(fù)到初始值，不留下剩余變形。2.種類(lèi)：恒應(yīng)變下的應(yīng)力松弛［圖1－13〔a〕］恒應(yīng)力下的蠕變［圖1－13〔b〕］25三、偽彈性偽彈性：是指在一定的溫度條件下，當(dāng)應(yīng)力到達(dá)一定水平后金屬或合金將產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，伴隨應(yīng)力誘發(fā)相變產(chǎn)生大幅度的彈性變形的現(xiàn)象．

偽彈性變形的量級(jí)大約在60％左右，大大超過(guò)正常彈性變形．圖1－15為偽彈性材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線示意圖。26

圖中AB段為常規(guī)彈性變形階段，為應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變開(kāi)始的應(yīng)力，C點(diǎn)處馬氏體相變結(jié)束，CD段為馬氏體的彈性應(yīng)變階段．在CD段卸載，馬氏體作彈性恢復(fù)，表示開(kāi)始逆向相變的應(yīng)力，馬氏體相變回原來(lái)的組織，到G點(diǎn)完全恢復(fù)初始組織．GH為初始組織的彈性恢復(fù)階段，恢復(fù)到初始組織狀態(tài)，沒(méi)有任何殘留變形．形狀記憶合金就是利用了這一原理．

CD段：M彈性變形GH段：母相的恢復(fù)彈性變形母相→MM→母相27四、包申格效應(yīng)包申格〔Bauschinger〕效應(yīng)：是指金屬材料經(jīng)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形〔剩余應(yīng)變小于4％〕，而后再同向加載規(guī)定剩余伸長(zhǎng)應(yīng)力〔或彈性極限〕增加，反向加載，規(guī)定剩余伸長(zhǎng)應(yīng)力〔或彈性極限〕降低的現(xiàn)象．σε原始σe1同向加載σe2反向加載σe30其中，σe2＞σe1＞σe3１、拉，(原始〕得σe1２、拉→再拉，得σe2３、拉→再壓，得σe328對(duì)與某些鈦合金，因包申格效應(yīng)，可是規(guī)定剩余伸長(zhǎng)應(yīng)力降低，所以退火態(tài)和高溫回火太的金屬都有包申格效應(yīng)，因此包申格效應(yīng)是多晶體金屬具有的普遍現(xiàn)象。原因：包申格〔Bauschinger〕效應(yīng)可能與第二類(lèi)內(nèi)應(yīng)力有關(guān)；危害：包申格〔Bauschinger〕效應(yīng)可弱化材料，因而應(yīng)予以消除；消除方法：因包申格效應(yīng)是一種材料微觀組織，結(jié)構(gòu)變化的結(jié)果，所以可以通過(guò)熱處理加以消除；具體方法：對(duì)材料進(jìn)行較大的塑性變形或?qū)ξ⒘克茏冃蔚牟牧线M(jìn)行再結(jié)晶退火．29五、內(nèi)耗內(nèi)耗：在非理想彈性的情況下，由于應(yīng)力和應(yīng)變不同步，使加載線與卸載線不重合而形成一封閉回線，這個(gè)封閉回線稱(chēng)為彈性滯后環(huán)．存在彈性滯后環(huán)的現(xiàn)象說(shuō)明加載時(shí)材料吸收的變形功大于卸載時(shí)材料釋放的變形功，有一局部加載變形功被材料所吸收．這局部被吸收的功稱(chēng)為材料的內(nèi)耗。其大小可用回線面積度量。30內(nèi)耗是材料的一種重要的力學(xué)和物理性能．在力學(xué)性能上，內(nèi)耗也稱(chēng)為材料的循環(huán)韌性，表示材料在交變載荷〔振動(dòng)〕下吸收不可逆變形功的能力，故又稱(chēng)為消振性．材料循環(huán)韌性越高，那么自身的消振能力就越好，例如鑄鐵因含有石墨不易傳遞機(jī)械振動(dòng)，故具有很高的消振性．因此，高的循環(huán)韌性對(duì)降低機(jī)械噪聲，抑制高速機(jī)械的振動(dòng)具有很重要的意義，汽輪機(jī)葉片用ICr13鋼制造，其中原因之一就是因?yàn)樗懈叩难h(huán)韌性．反之，對(duì)于儀表傳感元件選用循環(huán)韌性低的材料，可以提高其靈敏度樂(lè)器所用材料的循環(huán)韌性越低，那么音質(zhì)越好．在物理性能方面，可以利用材料內(nèi)耗與其成分、組織結(jié)構(gòu)及物理性能變化間的關(guān)系，進(jìn)行材料科學(xué)研究．31

第五節(jié)斷裂

斷裂：固體材料在力的作用下分成假設(shè)干局部的現(xiàn)象稱(chēng)為斷裂．材料的斷裂是力對(duì)材料作用的最終結(jié)果，它意味著材料的徹底失效．因材料斷裂與其他失效方式〔如磨損、腐蝕等〕相比危害性最大，可能出現(xiàn)災(zāi)難性的后果．因此，研究材料斷裂的宏觀與微觀特征、斷裂機(jī)理、斷裂的力學(xué)條件，以及影響材料斷裂的各種因素不僅具有重要的科學(xué)意義，而且也有很大的實(shí)用價(jià)值．

32一、斷裂的類(lèi)型及斷口特征〔一〕、分類(lèi)1、按照斷裂性態(tài)分：斷裂分為脆性斷裂與韌性斷裂；2、按照裂紋擴(kuò)展途徑分：穿晶斷裂和沿晶〔晶界〕斷裂；3、按照微觀斷裂機(jī)理分：解理斷裂和剪切斷裂；4、按作用力的性質(zhì)分:正斷和切斷斷口分析法：材料的斷裂外表稱(chēng)為斷口．用肉眼、放大鏡或電子顯微鏡等手段對(duì)材料斷口進(jìn)行宏觀及微觀的觀察分析，以了解材料發(fā)生斷裂的原因、條件、斷裂機(jī)理以及與斷裂有關(guān)的各種信息的方法，稱(chēng)為斷口分析法．?dāng)嗫诜治龇ㄔ谡{(diào)查機(jī)件斷裂失效的原因及材料科學(xué)研究中是十分重要的．33〔二〕關(guān)于各種斷裂1、韌性斷裂與脆性斷裂韌性斷裂：是材料斷裂前及斷裂過(guò)程中產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂過(guò)程．韌性斷裂的特點(diǎn)：〔1〕

韌性斷裂時(shí)一般裂紋擴(kuò)展過(guò)程較慢，而且要消耗大量塑性變形能．〔2〕

韌性斷裂的斷口用肉眼或放大鏡觀察時(shí)，往往呈暗灰色、纖維狀．〔3〕

不易造成重大事故，易被人覺(jué)察一些塑性較好的金屬材料及高分子材料在室溫下的靜拉伸斷裂具有典型的韌性斷裂特征．34脆性斷裂：是材料斷裂前根本上不產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，沒(méi)有明顯預(yù)兆，往往表現(xiàn)為突然發(fā)生的快速斷裂過(guò)程脆性斷裂的特點(diǎn)：〔1〕

因?yàn)闆](méi)有明顯的預(yù)兆，所以脆性斷裂具有很大的危險(xiǎn)性．〔2〕

脆性斷裂的斷口，與正應(yīng)力垂直，宏觀上比較齊平光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀．〔3〕

裂紋擴(kuò)展速度大，往往受到的應(yīng)力低于設(shè)計(jì)要求的許用應(yīng)力一般淬火鋼、灰鑄鐵、陶瓷、玻璃等脆性材料的斷裂過(guò)程的斷口常具有上述特征．352、穿晶斷裂與沿晶斷裂36穿晶斷裂可以是韌性斷裂，也可以是脆性斷裂；而沿晶斷裂那么多數(shù)為脆性斷裂．沿晶斷裂是晶界上的一薄層連續(xù)或不連續(xù)的脆性第二相、夾雜物等破壞了材料的連續(xù)性造成的，是晶界結(jié)合力較弱的一種表現(xiàn)．例如共價(jià)鍵陶瓷晶界較弱，斷裂方式主要是晶界斷裂．離子鍵晶體的斷裂往往具有以穿晶解理為主的特征．沿晶〔晶界〕斷裂的斷口形貌一般呈結(jié)晶狀．3、剪切斷裂與解理斷裂剪切斷裂與解理斷裂按不同的微觀斷裂方式，是材料斷裂的兩種重要微觀機(jī)理．〔1〕

剪切斷裂：剪切斷裂是材料在切應(yīng)力作用下沿滑移面滑移別離而造成的斷裂．單晶楔形：某些純金屬尤其是單晶體金屬可產(chǎn)生純剪切斷裂，其斷口呈鋒利的楔形，如低碳鋼拉伸斷口上的剪切唇．微孔聚集型斷裂：剪切斷裂的另一種形式為微孔聚集型斷裂，其斷口在宏觀上常呈現(xiàn)暗灰色、纖維狀，微觀斷口特征把戲那么是斷口上分布大量“韌窩”

3738〔2〕解理斷裂：在正應(yīng)力作用下，由于原子間結(jié)合鍵的破壞而引起的沿特定晶面發(fā)生的脆性穿晶斷裂一般為解理斷裂．這種晶面稱(chēng)為解理面解理裂紋的擴(kuò)展往往是沿著晶面指數(shù)相同的一族相互平行，但位于“不同高度”的晶面進(jìn)行的．不同高度的解理面之間存在臺(tái)階，眾多臺(tái)階的集合便形成河流把戲．39〔3〕準(zhǔn)解理斷裂準(zhǔn)解理斷裂常見(jiàn)于淬火回火鋼和貝氏體鋼中，宏觀上屬脆性斷裂．準(zhǔn)解理斷裂：由于回火后碳化物質(zhì)點(diǎn)的作用，當(dāng)裂紋在晶內(nèi)擴(kuò)展時(shí)，難以嚴(yán)格地沿一定晶面擴(kuò)展．其微觀形態(tài)特征，似解理河流但又非真正解理，故稱(chēng)為準(zhǔn)解理．準(zhǔn)解理與解理的不同點(diǎn)是：準(zhǔn)解理小平面不是晶體學(xué)解理面．真正解理裂紋常源于晶界，而準(zhǔn)解理裂紋那么常源于晶內(nèi)硬質(zhì)點(diǎn)，形成從晶內(nèi)某點(diǎn)發(fā)源的放射狀河流把戲．準(zhǔn)解理不是一種獨(dú)立的斷裂機(jī)理，而是解理斷裂的變種．4．高分子材料的斷裂高分子材料的斷裂從宏觀上考慮與金屬材料相同，也可分為脆性斷裂和韌性斷裂兩大類(lèi)．〔1〕

當(dāng)溫度小于玻璃態(tài)聚合物在玻璃轉(zhuǎn)變溫度T＜Tg時(shí),主要表現(xiàn)為脆性斷裂，〔2〕

當(dāng)T＞Tg時(shí),玻璃態(tài)聚合物以及通常使用的半晶態(tài)聚合物斷裂時(shí)伴隨有較大塑性變形，屬于韌性斷裂．40宏觀斷口:用肉眼或放大鏡觀察到的斷口形貌5.斷口分析

微觀斷口:借助于掃描電鏡或其它分析手段來(lái)研究的斷口形貌41第二章材料在其他靜載下的力學(xué)性能

一、概述

機(jī)器零件或建筑結(jié)構(gòu)實(shí)際上往往承受不同形式和大小的外力，其內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)一般也是十分復(fù)雜的，僅采用單向靜拉伸那樣的力學(xué)性能試驗(yàn)，并不能完全反映材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下所表現(xiàn)的彈性變形、塑性變形以及斷裂行為等性能特點(diǎn)．在實(shí)際生產(chǎn)和材料研究過(guò)程中，為充分揭示材料的力學(xué)行為和性能特點(diǎn)，還常常采用模擬材料在實(shí)際應(yīng)用時(shí)承受扭轉(zhuǎn)、彎曲、壓縮以及帶有臺(tái)階、孔洞、螺紋等情況下的拉伸等不同加載方式的試驗(yàn)方法，以充分反映材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為和性能特點(diǎn)，為合理選材和設(shè)計(jì)提供充分的試驗(yàn)依據(jù)．二、分類(lèi)

1、

靜扭轉(zhuǎn)及其性能指標(biāo)2、

靜彎曲及其性能指標(biāo)3、

靜壓縮及其性能指標(biāo)4、

缺口試樣靜載力學(xué)性能5、

硬度試驗(yàn)只講硬度試驗(yàn)，其它的內(nèi)容不講

42第一節(jié)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)

對(duì)材料的單向靜拉伸試驗(yàn)的分析研究說(shuō)明，材料的塑性變形和斷裂方式主要與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)．正應(yīng)力容易導(dǎo)致脆性的解理斷裂，切應(yīng)力容易導(dǎo)致材料的塑性變形和韌性斷裂，而實(shí)際應(yīng)用中的材料，其變形和斷裂方式主要決定于承載條件下的應(yīng)力狀態(tài)．材料力學(xué)說(shuō)明，任何的復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)都可用三個(gè)主應(yīng)力σ1、σ2、σ3來(lái)表示，其中，σ1＞σ2＞σ3，根據(jù)三個(gè)主應(yīng)力可計(jì)算出最大切應(yīng)力τmax和最大正應(yīng)力σmax那么有：

稱(chēng)α為應(yīng)力狀態(tài)柔性系數(shù)，α越大，最大切應(yīng)力分量越大，表示應(yīng)力狀態(tài)越軟，材料越易于產(chǎn)生塑性變形．反之，α越小，表示應(yīng)力狀態(tài)越硬，那么材料越容易產(chǎn)生脆性斷裂．不同的靜載試驗(yàn)方法，具有不同的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)．見(jiàn)表2－1。4344第二節(jié)硬度一、硬度試驗(yàn)的意義硬度是衡量材料軟硬程度的一種力學(xué)性能．硬度試驗(yàn)與靜拉伸試驗(yàn)一樣也是一種應(yīng)用十分廣泛的力學(xué)性能試驗(yàn)方法．硬度試驗(yàn)方法有十幾種，按加載方式根本上可分為動(dòng)載壓人法：超聲波硬度、肖氏硬度和錘擊式布氏硬度壓人法靜載壓人法：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度硬度和顯微硬刻劃法：莫氏硬度順序法和挫刀法

硬度值的物理意義隨試驗(yàn)方法的不同，其含義不同．壓人法的硬度值是材料外表抵抗另一物體局部壓入時(shí)所引起的塑性變形能力刻劃法硬度值表征材料外表對(duì)局部切斷破壞的抗力．壓力法硬度試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)最“軟”〔a＞2〕，最大切應(yīng)力遠(yuǎn)大于最大正應(yīng)力．所以，在此應(yīng)力狀態(tài)下幾乎所有材料都會(huì)產(chǎn)生塑性變形．45二、硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)1．硬度試驗(yàn)所用設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便快捷；2．不受場(chǎng)地條件等限制；3．根本上不破壞工件，可在成品上直接檢驗(yàn)故被廣泛用來(lái)檢驗(yàn)經(jīng)熱處理的工件質(zhì)量和進(jìn)行材料研究．三、硬度試驗(yàn)方法1、布氏硬度〔HB〕〔1〕

測(cè)定原理：用一定大小的載荷(F)將淬火鋼球壓入工件外表，保持一定的時(shí)間后卸載，然后用載荷〔F〕除以壓痕的外表積〔S〕所得的值為布氏硬度，即：46〔2〕壓痕相似性原理：φ角相同時(shí)，只需要F/D2為一定值，就能使大小、薄厚不同的同一材料獲得相同的布氏硬度值，這就是壓痕相似性原理〔3〕、布氏硬度的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：壓痕面積較大，其硬度值能反映材料在較大區(qū)域內(nèi)各組成相的平均性能，試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。缺點(diǎn)：因壓痕直徑較大，一般不宜在成品件上直接進(jìn)行檢驗(yàn)；對(duì)硬度不同的材料需要更換壓頭直徑D和載荷F，同時(shí)壓痕直徑的測(cè)量也比較麻煩，需查表計(jì)算。

472．洛氏硬度〔HR〕〔1〕測(cè)試原理洛氏硬度也是一種壓人硬度試驗(yàn)方法，其原理不是通過(guò)測(cè)壓痕面積求得硬度值，而是以測(cè)量壓痕深度值的大小來(lái)表示材料的硬度值．洛氏硬度試驗(yàn)所用的壓頭為圓錐角α為1200的金剛石圓錐或直徑為1．588㎜3．157㎜的淬火鋼球．載荷分先后兩次施加，先加初載荷F1；，再加主載荷F2，其總載荷為F〔F＝F1＋F2〕。

1-1加初載F12-2F=F1+F23-3F=F1

2-2F=F1+F21－1加初載F13-3F=F148那么為洛氏硬度值，可直接從表盤(pán)上快速讀出數(shù)據(jù)。49〔2〕洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：A.操作簡(jiǎn)便迅速；壓痕小，可對(duì)工件直接進(jìn)行檢驗(yàn)；B.采用不同標(biāo)尺，可測(cè)定各種軟硬不同和薄厚不一試樣的硬度．缺點(diǎn)：A.因壓痕較小，代表性差；尤其是材料中的偏析及組織不均勻等情況，使所測(cè)硬度值的重復(fù)性差、分散度大；B.用不同標(biāo)尺測(cè)得的硬度值既不能直接進(jìn)行比較，又不能彼此互換．

C.預(yù)先載荷,可消除不平的影響

3．維氏硬度〔HV〕與顯微硬度〔HM〕布氏硬度試驗(yàn)只能測(cè)定硬度值小于450HB〔或650〕的材料．洛氏硬度雖可測(cè)定各種材料的硬度，但由于在不同的硬度范圍所使用的標(biāo)尺不同，所測(cè)硬度值不能直接換算．因此為了使軟硬不同的各種材料有一個(gè)連續(xù)一致的硬度指標(biāo)，制定了維氏硬度試驗(yàn)法．〔1〕

維氏硬度的測(cè)試原理與布氏硬度根本相似，也是根據(jù)壓痕單位面積所承受的載荷來(lái)計(jì)算硬度值的．所不同的是維氏硬度試驗(yàn)所用的壓頭是兩相對(duì)面夾角為1360的金剛石四棱錐體．

50〔2〕優(yōu)點(diǎn)：A.精確可靠B.載荷任選C.硬度可同一缺點(diǎn)：A.方法麻煩B.工作效率低C.代表性差51第三章材料的沖擊韌性及低溫脆性概述在實(shí)際的生產(chǎn)中很多機(jī)件和工具、模具受沖擊載荷的作用，如火箭的發(fā)射、飛機(jī)的起飛和降落、行駛的汽車(chē)通過(guò)道路上的凹坑，及材料的壓力加工〔鍛造、沖裁、模鍛〕等．為了評(píng)定材料承受沖擊載荷的能力，揭示材料在沖擊載荷下的力學(xué)行為，就需要進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能試驗(yàn)(包括前面講到的)．本章主要介紹材料在沖擊載荷下的力學(xué)行為和性能特點(diǎn)以及金屬材料的低溫脆性．

第一節(jié)沖擊彎曲試驗(yàn)與沖擊韌性一、沖擊彎曲試驗(yàn)1．一次沖擊彎曲試驗(yàn)

5253缺口試樣一次沖擊彎曲試驗(yàn)原理如圖3－1正所示．試驗(yàn)在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，將試樣水平放置于試驗(yàn)機(jī)支座上，缺口位于沖擊相背方向．沖擊時(shí)將具有一定質(zhì)量G的擺錘舉至具有一定高度H1的位置，使其獲得一定位能GH1；釋放擺錘沖斷試樣后擺錘的剩余能量為GH2，那么擺錘沖斷試樣失去的位能約為GH1－GH2，此能量即為試樣變形和斷裂所吸收的功，稱(chēng)為沖擊吸收功，以Ak表示，單位為焦耳〔J〕．即Ak＝GH1－GH2〔J〕沖擊功Akak=Ak/FN〔J/cm2〕FN---缺口處試樣的面積稱(chēng)ak為沖擊韌性，它代表一種材料的韌性的好壞。具體的試驗(yàn)與方法及操作標(biāo)準(zhǔn)可參考GB229—84和GB2106—80．測(cè)量陶瓷、鑄鐵或工具鋼等脆性材料的沖擊吸收功時(shí)，常采用10㎜X10㎜X55㎜的無(wú)缺口沖擊試樣542．小能量屢次沖擊試驗(yàn)小能量屢次沖擊：大量實(shí)踐說(shuō)明，即使那些通常認(rèn)為承受劇烈沖擊載荷的機(jī)件，也很少有只經(jīng)受一次或幾次沖擊就斷裂的．實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，當(dāng)試樣破壞前承受的沖擊次數(shù)少于500～1000次，試樣斷系的規(guī)律與一次沖擊相同；當(dāng)沖擊次數(shù)N＞105時(shí)，破壞后具有典型的疲勞斷口特性，它是各次沖擊損傷積累的結(jié)果，根本不同于一次沖擊破壞的過(guò)程，所以多沖抗力不能用Ak值簡(jiǎn)單代替．屢次沖擊試驗(yàn)在落錘式屢次沖擊試驗(yàn)機(jī)PC150上進(jìn)行的，沖擊頻率為450周次／min和600周次／min．沖擊能量靠沖程調(diào)節(jié)而變換,可做多沖彎曲、拉伸和壓縮試驗(yàn)．試驗(yàn)后可繪制出沖擊功A---沖斷次數(shù)N曲線，如圖3－4所示．5556從A—N多沖曲線不難看出，隨著沖擊功A的減少，沖斷次數(shù)N增加．二、沖擊韌性及其工程意義1、一次沖擊韌性指標(biāo)ak長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直將ak視為材料抵抗沖擊載荷作用的力學(xué)性能指標(biāo)，用來(lái)評(píng)定材料的韌脆程度，作為保證機(jī)件平安設(shè)計(jì)的指標(biāo)．一次沖擊彎曲試驗(yàn)主要有以下幾方面用途．〔1〕

它能反映出原始材料的冶金質(zhì)量和熱加工產(chǎn)品的質(zhì)量．通過(guò)測(cè)量ak值和對(duì)沖斷試樣的斷口分析，可揭示原材料中的氣孔、夾雜、偏析、嚴(yán)重分層和夾雜物超標(biāo)等冶金缺陷；還可檢查過(guò)熱、過(guò)燒、回火脆性等鍛造或熱處理缺陷．〔2〕

測(cè)定材料的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度．根據(jù)系列沖擊試驗(yàn)〔低溫沖擊試驗(yàn)〕可獲得ak與溫度的關(guān)系曲線，據(jù)此確定材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，以供選材參考或抗脆斷設(shè)計(jì)．

(3)對(duì)屈服強(qiáng)度大致相同的材料,根據(jù)Ak值可以評(píng)定材料對(duì)大能量沖擊破壞的缺口敏感性(4)對(duì)某些在特殊條件下服役的零件,具有參考價(jià)值.(5)評(píng)定低合金高強(qiáng)度鋼及其焊縫金屬的應(yīng)變時(shí)效敏感性.

572．屢次沖擊〔1〕當(dāng)沖擊功A高時(shí)〔o點(diǎn)左側(cè)〕，材料的多沖抗力N主要取決于材料的韌性和塑性；當(dāng)沖擊功A低時(shí)，材料的多沖抗力N主要取決于材料的強(qiáng)度〔如以下圖〕

N材料1AAk２Ak1材料2O58(2)不同的沖擊能量要求不同的強(qiáng)度與塑性配合．圖3－6為40鋼強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性及不同能量下的沖斷次數(shù)與回火溫度的關(guān)系．由圖可見(jiàn)，40鋼的沖擊疲勞抗力隨回火溫度的變化不是單調(diào)的變化，而是在溫度下有一個(gè)峰值，且此峰值隨沖擊能量增加向高溫方向移動(dòng)．這說(shuō)明不同沖擊能量下，要求的強(qiáng)度與塑性配合不同．例如鍛錘錘桿，原用45Cr鋼油淬，650℃回火，ak值高，強(qiáng)度低，使用過(guò)程中常易折斷，壽命低．根據(jù)多沖疲勞抗力變化規(guī)律，改用鹽水淬火加中溫回火，強(qiáng)度提高，ak值降低，使用壽命明顯提高．

59〔3〕ak值對(duì)沖擊疲勞抗力的影響材料強(qiáng)度不同對(duì)沖擊疲勞抗力的影響不同．高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的塑性和沖擊韌性對(duì)提高沖擊疲勞抗力有較大作用；而中、低強(qiáng)度鋼的塑性和沖擊韌性對(duì)提高沖擊疲勞抗力作用不大．見(jiàn)圖3－7．60第二節(jié)低溫脆性一、系列沖擊實(shí)驗(yàn)與低溫脆性1、系列沖擊實(shí)驗(yàn)：對(duì)某些材料分別在低溫、室溫和高溫下進(jìn)行一系列沖擊試驗(yàn)，得到一系列沖擊值A(chǔ)k〔或ak〕，將這些沖擊值與所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)溫度在直角坐標(biāo)系中作圖，然后用光滑曲線將這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)連接起來(lái)，可以得到這種材料沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線，即AK—t或aK—t曲線，稱(chēng)為系列沖擊曲線，這種沖擊試驗(yàn)稱(chēng)為系列沖擊試驗(yàn)。系列沖擊試驗(yàn)可以評(píng)定材料的低溫脆性、藍(lán)脆和重結(jié)晶脆性等，而這些脆性是材料使用中力圖避兔出現(xiàn)的，因此系列沖擊試驗(yàn)有一定的實(shí)用意義2、低溫脆性：系列沖擊實(shí)驗(yàn)證明，體心立方金屬及合金或某些密排六方晶體金屬及合金，尤其是工程上常用的中、低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，當(dāng)試驗(yàn)溫度低于某一溫度tk時(shí)，材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機(jī)理由微孔聚集變?yōu)榇┚Ы饫?，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀，這就是低溫脆性．轉(zhuǎn)變溫度tk稱(chēng)為韌脆轉(zhuǎn)變溫度或冷脆轉(zhuǎn)變溫度．面心立方金屬及合金一般沒(méi)有低溫脆性現(xiàn)象

61二、韌脆轉(zhuǎn)化溫度及其評(píng)價(jià)方法〔1〕當(dāng)?shù)陀谀骋粶囟炔牧衔盏臎_擊能量根本不隨溫度而變化，形成一平臺(tái)，該能量稱(chēng)為“低階能”．以低階能開(kāi)始上升的溫度定義tk，并記為NDT〔2〕高于某一溫度材料吸收的能量也根本不變，形成一個(gè)上平臺(tái)，稱(chēng)為“高階能”．以高階能對(duì)應(yīng)的溫度為tk，記為FTP?！?〕以低階能和高階能平均值對(duì)應(yīng)的溫度定義，并記為FTE〔4〕沖擊試樣沖斷后，其斷口形貌如圖3－10圖所示．如同拉伸試驗(yàn)一樣，沖擊試樣斷口也有纖維區(qū)、放射區(qū)〔結(jié)晶區(qū)〕和剪切唇幾局部，但在不同試驗(yàn)溫度下，3個(gè)區(qū)之間的相對(duì)面積是不同的．通常取結(jié)晶區(qū)面積占整個(gè)斷口面積50％時(shí)的溫度為tk，并記為50％FATT。62三、材料低溫脆性的影響因素1．晶體結(jié)構(gòu)的影響體心立方金屬及其合金存在低溫脆性，面心立方金屬及其合金一般不存在低溫脆性．體心立方金屬的低溫脆性可能和遲屈服現(xiàn)象有密切關(guān)系．所謂遲屈服是指當(dāng)用高于材料屈服極限的載荷以高加載速度作用于體心立方結(jié)構(gòu)材料時(shí)，瞬間并不屈服，需在該應(yīng)力下保持一定時(shí)間后才發(fā)生屈服．且溫度越低，持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，這就為裂紋的發(fā)生和傳播造成有利條件．中、低強(qiáng)度鋼的基體是體心立方結(jié)構(gòu)的鐵素體，都有明顯的低溫脆性．2．化學(xué)成分的影響間隙溶質(zhì)元素含量增加，高階能下降，韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高.3．顯微組織的影響〔1〕晶粒大?。杭?xì)化晶?？墒共牧享g性增加．〔2〕金相組織：在較低強(qiáng)度水平，強(qiáng)度相同而組織不同的鋼，其沖擊吸收功和韌脆轉(zhuǎn)變溫度以回火索氏體最正確，貝氏體回火組織次之，片狀珠光體組織最差．此外，球化處理能改善鋼的韌性．4．溫度的影響63碳鋼和某些合金鋼在沖擊載荷或靜載荷作用下，在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)脆性。因?yàn)樵谠摐囟确秶鷥?nèi)加熱鋼時(shí)，外表氧化色為藍(lán)色，故此現(xiàn)象稱(chēng)為藍(lán)脆，但二者的藍(lán)脆溫度范圍不同在靜拉伸時(shí)，藍(lán)脆的溫度范圍為230～370℃；在沖擊載荷作用下，藍(lán)脆最嚴(yán)重的溫度范圍為525～550℃。

5．加載速率的影響提高加載速率如同降低溫度，使材料脆性增大，韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高．加載速率對(duì)鋼脆性的影響與鋼的強(qiáng)度水平有關(guān)．一般，中、低強(qiáng)度鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度對(duì)加載速率比較敏感，而高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度那么對(duì)加載速率的敏感性較?。?.試樣形狀和尺寸的影響缺口曲率半徑越小,tk越高,因此,V型缺口試樣的tk高于U型試樣的tk.具體的方法:(1)降低鋼中的碳、磷含量，細(xì)化晶粒，熱處理成低碳馬氏體回火索氏體，可提高高階能；〔２〕增加鋼中碳、磷、氧含量，Ｓi、Al含量超過(guò)一定值以及應(yīng)變時(shí)效等，降低高階能；〔３〕鋼中碳、磷、氧、氫含量高，硅、鋁含量超過(guò)一定值，晶粒粗大，形成上貝氏體以及應(yīng)變時(shí)效，均提高韌脆轉(zhuǎn)化溫度；〔４〕增加鎳含量，細(xì)化晶粒，形成低碳馬氏體和回火索氏體，消除回火脆性等，將降低韌脆轉(zhuǎn)化溫度；〔５〕增加鋼中鎳、銅含量，有利于提上下階能。64第四章材料的斷裂韌性概述傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和標(biāo)準(zhǔn)是把材料和構(gòu)件作為連續(xù)、均勻和各向同性的受載物體，進(jìn)行力學(xué)分析，確定危險(xiǎn)面的應(yīng)力和應(yīng)變，考慮平安系數(shù)后，對(duì)材料提出相應(yīng)的強(qiáng)度、塑性和韌度的要求，如σ＜σs/n，n為平安系數(shù)，防止斷裂和其他失效形式的發(fā)生.但是，隨著現(xiàn)代生產(chǎn)的開(kāi)展，新工藝、新材料的廣泛采用，結(jié)構(gòu)在超高溫、超高壓、超高速等極限條件下服役，以及大型結(jié)構(gòu)的日益增多，用傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了很多斷裂事故，如高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼的機(jī)件，中、低強(qiáng)度鋼的大型機(jī)件常常在工作應(yīng)力并不高，甚至遠(yuǎn)低于屈服極限〔σs〕的情況下，發(fā)生脆性斷裂現(xiàn)象，這就是所謂的低應(yīng)力脆斷．大量斷裂事例說(shuō)明，低應(yīng)力脆斷是由于宏觀裂紋的存在引起的．但裂紋的存在是很難防止的，它可以在材料的生產(chǎn)和機(jī)件的加工過(guò)程中產(chǎn)生，如冶金缺陷、鍛造裂紋、焊接裂紋、淬火裂紋、機(jī)加工裂紋等，也可以在使用過(guò)程中產(chǎn)生，如疲勞裂紋、腐蝕裂紋等．裂紋破壞了材料和構(gòu)件的連續(xù)性和均勻性，使得傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法無(wú)法定量計(jì)算裂紋體的應(yīng)力和應(yīng)變．經(jīng)典的強(qiáng)度理論是在不考慮裂紋的萌生和擴(kuò)展的條件下進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算的，認(rèn)為斷裂是瞬時(shí)發(fā)生的．然而實(shí)際上無(wú)論哪種斷裂都有裂紋萌生、擴(kuò)展直至斷裂的過(guò)程.因此,裂紋在很大程度上決定于裂紋萌生的抗力和擴(kuò)張力,而不是決定于斷面尺寸計(jì)算的名義65

應(yīng)力和斷裂應(yīng)變.斷裂力學(xué)正是在這種背景下開(kāi)展起來(lái)的一門(mén)新興斷裂強(qiáng)度科學(xué)．1922年Griffith首先在強(qiáng)度與裂紋尺度間建立了定量關(guān)系.1948年Irwin發(fā)表了經(jīng)典性論文《FractureDynamics》，標(biāo)志著斷裂力學(xué)成為了一門(mén)獨(dú)立的工程邊緣學(xué)科.1968年，Rice提出了J積分，Hutchinson證明J積分可以用來(lái)描述彈塑性體中裂紋的擴(kuò)展.斷裂力學(xué)研究裂紋尖端的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變能的分布情況，建立了描述裂紋擴(kuò)展的新的力學(xué)參量、斷裂判據(jù)和對(duì)應(yīng)的材料力學(xué)性能指標(biāo)——斷裂韌度，以此對(duì)機(jī)件進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核。

第一節(jié)線彈性條件下的斷裂韌性線彈性斷裂力學(xué)認(rèn)為在脆性斷裂過(guò)程中，裂紋體各局部的應(yīng)力和應(yīng)變處于線彈性階段，只有裂紋尖端極小區(qū)域處于塑性變形階段．處理問(wèn)題有兩種方法：一種是應(yīng)力應(yīng)變分析方法，研究裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，提出應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子及對(duì)應(yīng)的斷裂韌度和K判據(jù)；另一種是能量分析方法，研究裂紋擴(kuò)展時(shí)系統(tǒng)能量的變化，提出能量釋放率及對(duì)應(yīng)的斷裂韌度和G判據(jù)．一、裂紋擴(kuò)展的根本方式根據(jù)外加應(yīng)力的類(lèi)型及其與裂紋擴(kuò)展面的取向關(guān)系，裂紋擴(kuò)展的根本方式有3種，如圖4－1所示．661.張開(kāi)型〔Ⅰ型〕裂紋擴(kuò)展拉應(yīng)力垂直作用于裂紋面，裂紋沿作用力方向張開(kāi)，沿裂紋面擴(kuò)展．例如，容器縱向裂紋在內(nèi)應(yīng)力作用下的擴(kuò)展．2．滑開(kāi)型〔Ⅱ型〕裂紋擴(kuò)展切應(yīng)力平行作用于裂紋面，并且與裂紋前沿線垂直，裂紋沿裂紋面平行滑開(kāi)擴(kuò)展．例如，花鍵根部裂紋沿切應(yīng)力方向的擴(kuò)展．3．撕開(kāi)型〔Ⅲ型〕裂紋擴(kuò)展切應(yīng)力平行作用于裂紋面，并且與裂紋線平行，裂紋沿裂紋面撕開(kāi)擴(kuò)展．例如，軸類(lèi)零件的橫裂紋在扭矩作用下的擴(kuò)展．67實(shí)際裂紋的擴(kuò)展過(guò)程并不局限于這3種形式，往往是它們的組合，在這些裂紋的不同擴(kuò)展形式中，以Ⅰ型裂紋擴(kuò)展最危險(xiǎn)，最容易引起脆性斷裂．所以，在研究裂紋體的脆性斷裂問(wèn)題時(shí)，總是以這種裂紋為對(duì)象．二、裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI設(shè)有一承受均勻拉應(yīng)力的無(wú)限寬板，含有長(zhǎng)為2a的I型穿透裂紋，如圖4－2所示，其尖端附近〔r,θ〕處應(yīng)力、應(yīng)變和位移分量可以近似地表達(dá)如下．應(yīng)力分量為:6869從公式各項(xiàng)中發(fā)現(xiàn)，都存在一個(gè)KI,且，〔所設(shè)定條件〕一般表達(dá)式，Y為形狀因子裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KIc原始裂紋尺寸〔a〕和所受的應(yīng)力〔σ〕越大，KI值也就越大，，那么該點(diǎn)各應(yīng)力、應(yīng)變和位移分量之值愈高，因此，KI反映了裂紋尖端區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)度，故稱(chēng)之為應(yīng)力強(qiáng)度因子，它綜合反映了外加應(yīng)力和裂紋位置、長(zhǎng)度對(duì)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的影響，其一般表達(dá)式為上式:三、斷裂韌度KIc及斷裂K判據(jù)1、斷裂韌度KIc當(dāng)應(yīng)力或裂紋尺寸a增大到臨界值時(shí)，也就是在裂紋尖端足夠大的范圍內(nèi)，應(yīng)力到達(dá)了材料的斷裂強(qiáng)度，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致材料的斷裂，這時(shí)KI也到達(dá)了一個(gè)臨界值，這個(gè)臨界或失穩(wěn)狀態(tài)的KI記為KIc或Kc，稱(chēng)之為斷裂韌度.一種材料，假設(shè)KIc越大，那么材料斷裂時(shí)所需的應(yīng)力或裂紋尺寸就越大，說(shuō)明材料越難斷裂，所以，KIc和Kc表示材料抵抗斷裂的能力．70

一般把平面應(yīng)變的應(yīng)力條件下，裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的臨界值叫做斷裂韌性，表示材料在平面應(yīng)變狀態(tài)下抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力；而Kc為平面應(yīng)力應(yīng)力條件下的斷裂韌度.1、KIc和KI的區(qū)別KIc和K1是兩個(gè)不同的概念，