材料的斷裂(1)

1、.第四章第四章 材料的斷裂材料的斷裂 4.1 斷裂分類與宏觀斷口特征斷裂分類與宏觀斷口特征 4.2 斷裂強度斷裂強度 4.3 脆性斷裂脆性斷裂 4.4 韌性斷裂韌性斷裂 4.6 缺口效應(yīng)缺口效應(yīng) 4.7 材料的低溫脆性材料的低溫脆性. 斷裂是材料的一種十分復(fù)雜的行為，斷裂是材料的一種十分復(fù)雜的行為，不僅出現(xiàn)在高應(yīng)力不僅出現(xiàn)在高應(yīng)力和高應(yīng)變條件下，也發(fā)生在低應(yīng)力和無明顯塑性變形條和高應(yīng)變條件下，也發(fā)生在低應(yīng)力和無明顯塑性變形條件下，所以件下，所以在不同的力學(xué)、物理和化學(xué)環(huán)境下，會有不在不同的力學(xué)、物理和化學(xué)環(huán)境下，會有不同的斷裂形式，如靜載斷裂、沖擊斷裂、冷脆斷裂、疲同的斷裂形式，如靜載斷裂、沖

2、擊斷裂、冷脆斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂和氫脆斷裂。勞斷裂、蠕變斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂和氫脆斷裂。 研究斷裂的主要目的是防止斷裂，以保證構(gòu)件在服役過研究斷裂的主要目的是防止斷裂，以保證構(gòu)件在服役過程中的安全。程中的安全。機械和工程構(gòu)件三種主要機械和工程構(gòu)件三種主要失效形式失效形式：磨損、腐蝕、斷裂：磨損、腐蝕、斷裂前 言.4.1 4.1 斷裂分類與宏觀斷口特征斷裂分類與宏觀斷口特征 一、斷裂一、斷裂(fracture)分類分類u根據(jù)斷裂前塑性變形大小分類：脆性斷裂；韌性斷裂根據(jù)斷裂前塑性變形大小分類：脆性斷裂；韌性斷裂u根據(jù)裂紋擴展的途徑分類：根據(jù)裂紋擴展的途徑分類： 穿晶斷裂；沿晶斷裂

3、穿晶斷裂；沿晶斷裂u根據(jù)斷裂機理分類：解理斷裂；微孔聚集型斷裂；純根據(jù)斷裂機理分類：解理斷裂；微孔聚集型斷裂；純剪切斷裂剪切斷裂u根據(jù)斷裂面的取向分類：根據(jù)斷裂面的取向分類： 正斷；切斷正斷；切斷u實際斷裂很復(fù)雜，常不是單一機制，而是多種機制的實際斷裂很復(fù)雜，常不是單一機制，而是多種機制的混合斷裂?；旌蠑嗔?。.u 韌性斷裂與脆性斷裂韌性斷裂與脆性斷裂韌性斷裂：斷裂前有明顯宏觀塑性變形，斷裂是一韌性斷裂：斷裂前有明顯宏觀塑性變形，斷裂是一個緩慢撕裂過程，裂紋擴展過程中，不斷消耗能量；個緩慢撕裂過程，裂紋擴展過程中，不斷消耗能量；脆性斷裂：斷裂前不發(fā)生明顯塑性變形，無明顯征脆性斷裂：斷裂前不發(fā)生明

4、顯塑性變形，無明顯征兆，危害性大。兆，危害性大。實際上，金屬的脆性斷裂與韌性斷裂并無明顯的界實際上，金屬的脆性斷裂與韌性斷裂并無明顯的界限，一般規(guī)定，斷面收縮率小于限，一般規(guī)定，斷面收縮率小于5者為脆性斷裂，者為脆性斷裂，大于大于5者，為韌性材料。者，為韌性材料。.u穿晶斷裂與沿晶斷裂穿晶斷裂與沿晶斷裂穿晶斷裂：裂紋穿過晶內(nèi)（韌斷穿晶斷裂：裂紋穿過晶內(nèi)（韌斷或脆斷）或脆斷）沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴展（多沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴展（多為脆斷）為脆斷）沿晶斷裂產(chǎn)生原因：沿晶斷裂產(chǎn)生原因： 晶界上的一薄層連續(xù)或不連續(xù)脆晶界上的一薄層連續(xù)或不連續(xù)脆性第二相、夾雜物破壞了晶界的連性第二相、夾雜物破壞了晶界的

5、連續(xù)性；或雜質(zhì)元素向晶界偏聚引起。續(xù)性；或雜質(zhì)元素向晶界偏聚引起。. 剪切斷裂：在切應(yīng)力作用下沿剪切斷裂：在切應(yīng)力作用下沿滑移面滑移面分離而造成的滑分離而造成的滑移面分離斷裂。移面分離斷裂。純剪切斷裂：完全由滑移流變造成斷裂（如純金屬尤純剪切斷裂：完全由滑移流變造成斷裂（如純金屬尤其是單晶體）；其是單晶體）；微孔聚集型斷裂：通過微孔形核、長大聚合而導(dǎo)致分微孔聚集型斷裂：通過微孔形核、長大聚合而導(dǎo)致分離（如常用金屬材料）離（如常用金屬材料） 解理斷裂：金屬材料在一定條件下（如低溫等），當解理斷裂：金屬材料在一定條件下（如低溫等），當外加正應(yīng)力達到一定數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體外加正應(yīng)力達到一定

6、數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學(xué)平面（學(xué)平面（解理面解理面）產(chǎn)生的）產(chǎn)生的穿晶斷裂穿晶斷裂脆斷。脆斷。 解理斷裂常見于解理斷裂常見于bcc和和hcp金屬中。金屬中。 解理面一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶面，如解理面一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶面，如bcc金屬的金屬的解理面為解理面為(100) 。u純剪切斷裂與微孔聚集型斷裂、解理斷裂純剪切斷裂與微孔聚集型斷裂、解理斷裂. 正斷：斷口與最大正應(yīng)力相垂直；正斷：斷口與最大正應(yīng)力相垂直； 切斷：宏觀斷口的取向與最大切應(yīng)力方向平行。切斷：宏觀斷口的取向與最大切應(yīng)力方向平行。 注意：正斷不一定就是脆性斷裂，正斷也可以有注意：正斷不一定就是脆性斷裂，正

7、斷也可以有明顯的塑性變形。而切斷一定是韌性斷裂。明顯的塑性變形。而切斷一定是韌性斷裂。u正斷與切斷正斷與切斷.二、斷口的宏觀特征二、斷口的宏觀特征 宏觀斷口：肉眼或宏觀斷口：肉眼或20倍以下的放大鏡觀察的斷口；倍以下的放大鏡觀察的斷口； 微觀斷口：用光學(xué)顯微鏡或掃描電鏡觀察的斷口。微觀斷口：用光學(xué)顯微鏡或掃描電鏡觀察的斷口。宏觀韌性斷口（拉伸試樣）宏觀韌性斷口（拉伸試樣）材料斷裂的實際情況往往比較復(fù)雜，宏觀斷裂形態(tài)不一定與微材料斷裂的實際情況往往比較復(fù)雜，宏觀斷裂形態(tài)不一定與微觀斷口特征完全相符。因此，宏觀上的韌、脆斷裂不能與微觀上觀斷口特征完全相符。因此，宏觀上的韌、脆斷裂不能與微觀上的韌、

8、脆斷裂機理混為一談。的韌、脆斷裂機理混為一談。宏觀脆性斷口宏觀脆性斷口.纖維區(qū)：在試樣的中心位置，裂紋纖維區(qū)：在試樣的中心位置，裂紋首先在該區(qū)形成，該區(qū)顏色灰暗，首先在該區(qū)形成，該區(qū)顏色灰暗，表面有較大的表面有較大的起伏起伏，裂紋在該區(qū)擴，裂紋在該區(qū)擴展時伴有較大的塑性變形，裂紋擴展時伴有較大的塑性變形，裂紋擴展也較慢；展也較慢；剪切唇：接近試樣邊緣時，應(yīng)力狀態(tài)改變了剪切唇：接近試樣邊緣時，應(yīng)力狀態(tài)改變了(平平面應(yīng)力狀態(tài)面應(yīng)力狀態(tài))，最后沿著與拉力軸向成，最后沿著與拉力軸向成45剪切剪切斷裂，表面光滑。斷裂，表面光滑。放射區(qū)：表面較光亮平坦，有較細放放射區(qū)：表面較光亮平坦，有較細放射狀條紋，裂

9、紋在該區(qū)擴展較快；射狀條紋，裂紋在該區(qū)擴展較快；斷口特征三要素：斷口特征三要素： 纖維區(qū)纖維區(qū)F、放射區(qū)、放射區(qū)R、剪切唇、剪切唇S.杯錐狀斷口的形成：杯錐狀斷口的形成：a. 頸縮導(dǎo)致三向應(yīng)力，塑變難以進行，頸頸縮導(dǎo)致三向應(yīng)力，塑變難以進行，頸部中心真應(yīng)力部中心真應(yīng)力S；b. 試樣中心部位夾雜等第二相粒子破碎或試樣中心部位夾雜等第二相粒子破碎或質(zhì)點等與基體分離；質(zhì)點等與基體分離；c. 微孔長大形成顯微裂紋，早期顯微裂紋微孔長大形成顯微裂紋，早期顯微裂紋端部有較大塑性變形；端部有較大塑性變形；d. 剪切變形帶與橫向裂紋在帶內(nèi)形成長大，剪切變形帶與橫向裂紋在帶內(nèi)形成長大，與其他裂紋連接成鋸齒狀纖維

10、區(qū)與其他裂紋連接成鋸齒狀纖維區(qū);e. 邊緣剪切斷裂。邊緣剪切斷裂。.放射區(qū)較大，材料的塑性低。脆性斷口纖維區(qū)很小，放射區(qū)較大，材料的塑性低。脆性斷口纖維區(qū)很小，幾乎無剪切唇。塑性好的材料，纖維區(qū)和剪切唇占很幾乎無剪切唇。塑性好的材料，纖維區(qū)和剪切唇占很大比例，甚至中間的放射區(qū)可以消失。大比例，甚至中間的放射區(qū)可以消失。影響斷口三區(qū)域的形態(tài)、大小和相對位置與試樣影響斷口三區(qū)域的形態(tài)、大小和相對位置與試樣形狀、尺寸和材料的性能、試驗溫度、加載速率和形狀、尺寸和材料的性能、試驗溫度、加載速率和應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。試樣塑性的好壞由三個區(qū)域的比例而定：試樣塑性的好壞由三個區(qū)域的比例而定：板狀試樣

11、板狀試樣.4.2 4.2 斷裂強度斷裂強度一、晶體的理論斷裂強度一、晶體的理論斷裂強度原子間距隨應(yīng)力的增加而原子間距隨應(yīng)力的增加而增大，在某點處，應(yīng)力克服增大，在某點處，應(yīng)力克服了原子之間的作用力，達到了原子之間的作用力，達到一個最大值，這一最大值即一個最大值，這一最大值即為理論斷裂強度為理論斷裂強度m 。從原子間的結(jié)合力入手，從原子間的結(jié)合力入手，當克服了原子間的結(jié)合力，當克服了原子間的結(jié)合力，材料斷裂。材料斷裂。.式中式中E為彈性模量；為彈性模量；a0為原子間的平衡距離。為原子間的平衡距離。=msin(2x/) =m(2x/) =E=Ex/a0m=E/2a0如果在彈性狀態(tài)下晶體被破壞，位移

12、如果在彈性狀態(tài)下晶體被破壞，位移x很小，則很小，則根據(jù)虎克定律，在彈性狀態(tài)下：根據(jù)虎克定律，在彈性狀態(tài)下：作為一級近似，該曲線可用正作為一級近似，該曲線可用正弦曲線表示：弦曲線表示：式中式中x x為原子間位移，為原子間位移，為為正弦曲線的波長。正弦曲線的波長。.這就是理想晶體脆性（解理）斷裂的理論斷裂強這就是理想晶體脆性（解理）斷裂的理論斷裂強度。可見，度?？梢姡琺 m與表面能與表面能s s有關(guān)，解理面往往有關(guān)，解理面往往是表面能最小的面，可由此式得到理解。是表面能最小的面，可由此式得到理解。斷裂發(fā)生過程中，必須提供足夠的能量以形成兩個新斷裂發(fā)生過程中，必須提供足夠的能量以形成兩個新表面。如材

13、料的單位表面能為表面。如材料的單位表面能為s，即外力作功消耗在，即外力作功消耗在斷口形成上的能量至少等于斷口形成上的能量至少等于2s:m=E/2a0120()smEa.公式公式 的應(yīng)用：的應(yīng)用：例：鐵的例：鐵的E=2105 MPa，a0=2.510-10 m，s=1 J/m2, 則則m28.3 GPa。120()smEa.目前強度最高的鋼材為目前強度最高的鋼材為4500MPa左右，即實際材料左右，即實際材料的斷裂強度比其理論值低的斷裂強度比其理論值低13個數(shù)量級。個數(shù)量級。.實際的材料不是完整的晶體，即基本假設(shè)不正確。實實際的材料不是完整的晶體，即基本假設(shè)不正確。實際的材料總會存在各種缺陷和裂

14、紋等不連續(xù)的因素，際的材料總會存在各種缺陷和裂紋等不連續(xù)的因素，缺陷引起的應(yīng)力集中對斷裂的影響是不容忽視的。缺陷引起的應(yīng)力集中對斷裂的影響是不容忽視的。晉代劉晝在晉代劉晝在劉子劉子慎隙慎隙中作了這樣的歸納中作了這樣的歸納:“墻之墻之崩隤，必因其隙；劍之毀折，皆由于璺（崩隤，必因其隙；劍之毀折，皆由于璺（wen）。尺蚓）。尺蚓穿堤，能漂一邑穿堤，能漂一邑”。 意思是說：墻的倒塌是因為有縫隙，劍的折斷是因意思是說：墻的倒塌是因為有縫隙，劍的折斷是因為有裂紋，小小的蚯蚓洞穿大堤，會使它崩潰、淹沒為有裂紋，小小的蚯蚓洞穿大堤，會使它崩潰、淹沒城市。城市。.1）Griffith發(fā)現(xiàn)剛拉制玻璃棒的彎曲強度

15、為發(fā)現(xiàn)剛拉制玻璃棒的彎曲強度為6GPa；而在空；而在空氣中放置幾小時后強度下降為氣中放置幾小時后強度下降為0.4 GPa。其原因是由于大氣。其原因是由于大氣腐蝕形成了表面裂紋。腐蝕形成了表面裂紋。2) 約飛等人用溫水溶去氯化鈉表面的缺陷，強度即由約飛等人用溫水溶去氯化鈉表面的缺陷，強度即由5MPa提高到提高到1.6103MPa，提高了，提高了300多倍。多倍。3) 有人把石英玻璃纖維分割成幾段不同的長度，測其強度有人把石英玻璃纖維分割成幾段不同的長度，測其強度時發(fā)現(xiàn)，長度為時發(fā)現(xiàn)，長度為12cm時，強度為時，強度為275MPa；長度為；長度為0.6cm時，時，強度可達強度可達760MPa。這是

16、由于試件長，含有危險裂紋的機。這是由于試件長，含有危險裂紋的機會增多。會增多。4) 塊體材料和晶須材料的強度塊體材料和晶須材料的強度 Fe Cu冶金熔煉材料冶金熔煉材料 300MPa 140MPa晶須晶須 35000MPa 28000MPa試驗證據(jù)：試驗證據(jù)：.二、材料的實際斷裂強度（二、材料的實際斷裂強度（Griffith理論）理論）固體材料中裂紋的存在，導(dǎo)致其實際斷裂強度與固體材料中裂紋的存在，導(dǎo)致其實際斷裂強度與理論強度至少相差一個數(shù)量級。為了解決裂紋體理論強度至少相差一個數(shù)量級。為了解決裂紋體的斷裂強度問題，的斷裂強度問題， Griffith在在1921年從能量平衡的年從能量平衡的觀點

17、出發(fā)，研究了陶瓷、玻璃等脆性材料的斷裂觀點出發(fā)，研究了陶瓷、玻璃等脆性材料的斷裂問題。問題。Griffith假定在實際材料中存在著裂紋，當條件假定在實際材料中存在著裂紋，當條件應(yīng)力還很低時，裂紋尖端的局部應(yīng)力已達到很高應(yīng)力還很低時，裂紋尖端的局部應(yīng)力已達到很高的數(shù)值，從而使裂紋快速擴展，并導(dǎo)致脆性斷裂。的數(shù)值，從而使裂紋快速擴展，并導(dǎo)致脆性斷裂。在此基礎(chǔ)上提出了裂紋理論，后來逐漸成為脆性在此基礎(chǔ)上提出了裂紋理論，后來逐漸成為脆性斷裂的主要理論基礎(chǔ)。斷裂的主要理論基礎(chǔ)。.設(shè)想有一單位厚度的設(shè)想有一單位厚度的無限寬薄板無限寬薄板，對其施加一拉應(yīng)，對其施加一拉應(yīng)力力后將其兩端固定，并與外界隔絕能源。

18、后將其兩端固定，并與外界隔絕能源。Griffith裂紋模型裂紋模型形成新表面所需的表面能為：形成新表面所需的表面能為：Ue= -2a2/E割開一長度為割開一長度為2a的裂紋，則的裂紋，則原來彈性拉緊的平板就要釋放原來彈性拉緊的平板就要釋放彈性能。根據(jù)彈性理論計算，彈性能。根據(jù)彈性理論計算，釋放出來的彈性能為：釋放出來的彈性能為：W=4as板材每單位體積的彈性能為板材每單位體積的彈性能為2/2E；.整個系統(tǒng)的能量變化為整個系統(tǒng)的能量變化為: Ue+W=4as-2a2/E （Ue+W）/ a =4s-22a/E =0由圖可知，當裂紋增長到由圖可知，當裂紋增長到2ac后，后，若再增長，則系統(tǒng)的總能量

19、下若再增長，則系統(tǒng)的總能量下降。從能量觀點來看，裂紋長降。從能量觀點來看，裂紋長度的繼續(xù)增長將是自發(fā)過程，度的繼續(xù)增長將是自發(fā)過程，則臨界狀態(tài)為則臨界狀態(tài)為:裂紋失穩(wěn)擴展的臨界應(yīng)力為裂紋失穩(wěn)擴展的臨界應(yīng)力為:Griffith公式公式c是含裂紋板材的實際斷裂強度，與裂紋尺寸的平方根成反比。是含裂紋板材的實際斷裂強度，與裂紋尺寸的平方根成反比。系統(tǒng)能量隨裂紋半長系統(tǒng)能量隨裂紋半長a的變化的變化.當裂紋長度當裂紋長度a一定，一定，c時，裂紋即失穩(wěn)擴展。時，裂紋即失穩(wěn)擴展。當承受拉伸應(yīng)力當承受拉伸應(yīng)力一定時，則臨界裂紋一定時，則臨界裂紋ac為：為： a 2ac時，裂紋自動擴展，發(fā)生斷裂；時，裂紋自動擴

20、展，發(fā)生斷裂；a2ac時，不會發(fā)生斷裂。時，不會發(fā)生斷裂。（將理論斷裂強度公式中（將理論斷裂強度公式中a0以以a / 2代替即變代替即變成成Griffith公式。）公式。）Griffith公式適用于陶瓷、玻璃、超高強度鋼等脆性材料。公式適用于陶瓷、玻璃、超高強度鋼等脆性材料。對于厚板：對于厚板：.Griffith理論的前提是材料中已存在著裂紋，但不涉及裂紋理論的前提是材料中已存在著裂紋，但不涉及裂紋來源。對于不存在裂紋的金屬，來源。對于不存在裂紋的金屬，Griffith理論無法解釋它們理論無法解釋它們實際強度低的原因。后來人們根據(jù)這類金屬斷裂前存在塑性實際強度低的原因。后來人們根據(jù)這類金屬斷裂

21、前存在塑性變形，提出位錯塞積和反應(yīng)理論，當裂紋擴展到變形，提出位錯塞積和反應(yīng)理論，當裂紋擴展到Griffith裂裂紋長度時，就會發(fā)生斷裂。紋長度時，就會發(fā)生斷裂。對于塑性材料，由于在裂紋尖端處產(chǎn)生較大塑性變形，對于塑性材料，由于在裂紋尖端處產(chǎn)生較大塑性變形，吸收大量的變形功，這部分變形功是裂紋擴展需要克吸收大量的變形功，這部分變形功是裂紋擴展需要克服的主要阻力，所以服的主要阻力，所以Griffith公式修正為：公式修正為：式中，式中，p為單位面積裂紋表面吸收的塑性變形功，為單位面積裂紋表面吸收的塑性變形功， 2sp稱為有效表稱為有效表面能。一般面能。一般p比表面能大幾個數(shù)量級。上式是塑性金屬材

22、料的斷裂判比表面能大幾個數(shù)量級。上式是塑性金屬材料的斷裂判據(jù)。據(jù)。Griffith-Orowan-Irwin公式公式.思考題：思考題：1、一薄板內(nèi)有一條長、一薄板內(nèi)有一條長3mm 的裂紋，且的裂紋，且a0 =3*10-8 mm，試求脆性斷裂時的斷，試求脆性斷裂時的斷裂應(yīng)力裂應(yīng)力 C（設(shè)（設(shè) th =E/10=2*105 MPa ）。）。 2、有一材料、有一材料 E=2*1011 N/m2，S =8N/m，試計算在，試計算在 7*107 N/m2 的拉力的拉力作用下，該材料的臨界裂紋長度。作用下，該材料的臨界裂紋長度。 . 脆性斷裂的宏觀特征，理論上講，是斷裂前不發(fā)生脆性斷裂的宏觀特征，理論上講

23、，是斷裂前不發(fā)生塑性變形，而裂紋的擴展速度往往很快，接近音速。塑性變形，而裂紋的擴展速度往往很快，接近音速。 脆性斷裂前無明顯的征兆可尋，且斷裂是突然發(fā)生脆性斷裂前無明顯的征兆可尋，且斷裂是突然發(fā)生的，因而往往引起嚴重的后果。因此，要防止脆斷。的，因而往往引起嚴重的后果。因此，要防止脆斷。4.3 4.3 脆性斷裂脆性斷裂脆性斷裂的兩種主要機理：脆性斷裂的兩種主要機理：解理斷裂解理斷裂和和沿晶斷裂沿晶斷裂。對解理斷裂：實驗結(jié)果表明，盡管解理斷裂是典型的對解理斷裂：實驗結(jié)果表明，盡管解理斷裂是典型的脆性斷裂，但解理裂紋的形成卻與材料的塑性變形有脆性斷裂，但解理裂紋的形成卻與材料的塑性變形有關(guān)，而塑

24、性變形是位錯運動的結(jié)果，因此，為了探討關(guān)，而塑性變形是位錯運動的結(jié)果，因此，為了探討解理裂紋的產(chǎn)生，不少學(xué)者采用位錯理論來解釋解理解理裂紋的產(chǎn)生，不少學(xué)者采用位錯理論來解釋解理裂紋形成機理。裂紋形成機理。一、脆性斷裂機理一、脆性斷裂機理.(1) 甄納斯特羅甄納斯特羅(Zener-Stroh)理論（位錯塞積理論）理論（位錯塞積理論） 解理面解理面滑移面滑移面70.5甄納和斯特羅認為，在切應(yīng)甄納和斯特羅認為，在切應(yīng)力作用下，滑移面上的刃型力作用下，滑移面上的刃型位錯運動遇到障礙（晶界或位錯運動遇到障礙（晶界或者第二相顆粒），產(chǎn)生位錯者第二相顆粒），產(chǎn)生位錯塞積，當塞積頭的應(yīng)力集中塞積，當塞積頭的應(yīng)

25、力集中不能通過塑性變形得到松弛不能通過塑性變形得到松弛時，塞積端點處的最大拉應(yīng)時，塞積端點處的最大拉應(yīng)力可以達到理論斷裂強度而力可以達到理論斷裂強度而形成楔行裂紋。形成楔行裂紋。解理裂紋解理裂紋FCC滑移系多，塞積群少，應(yīng)力集中不大，滑移系多，塞積群少，應(yīng)力集中不大，所以不易形成解理裂紋。所以不易形成解理裂紋。解理裂紋形成機理：解理裂紋形成機理：.形成裂紋的有效切應(yīng)力形成裂紋的有效切應(yīng)力 必須滿足以下關(guān)系式：必須滿足以下關(guān)系式：i裂紋擴展并導(dǎo)致解理斷裂的條件是外加正應(yīng)力裂紋擴展并導(dǎo)致解理斷裂的條件是外加正應(yīng)力達到臨達到臨界應(yīng)力界應(yīng)力c ：其中其中G為切變模量，為切變模量， Ky 是是Hall

26、Petch關(guān)系式中的釘扎常數(shù)。關(guān)系式中的釘扎常數(shù)。由上式可以看出，晶粒越小，斷裂應(yīng)力提高，材料脆性降低。由上式可以看出，晶粒越小，斷裂應(yīng)力提高，材料脆性降低。.（2）柯垂爾）柯垂爾(Cottrell)理論理論(位錯反應(yīng)理論位錯反應(yīng)理論) 在在bcc晶體晶體中，有兩個相交的滑移中，有兩個相交的滑移面面 和和(101)與解理面與解理面(001)相交，相交，三面交線為三面交線為010?，F(xiàn)有位錯群?，F(xiàn)有位錯群 和和 相遇于相遇于010軸，并產(chǎn)生下軸，并產(chǎn)生下列反應(yīng)：列反應(yīng)： 不動位錯不動位錯(101)1 1 12a1112a該位錯反應(yīng)是能量降低的過程，該位錯反應(yīng)是能量降低的過程，因而裂紋成核是自動進行

27、的，但因而裂紋成核是自動進行的，但對對fcc來說，也有類似的位錯反應(yīng)，來說，也有類似的位錯反應(yīng)，但不是能量降低的過程，所以但不是能量降低的過程，所以fcc沒有這樣的裂紋成核機理。沒有這樣的裂紋成核機理。11111100122aaa.（3）史密斯）史密斯(Smith)理論理論(脆性第二相開裂理論脆性第二相開裂理論) 碳化物開裂的力學(xué)條件：碳化物開裂的力學(xué)條件：碳化物裂紋向鐵素體中擴展碳化物裂紋向鐵素體中擴展的力學(xué)條件：的力學(xué)條件：12204 ()(1)fccEcc0為碳化物厚度為碳化物厚度考慮顯微組織不均勻造成的影響，考慮顯微組織不均勻造成的影響，史密斯提出低碳鋼中因鐵素體塑史密斯提出低碳鋼中因

28、鐵素體塑性變形導(dǎo)致晶界碳化物開裂形成性變形導(dǎo)致晶界碳化物開裂形成解理裂紋的理論：鐵素體中的位解理裂紋的理論：鐵素體中的位錯源在切應(yīng)力作用下開動，位錯錯源在切應(yīng)力作用下開動，位錯運動至晶界碳化物處受阻而形成運動至晶界碳化物處受阻而形成塞積，在塞積頭處拉應(yīng)力作用下塞積，在塞積頭處拉應(yīng)力作用下使碳化物開裂。使碳化物開裂。 .二、脆性斷裂的微觀特征二、脆性斷裂的微觀特征（1）解理斷裂）解理斷裂(cleavage fracture) 解理斷裂是穿晶的脆性斷裂。解理斷裂是穿晶的脆性斷裂。由于多晶體的位向取向不一，解理斷裂后形成由于多晶體的位向取向不一，解理斷裂后形成許多無規(guī)則取向的晶粒大小為單位許多無規(guī)則

29、取向的晶粒大小為單位“小刻面小刻面” ，在強光照射下出現(xiàn)金屬閃光，宏觀上常形容為在強光照射下出現(xiàn)金屬閃光，宏觀上常形容為“結(jié)晶狀結(jié)晶狀”斷口。斷口。解理斷裂的三個微觀特征：解理臺階、河流花解理斷裂的三個微觀特征：解理臺階、河流花樣、舌狀花樣。樣、舌狀花樣。.解理臺階解理臺階河流花樣河流花樣解理斷裂微觀斷口解理斷裂微觀斷口:.解理臺階是沿兩個高度不同的平行解理面上擴解理臺階是沿兩個高度不同的平行解理面上擴展的解理裂紋相交時形成的。展的解理裂紋相交時形成的。其形成過程有兩種方式：通過解理裂紋與螺型其形成過程有兩種方式：通過解理裂紋與螺型位錯相交形成；通過二次解理或撕裂形成。位錯相交形成；通過二次解

30、理或撕裂形成。解理臺階解理臺階解理裂紋與螺型位錯相交形成臺階解理裂紋與螺型位錯相交形成臺階.河流花樣是判斷是否為解理斷裂的重要微觀依據(jù)。河流花樣是判斷是否為解理斷裂的重要微觀依據(jù)。“河流河流”的流向與裂紋擴展方向一致，所以可根據(jù)的流向與裂紋擴展方向一致，所以可根據(jù)“河流河流”流向確定在流向確定在微觀范圍內(nèi)解理裂紋的擴展方向，而按微觀范圍內(nèi)解理裂紋的擴展方向，而按“河流河流”反方向去尋找反方向去尋找斷裂源。斷裂源。異號臺階相遇相互抵消，同號異號臺階相遇相互抵消，同號臺階相遇便匯合長大臺階相遇便匯合長大 。當匯合臺。當匯合臺階足夠高時，便形成河流花樣。階足夠高時，便形成河流花樣。河流花樣河流花樣.

31、 它類似于伸出來的小舌頭，是解理裂紋沿孿晶界擴展而留它類似于伸出來的小舌頭，是解理裂紋沿孿晶界擴展而留下的舌狀凸臺成凹坑。下的舌狀凸臺成凹坑。舌狀花樣舌狀花樣. 準解理與解理的不同點：真正準解理與解理的不同點：真正解理裂紋常源于晶界，而準解解理裂紋常源于晶界，而準解理裂紋則常源于晶內(nèi)硬質(zhì)點，理裂紋則常源于晶內(nèi)硬質(zhì)點，形成從晶內(nèi)某點發(fā)源的放射狀形成從晶內(nèi)某點發(fā)源的放射狀河流花樣。河流花樣。 準解理不是一種獨立的斷裂機準解理不是一種獨立的斷裂機理，而是解理斷裂的變種。理，而是解理斷裂的變種。（2） 準解理斷裂準解理斷裂其微觀形態(tài)特征，似解理河流但又非真正解理，故稱為準解理；其微觀形態(tài)特征，似解理河

32、流但又非真正解理，故稱為準解理；當裂紋在晶內(nèi)擴展時，難以嚴格地沿一定晶面擴展，準解理小當裂紋在晶內(nèi)擴展時，難以嚴格地沿一定晶面擴展，準解理小刻面不是晶體學(xué)解理面?？堂娌皇蔷w學(xué)解理面。.（3 3） 沿晶斷裂沿晶斷裂 沿晶斷裂是裂紋沿晶界擴展的一種沿晶斷裂是裂紋沿晶界擴展的一種脆性斷裂，最基本微觀特征是脆性斷裂，最基本微觀特征是冰糖冰糖狀形貌狀形貌。 裂紋擴展總是沿著原子結(jié)合力最弱裂紋擴展總是沿著原子結(jié)合力最弱的區(qū)域進行的。一般情況下，晶界的區(qū)域進行的。一般情況下，晶界不會開裂。發(fā)生沿晶斷裂，勢必由不會開裂。發(fā)生沿晶斷裂，勢必由于某種原因降低了晶界結(jié)合強度。于某種原因降低了晶界結(jié)合強度。 原因大

33、致有：晶界存在連續(xù)分布原因大致有：晶界存在連續(xù)分布的脆性第二相，微量有害雜質(zhì)元的脆性第二相，微量有害雜質(zhì)元素在晶界上偏聚，由于環(huán)境介質(zhì)素在晶界上偏聚，由于環(huán)境介質(zhì)的作用損害了晶界，如氫脆、應(yīng)力的作用損害了晶界，如氫脆、應(yīng)力腐蝕、應(yīng)力和高溫的復(fù)合作用在晶腐蝕、應(yīng)力和高溫的復(fù)合作用在晶界造成損傷。界造成損傷。沿晶斷裂的斷口形貌沿晶斷裂的斷口形貌.4.4 4.4 韌性斷裂韌性斷裂（1）純剪切斷裂）純剪切斷裂 某些純金屬尤其是單晶體金屬在某些純金屬尤其是單晶體金屬在斷裂過程中，內(nèi)部不產(chǎn)生孔洞，斷裂過程中，內(nèi)部不產(chǎn)生孔洞，無新界面產(chǎn)生，位錯只能從表面無新界面產(chǎn)生，位錯只能從表面放出，斷裂靠試樣橫截面積減

34、到放出，斷裂靠試樣橫截面積減到0為止，所以斷口呈鋒利的楔形，為止，所以斷口呈鋒利的楔形，斷面收縮率幾乎達斷面收縮率幾乎達100。一、韌性斷裂機理一、韌性斷裂機理.（2）微孔聚集型韌性斷裂）微孔聚集型韌性斷裂 實際金屬中總有第二相粒子存在，它們是微孔成核的源。實際金屬中總有第二相粒子存在，它們是微孔成核的源。微孔成核過程：微孔成核過程：.微孔聚集型韌性斷裂：微孔聚集型韌性斷裂：微孔形核微孔形核長大長大聚合聚合斷裂斷裂.韌性斷裂的微觀特征是韌性斷裂的微觀特征是韌窩形貌，韌窩形貌，在電子顯微鏡下，在電子顯微鏡下，可以看到斷口由許多凹進或凸出的微坑組成，在微可以看到斷口由許多凹進或凸出的微坑組成，在微

35、坑中有第二相粒子?？又杏械诙嗔Ｗ?。等等軸軸韌韌窩窩二、韌性斷裂的微觀特征二、韌性斷裂的微觀特征.1、夾雜物或第二相粒子、夾雜物或第二相粒子尺寸較小，且分布密集，形成小而多的韌窩花樣；尺寸較小，且分布密集，形成小而多的韌窩花樣；尺寸較大，且分布變化不大，形成較大的韌窩花樣；尺寸較大，且分布變化不大，形成較大的韌窩花樣；2、基體材料的韌性、基體材料的韌性韌性差、塑性變形能力差，韌窩尺寸較小、較淺；韌性差、塑性變形能力差，韌窩尺寸較小、較淺；3、試驗溫度、試驗溫度T、有利于韌窩的成核與擴展，韌窩寬度和深度增加；、有利于韌窩的成核與擴展，韌窩寬度和深度增加；4、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)拉應(yīng)力、切應(yīng)力、撕裂

36、應(yīng)力。拉應(yīng)力、切應(yīng)力、撕裂應(yīng)力。影響韌窩形貌的因素：影響韌窩形貌的因素：.扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)(或雙向不或雙向不等等)應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài)正應(yīng)力正應(yīng)力 微孔微孔的平面的平面宏觀上常為脆斷宏觀上常為脆斷注意：微觀上出現(xiàn)韌窩，宏觀上不一定是韌性斷裂。注意：微觀上出現(xiàn)韌窩，宏觀上不一定是韌性斷裂。拉、彎應(yīng)力拉、彎應(yīng)力狀態(tài)狀態(tài).拉長韌窩拉長韌窩.在機械零件或構(gòu)件上，不可避免地存在著各種類型在機械零件或構(gòu)件上，不可避免地存在著各種類型的缺口如鍵槽、臺階、螺紋、油孔、刀痕、鑄造或的缺口如鍵槽、臺階、螺紋、油孔、刀痕、鑄造或焊焊接接所帶來的孔洞、砂眼以及裂紋等。這些缺口有的是所帶來的孔洞、砂眼以及裂紋等。這些缺口有的是結(jié)構(gòu)

37、設(shè)計上所必須的，有的是原材料或制造工藝過程結(jié)構(gòu)設(shè)計上所必須的，有的是原材料或制造工藝過程中所不可避免的。中所不可避免的。由于缺口的存在，在靜載荷作用下，缺口截面上的由于缺口的存在，在靜載荷作用下，缺口截面上的應(yīng)力狀態(tài)將會發(fā)生變化，產(chǎn)生所謂的應(yīng)力狀態(tài)將會發(fā)生變化，產(chǎn)生所謂的“缺口效應(yīng)缺口效應(yīng)”，從而影響金屬材料的力學(xué)性能。從而影響金屬材料的力學(xué)性能。4.6 4.6 缺口效應(yīng)缺口效應(yīng)缺口效應(yīng)：缺口效應(yīng)：應(yīng)力應(yīng)變集中、改變?nèi)笨谇胺降膽?yīng)力狀應(yīng)力應(yīng)變集中、改變?nèi)笨谇胺降膽?yīng)力狀態(tài)、缺口強化。態(tài)、缺口強化。.max/tKKt值與材料性質(zhì)無關(guān)，只取決值與材料性質(zhì)無關(guān)，只取決于缺口的幾何形狀。于缺口的幾何形狀。

38、缺口越尖，曲率半徑越小，缺口越尖，曲率半徑越小，Kt越大，塑性變形區(qū)愈小。越大，塑性變形區(qū)愈小。第一個效應(yīng)：應(yīng)力應(yīng)變集中第一個效應(yīng)：應(yīng)力應(yīng)變集中 一、缺口對應(yīng)力分布的影響一、缺口對應(yīng)力分布的影響1） 在彈性狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)在彈性狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)用理論應(yīng)力集中系數(shù)用理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt來表示缺來表示缺口產(chǎn)生的應(yīng)力集中影響：口產(chǎn)生的應(yīng)力集中影響：.兩向或三向應(yīng)力狀態(tài)兩向或三向應(yīng)力狀態(tài)薄板缺口前方的彈性應(yīng)力分布薄板缺口前方的彈性應(yīng)力分布對于薄板，應(yīng)力集中的結(jié)果導(dǎo)致對于薄板，應(yīng)力集中的結(jié)果導(dǎo)致在在x方向出現(xiàn)了橫向拉應(yīng)力方向出現(xiàn)了橫向拉應(yīng)力x ，以，以保證薄板的連續(xù)性；保證薄板的連續(xù)性；對于薄板，在垂直

39、于板面方向上對于薄板，在垂直于板面方向上可自由伸縮變形，所以可自由伸縮變形，所以z0；在薄板中心位置為兩向拉伸的應(yīng)在薄板中心位置為兩向拉伸的應(yīng)力狀態(tài)；力狀態(tài)；但在缺口根部（但在缺口根部（ x0 ）為單向）為單向拉伸狀態(tài)。拉伸狀態(tài)。.對厚板，在厚度方向的變形受對厚板，在厚度方向的變形受到約束，即在到約束，即在z軸方向上的應(yīng)變軸方向上的應(yīng)變z=0。由虎克定律，由虎克定律，z = z -(x +y )=0，故有，故有z =（x +y ）。）。缺口根部為兩向應(yīng)力狀態(tài)；缺口根部為兩向應(yīng)力狀態(tài)；厚板中心為三向的應(yīng)力狀態(tài)。厚板中心為三向的應(yīng)力狀態(tài)。厚板缺口前方的彈性應(yīng)力分布厚板缺口前方的彈性應(yīng)力分布第二個效

40、應(yīng)：改變?nèi)笨谇胺降膽?yīng)力狀態(tài)第二個效應(yīng)：改變?nèi)笨谇胺降膽?yīng)力狀態(tài).平面應(yīng)力狀態(tài)與平面應(yīng)變狀態(tài)平面應(yīng)力狀態(tài)與平面應(yīng)變狀態(tài)平面應(yīng)力狀態(tài)：平面應(yīng)力狀態(tài)：所有的應(yīng)力都在一個平面內(nèi)，所有的應(yīng)力都在一個平面內(nèi)， 平面應(yīng)力問題主要討論的彈性體是薄板，薄壁厚度平面應(yīng)力問題主要討論的彈性體是薄板，薄壁厚度遠遠小于另外兩個方向的尺度。遠遠小于另外兩個方向的尺度。平面應(yīng)變狀態(tài)：平面應(yīng)變狀態(tài)：所有的應(yīng)變都在一個平面內(nèi)，所有的應(yīng)變都在一個平面內(nèi)， 當試樣厚度足夠大時，可認為整個試樣或構(gòu)件處當試樣厚度足夠大時，可認為整個試樣或構(gòu)件處于平面應(yīng)變狀態(tài)。于平面應(yīng)變狀態(tài)。0z0z 平面應(yīng)變狀態(tài)使缺口內(nèi)側(cè)處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)平面應(yīng)

41、變狀態(tài)使缺口內(nèi)側(cè)處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)小，因而是危險的應(yīng)力狀態(tài)。力狀態(tài)軟性系數(shù)小，因而是危險的應(yīng)力狀態(tài)。 . 塑性較好的材料，若根部產(chǎn)生塑塑性較好的材料，若根部產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力將重新分布，并隨載性變形，應(yīng)力將重新分布，并隨載荷的增大，塑性區(qū)逐漸擴大，直至荷的增大，塑性區(qū)逐漸擴大，直至整個截面。整個截面。應(yīng)力最大處轉(zhuǎn)移到離缺口根部應(yīng)力最大處轉(zhuǎn)移到離缺口根部ry距距離處。此時離處。此時y，x，z均為最大值。均為最大值。三向拉應(yīng)力約束了三向拉應(yīng)力約束了塑性變形塑性變形，試樣，試樣的屈服應(yīng)力比單向拉伸時高，出現(xiàn)的屈服應(yīng)力比單向拉伸時高，出現(xiàn)“缺口強化缺口強化”現(xiàn)象，但材料本身的現(xiàn)象，

42、但材料本身的s值未變，所以不是強化金屬材料的值未變，所以不是強化金屬材料的手段。手段。2）塑性狀態(tài)下的應(yīng)力分布）塑性狀態(tài)下的應(yīng)力分布平面應(yīng)變狀態(tài)平面應(yīng)變狀態(tài)下缺口根部下缺口根部發(fā)生屈服時的應(yīng)力分布發(fā)生屈服時的應(yīng)力分布第三個效應(yīng)：缺口強化（塑性材料）第三個效應(yīng)：缺口強化（塑性材料）.缺口使材料強度提高，但塑性降低，即脆性增缺口使材料強度提高，但塑性降低，即脆性增大，因此缺口是一種脆化因素。大，因此缺口是一種脆化因素。缺口敏感性：金屬材料因存在缺口造成三向應(yīng)缺口敏感性：金屬材料因存在缺口造成三向應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變集中而變脆的傾向。力狀態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變集中而變脆的傾向。常用的缺口試樣靜載力學(xué)性能試驗方法

43、，有缺常用的缺口試樣靜載力學(xué)性能試驗方法，有缺口靜拉伸、缺口偏斜拉伸及缺口靜彎曲等?？陟o拉伸、缺口偏斜拉伸及缺口靜彎曲等。壓縮和扭轉(zhuǎn)實驗，不能顯示缺口的敏感性。壓縮和扭轉(zhuǎn)實驗，不能顯示缺口的敏感性。二、缺口敏感性及其表示方法二、缺口敏感性及其表示方法.缺口試樣靜拉伸試驗時，常用缺口試樣的抗拉強度缺口試樣靜拉伸試驗時，常用缺口試樣的抗拉強度bN 與等與等截面尺寸光滑試樣的抗拉強度截面尺寸光滑試樣的抗拉強度b 的比值作為材料的缺口敏感的比值作為材料的缺口敏感性指標，稱為缺口敏感度，用性指標，稱為缺口敏感度，用qe或或NSR(Notch Sensitivity Ratio)表示：表示：.比值比值qe

44、 越大，缺口敏感性越小。越大，缺口敏感性越小。對于脆性材料如鑄鐵，高碳工具鋼，對于脆性材料如鑄鐵，高碳工具鋼，qe l。缺口敏感性除與材料本身有關(guān)外，還和應(yīng)缺口敏感性除與材料本身有關(guān)外，還和應(yīng)力狀態(tài)、缺口形狀、尺寸、試驗溫度有關(guān)。力狀態(tài)、缺口形狀、尺寸、試驗溫度有關(guān)。.隨加載速度的增加，塑性形變來不及充分進行，隨加載速度的增加，塑性形變來不及充分進行，因此沖擊力學(xué)性能試驗可以揭示材料的變脆傾因此沖擊力學(xué)性能試驗可以揭示材料的變脆傾向。向。沖擊載荷：加載速率高，應(yīng)變率大于沖擊載荷：加載速率高，應(yīng)變率大于10-2/s（靜載荷時為（靜載荷時為10-410-2 /s），材料力學(xué)性能會），材料力學(xué)性能會

45、發(fā)生顯著變化。發(fā)生顯著變化。常用的缺口試樣沖擊試驗是沖擊彎曲。常用的缺口試樣沖擊試驗是沖擊彎曲。三、缺口試樣沖擊彎曲及沖擊韌性三、缺口試樣沖擊彎曲及沖擊韌性.試樣：試樣： 夏比（夏比（Charpy）U型缺口（型缺口（Aku） 夏比夏比V型缺口（型缺口（AkV）注意：鑄鐵或工具鋼等脆性材料，常采用無缺口沖注意：鑄鐵或工具鋼等脆性材料，常采用無缺口沖擊試樣。擊試樣。沖擊彎曲試驗沖擊彎曲試驗:.沖擊彎曲試驗的原理圖沖擊彎曲試驗的原理圖沖擊吸收功：沖擊吸收功：AKV (AKU ) = G（H1-H2）沖擊韌性或沖擊值沖擊韌性或沖擊值KV （KU ）：）：. 1）用于控制材料的冶金質(zhì)量和鑄造、鍛造、焊接

46、及熱）用于控制材料的冶金質(zhì)量和鑄造、鍛造、焊接及熱處理等熱加工工藝的質(zhì)量。處理等熱加工工藝的質(zhì)量。 2）用來評定材料的冷脆傾向（測定韌脆轉(zhuǎn)變溫度）。）用來評定材料的冷脆傾向（測定韌脆轉(zhuǎn)變溫度）。設(shè)計時要求機件的服役溫度高于材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。設(shè)計時要求機件的服役溫度高于材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。 3) 對對s大致相同的材料，根據(jù)大致相同的材料，根據(jù)Ak值可以評定材料對大值可以評定材料對大能量沖擊破壞的缺口敏感性。能量沖擊破壞的缺口敏感性。 4）利用）利用Charpy V缺口沖擊試驗試樣尺寸小、加工方便、缺口沖擊試驗試樣尺寸小、加工方便、操作容易、試驗快捷等優(yōu)點，通過建立沖擊功與其他力操作容易、試驗快

47、捷等優(yōu)點，通過建立沖擊功與其他力學(xué)性能指標間的聯(lián)系，代替較復(fù)雜的試驗如學(xué)性能指標間的聯(lián)系，代替較復(fù)雜的試驗如KIC。沖擊彎曲試驗的應(yīng)用：沖擊彎曲試驗的應(yīng)用： KV （KU ）是一個綜合性的力學(xué)性能指標，不僅與材料的）是一個綜合性的力學(xué)性能指標，不僅與材料的強度和塑性有關(guān)，試樣的形狀、尺寸、缺口形式等都會對強度和塑性有關(guān)，試樣的形狀、尺寸、缺口形式等都會對其值產(chǎn)生很大的影響，因此它只是材料抗沖擊斷裂的一個其值產(chǎn)生很大的影響，因此它只是材料抗沖擊斷裂的一個參考性指標，只能在規(guī)定條件下進行相對比較，而不能代參考性指標，只能在規(guī)定條件下進行相對比較，而不能代換到具體零件上進行定量計算，單位為換到具體零

48、件上進行定量計算，單位為Jcm2。.寒冷地帶、野外作業(yè)的機械常發(fā)生低溫脆斷事故，寒冷地帶、野外作業(yè)的機械常發(fā)生低溫脆斷事故，約為總事故的約為總事故的30 %40%。材料因溫度的降低由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔眩瑳_材料因溫度的降低由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集型變?yōu)榇粑展γ黠@下降，斷裂機理由微孔聚集型變?yōu)榇┚Ы饫?，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀的現(xiàn)象，稱晶解理，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀的現(xiàn)象，稱為低溫脆性或冷脆。轉(zhuǎn)變溫度為低溫脆性或冷脆。轉(zhuǎn)變溫度tK稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。低溫脆性對壓力容器、橋梁和船舶結(jié)構(gòu)以及在低溫低溫脆性對壓力容器、橋梁和船舶結(jié)構(gòu)以

49、及在低溫下服役的機件是非常重要的。下服役的機件是非常重要的。 4.7 4.7 材料的低溫脆性材料的低溫脆性 一、一、 低溫脆性現(xiàn)象低溫脆性現(xiàn)象. 屈服強度和斷裂強度隨溫度屈服強度和斷裂強度隨溫度降低而變化的速率不同；降低而變化的速率不同； 溫度對表面能溫度對表面能和彈性模量和彈性模量E的影響不大，所以對斷裂強度的影響不大，所以對斷裂強度影響不大；影響不大；屈服強度隨溫度降低急劇增屈服強度隨溫度降低急劇增加，主要是因為溫度有助于激加，主要是因為溫度有助于激活活F-R位錯源，有利于位錯運位錯源，有利于位錯運動，使滑移易于進行。動，使滑移易于進行。低溫脆性的本質(zhì)：低溫脆性的本質(zhì)：韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變

50、溫度tK在低溫下服役的零件，其最低工作溫度應(yīng)高于韌在低溫下服役的零件，其最低工作溫度應(yīng)高于韌- -脆轉(zhuǎn)變溫脆轉(zhuǎn)變溫度，韌脆轉(zhuǎn)變溫度是一個溫度區(qū)間。度，韌脆轉(zhuǎn)變溫度是一個溫度區(qū)間。.研究低溫脆性的主要問題是確定韌脆轉(zhuǎn)變研究低溫脆性的主要問題是確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度溫度tK，只能通過試驗來確定。，只能通過試驗來確定。二、材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度二、材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度采用標準采用標準Charpy V沖擊試樣，將沖擊試樣從高溫沖擊試樣，將沖擊試樣從高溫(通通常為室溫常為室溫)到低溫的一系列溫度下進行沖擊試驗，以到低溫的一系列溫度下進行沖擊試驗，以測定材料沖擊功隨溫度變化的規(guī)律，揭示材料的低測定材料沖擊功隨溫度變化

51、的規(guī)律，揭示材料的低溫脆性傾向。溫脆性傾向。實驗方法：系列溫度沖擊試驗實驗方法：系列溫度沖擊試驗.冷脆轉(zhuǎn)化溫度的確定冷脆轉(zhuǎn)化溫度的確定: :（1）能量準則）能量準則4)高階能與低階能的平均值所對應(yīng)的溫度定義為韌高階能與低階能的平均值所對應(yīng)的溫度定義為韌-脆轉(zhuǎn)化溫度，記為脆轉(zhuǎn)化溫度，記為FTE。2)對應(yīng)于能量曲線的下平臺（低階能）對應(yīng)于能量曲線的下平臺（低階能）的溫度，稱為無塑性或零塑性轉(zhuǎn)變的溫度，稱為無塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度溫度NDT。在。在NDT以下，試件的斷以下，試件的斷口為口為100的結(jié)晶狀斷口。的結(jié)晶狀斷口。1) 以以V型缺口沖擊試件測定的沖型缺口沖擊試件測定的沖擊功擊功AK=20.3J對應(yīng)的溫度作為韌對應(yīng)的溫度作為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，脆轉(zhuǎn)變溫度， 記為記為V15TT 實踐實踐經(jīng)驗總結(jié)而提出的方法。經(jīng)驗總結(jié)而提出的方法。3)對應(yīng)于能量曲線的上平臺對應(yīng)于能量曲線的上平臺(高階能高階能)的溫度，稱為塑性斷裂轉(zhuǎn)變溫度的溫度，稱為塑性斷裂轉(zhuǎn)