第一章金屬在單向靜拉伸載荷下的力學性能

材料力學性能

裴立宅材料科學與工程學院Email:lzpei1977@163.com,lzpei@

2/4/20231安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院不同的材料具有不同的使用性能，在工業(yè)、社會生活等各個方面得到了廣泛應用研究材料的根本目的是改善和提高其使用性能使用性能包括物理性能、化學性能、力學性能（也是物性的一種）對于金屬、無機非金屬等結(jié)構(gòu)材料來講，力學性能是最重要的使用性能2/4/20232安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院材料力學性能的定義: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）聯(lián)合作用下所表現(xiàn)的行為，又稱為力學行為。宏觀上一般表現(xiàn)為材料的變形或斷裂。材料的力學性能包括：強度、硬度、塑性、韌性、耐磨性等2/4/20233安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院機器零件（簡稱機件）的承載條件一般用各種力學參數(shù)（如應力、斷裂韌度等），所以就將表征材料的力學參數(shù)的臨界值或規(guī)定值稱為材料的力學性能指標或判據(jù)。材料力學性能指標具體數(shù)值的高低表示材料抵抗變形和斷裂能力的大小，是評定材料質(zhì)量的主要依據(jù)。2/4/20234安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院材料的力學性能主要由材料的內(nèi)在因素決定內(nèi)在因素：材料的化學成分、組織結(jié)構(gòu)、殘余應力、表面及內(nèi)部缺陷外部因素：載荷性質(zhì)，如靜載荷、沖擊載荷、交變載荷應力狀態(tài)，如拉、壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、溫度、環(huán)境介質(zhì)等因此，分析內(nèi)、外因素對材料力學性能的影響，掌握材料力學性能的變化規(guī)律，對于正確選擇材料，明確提高材料力學性能的方向和途徑具有重要意義2/4/20235安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院材料作為一門大型基礎學科，內(nèi)容涉及廣泛，我們無機非金屬材料專業(yè)的學生不僅要了解、掌握無機非金屬材料，還需要了解金屬材料的力學性能，這對以后大家的學習、就業(yè)和工作等方面都是大有益處的。2/4/20236安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院第一章金屬在單向靜拉伸載荷下的力學性能第二章金屬在其他靜載荷下的力學性能第三章金屬在沖擊載荷下的力學性能第四章金屬的斷裂韌度第五章金屬的疲勞第六章金屬的應力腐蝕和氫脆斷裂第七章金屬磨損和接觸疲勞第八章金屬高溫力學性能第十章陶瓷材料的力學性能第十一章復合材料的力學性能普通混凝土的力學性能2/4/20237安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院關于材料力學性能的參考書：[1]高建明主編.材料力學性能[M].武漢:武漢理工大學出版社,2004.[2]石德珂,金志浩主編.材料力學性能[M].西安:西安交通大學出版社,1998.[3]劉瑞堂主編.工程材料力學性能[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,2001.[4]陳楷主編.陶瓷材料物理性能[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1980.[5]吳振鐸主編.無機材料物理性能[M].北京:清華大學出版社,1992.2/4/20238安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院第一章金屬在單向靜拉伸載荷下的力學性能單向靜拉伸實驗的特點：溫度、應力狀態(tài)和加載速率一定，通常用標準的光滑圓柱試樣來實驗，通過單向靜拉伸實驗可以揭示金屬材料在靜載荷作用下常見的力學行為：彈性變形、塑性變形及斷裂本章主要介紹靜拉伸載荷下力學性能指標的物理概念及實用意義，并分析金屬彈性變形、塑性變形及斷裂的基本規(guī)律與原理2/4/20239安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院第一節(jié)力-伸長曲線和應力-應變曲線力-伸長曲線：是拉伸試驗中拉伸力與伸長的關系曲線2/4/202310安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院2/4/202311安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院2/4/202312安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院第二節(jié)彈性變形一、彈性變形及其實質(zhì)2/4/202313安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院二、虎克定律（一）簡單應力狀態(tài)的虎克定律2/4/202314安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院2/4/202315安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院（二）廣義虎克定律2/4/202316安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院三、彈性模量定義：當應變?yōu)橐粋€單位時，彈性模量即為彈性應力，即產(chǎn)生100%彈性變形時所需要的應力。這個定義對金屬來講是沒有任何意義的，這是因為金屬材料所能產(chǎn)生的彈性變形量是很小的。2/4/202317安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院工程上彈性模量被稱為材料的剛度，表征金屬材料對彈性變形的抵抗力機器零件或構(gòu)件的剛度與材料剛度不同，前者用其截面積A與所用材料的剛度E的乘積，即AE表示所以要提高機件的剛度，在橫截面積相同時，應該選擇E值大的材料，如鋼鐵、陶瓷材料等單晶體金屬的彈性模量在不同晶體學方向上不一致，原子間距較小的晶體學方向上的彈性模量較大，反之則較小，所以單晶金屬表現(xiàn)為彈性各向異性多晶金屬的彈性模量為各晶粒彈性模量的統(tǒng)計平均值，呈現(xiàn)各向同性2/4/202318安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院四、彈性比功又稱彈性比能、應變比能，表示材料吸收彈性變形功的能力2/4/202319安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院因為彈性比功是用單位面積材料吸收的最大彈性變形功表示，所以機件的體積越大，則吸收的彈性功越大，可儲備的彈性能越大。彈簧是典型的彈性零件，其重要作用是減振和儲能驅(qū)動，所以彈簧材料應具有較高的彈性比功，如高碳鋼2/4/202320安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院五、滯彈性純彈性體的彈性變形只與載荷大小有關，而與加載方向和加載時間無關但對于實際的金屬材料來講，其彈性變形不僅是應力的函數(shù)，而且是時間的函數(shù)在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨著時間延長產(chǎn)生的附加彈性應變的現(xiàn)象，稱為滯彈性。滯彈性應變量與材料成分、組織有關，也與試驗條件有關材料組織越不均勻，滯彈性越明顯。2/4/202321安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院由于實際金屬具有滯彈性，金屬在彈性區(qū)快速加載卸載時，由于應變落后于應力，使加載線與卸載線不重合而形成一封閉回線，稱為彈性滯后環(huán)（圖a）。如果施加交變載荷，且最大應力低于宏觀彈性極限，加載速率比較大，則也得到彈性滯后環(huán)（圖b）。如果交變載荷中最大應力超過宏觀彈性極限，就會得到塑性滯后環(huán)（圖c）。2/4/202322安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院金屬的循環(huán)韌性定義：金屬材料在交變載荷（或振動）下吸收不可逆變形功的能力，也稱為金屬的內(nèi)耗或消振性。意義：循環(huán)韌性越高，機件依靠自身的消振能力越好，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，防止共振導致疲勞斷裂意義重大。2/4/202323安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院六、包申格效應（Bauschinger）2/4/202324安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院包申格效應的定義：金屬材料經(jīng)過預先加載產(chǎn)生少量塑性變形，殘余應變約1-4%，卸載后再同向加載，規(guī)定殘余伸長應力（彈性極限或屈服強度）增加；反向加載，規(guī)定殘余伸長應力降低的現(xiàn)象。2/4/202325安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院包申格效應是多晶金屬具有的普遍現(xiàn)象，與金屬材料中位錯運動所受的阻力變化有關位錯：是晶體中的一維缺陷，缺陷區(qū)是細長的管狀區(qū)域，管內(nèi)的原子排列混亂，破壞了點陣的周期性位錯的TEM圖像2/4/202326安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院2/4/202327安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院消除包申格效應的方法：(1)預先進行較大的塑性變形；(2)在第二次反向受力前先使金屬材料于回復或再結(jié)晶溫度下退火，如鋼在400-500℃，銅合金在250-270℃退火。2/4/202328安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院第三節(jié)塑性變形一、塑性變形方式和特點變形方式：(1)滑移(2)孿生2/4/202329安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院(1)滑移是金屬材料在切應力作用下位錯沿滑移面和滑移方向運動而進行的切變過程滑移面是原子排列最密排的晶面，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，滑移系越多，金屬的塑性越好，但滑移系的數(shù)目不是決定金屬塑性的唯一因素面心立方fcc金屬（如Cu、Al）的滑移系比體心立方bcc金屬（α-Fe)的少，但由于前者晶格阻力低，位錯容易運動，所以塑性比后者好。2/4/202330安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院(2)孿生也是金屬材料在切應力作用下的一種塑性變形方式孿生本身提供的變形量很小，例如Cd孿生變形只有7.4%的變形量，而滑移形變度可達300%。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獻。孿生變形也是沿特定的晶面和特定晶向進行。2/4/202331安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院多晶金屬中每一晶?；谱冃蔚囊?guī)律與單晶金屬相同，但是多晶金屬中存在晶界，各晶粒的取向也不相同，因而其塑性變形有如下特點：(1)各晶粒變形的不同時性和不均勻性(2)各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性2/4/202332安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院(1)各晶粒變形的不同時性和不均勻性多晶體由于各晶粒取向不同，在受外力時，某些取向有利的晶粒先開始滑移變形，而那些取向不利的晶?？赡苋蕴幱趶椥宰冃螤顟B(tài)，只有繼續(xù)增加外力，才能使滑移從某些晶粒傳播到另外一些晶粒，并不斷傳播下去，從而產(chǎn)生宏觀塑性變形。金屬組織越不均勻，則起始塑性變形不同時性就越顯著。金屬材料塑性變形的不同時性實際反映了塑性變形的局部性，即塑性變形量的不均勻性。這種不均勻性不僅存在于各晶粒之間，基體金屬晶粒與第二相晶粒之間，即使同一晶粒內(nèi)部，各處的塑性變形量也不同。所以當宏觀塑性變形量還不大時，個別晶?；蚓Я＞植繀^(qū)域的塑性變形量可能已達到極限。由于塑性耗竭，加上變形不均勻產(chǎn)生較大的內(nèi)應力，就有可能在這些晶粒中形成裂紋，從而導致金屬材料的早期斷裂。2/4/202333安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院(2)各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性多晶體作為一個連續(xù)的整體，不允許各個晶粒在任一滑移系中的自由變形，否則必將造成晶界開裂，這就要求各晶粒之間能夠協(xié)調(diào)變形。所以每個晶粒必須能夠同時沿幾個滑移系進行滑移，即能進行多系滑移，或在滑移同時進行孿生變形。2/4/202334安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院二、屈服現(xiàn)象和屈服點（屈服強度）屈服現(xiàn)象是材料產(chǎn)生宏觀塑性變形的一種標志。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，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，這就是屈服現(xiàn)象。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)伸長的應力稱為屈服點，又稱屈服強度。屈服現(xiàn)象在退火、正火處理的中、低碳鋼和低合金鋼中最為常見2/4/202335安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院屈服伸長上屈服點下屈服點2/4/202336安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院與屈服現(xiàn)象相關的三個因素：(1)材料變形前可動位錯密度很小，或雖然有大量位錯但被釘扎住，如鋼中的位錯為雜質(zhì)原子或第二相質(zhì)點所釘扎(2)隨塑性變形發(fā)生，位錯能快速增殖(3)位錯運動速率與外加應力密切相關2/4/202337安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院屈服強度的表示方法：用應力表示的屈服點（σs）或下屈服點(σs1)就是表征材料對微量塑性變形的抗力，即為屈服強度由于正常條件下，σs1再現(xiàn)性較好，所以下屈服強度也選作材料屈服強度指標之一。2/4/202338安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院對于連續(xù)屈服特征的金屬材料，在拉伸試驗時看不到屈服現(xiàn)象對于這一類材料，可用規(guī)定微量塑性伸長應力表征材料材料對微量塑性變形的抗力規(guī)定微量塑性伸長應力是人為規(guī)定的拉伸試樣標距部分產(chǎn)生一定的微量塑性伸長率（如0.01%、0.05%、0.2%等）時的應力。根據(jù)測定方法不同，可分為三種指標2/4/202339安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院(1)規(guī)定非比例伸長應力（σp）試樣在加載過程中，標距部分的非比例伸長達到規(guī)定的原始標距百分比時的應力，例如σp0.01、σp0.05、σp0.2等(2)規(guī)定殘余伸長應力（σr）試樣卸除拉伸力后，其標距部分的殘余伸長達到規(guī)定的原始標距百分比時的應力，常用的是σr0.2，表示規(guī)定殘余伸長率為0.2%時的應力在不規(guī)定測定方法的情況下，可用σ0.01、σ0.05、σ0.2表示，一般將σ0.2稱為屈服強度(3)規(guī)定總伸長應力（σt）試樣標距部分的總伸長（彈性伸長與塑性伸長之和）達到規(guī)定的原始標距百分比時的應力常用的規(guī)定總伸長率為0.5%，σt0.5表示規(guī)定伸長總伸長率為0.5%時的應力2/4/202340安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院屈服強度是金屬材料重要的力學性能指標，是工程上從靜強度角度選擇韌性材料的基本依據(jù)由于實際零件不可能在抗拉強度對應的很大的均勻塑性變形條件下服役，所以傳統(tǒng)的強度設計方法規(guī)定，許用應力：2/4/202341安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院三、影響屈服強度的因素金屬材料是多晶體合金，具有多相組織，所以討論影響屈服強度的因素，必須注意以下三點：（1）屈服變形是位錯增殖和運動的結(jié)果，所以凡是影響位錯增殖和運動的各種因素必然影響屈服強度（2）實際金屬的力學行為是由許多晶粒綜合作用的結(jié)果，所以要考慮晶界、相鄰晶粒的約束、材料的化學成分以及第二相的影響（3）各種外界因素通過影響位錯運動而影響屈服強度2/4/202342安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院（一）內(nèi)在因素1.金屬本性與晶格類型2.晶粒大小和亞結(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、位向差也很小（一般為幾十分到1-2度）的小晶塊，它們相互鑲嵌成一顆晶粒，這些小晶塊稱為亞結(jié)構(gòu)，或稱亞晶粒、鑲嵌塊。2/4/202343安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院3.溶質(zhì)元素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，將顯著提高屈服強度，稱為固溶強化。間隙型固溶體的強化效果大于置換型固溶體2/4/202344安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院4.第二相第二相質(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系所以第二相質(zhì)點可分為不可變形的（如鋼中的碳化物與氮化物等）和可變形的（如粗大的碳化物等）兩類這些第二相質(zhì)點比較小，有的可用粉末冶金法獲得（由此產(chǎn)生的強化稱為彌散強化），有的可用固溶處理和隨后的沉淀析出獲得（由此產(chǎn)生的強化稱為沉淀強化）第二相的強化效果還與其尺寸、形狀和數(shù)量以及第二相與基體的強度、塑性和應變硬化特性、兩相之間的晶體學配合和界面能等因素有關屈服強度是一個對成分、組織極為敏感的力學性能指標，受許多內(nèi)在因素的影響，改變合金成分或熱處理工藝都可使屈服強度產(chǎn)生明顯變化。2/4/202345安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院（二）影響屈服強度的外在因素1.溫度2.應變速率3.應力狀態(tài)2/4/202346安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院1.溫度升高溫度，金屬材料的屈服強度降低，但是金屬晶體結(jié)構(gòu)不同，其變化趨勢并不同2/4/202347安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院2.應變速率由于應變速率增加而產(chǎn)生的強度提高效應，稱為應變速率硬化現(xiàn)象2/4/202348安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院3.應力狀態(tài)切應力越大，越有利用塑性變形，屈服強度則越低，所以扭轉(zhuǎn)比拉伸的屈服強度低，拉伸比彎曲的屈服強度低，但三向不等拉伸下的屈服強度為最高不同應力狀態(tài)下材料屈服強度不同，并非是材料性質(zhì)變化，而是材料在不同條件下表現(xiàn)的力學行為不同而已2/4/202349安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院四、應變硬化（形變強化）定義：在金屬整個變形過程中，當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，這種抗力就是應變硬化性能。塑性應變是硬化的原因，而硬化則是塑性應變的結(jié)果，應變硬化是位錯增殖、運動受阻所致2/4/202350安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院應變硬化指數(shù)nn反映了材料抵抗均勻塑性變形的能力，是表征材料應變硬化行為的性能指標2/4/202351安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院n=1，表示材料是完全理想的彈性體n=0，S=K=常數(shù)，表示材料沒有應變硬化能力，如室溫下產(chǎn)生再結(jié)晶的軟金屬及已受強烈應變硬化的材料大多數(shù)金屬材料的n值為0.1-0.5

2/4/202352安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院應變硬化的作用：(1)應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。(2)應變硬化和塑性變形適當配合可使金屬均勻塑性變形，保證冷變形工藝順利實施。(3)可降低塑性，改善低碳鋼的切削加工性能。2/4/202353安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院五、縮頸現(xiàn)象和抗拉強度（一）定義縮頸是金屬等韌性材料在拉伸試驗時變形集中于局部區(qū)域的特殊現(xiàn)象，這是應變硬化（物理因素）與截面減?。◣缀我蛩兀┕餐饔玫慕Y(jié)果。2/4/202354安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院（二）縮頸判據(jù)拉伸失穩(wěn)或縮頸的判據(jù)應為dF=0，在任一瞬間，拉伸力F為真實應力S與試樣瞬時橫截面積A之積，即F=SA上式即為縮頸判據(jù)當真實應力-應變曲線上某點的斜率（應變硬化速率）等于該點的真實應力（流變應力，即屈服后繼續(xù)塑性變形并隨之升高的抗力）時，縮頸產(chǎn)生。2/4/202355安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院抗拉強度定義：拉伸試驗時試樣拉斷過程中最大試驗力所對應的應力。σb只代表金屬材料所能承受的最大拉伸應力，表征金屬材料對最大均勻塑性變形的抗力2/4/202356安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院抗拉強度σb的實際意義：(1)標志塑性金屬材料的實際承載能力，但這種承載能力僅限于光滑試樣單向拉伸的受載條件，韌性材料的σb不能作為設計參數(shù)，這是因為σb對應的應變遠非實際使用中所要達到的(2)對于脆性金屬材料，一旦拉伸力達到最大值，材料便迅速斷裂，所以σb是脆性材料的斷裂強度，用于產(chǎn)品設計，其許用應力可以σb為判據(jù)(3)抗拉強度的高低由屈服強度和應變硬化指數(shù)來決定，屈服強度一定時，應變硬化指數(shù)越大，抗拉強度越高(4)σb與布氏硬度HBW、疲勞極限σ-1有一定經(jīng)驗關系2/4/202357安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院六、塑性（一）塑性與塑性指標塑性定義：指金屬材料斷裂前發(fā)生塑性變形（不可逆永久變形）的能力。由均勻塑性變形和集中塑性變形兩部分構(gòu)成均勻塑性變形量比集中塑性變形量小得多，一般不超過集中變形量的50%所以縮頸形成后，塑性變形主要集中于試樣縮頸附近2/4/202358安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院塑性指標：(1)斷后伸長率2/4/202359安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院(2)斷面收縮率斷面收縮率是試樣拉斷后，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φ表示2/4/202360安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院（二）塑性的意義與影響因素對機件來講，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。影響因素：1.溶質(zhì)元素會降低鐵素體的塑性；2.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?。2/4/202361安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院韌度是度量材料韌性的力學性能指標，分為靜力韌度、沖擊韌度和斷裂韌度韌性是材料的力學性能，是指金屬材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力，或指材料抵抗裂紋擴展的能力材料在拉伸時單位體積材料斷裂前所吸收的功定義為靜力韌度，它是強度和塑性的綜合指標工程上可用近似計算方法，如對于韌性材料，靜力韌度UT為：七、靜力韌度靜力韌度對于按照屈服強度設計，而在服役中有可能遇到偶然過載的機件，如鏈條、起重吊鉤等，是必須考慮的重要指標2/4/202362安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院第四節(jié)金屬的斷裂一、斷裂的類型機件三種重要的失效形式：磨損、腐蝕、斷裂完全斷裂：在應力作用下，有時還有熱和介質(zhì)的共同作用，金屬材料被分為兩個或幾個部分不完全斷裂：機件內(nèi)部存在裂紋研究金屬材料完全斷裂（簡稱斷裂）的宏觀、微觀特征、斷裂機理、斷裂的力學條件及影響金屬斷裂的內(nèi)外因素，對于設計工作者和材料工作者進行機件安全設計與選材，分析機件斷裂失效事故是十分必要的大多數(shù)金屬材料的斷裂過程都包括裂紋形成與擴展兩個階段2/4/202363安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院一、斷裂的類型根據(jù)斷裂前塑性變化大小分類：（一）韌性斷裂和脆性斷裂韌性斷裂：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，在裂紋擴展過程中不斷消耗能量。韌性斷裂斷口特征：韌性斷裂的斷裂面一般平行于最大切應力并與主應力成45°角斷口呈纖維狀、灰暗色2/4/202364安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院中、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，斷口呈杯錐形由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三個區(qū)域組成（斷口特征三要素）2/4/202365安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院2/4/202366安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院脆性斷裂：是突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本不發(fā)生塑性變形，沒有明顯征兆，因而危險性很大脆性斷裂斷口特征：脆性斷裂的斷裂面一般與正應力垂直斷口平齊、光亮，呈放射狀或結(jié)晶狀通常脆性斷裂也產(chǎn)生微量塑性變形，一般規(guī)定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5%為脆性斷裂，反之為韌性斷裂因此，金屬材料的韌性和脆性是根據(jù)一定條件下的塑性變形量來規(guī)定的2/4/202367安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院按裂紋擴展的途徑分類：（二）穿晶斷裂與沿晶斷裂多晶金屬斷裂時，裂紋擴展的路徑可能不同，穿晶斷裂的裂紋穿過晶體內(nèi)，而沿晶斷裂的裂紋沿晶界擴展。2/4/202368安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院宏觀上看，穿晶斷裂可以是韌性斷裂（如韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上的穿晶斷裂），也可以是脆性斷裂（如低溫下的穿晶解理斷裂），而沿晶斷裂大多數(shù)為脆性斷裂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，破壞了晶界的連續(xù)性所造成的，也可能是雜質(zhì)元素向晶界偏聚引起的應力腐蝕、氫脆、淬火裂紋、磨削裂紋等都是沿晶斷裂2/4/202369安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院沿晶斷裂的斷口呈冰糖狀2/4/202370安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院根據(jù)斷裂機理分類：（三）純剪切斷裂與微孔聚集型斷裂、解理斷裂(1)剪切斷裂：金屬材料在切應力的作用下，沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂；包括滑斷（純剪切斷裂）和微孔聚集型斷裂。純金屬，尤其是單晶體金屬常產(chǎn)生純剪切斷裂微孔聚集型斷裂是通過微孔成核、長大聚合而導致材料分離。由于實際材料中常同時形成許多微孔，通過微孔長大互相連接而最終導致斷裂，所以常用金屬材料一般都產(chǎn)生這類性質(zhì)的斷裂2/4/202371安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院(2)解理斷裂：是指金屬材料在一定條件下（如低溫），當外加正壓力達到一定數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學平面產(chǎn)生的穿晶斷裂；解理面一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶面，由于與大理石的斷裂相似，所以稱這種晶體學平面為解理面。2/4/202372安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院解理斷裂與脆性斷裂的區(qū)別：一般解理斷裂是脆性斷裂，但有時在解理斷裂前也有一定的塑性變形，所以解理斷裂與脆性斷裂不是同義詞解理斷裂指斷裂機理脆性斷裂指斷裂的宏觀狀態(tài)2/4/202373安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院根據(jù)斷裂面的取向分類：如果斷裂面取向垂直于最大正應力，為正斷型斷裂；例如解理斷裂或塑性變形受較大約束下的斷裂如果斷裂面取向與最大切應力方向一致，而與最大正應力方向成45度角，為切斷型斷裂。例如塑性變形不受約束或約束較小情況下的斷裂2/4/202374安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院2/4/202375安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院2/4/202376安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院二、解理斷裂（一）解理裂紋的形成和擴展關于斷裂機理的三種理論：1.甄納-斯特羅位錯塞積理論2.柯垂耳位錯反應理論3.史密斯理論解理斷裂是典型的脆性斷裂，而韌性斷裂多數(shù)是微孔聚集型斷裂2/4/202377安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院(二)解理斷裂的微觀斷口特征

1.解理斷裂解理斷裂是沿特定界面發(fā)生的脆性穿晶斷裂，斷裂斷口是由許多大致相當于晶粒大小的解理面集合而成；這種大致以晶粒大小為單位的解理面稱為解理刻面。在解理刻面內(nèi)部只從一個解理面發(fā)生解理破壞實際上是很少的，多數(shù)情況下