向靜拉伸力學(xué)性能L.ppt

1、1,第1章 單向靜拉伸力學(xué)性能,1.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線 1.2 彈性變形 1.3 塑性變形 1.4 金屬的斷裂,2,單向靜拉伸實(shí)驗(yàn)特點(diǎn): （1）最廣泛使用的力學(xué)性能檢測手段; （2）實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)、加載速率、試樣尺寸、溫度等都有國標(biāo)規(guī)定。 （3）最基本的力學(xué)性能（彈性、塑性、斷裂） （4）可測力學(xué)性能指標(biāo)：強(qiáng)度（）、塑性（、）等。,3,1.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線,1.1.1 拉伸力伸長曲線,4,1.1.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線（-） =F/A； =L/L,A、L：分別為試樣在試驗(yàn)前的名義面積和標(biāo)注長度。,5,如果按拉伸時(shí)試樣的真實(shí)截面積A和真實(shí)長度 L來計(jì)算，則可得到真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(S-e),6,1

2、.1.3 幾種常見材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,7,8,1.2 彈性變形,1.2.1 彈性變形及其實(shí)質(zhì) 1.彈性變形 定義：當(dāng)外力去除后，能恢復(fù)到原來形狀或尺寸的變形，叫彈性變形。 特點(diǎn)：單調(diào)、可逆、變形量很小 （0.51.0%） 2.彈性的物理本質(zhì) 金屬的彈性性質(zhì)是金屬原子間結(jié)合力抵抗外力的宏觀表現(xiàn)。,9,1.2.2 虎克定律 （1）簡單應(yīng)力狀態(tài)時(shí),y- 縱向拉伸應(yīng)變 x 、z：橫向拉伸應(yīng)變 E 彈性模量 泊松比 y 拉應(yīng)力,單向拉伸 y = y/E x = z = y = - y/E,10,剪切和扭轉(zhuǎn), = G 切應(yīng)力 G 切變模量 切應(yīng)變 E、G 和 的關(guān)系 G = E/2(1+),11,（2）

3、廣義虎克定律,當(dāng)應(yīng)力是兩向或是三向時(shí)（即復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下），應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系： 1 (1/E) *【1-(2+3)】 2 (1/E) *【2-(3+1)】 3 (1/E) *【3-(1+2)】 1、2、3 主應(yīng)力， 1、2、3 主應(yīng)變。,12,1.2.3 彈性模量E,1.彈性模量的物理意義和作用 虎克定律分析：應(yīng)變?yōu)橐粋€(gè)單位時(shí)，E即等于彈性應(yīng)力，即E是產(chǎn)生100彈性變形所需的應(yīng)力。 【 y = y/E 】 物理意義：材料對(duì)彈性變形的抗力。 用途：工程上亦稱為剛度；計(jì)算梁或其他構(gòu)件撓度時(shí)必須用之。重要的力學(xué)性能之一。 2.影響彈性模量的因素 （見表1.1 不同材料常溫下的E值） 金屬原子本性和晶體

4、學(xué)特性（不同材料、晶格，單晶VS多晶）； 溶質(zhì)原子與其強(qiáng)化； 顯微組織； 溫度； 加載速率； 其他。 合金化、熱處理（顯微組織）、冷塑性變形對(duì)E的影響較小。溫度、加載速率對(duì)其的影響也不大。,13,1.2.4 彈性極限、彈性比功,（1）比例極限p （2）彈性極限e （3）彈性比功e(彈性比能、應(yīng)變比能) 物理意義：吸收彈性變形功的能力。 幾何意義：應(yīng)力-應(yīng)變曲線上彈性階段下的面積。 e = (1/2) ee 用途：制造彈簧的材料，要求彈性比功大。 Note：工程上很難測出p、 e的準(zhǔn)確而唯一的數(shù)值。它們與下面將要介紹的屈服極限s的概念是一致的。,14,1.2.5 滯彈性（彈性后效）（1） 滯彈性

5、及其影響因素,實(shí)際金屬材料，彈性變形不 僅是應(yīng)力的函數(shù)，而且還是時(shí) 間的函數(shù)。 滯彈性在彈性范圍內(nèi)快速加載或卸載后，隨時(shí)間延長產(chǎn)生附加彈性應(yīng)變的現(xiàn)象。 影響因素： （a）晶體中的點(diǎn)缺陷；顯微組織的不均勻性。 （b）切應(yīng)力越大，影響越大。 （c）溫度升高，變形量增加。 危害：對(duì)長期承載的傳感器，影響精度。,15,（2） 循環(huán)韌性,彈性滯后環(huán) 由于應(yīng)變滯后于應(yīng)力，使加載曲線與卸載曲線不重合而形成的閉合曲線，稱為彈性滯后環(huán)。,16,物理意義： 加載時(shí)消耗的變形功大于卸載時(shí)釋放的變形功?；颍鼐€面積為一個(gè)循環(huán)所消耗的不可逆功。 這部分被金屬吸收的功，稱為內(nèi)耗。 循環(huán)韌性 若交變載荷中的最大應(yīng)力超過金屬

6、的彈性極限，則可得到塑性滯后環(huán)。 金屬材料在交變載荷下吸收不可逆變形功的能力，叫循環(huán)韌性。 循環(huán)韌性又稱為消振性。 循環(huán)韌性不好測量，常用振動(dòng)振幅衰減的自然對(duì)數(shù)來表示循環(huán)韌性的大小。 循環(huán)韌性的應(yīng)用 減振材料（機(jī)床床身、缸體等）；樂器要求循環(huán)韌性小。,17,1.3 塑性變形與應(yīng)變硬化,定義：外載荷卸去后，不能恢復(fù)的變形。 塑性：材料受力，應(yīng)力超過屈服點(diǎn)后，仍能繼續(xù)變形而不發(fā)生斷裂的性質(zhì)。 “” 伸長率，“”斷面收縮率。 %100%，常稱為超塑性。 1.3.1 塑性變形的方式及特點(diǎn) （1）塑性變形的方式 滑移 最主要的變形機(jī)制； 孿生 重要的變形機(jī)制，一般發(fā)生在低溫形變或快速形變時(shí)； 晶界滑動(dòng)和

7、擴(kuò)散性蠕變只在高溫時(shí)才起作用； 形變帶 滑移和孿生都不能進(jìn)行的情況下才起作用。,18,a. 滑移 有關(guān)概念 滑移面：原子最密排面； 滑移向：原子最密排方向。 滑移系：滑移面和滑移向的組合。 滑移系越多，材料的塑性越好。 晶體結(jié)構(gòu)的影響較大。fccbcchcp 滑移的臨界分切應(yīng)力 =(P/A)coscos 外應(yīng)力與滑移面法線的夾角； 外應(yīng)力與滑移向的夾角； = coscos 稱為取向因子,19,b. 孿生 孿晶：外形對(duì)稱，其變形部分好象由兩個(gè)相同晶體對(duì)接起來的晶體；內(nèi)部原子排列呈鏡面對(duì)稱于結(jié)合面。 孿晶可分為 自然孿晶和形變孿晶。 孿生的特點(diǎn)：比滑移困難；時(shí)間很短；變形量很??；孿晶層在試樣中僅為

8、狹窄的一層，不一定貫穿整個(gè)試樣。 孿生與滑移的交互作用，可促進(jìn)金屬塑性變形的發(fā)展。,20,c. 形變帶 由晶體點(diǎn)陣畸變而使晶體表面出現(xiàn)的彎曲區(qū)域，由于該區(qū)域貫穿整個(gè)試樣截面并成帶狀，所以稱為形變帶。 相鄰滑移帶的交互作用。多個(gè)滑移系同時(shí)動(dòng)作，正 常的滑移不能進(jìn)行，所以產(chǎn)生點(diǎn)陣彎曲，形成形變帶。 d. 三種變形機(jī)制的比較 滑移 相鄰部分滑動(dòng)，變形前后晶體內(nèi)部原子的排列不發(fā)生變化。 孿生 變形部分相對(duì)未變形部分發(fā)生了取向變化。 形變帶 晶體點(diǎn)陣畸變。,21,(2) 塑性變形的特點(diǎn) a. 各晶粒變形的不同時(shí)性和不均勻性 各晶粒的取向不同 即 coscos不同。 對(duì)于具體材料，還存在 基體相和第二相的

9、種類、 數(shù)量、尺寸、形態(tài)、分布的影響。 b. 變形的相互協(xié)調(diào)性 多晶體作為一個(gè)整體，不允許晶粒僅在一個(gè)滑移系中變形，否則將造成晶界開裂。 五個(gè)獨(dú)立的滑移系開動(dòng)，才能確保產(chǎn)生任何方向不受約束的塑性變形。,22,1.3.2 屈服與屈服強(qiáng)度,(1) 屈服 在金屬塑性變形的開始階段，外力不增加、甚至下降的情況下，變形繼續(xù)進(jìn)行的現(xiàn)象，稱為屈服。 上屈服點(diǎn)，下屈服點(diǎn) （呂德絲帶） (2) 屈服機(jī)理 （外應(yīng)力作用下，晶體中位錯(cuò)萌生、增殖和運(yùn)動(dòng)過程）a. 柯氏氣團(tuán) 位錯(cuò)與溶質(zhì)原子交互作用，位錯(cuò)被釘扎。溶質(zhì)原子 聚集在位錯(cuò)線的周圍，形成氣團(tuán)。 提高外應(yīng)力，位錯(cuò)才能運(yùn)動(dòng)；一旦運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)發(fā)生塑性變形所需的外應(yīng)力降低

10、。,23,b. 位錯(cuò)塞積群 n個(gè)位錯(cuò)同向運(yùn)動(dòng)受阻，形成塞積群，導(dǎo)致 材料要繼續(xù)發(fā)生塑性變形必須加大外應(yīng)力；一旦 障礙被沖破，繼續(xù)發(fā)生塑性變形所需的外應(yīng)力降 下。 c. 應(yīng)變速率與位錯(cuò)密度、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率的 關(guān)系 金屬材料塑性變形的應(yīng)變速率與位錯(cuò)密度、 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率及柏氏矢量b成正比，即： = b* 位錯(cuò)增值， 提高外應(yīng)力, （位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)平均速率）, 晶體結(jié)構(gòu)變化，b, ,24,(3) 屈服強(qiáng)度 s=Fs/A 由于金屬材料存在上下屈服點(diǎn)，或者屈服點(diǎn)不明確，一般將0.2定為屈服強(qiáng)度。 屈服強(qiáng)度是工程上從靜強(qiáng)度角度選擇韌性材料的依據(jù)。 提高0.2 ，機(jī)件不易產(chǎn)生塑性變形；但過高的0.2 ，又不利于某些應(yīng)

11、力集中部位的應(yīng)力重新分布，容易引起脆性斷裂。這在材料強(qiáng)韌化和選材應(yīng)用中要十分重視。,25,1.3.3 影響屈服強(qiáng)度的因素,（1）影響屈服強(qiáng)度的內(nèi)因a. 金屬本性及晶格類型 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力：晶格阻力（P-N力）；位錯(cuò)交互 作用產(chǎn)生的阻力。 P-N力 fcc 位錯(cuò)寬度大，位錯(cuò)易運(yùn)動(dòng)。 bcc 反之。 交互產(chǎn)生的阻力 平行位錯(cuò)間交互作用產(chǎn)生的阻力；運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與林位錯(cuò)交互作用產(chǎn)生的阻力。 b. 溶質(zhì)原子和點(diǎn)缺陷 形成晶格畸變（間隙固溶，空位）,26,c. 晶粒大小和亞結(jié)構(gòu) 晶界是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。 要使相鄰晶粒中的位錯(cuò)源開動(dòng)，必須加大外應(yīng)力。 HallPetch關(guān)系式 = i + Ks * d-1/2 i

12、 位錯(cuò)在基體金屬中運(yùn)動(dòng)的總阻力； d晶粒平均直徑 細(xì)化晶粒，可以提高材料的強(qiáng)度。 d. 第二相 不可變形的第二相，位錯(cuò)只能繞過它運(yùn)動(dòng)。可變形的第二相，位錯(cuò)可以切過。 第二相的作用，還與其尺寸、形狀、數(shù)量及分布有關(guān)；同時(shí)，第二相與基體的晶體學(xué)匹配程度也有關(guān)。 （2）外因 溫度提高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)容易，s。 例：高溫鍛造，“乘熱打鐵” 應(yīng)變速率提高，s。 應(yīng)力狀態(tài) 切應(yīng)力，s。,27,1.3.4 應(yīng)變硬化,或稱形變硬化，加工硬化 （1）意義 a. 應(yīng)變硬化和塑性變形適當(dāng)配合，可使金屬進(jìn)行均勻塑性形變?！耙嗖揭嘹叀?b.使構(gòu)件具有一定的抗偶然過載能力。 c. 強(qiáng)化金屬，提高力學(xué)性能。 d.提高低碳鋼的切削

13、加工性能。 (2）應(yīng)變硬化機(jī)理 a. 三種單晶體金屬的應(yīng)力 應(yīng)變曲線,28,b. 應(yīng)變硬化機(jī)理 易滑移階段：單系滑移 hcp金屬（Mg、Zn） 不能產(chǎn)生多系滑稱，易滑移段長。 線性硬化階段：多系滑移 位錯(cuò)交互作用，形成割階、 面角位錯(cuò)、胞狀結(jié)構(gòu)等；位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大。 拋物線硬化階段：交滑移，或雙交滑移，刃型位錯(cuò)不能產(chǎn)生交滑移。 多晶體，一開動(dòng)便是多系滑移，無易滑移階段。,29,(3) 應(yīng)變硬化指數(shù) Hollomon關(guān)系式： S = k en (真應(yīng)力S與真應(yīng)變e之間的關(guān)系） n應(yīng)變硬化指數(shù)；k硬化系數(shù) n （應(yīng)變硬化指數(shù)）值大小 反映了金屬材料抵抗繼續(xù)塑性變形的能力。 分析：n=1，理想彈性

14、體; n=0，材料無硬化能力。大多數(shù)金屬材料的n值在0.10.5之間。 層錯(cuò)能低的材料應(yīng)變硬化程度大;高M(jìn)n鋼（Mn13），層錯(cuò)能力低 n大 可以證明，應(yīng)變硬化指數(shù)n在數(shù)值上等于材料形成拉伸縮頸時(shí)的真實(shí)均勻應(yīng)變量。 n值對(duì)應(yīng)變硬化效果有重要影響：n值大者，應(yīng)變硬化效果就很突出。 應(yīng)用：金屬材料的冷軋、冷拉拔，表面應(yīng)變硬化（噴丸，滾壓等），尤其對(duì)不能用熱處理方法強(qiáng)化的金屬材料，具有重要意義。,30,1.3.5 縮頸現(xiàn)象,(1) 縮頸 a. 縮頸的意義 變形集中于局部區(qū)域 失穩(wěn)的臨界條件。 b. 縮頸的判據(jù)(根據(jù)塑變體積不變的條件，可求得) S = ds/de (式1-22) 在縮頸點(diǎn)處，Sb =

15、 k*eBn Sb試樣的真實(shí)抗拉強(qiáng)度 eB 最大真實(shí)應(yīng)變量 積分，得 eB = n 結(jié)論：當(dāng)金屬材料的應(yīng)變硬化指數(shù)n等于最大真實(shí) 均勻塑性應(yīng)變量時(shí)，便產(chǎn)生縮頸。 所以，n值大時(shí)，材料的均勻塑性變形能力強(qiáng)！ c. 頸部的三向拉應(yīng)力狀態(tài) 承受三向拉應(yīng)力（相當(dāng)于厚板單向拉伸，平面應(yīng)變狀態(tài)）,31,(2) 抗拉強(qiáng)度 b 實(shí)際材料在靜拉伸下的最大承載應(yīng)力。 意義： a. 易于測定，重現(xiàn)性好 b. 不能作為韌性材料的設(shè)計(jì)參數(shù)，脆性材料可以用。 c. s/b對(duì)材料成型加工極為重要。 較小的s/b比值幾乎對(duì)所有的沖壓成型都是有利的。 d. b與材料硬度HB、疲勞極限-1之間有一定經(jīng)驗(yàn)關(guān)系： 如： b（1/3）

16、HB；淬火鋼-1（1/2）b,32,1.3.6 塑性,(1) 塑性與塑性指標(biāo) 材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。（、） 比例試樣： L0=5d0 或 L0=10d0 （ L0標(biāo)注長度 、d0名義截面直徑） 由于大多數(shù)材料的集中塑性變形量大于均勻變形量，510 (斷后伸長率) 金屬拉伸時(shí)，當(dāng) 時(shí)，產(chǎn)生縮頸；反之，不產(chǎn)生。 反映了材料斷裂前的最大塑性變形量。而則未能顯示材料的最大塑性變形。 冶金因素對(duì)的影響更突出， 比 對(duì)組織變化更為敏感。 最大力下的總伸長率與原始標(biāo)距的百分比 qt，實(shí)際上是金屬材料拉伸時(shí)產(chǎn)生的最大均勻塑性變形（工程應(yīng)變量） eB=ln(1+qt) qt對(duì)于評(píng)定沖壓板材的成型能力非常

17、有用。,33,(2) 塑性的意義和影響因素,意義：a. 安全，防止產(chǎn)生突然破壞；b. 緩和應(yīng)力集中；c. 軋制、擠壓等冷熱加工變形； 影響因素：a. 細(xì)化晶粒，塑性；b. 軟的第二相，塑性；c. 溫度提高，塑性；d. 固溶、硬的第二相等，塑性。 (3) 塑性的綜合性能指標(biāo) s/b （屈強(qiáng)比） s/b ，材料的塑性。 b/V （體積比強(qiáng)度）b/V，減輕構(gòu)件的重量。,34,1.3.7 靜力韌度,韌性：材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。（或者材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，J/m2 ），是材料的力學(xué)性能。 靜力韌度UT ：靜拉伸時(shí)，單位體積材料斷裂所吸收的功（是強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo)）。J/m3 此外還

18、有沖擊韌度、斷裂韌度。 對(duì)韌性材料： UT b* 或 UT （1/2）(s +b) * 靜力韌度 對(duì)按照屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)、有可能偶然過載的機(jī)件必須考慮（如鏈條、起重吊鉤等）。,35,1.4 金屬的斷裂,斷裂：在外載作用下，材料完全破斷為兩個(gè)部分以上的現(xiàn)象。 （斷裂是機(jī)件三大失效形式之一/還有腐蝕、磨損，它使材料失去完整性） 斷裂發(fā)生條件：不僅出現(xiàn)在高應(yīng)力和高應(yīng)變時(shí)；也發(fā)生在低應(yīng)力和無明顯塑性變形條件下！對(duì)此不可輕視！ 1.4.1 斷裂的基本類型 (1) 根據(jù)斷裂前塑性變形量的大小分：脆性斷裂、韌性斷裂 (2) 根據(jù)斷裂面的取向分： 正斷、切斷 (3) 根據(jù)裂紋擴(kuò)展的途徑分： 穿晶斷裂、沿晶斷裂 (

19、4) 根據(jù)斷裂機(jī)理分： 解理斷裂、微孔聚集型斷裂、純剪切斷裂,36,37,1.4.2 斷裂及斷口特征,（1）韌性斷裂與脆性斷裂（宏觀）a. 韌性斷裂斷裂特點(diǎn)：斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀變形；過程緩慢；斷裂面一般平行于最大切應(yīng)力， 并與主應(yīng)力成45o角。斷口特征斷口呈纖維狀，灰暗色。杯錐狀。斷口特征三要素： 纖維區(qū)F、放射區(qū)R、剪切唇SF纖維區(qū)：裂紋快速擴(kuò)展。撕裂時(shí)塑性變形量大， R放射線粗。S剪切唇：切斷。其危害程度不及脆性斷裂，斷裂前機(jī)件已變形失效。,38,b. 脆性斷裂斷裂特點(diǎn) 斷裂前基本不發(fā)生塑性變形，無明顯前兆； 斷口與正應(yīng)力垂直。斷口特征 平齊光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀； 人字紋花樣的放射方向

20、與裂紋擴(kuò)展方向平行。 通常，脆斷前也產(chǎn)生微量的塑性變形，一般規(guī)定 5%為脆性斷裂；大于5時(shí)為韌性斷裂。 可見，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，材料的韌性與脆性行為會(huì)隨之而改變。 例如：T、脆性。,39,（2）穿晶斷裂與沿晶斷裂（微觀） 特點(diǎn)： 穿晶斷裂，裂紋穿過晶界。 沿晶斷裂，裂紋沿晶擴(kuò)展。 穿晶斷裂，可以是韌性或脆 性斷裂；兩者有時(shí)可混合發(fā)生。 沿晶斷裂（斷口形貌呈冰糖狀，如圖1-20），多數(shù)是脆性斷裂。,40,（3）純剪切斷裂，微孔聚集型斷裂，解理斷裂（機(jī)理）,a. 純剪切斷裂 沿滑移面分離而造成的分離斷裂。 b. 微孔聚集型斷裂 微孔形核、長大、聚

21、合導(dǎo)致材料分離。 c. 解理斷裂 以極快速率沿一定晶體學(xué)平面產(chǎn)生的穿晶斷裂。 解理面一般是指低指數(shù)晶面或表面能量低的晶面。 （表1-6，P28） fcc 金屬一般不發(fā)生解理斷裂。 解理斷裂總是脆性斷裂。,41,1.4.3 解理斷裂機(jī)理和微觀斷口特征（1）解理裂紋的形成和擴(kuò)展,（裂紋的萌生，擴(kuò)展） 材料斷裂前總會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形。而塑性變形與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。 a. 位錯(cuò)塞積理論 位錯(cuò)塞積頭處，應(yīng)力集中，超過材料的強(qiáng)度極限，裂紋形成。其塞積頭處的最大拉應(yīng)力為： （1-31） （i） 滑移面上的有效切應(yīng)力 d晶粒直徑,從位錯(cuò)源S到塞積頭O的距離為d/2 r自位錯(cuò)塞積頭到裂紋形成點(diǎn)的距離 可推導(dǎo)， m

22、 （Es/a0)1/2 （參見五、1） m-理想晶體沿解理面斷裂的理論斷裂強(qiáng)度 E-彈性模量，s表面能， a0原子晶面間距 討論：E越小、 s越小， m越低。沿晶面間距越大（a0越?。┑脑悠矫鏀嗔褧r(shí)的m越低。,42,柯垂耳用能量分析法導(dǎo)出解理裂紋擴(kuò)展的臨界條件為： 外加應(yīng)力 nb = 2 （1-34） n 塞積的位錯(cuò)數(shù) b 位錯(cuò)柏氏矢量的模 理解：為產(chǎn)生解理斷裂，裂紋擴(kuò)展時(shí)外加正應(yīng)力所作的功必須等于（能補(bǔ)償）產(chǎn)生裂紋新表面的表面能。 nb“外加正應(yīng)力同時(shí)推動(dòng)n個(gè)塞積的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)b距離所做的功” 分析：據(jù)圖121，裂紋底部邊長i.e.切變位移nb，nb是（i）作用的結(jié)果，設(shè)滑移帶穿過直徑為d的晶

23、粒，則原來分布在滑移帶上的彈性剪切位移 。 滑移帶上的切應(yīng)力因出現(xiàn)塑性位移nb而被松弛，則彈性剪切位移應(yīng)等于塑性位移，即： （1-35）,43,將式（135）代入式（134），得： （1-36） 因?yàn)榍r(shí)（s）裂紋已形成， s又與晶粒直徑之間存在HallPetch關(guān)系，i.e., 代入式（136），得： （1-37） c長度相當(dāng)于直徑d的裂紋擴(kuò)展所需之應(yīng)力，或裂紋體的實(shí)際斷裂強(qiáng)度，式（137）即為屈服時(shí)產(chǎn)生解理斷裂的判據(jù)。 可見，d減小， c。晶粒細(xì)化，材料的強(qiáng)度，材料的脆性減?。坏诙噘|(zhì)點(diǎn)的平均自由程入越小，材料的強(qiáng)度。,44,b. 位錯(cuò)反應(yīng)理論 位錯(cuò)反應(yīng)，形成新的位錯(cuò)，能量降低，有利于裂

24、紋形核。 c. 史密斯理論（脆性材料萌生裂紋） 位錯(cuò)塞積，在脆性相內(nèi)萌生裂紋。,45,（2）解理斷裂的微觀斷口特征電鏡觀察a. 河流狀（圖1-25）,解理臺(tái)階，匯合臺(tái)階高度足夠大形成河流狀花樣。 裂紋跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面。 解理臺(tái)階是沿兩個(gè)高度不同的平行解理面上擴(kuò)展的解理裂紋相交時(shí)形成的。 其方式為：解理裂紋與螺位錯(cuò)相交形成；通過二次解理成撕裂形成。 “河流”的流向與裂紋擴(kuò)展方向一致。微觀上，可從河流的反方向?qū)ふ覕嗔言础?船用鋼板解理斷口上的河流花樣,46,晶界對(duì)解理斷口的影響:- 小角度傾斜晶界 裂紋能越過晶界，“河流”可延續(xù)到相鄰晶粒內(nèi)。- 扭轉(zhuǎn)晶界（位向差大） 裂紋

25、不能直接穿過晶界，必須重新形核。 裂紋將沿若干組新的相互平行的解理面擴(kuò) 展，形成新的“河流”。,47,b. 舌狀花樣 解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展留下的舌狀凹坑或凸臺(tái)。 （見圖） c. 準(zhǔn)解理 由于晶體內(nèi)存在彌散硬 質(zhì)點(diǎn)，解理裂紋起源于晶 內(nèi)硬質(zhì)處點(diǎn)，形成從晶內(nèi) 某點(diǎn)發(fā)源的放射狀河流花 樣。 準(zhǔn)解理不是獨(dú)立的斷裂 機(jī)制。是解理斷裂的變種。,48,1.4.4 微孔聚集斷裂機(jī)理和微觀斷口特征,(1) 斷裂機(jī)理a. 微孔形核 點(diǎn)缺陷聚集、第二相質(zhì)點(diǎn)碎裂或脫落； 位錯(cuò)引起的應(yīng)力集中，不均勻塑性形變。 b. 微孔長大 滑移面上的位錯(cuò)向微孔運(yùn)動(dòng)，使其長大。 c. 微孔聚合 應(yīng)力集中處，裂紋向前推進(jìn)一定長度。,49

26、,(2) 微觀斷口特征,韌窩（火山口式，圓形，橢圓形）（圖1-32） （1）韌窩形狀（a）正應(yīng)力 微孔的平面，形成等軸韌窩； 退火低碳鋼拉伸試樣中心纖維區(qū)就是等軸韌窩。（b）拉長韌窩 扭轉(zhuǎn)、或雙向不等應(yīng)力狀態(tài)；切應(yīng) 力，形成拉長韌窩；（c）撕裂韌窩 拉、彎應(yīng)力狀態(tài)； （2）影響韌窩大小因數(shù) 基體材料的塑性變形能力和應(yīng)變硬化指數(shù)； 第二相質(zhì)點(diǎn)的大小和密度。 韌窩可以看成是微觀尺度上的“縮頸”。 注意：微觀上出現(xiàn)韌窩，宏觀上不一定是韌性斷裂； 而宏觀上為脆性斷裂，在局部區(qū)域內(nèi)也可能有塑性變形，從而顯示出韌窩形態(tài)。,50,1.4.5 斷裂強(qiáng)度,(1) 理論斷裂強(qiáng)度“原子間結(jié)合力”模型 完整晶體，原子

27、間作用力與原子間位移關(guān)系式 m代表晶體在彈性狀態(tài)下的最大結(jié)合力理論斷裂強(qiáng)度。,位移很小， 由虎克定律，彈性狀態(tài)下,合并上面兩個(gè)式子， 得：,晶體脆性斷裂時(shí)所消耗的功 U0 用于提供形成兩個(gè)新表面所需之表面能（設(shè)裂紋面上單位面積的表面能為），形成單位裂紋表面外力所作的功，應(yīng)為x曲線下所包圍的面積，即：,因?yàn)閿嗔褧r(shí)形成兩個(gè)新表面，所以有,（1）,（2）,（3）,or,51,m 即為理想晶體解理斷裂的理論斷裂強(qiáng)度。 表面能 a0原子間平衡距離 m E/5.5 實(shí)際 m 僅為 E 的 1/101/1000。 思考： 實(shí)際金屬中，一定存在某種缺陷，使材料斷裂強(qiáng)度顯著下降。,將（3）代入（2），得：,（4）,52,(2) 斷裂強(qiáng)度的裂紋理論,a. 出發(fā)點(diǎn) 材料中已存在裂紋；局部應(yīng)力集中； 裂紋擴(kuò)展（增加新的表面），系統(tǒng)的彈性能 降低以提供裂紋擴(kuò)展時(shí)表面能的增加。 b.