工程材料力学性能-第一章工

1、第一节拉伸曲线和应力应变曲线第一节拉伸曲线和应力应变曲线1 1、拉伸试样、拉伸试样2 2、拉伸曲线和应力、拉伸曲线和应力- -应变曲线应变曲线3 3、真应力、真应力- -真应变曲线真应变曲线圆形试样板状试样试验设备试验设备万能试验机万能试验机一、低碳钢拉伸时的一、低碳钢拉伸时的力学性能力学性能低碳钢低碳钢含碳量含碳量在在0.25%以下的碳以下的碳素钢。素钢。试验原理：试验原理：力拉伸曲线图力拉伸曲线图应力应变曲线图应力应变曲线图力除以横截面积力除以横截面积 l除以试样的长度除以试样的长度l塑塑性性材材料料的的力力学学性性能能以低碳钢以低碳钢Q235拉伸实验拉伸实验的应力应变图为例。的应力应变图

2、为例。低碳钢低碳钢拉伸过程拉伸过程4个典型阶段。个典型阶段。1.线性阶段线性阶段:拉伸的初始阶拉伸的初始阶段，即段，即Oa阶段。阶段。特征特征：此阶段内：此阶段内应力应应力应变变遵循胡克定律。遵循胡克定律。E线性阶段的最高点线性阶段的最高点a所对应的应力称为材料所对应的应力称为材料的的比例极限比例极限,称为：称为：pOA阶段的斜率在数阶段的斜率在数值上等于材料的弹值上等于材料的弹性模量性模量E。塑塑性性材材料料的的力力学学性性能能低碳钢低碳钢拉伸过程中拉伸过程中的的4个典型阶段。个典型阶段。2.屈服阶段屈服阶段:应力应变图水平阶段，应力应变图水平阶段，特征特征：应力几乎不变，变：应力几乎不变，

3、变形急剧增大，材料失去抵形急剧增大，材料失去抵抗继续变形的能力。抗继续变形的能力。使材料发生屈服的应力，使材料发生屈服的应力，称为称为屈服应力屈服应力或或屈服极限屈服极限s以低碳钢以低碳钢Q235拉伸实验拉伸实验的应力应变图为例。的应力应变图为例。当试样表面光滑时，在材料发生屈服时，在当试样表面光滑时，在材料发生屈服时，在试样的表面会出现与轴线成试样的表面会出现与轴线成45度的线纹。度的线纹。为什么？为什么？原因原因：杆件的杆件的45度斜截面上作用有度斜截面上作用有最大切最大切应力应力，上述线纹是材料沿该截面产生滑移，上述线纹是材料沿该截面产生滑移所造成的，故称为滑移线。所造成的，故称为滑移线

4、。见前面见前面例题例题塑塑性性材材料料的的力力学学性性能能屈服阶段的滑移线现象屈服阶段的滑移线现象塑塑性性材材料料的的力力学学性性能能3.硬化阶段硬化阶段:经过屈服滑移之后，材料经过屈服滑移之后，材料重新具有抵抗继续变形的重新具有抵抗继续变形的能力，称为能力，称为应变硬化应变硬化。应变硬化应变硬化的最高点的最高点e所对所对应的应力，称为材料的应的应力，称为材料的强强度极限度极限 。b材料的材料的强度极限强度极限是材料所是材料所能承受的能承受的最大最大应力。应力。硬化阶段材料又恢复并增硬化阶段材料又恢复并增强了抵抗变形的能力。强了抵抗变形的能力。以低碳钢以低碳钢Q235拉伸实验拉伸实验的应力应变

5、图为例。的应力应变图为例。塑塑性性材材料料的的力力学学性性能能4.缩颈阶段缩颈阶段:当应力超过材料的强度极限后，当应力超过材料的强度极限后，式样的某一式样的某一局部显著收缩局部显著收缩，产生，产生所谓所谓缩颈缩颈。缩颈出现后，虽然材料的缩颈出现后，虽然材料的应力减小不大应力减小不大，但是试样的但是试样的危险截面危险截面的面积的面积减小减小，拉伸所，拉伸所用的用的拉力显著减小拉力显著减小，最后试样在，最后试样在缩颈缩颈处断处断裂。裂。线性阶段、屈服阶段、硬化（强化）阶段、缩颈阶段试样线性阶段、屈服阶段、硬化（强化）阶段、缩颈阶段试样塑塑性性材材料料的的力力学学性性能能总结：总结：试样的整个拉伸过

6、程，材试样的整个拉伸过程，材料经历了料经历了线性线性阶段、阶段、屈服屈服阶段、阶段、硬化硬化阶段与阶段与缩颈缩颈阶阶段。段。整个拉伸过程，材料存在整个拉伸过程，材料存在三个三个典型典型特征点，对应的特征点，对应的应力依次为：应力依次为：比例极限应比例极限应力力、屈服应力屈服应力和和强度极限强度极限应力应力。以低碳钢以低碳钢Q235拉伸实验拉伸实验的应力应变图为例。的应力应变图为例。材材料料卸卸载载与与再再加加载载时时的的力力学学行行为为卸载方式一卸载方式一：当应力小于比例极当应力小于比例极限时卸载。限时卸载。现象现象：卸载过程应力与应变卸载过程应力与应变保持比例关系，沿保持比例关系，沿aO线回

7、到线回到O点。点。弹性极限弹性极限：仅产生弹性的现象一仅产生弹性的现象一直持续到应力应变直持续到应力应变曲线的某点曲线的某点b，与该，与该点对应的正应力称为点对应的正应力称为材料的弹性极限。材料的弹性极限。弹性弹性极限，极限，比例比例极限在数值上极限在数值上非常相近，但物理意义不同。非常相近，但物理意义不同。材材料料卸卸载载与与再再加加载载时时的的力力学学行行为为卸载方式二卸载方式二：当应力超过弹性当应力超过弹性极限时卸载。极限时卸载。现象现象：卸载过程应力与应卸载过程应力与应变关系，沿变关系，沿dd线线回到回到d点点,该直线与该直线与Oa大致平行。大致平行。p是塑性应变，是塑性应变，e是弹性

8、应变是弹性应变冷作冷作( (应变应变) )硬化现象：硬化现象：应力超过屈服极限后卸载，应力超过屈服极限后卸载，再次加载，材料的再次加载，材料的比例极比例极限限提高，而塑性降低的现提高，而塑性降低的现象。象。p是塑性应变，是塑性应变，e是弹性应变是弹性应变那么，怎样考核塑性呢？那么，怎样考核塑性呢？2022-3-517塑性性能指标塑性性能指标（1）延伸率）延伸率100%lll 断裂时试验段的残余变形，断裂时试验段的残余变形，l试件原长试件原长5%的材料为塑性材料；的材料为塑性材料； 5%的材料为脆性材料。的材料为脆性材料。（2）截面收缩率）截面收缩率%1001AAA1A 断裂后断口的横截面面积，

9、断裂后断口的横截面面积，A试件原面积试件原面积低碳钢低碳钢Q235的截面收缩率的截面收缩率60%。一一般般金金属属材材料料的的拉拉伸伸力力学学性性能能 塑性材料的应力塑性材料的应力应变图有的应变图有的存在存在明显的明显的屈服阶段，有的屈服阶段，有的不存在不存在明显的屈服阶段。明显的屈服阶段。一一般般金金属属材材料料的的拉拉伸伸力力学学性性能能塑性材料的应力应变图不存在不存在明显的屈服阶段不存在明显屈服阶段不存在明显屈服阶段的的塑性材料，工程中通常塑性材料，工程中通常以卸载后产生数值为以卸载后产生数值为0.2的残余应变作为的残余应变作为屈服屈服强度强度或或名义屈服极限名义屈服极限脆性材料脆性材料

10、b拉伸拉伸拉伸：拉伸： 与与 无明显的线性关系，无明显的线性关系，拉断前应变很小。抗拉强度差。拉断前应变很小。抗拉强度差。破坏时沿横截面拉断。破坏时沿横截面拉断。脆性材料拉伸时的力学性能脆性材料拉伸时的力学性能低碳钢的拉伸图低碳钢的拉伸图(a)和应力应变曲线和应力应变曲线(b)玻璃、陶瓷、岩石、横向交联很好的聚合物及一些低温下的金属纯弹性型纯弹性型金属及合金、部分陶瓷及非晶态高聚物。弹性均匀塑性弹性均匀塑性低温和高应变速率下的面心立方金属（孪生）。某些含碳原子的体心立方铁合金以及铝合金低溶质固溶体。弹性不均匀塑性弹性不均匀塑性 弹性不均匀塑性均匀塑性型体心立方的铁基合金和若干有色金属。弹性不均

11、匀塑性均匀塑性型弹性不均匀塑性均匀塑性型 弹性不均匀塑性均匀塑性型结晶态高聚物和未经拉伸的线形非晶态高聚物。弹性不均匀塑性均匀塑性型弹性不均匀塑性均匀塑性型第二节弹性变形、虎克定律和弹性模量第二节弹性变形、虎克定律和弹性模量1 1、弹性变形的虎克定律和双原子模型、弹性变形的虎克定律和双原子模型2 2、常用弹性常数和弹性模量、常用弹性常数和弹性模量3 3、刚度的概念及其应用、刚度的概念及其应用a0ff吸引力金属正离子与公有电子间库仑引力吸引力金属正离子与公有电子间库仑引力作用的结果，这是一种长程力，在比原子间距作用的结果，这是一种长程力，在比原子间距大得多的距离处它仍然起作用并占优势。大得多的距

12、离处它仍然起作用并占优势。排斥力由同性电荷（离子，电子）间的库排斥力由同性电荷（离子，电子）间的库仑斥力以及相邻原子电子层互相重叠的泡里斥仑斥力以及相邻原子电子层互相重叠的泡里斥力所造成的，这是一种短程长，只有当原子距力所造成的，这是一种短程长，只有当原子距离接近时才起主导作用。离接近时才起主导作用。a0ff原子间距1231引力，引力，2斥力，斥力，3合力合力a00引力斥力a0ff引力能斥力能原子间距Hookes Law: L-L0=常数L0F/S0EE：正弹性模量，Ex/x, 抵抗正应变能力G：切弹性模量，G=xy/xy,抵抗切应变能力 ：泊松比， =-y/x,横向正应变与受力方向正应变比值

13、k：体积弹性模量，在三向压缩下，压强p与体积变化率之间的线性比例关系E=2G(1+) E=3k(1-2 ) 因此，各向同性材料只有两个独立分量。弹性模量的意义是以零件的刚度体现出来1、滞弹性变形的现象2、滞弹性变形的本质3、滞弹性变形的应用l环内面积相当于在交变载荷下不可逆的能量损环内面积相当于在交变载荷下不可逆的能量损失内耗（循环韧性）失内耗（循环韧性）l它标志着单向交变载荷下能以不可逆方式吸收它标志着单向交变载荷下能以不可逆方式吸收能量，而又不破坏的能力，即靠自身消除机械能量，而又不破坏的能力，即靠自身消除机械振动的抗力，是一种很有用的力学性能指标。振动的抗力，是一种很有用的力学性能指标。

14、l工程上不允许弹性后效仪表、精密仪表中的测力弹簧、乐器等；l工程上希望弹性后效飞机螺旋浆、汽轮机叶片、机床床身等。l影响弹性后效和循环韧性的因素：影响弹性后效和循环韧性的因素：材料本质有关的晶体结构和组织不均匀性材料本质有关的晶体结构和组织不均匀性外部服役条件：温度、加工硬化和应力状态外部服役条件：温度、加工硬化和应力状态l高聚物大分子链结构和热运动导致高聚高聚物大分子链结构和热运动导致高聚物的粘弹性。物的粘弹性。1、非比例变形2、规定非比例伸长应力3、规定总伸长应力4、规定残余伸长应力5、几种应力的比较非比例伸长非比例伸长=滞弹性伸长滞弹性伸长+蠕变伸长蠕变伸长+塑性伸长塑性伸长 滞弹性伸长

15、是可恢复的弹性部分，蠕变滞弹性伸长是可恢复的弹性部分，蠕变伸长是不可恢复的塑性部分，两者都是与时伸长是不可恢复的塑性部分，两者都是与时间相关的变形。塑性伸长是不可塑性的变形间相关的变形。塑性伸长是不可塑性的变形量，在低温和室温下，蠕变伸长和滞弹性伸量，在低温和室温下，蠕变伸长和滞弹性伸长所占的比重较小。长所占的比重较小。总伸长=总弹性伸长+总塑性伸长两者都包括与时间有关的和与时间无关的部分卸载后的残余伸长=塑性变形造成的永久伸长+滞弹性伸长规定非比例伸长应力（P）是指试样标距部分的非比例伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。例如，P0.01、P0.05、P0.2表示规定非比例伸长率为0.01%

16、、0.05%、0.2%。 t=标距部分总伸长（弹性伸长+塑性伸长）达到规定的原始标距百分比的应力。如t0.5、t0.6、t0.7表示规定总伸长率为0.5%、0.6%、0.7%。 r指试样卸除拉伸后，标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。如r0.2。 lP是加载时测定的；r是卸载时测定的，两者大小有区别。r测试方法比较复杂，一般选用P或t。l一些特殊的高压容器为保持严格的气密性，其紧固螺栓要求不能有微残余伸长，这时取0.1甚至0.01。而桥梁、建筑物等大型结构允许有更大的残余变形量，取0.5。 1、不连续屈服2、影响屈服应力的因素1、不连续屈服屈服机理最初用柯氏气团来解释即位错被溶

17、质原子钉锚。平台的屈服应力有Hall-Petch关系：式中，0为单晶体屈服应力，与温度和成分有关；K为系数，表征晶界对屈服应力影响程度，与晶界结构有关，与温度关系不大。 2、影响屈服应力的因素 由Hall-Petch公式知，屈服应力与成分、组织、晶粒尺寸、晶界组织等有关，是一个内部因素敏感的力学性能指标；同时屈服应力又与外部因素如温度、形变速率和应力状态等有关。 温度的影响温度升高，屈服强度下降。这是因为：1）温度升高，原子热振动增大，点阵间距增加，弹性模量下降，晶格对位错运动的阻力也下降，不同材料影响不同，体心立方结构最敏感，密排六方结构次之，面心立方结构最不敏感。2）温度升高，阻碍位错运动

18、的因素可借助热激活和原子扩散等过程得到克服。 变形速率屈服强度与温度及变形速率有关。因此，标准试验时，加载速率不能大于30N/mm2/s，以保证数据可比性。应力状态切应力越高，塑性变形越有利，则屈服强度越低。不同应力状态下有效屈服强度排列顺序为：扭转拉伸弯曲三向不等拉伸。 123空间（三向）应力状态：三个主应力均不为零空间（三向）应力状态：三个主应力均不为零平面（二向）应力状态：一个主应力为零平面（二向）应力状态：一个主应力为零单向应力状态：两个主应力为零单向应力状态：两个主应力为零yxz x y z xy yxyz zy zx xz三向应力状态三向应力状态yxz x y z xy yxyz

19、zy zx xz三向应力状态三向应力状态xyx yyx两向应力状态两向应力状态xyxxyyx单向应力状态单向应力状态纯剪应力状态纯剪应力状态三向应力状态三向应力状态平面应力状态平面应力状态单向应力状态单向应力状态纯切应力状态纯切应力状态特例特例特例特例提高屈服强度的途径：1）形变硬化：冷变形，增加位错密度，提高屈服强度；2） 细化晶粒：；3）固溶强化：加入溶质元素，形成间隙型或置换型固溶体，与位错作用以提高屈服强度；4）第二相强化：第二相的类型：聚合型和弥散型。第二相的成分与性质不同于基体，在质点周围形成应力场，应力场对位错运动有阻碍作用。屈服强度应该是材料开始塑性变形的应力塑性变形方式是滑移

20、和孪生。实际金属材料的塑性变形特点：1、塑性变形不同时且不均匀不同滑移系上切应力分量最大值达到临界分切应力的晶粒首先开始塑性变形某些晶粒已经塑性变形了，超过极限时可能导致微裂纹的产生2、各晶粒变形相互制约，需要协调某一晶粒发生塑性变形，则周围的晶粒必须相应地变形。为了变形能相互协调，必须在更多的滑移系上配合进行滑移一个晶粒内部的变形量也不同，靠近晶粒边界处点阵畸变大，中心小；靠近晶界处有不同的滑移系起作用，可能产生亚晶界3、形变织构和各向异性滑移方向逐渐向主变形方向转动，出现择优取向，这种组织状态称为形变织构形成织构后，材料横向和纵向性能出现差异 1、流变曲线和硬化指数 2、形变硬化的工程意义

21、 把材料初始屈服后的塑性变形和强 化过程叫做形变硬化 屈服应力初始塑性变形的抗力 流变应力继续塑性变形并随之升高的抗力，它相当于经过一定预应变后材料的屈服应力 用真应力真应变表示的硬化过程的曲线叫做流变（硬化）曲线 真应力真应变曲线一般用幂乘关系拟合的线性相关性最好。 相当于预应变 描述同一材料或相同形变硬化特性材料经过不同预应变的流变曲线相当于屈服应力 描述具有相似形变硬化特性，但有不同屈服应力时的流变曲线n=00n1X纠正书上错误纠正书上错误 p.22 金属力学性能金属力学性能 黄明志，石德珂，金志浩黄明志，石德珂，金志浩Hollomon公式双对数坐标双对数的Hollomon流变曲线 与P

22、有关 ，由Hollomon公式有：上式为用总应变表达的Hollomon流变曲线。 pe n表示材料抵抗形变的能力，表示材料抵抗形变的能力，n越大，越大，材料对连续塑性变形的抗力越高，面心材料对连续塑性变形的抗力越高，面心立方金属的应变硬化指数大于体心立方立方金属的应变硬化指数大于体心立方金属的应变硬化指数。对理想弹性体金属的应变硬化指数。对理想弹性体n=1；对理想塑性体；对理想塑性体n=0，即外力不增大，即外力不增大情况下，继续塑性变形，完全无硬化能情况下，继续塑性变形，完全无硬化能力；一般力；一般n=0.10.5。形变硬化的工程意义形变硬化的工程意义1 1、 形变强化与塑性变形相配合，保证了

23、金属形变强化与塑性变形相配合，保证了金属材料在截面上的均匀变形，得到均匀一致的材料在截面上的均匀变形，得到均匀一致的冷变形制品；冷变形制品；2 2、 形变强化使构件在工作中具有适当的抗偶形变强化使构件在工作中具有适当的抗偶然过载的能力，保证构件安全；然过载的能力，保证构件安全；3 3、 形变硬化是材料强化手段之一。特别是无形变硬化是材料强化手段之一。特别是无相变强化材料，通过喷丸和冷挤压对表面进相变强化材料，通过喷丸和冷挤压对表面进行强化。如行强化。如1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti合金合金40%40%形变强化，强形变强化，强度提高度提高1 1倍；倍；4 4、形变强化可以降低碳钢的塑性

24、，改善其加、形变强化可以降低碳钢的塑性，改善其加工性能工性能。 1 1、最大力下的总伸长率和非比例伸长率、最大力下的总伸长率和非比例伸长率2 2、抗拉强度、抗拉强度3 3、断后伸长率和断面收缩率、断后伸长率和断面收缩率1 1、最大力下的总伸长率和非比例伸长率、最大力下的总伸长率和非比例伸长率最大力下的伸长率是指试样拉到最大力最大力下的伸长率是指试样拉到最大力时标距的伸长与原始标距的百分比，用总时标距的伸长与原始标距的百分比，用总伸长计算的称为最大力下的总伸长率伸长计算的称为最大力下的总伸长率gt；用非比例伸长计算的称为最大力下的非比用非比例伸长计算的称为最大力下的非比例伸长率例伸长率g。可以用

25、做图法求可以用做图法求gt和和g。 下面推导g-n关系：SF达到最大应力时，有dSdSSddSdF0根据体积不变原理有dldlSdSldSSdldVSlV0,积分得积分得设塑性变形服从设塑性变形服从Hollomon规律，则规律，则在最大力点有在最大力点有n=。通过上式就可以估计出通过上式就可以估计出n值。但严格地讲，值。但严格地讲，材料未必服从材料未必服从Hollomon规律。规律。 ddddlllllg)1ln()ln()ln(000nKnnnKnKKdd1)1ln(gn2 2、抗拉强度、抗拉强度抗拉强度（抗拉强度（b b）试样拉断过程中最试样拉断过程中最大力所对应的应力。最大力大力所对应的

26、应力。最大力F Fb b由试验机或由试验机或拉伸曲线图（拉伸曲线图（F Fll）获得。）获得。0/SFbb 对塑性较好的材料，它还对塑性较好的材料，它还表征材料最大均匀塑性变形的表征材料最大均匀塑性变形的抗力，并不代表材料的断裂抗抗力，并不代表材料的断裂抗力，因为这时材料不仅有一定力，因为这时材料不仅有一定的均匀塑性变形能力，而且还的均匀塑性变形能力，而且还可以在颈缩后有一定局部集中可以在颈缩后有一定局部集中变形，在后一过程中，其真应变形，在后一过程中，其真应力继续上升，直到力继续上升，直到K点所对应点所对应的的K真真为止，所以，为止，所以，b b真真 K真真。 对塑性很差的材料，如果只有均匀

27、塑性变形，则b b真 =K真。 对塑性很差的材料，如果只有极小塑性变形，则b =b真 =K真。 b在工程中应用非常广泛：在工程中应用非常广泛： 1、 b代表静拉伸时实际零件所能承受的代表静拉伸时实际零件所能承受的最大载荷最大载荷在工程设计中应用；在工程设计中应用； 2、 b易于测量，重现性好，又是一种组易于测量，重现性好，又是一种组织较敏感的力学性能指标织较敏感的力学性能指标产品规格说明和产品规格说明和质量控制的指标；质量控制的指标； 3、 金属材料特别是碳钢中，金属材料特别是碳钢中，b、布氏硬、布氏硬度和疲劳强度之间有一些经验关系度和疲劳强度之间有一些经验关系在工程在工程设计和工艺控制中十分

28、有用。设计和工艺控制中十分有用。 3、断后伸长率和断面收缩率、断后伸长率和断面收缩率 断后伸长率断后伸长率试样拉断后，标距和伸长试样拉断后，标距和伸长与原始标距的百分比。与原始标距的百分比。 断裂在标距的中间三分之一处时，直接测断裂在标距的中间三分之一处时，直接测量断后伸长量断后伸长l1，得，得%100001lll 断面收缩率断面收缩率拉断后，颈缩自横截拉断后，颈缩自横截面的最大缩减量与原始横截面积的百分比。面的最大缩减量与原始横截面积的百分比。 %100010SSS 一般一般比比更真实地反映材料的真实极更真实地反映材料的真实极限变形能力，所以测限变形能力，所以测比测比测更有意义，颈更有意义，

29、颈缩处应力状态非常复杂。缩处应力状态非常复杂。 颈缩处截面上的应力分布颈缩处截面上的应力分布 实际断裂强度实际断裂强度K K真真实际断裂负实际断裂负荷荷F FK K除以实际断裂面积除以实际断裂面积S SK K。)1 (/KbKKKKSF真真典型断裂情况及典型断裂情况及K真真在相应情况下的含义在相应情况下的含义断口三个区断口三个区 纤维区、放射区都是由材料的剪切变形所纤维区、放射区都是由材料的剪切变形所造成的，但与纤维区的剪切断裂不同，是在造成的，但与纤维区的剪切断裂不同，是在裂纹达到临界尺寸后快速低能撕裂的结果。裂纹达到临界尺寸后快速低能撕裂的结果。 断裂过程：裂纹开始断裂过程：裂纹开始于中心

30、，显微孔洞、空洞于中心，显微孔洞、空洞（微孔）（微孔）长大、聚集长大、聚集形成锯齿状纤维断口形成锯齿状纤维断口纤纤维区扩展到一定尺寸维区扩展到一定尺寸裂裂纹快速（失稳）扩展形成纹快速（失稳）扩展形成放射区（宏观正断，微观放射区（宏观正断，微观非解理）快速低能撕裂结非解理）快速低能撕裂结果果拉伸应力的分切应力拉伸应力的分切应力切断形成剪切唇。切断形成剪切唇。 三个区域所占面积大小与试样原始三个区域所占面积大小与试样原始尺寸、塑性有关，尺寸一定，塑性越好，尺寸、塑性有关，尺寸一定，塑性越好，放射区越小。放射区越小。 K K真真实际主要反映材料的切断抗力实际主要反映材料的切断抗力K K的大小。的大小

31、。 1 1、宏观上断裂分类、宏观上断裂分类2 2、宏观断口形貌、宏观断口形貌3 3、力学状态图、力学状态图1 1、宏观上断裂分类、宏观上断裂分类按断前塑性变形（如以按断前塑性变形（如以5 5断面收缩率为断面收缩率为界）或断裂过程中吸收能量多少来分类界）或断裂过程中吸收能量多少来分类。正断正断韧性断裂韧性断裂 切断切断断裂正断断裂正断 脆性断裂脆性断裂切断切断2 2、断口宏观形貌、断口宏观形貌 宏观韧性断裂断口呈杯锥状，纤维区、放射区宏观韧性断裂断口呈杯锥状，纤维区、放射区和剪切唇，是缓慢发展、耗能高的撕裂过程。和剪切唇，是缓慢发展、耗能高的撕裂过程。 宏观脆性断裂断口平齐而光亮，与主应力垂直，

32、宏观脆性断裂断口平齐而光亮，与主应力垂直，主要是放射区，快速低能撕裂的结果，矩形断口主要是放射区，快速低能撕裂的结果，矩形断口有人字纹，人字纹尖指向源区。有人字纹，人字纹尖指向源区。材料越脆，放射线越细。若晶粒较粗，主要是材料越脆，放射线越细。若晶粒较粗，主要是反光小刻面（平面），这些小平面应是一个晶粒反光小刻面（平面），这些小平面应是一个晶粒内的解理面内的解理面晶状断口。晶状断口。 3、力学状态图、力学状态图 在材料加载方式和环境等因素给定的条在材料加载方式和环境等因素给定的条件下，希望能对可能发生的断裂类型有一个件下，希望能对可能发生的断裂类型有一个粗略的判断。由位错理论可知，切应力是位粗

33、略的判断。由位错理论可知，切应力是位错运动的驱动力，位错运动使晶体材料产生错运动的驱动力，位错运动使晶体材料产生塑性变形，位错塞积导致裂纹萌生，但正应塑性变形，位错塞积导致裂纹萌生，但正应力促使萌生裂纹扩展。如铸铁拉伸时力促使萌生裂纹扩展。如铸铁拉伸时=0.5，表现为脆性；硬度试验时，表现为脆性；硬度试验时=2，则出现压，则出现压痕而不破坏。因此，材料韧脆由内部和外部痕而不破坏。因此，材料韧脆由内部和外部因素决定，力学状态图是一种好的工具。因素决定，力学状态图是一种好的工具。 S线上各点表线上各点表示要发生屈服示要发生屈服的极限应力；的极限应力；K线上各点表线上各点表示要发生切断示要发生切断的

34、极限应力；的极限应力；K 真真线上各点线上各点表示要发生正表示要发生正断的极限应力。断的极限应力。 1 1、晶间断裂和穿晶断裂、晶间断裂和穿晶断裂2 2、解理断裂和微孔聚合剪切断裂、解理断裂和微孔聚合剪切断裂断裂经历裂纹的形成、扩展直至最终破断裂经历裂纹的形成、扩展直至最终破断等不同阶段，而断裂过程每一阶段都与断等不同阶段，而断裂过程每一阶段都与内部的、外部的、力学的、化学的以及物内部的、外部的、力学的、化学的以及物理的诸多因素有关，同时，断裂过程的每理的诸多因素有关，同时，断裂过程的每一阶段又会在断口上留下相应的痕迹、形一阶段又会在断口上留下相应的痕迹、形貌与特征。貌与特征。 通过断口分析可

35、以揭示出断裂过程的相通过断口分析可以揭示出断裂过程的相关因素，从而判明断裂失效的性质和机理关因素，从而判明断裂失效的性质和机理。断口种类很多。按断裂性质分类可以分断口种类很多。按断裂性质分类可以分为：为：1 1、脆性断裂：单调加载，断裂前无明、脆性断裂：单调加载，断裂前无明显的塑性变形；显的塑性变形；2 2、韧性断裂：单调加载，断裂前有明、韧性断裂：单调加载，断裂前有明显的塑性变形；显的塑性变形；3 3、疲劳断裂：循环加载引起断裂；、疲劳断裂：循环加载引起断裂；4 4、环境促进的断裂：浸蚀性介质、单、环境促进的断裂：浸蚀性介质、单调加载慢速断裂；调加载慢速断裂；5 5、高温蠕变断裂：高温单调慢

36、速加载。、高温蠕变断裂：高温单调慢速加载。 (a)(b)(a)(b)空洞空洞(a)(b)1.11.11.11.1晶间断裂和穿晶断裂晶间断裂和穿晶断裂 按断裂路径分类可以分为：按断裂路径分类可以分为：1 1、穿晶断裂：大多数金属常温下断裂时的形态，、穿晶断裂：大多数金属常温下断裂时的形态，如解理、韧窝；宏观上看穿晶断裂可以是韧性如解理、韧窝；宏观上看穿晶断裂可以是韧性断裂也可以是脆性断裂断裂也可以是脆性断裂; ;2 2、晶间断裂：大部分脆性断裂的形态。沿晶多、晶间断裂：大部分脆性断裂的形态。沿晶多是脆性断裂是脆性断裂晶间断裂是由于晶界存在脆性沉淀相、高温晶间断裂是由于晶界存在脆性沉淀相、高温晶界

37、变弱以及在腐蚀环境下晶界被腐蚀等原因晶界变弱以及在腐蚀环境下晶界被腐蚀等原因造成的，断口形貌为冰糖状（图造成的，断口形貌为冰糖状（图1.351.35），若晶），若晶粒细则为结晶状。粒细则为结晶状。1.11.2 1.11.2 解理断裂和微孔聚合剪切断裂解理断裂和微孔聚合剪切断裂 解理断裂是在拉应力作用下，沿一定结晶面分离的断裂，这种解理断裂是在拉应力作用下，沿一定结晶面分离的断裂，这种结晶面为解理面。解理面一般是低指数面，其表面能低，断裂强度结晶面为解理面。解理面一般是低指数面，其表面能低，断裂强度最低，因此，通常在体心立方和密排六方金属中发生。最低，因此，通常在体心立方和密排六方金属中发生。

38、实际上晶体存在缺陷，断裂并不是沿着单一晶面解理，而是沿实际上晶体存在缺陷，断裂并不是沿着单一晶面解理，而是沿着一组平行的晶面解理，从而在不同的解理面之间就形成了解理台着一组平行的晶面解理，从而在不同的解理面之间就形成了解理台阶。从垂直断面方向观察，台阶汇合形成一种类似河流的花样。阶。从垂直断面方向观察，台阶汇合形成一种类似河流的花样。 河流的上游就是裂纹发源地，而河流的下游是裂纹扩展的方向。河流的上游就是裂纹发源地，而河流的下游是裂纹扩展的方向。 解理断裂的河流花样解理断裂的河流花样河流花样通过小角度倾斜晶界河流花样通过小角度倾斜晶界通过扭转晶界时河流花样激增通过扭转晶界时河流花样激增 在多晶

39、体中，由于多种晶体的存在，可以使河流花样呈在多晶体中，由于多种晶体的存在，可以使河流花样呈现复杂的形态。当裂纹通过小角度晶界时，会改变河流花样的现复杂的形态。当裂纹通过小角度晶界时，会改变河流花样的走向而不改变花样。对于走向而不改变花样。对于 扭转晶界或通过大角度晶界时，可以扭转晶界或通过大角度晶界时，可以观察到裂纹穿过时河流花样激增。观察到裂纹穿过时河流花样激增。 颈缩试样纤维端口的形成过程颈缩试样纤维端口的形成过程 微孔聚合剪切断裂：属于韧性断裂的机制，形貌主要特征微孔聚合剪切断裂：属于韧性断裂的机制，形貌主要特征是韧窝。是韧窝。 在韧性断裂的颈缩过程中，三向应力在试样中心首先产生在韧性断

40、裂的颈缩过程中，三向应力在试样中心首先产生显微空洞，空洞长大后，相互连接形成可见的裂纹。由于裂纹显微空洞，空洞长大后，相互连接形成可见的裂纹。由于裂纹尖端的应力集中，使得塑性变形集中在裂纹尖端前的滑移带上。尖端的应力集中，使得塑性变形集中在裂纹尖端前的滑移带上。在剪切带内变形强烈并形成许多显微空洞，空洞聚合造成裂纹在剪切带内变形强烈并形成许多显微空洞，空洞聚合造成裂纹扩展。当裂纹贯穿了整个剪切带后，在裂纹尖端又形成新的剪扩展。当裂纹贯穿了整个剪切带后，在裂纹尖端又形成新的剪切带。切带。 韧窝形貌形成的过程：由塑性变形使韧窝形貌形成的过程：由塑性变形使得夹杂物与基体的界面处首先形成裂纹并得夹杂物与基体的界面处首先形成裂纹并不断扩大，最后使得夹杂物之间的基体金不断扩大，最后使得夹杂物之间的基体金属产生内缩颈现象，当颈缩达到一定程度属产生内缩颈现象，当颈缩达到一定程