材料力学性能课件

绪言*

§0.1材料的性能与材料的力学性能

§0.2本课的内容与要点

§0.3学习本课的目的

§0.4位错理论的回顾

参考文献§0.1材料的性能与材料的力学性能*一、材料的种类类型分：金属材料；非金属材料；复合材料。用途分：结构材料；功能材料。二、材料的性能物理性能：ρ、Tm、Tb、Cp、磁导率，等；化学性能：可燃性、反应性、抗氧化性，等；

力学性能：σ、δ、HB、KIC，等；

工艺性能：热加工、冷加工性能，储存、运输性能，等；生物性能：生物反应性、生物相容性等。*三、材料的力学性能

1、定义

材料在外加载荷作用下，或者在载荷、加载速率和环境因素的联合作用下表现出的行为，称为材料的力学行为。

材料的力学性能指：材料在力的作用下，所显示出的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能。*2、力学性能的指标

强度σ、硬度HB、塑性δ、韧性ak、断裂韧度KIC

等。

3、影响材料力学性能的主要因素

内因：晶体学特性；化学成分、显微组织、内部缺陷；残余应力等。

外因：温度、周围介质；加载方式、加载速率等。不同外因（即服役工况）时，材料的力学性能的数值将发生改变。

返回§0.2本课的内容与要点*内容

1、材料的弹性、塑性、屈服与硬化、断裂、硬度、疲劳、蠕变等性能；

2、各项力学性能指标的本质、物理含义、微观机理（结构与状态）；

3、影响材料力学性能的主要因素，及提高性能所采取的措施；

4、材料力学性能的测试技术*要点

1、金属静力学性能。

2、不同加载方式下的力学性能。

3、环境对力学性能及其性能指标的影响。

4、不同种类材料的力学性能。材料力学性能概述

返回*§0.3学习本课的目的

*

*§0.3学习本课的目的*1、掌握材料力学性能及其变化规律；

2、了解材料力学性能的微观机理；

3、能正确地选用材料；

4、具有研究开发新型结构材料的能力。

返回§0.4位错理论的回顾*一、位错理论的基本概念

1、晶体中的缺陷：点、线、面、体缺陷

2、位错的定义：晶体内已滑移部分与未滑移部分在滑移面上的交界线，称为位错线。

3、位错的描述及种类：柏氏矢量；刃位错、螺位错、混型位错。

4、位错的萌生与增殖：形核；F-R位错源理论。

5、位错的运动：滑移、攀移、交滑移、交割与割阶

6、位错运动受阻：塞积群、割阶、气团、面角位错

7、其他：位错的应力场与弹性应变能；位错的受力；位错的分解或合成；典型晶体中的位错。*二、位错理论的作用

1、材料的理论强度远远高于实际强度；

2、材料的屈服----位错的萌生与增殖；

3、材料的加工硬化----位错运动受阻；

4、材料的断裂、蠕变的机理。

5、晶体生长速率的理论值与实际测量值的差异。

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单向静拉伸力学性能**引言单向静拉伸试验特点:1、最广泛使用的力学性能检测手段;2、试验的应力状态、加载速率、温度、试样等都有严格规定（方法：GB/T228-2002；试样：GB/T6397-1986）。

3、最基本的力学行为（弹性、塑性、断裂等）；

4、可测力学性能指标：强度（σ）、塑性（δ、ψ、f）等。

拉伸试验机介绍:§1.1应力-应变曲线*一、拉伸力—伸长曲线*二、应力-应变曲线

应力σ=F/A应变ε=△L/L*

如果按拉伸时试样的真实断面A和真实长度L，则可得到真实应力-应变曲线：*返回三、几种常见材料的应力-应变曲线§1.2弹性变形与弹性不完整性*一、弹性变形及其实质

1.弹性变形定义：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形，叫弹性变形。特点为：单调、可逆、变形量很小（＜0.5~1.0%）

2.弹性的物理本质金属的弹性性质是金属原子间结合力抵抗外力的宏观表现。*二、虎克定律

1、弹性力场微分方程平衡微分方程fi——作用力；i，j=x,y,zρ——密度位移：x轴——u；y轴——v；

z轴——w*

几何方程

i，j=x,y,z

位移：x轴——u；y轴——v；z轴——w*2.广义虎克定律在弹性极限内，物体内任一点的应力状态和应变状态均可以由六个应力分量和六个应变分量来描述，虎克定律的物理方程为：式中C11、C12……Cij为常数，称为弹性刚度系数。*当以应力为自变量时，广义虎克定律也可以写成下式：式中S11、S12……Sij为常数，称为弹性顺度系数。

*

在晶体物理中存在Cij=Cji，Sij=Sji（i、j=1、2、3……）的关系，因此Cij与Sij中只有21个独立的，即

*

*

*广义虎克定律物理方程

*3.狭义虎克定律*三、弹性模量

1.弹性模量的物理意义和作用

⑴物理意义：材料对弹性变形的抗力。

⑵用途：工程上亦称为刚度；计算梁或其他构件挠度时必须用之。重要的力学性能之一。

*2.影响弹性模量的因素

⑴金属原子的种类和晶体学特性；非过渡族，原子半径↑、E↓；过渡族，原子半径↑、E↑，且E一般都较大。原子密排向的E大。

⑵溶质原子与其强化；晶格畸变能增大，E↓；

⑶显微组织（指热处理后）；⑷温度；⑸加载速率；一般影响不大。

⑹其他。*四、弹性极限、弹性比功

1、比例极限

2、弹性极限

3、弹性比功又称为弹性比能、应变比能。物理意义：吸收弹性变形功的能力。几何意义：应力-应变曲线上弹性阶段下的面积。用途：制造弹簧的材料，要求弹性比功大*五、滞弹性（弹性后效）

1.滞弹性及其影响因素实际金属材料，弹性变形不仅是应力的函数，而且还是时间的函数。

⑴定义在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象。

⑵影响因素：（a）晶体中的点缺陷；显微组织的不均匀性。（b）切应力越大，影响越大。（c）温度升高，变形量增加。

⑶危害：长期承载的传感器，影响精度。*2、循环韧性

⑴弹性滞后环由于应变滞后于应力，使加载曲线与卸载曲线不重合而形成的闭合曲线，称为弹性滞后环。*物理意义：加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功。或，回线面积为一个循环所消耗的不可逆功。这部分被金属吸收的功，称为内耗。

⑵循环韧性若交变载荷中的最大应力超过金属的弹性极限，则可得到塑性滞后环。金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，叫循环韧性。循环韧性又称为消振性。循环韧性不好测量，常用振动振幅衰减的自然对数来表示循环韧性的大小。

⑶循环韧性的应用减振材料（机床床身、缸体等）；乐器要求循环韧性小。*六、包申格效应

1、现象定义：材料经过预先加载并产生少量塑性变形，卸载后，再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载规定残余伸长应力降低的现象，称为包申格效应。*2、微观本质

预塑性变形，位错增殖、运动、缠结；同向加载，位错运动受阻，残余伸长应力增加；反向加载，位错被迫作反向运动，运动容易残余伸长应力降低。

3、包申格效应的危害及防止方法

交变载荷情况下，显示循环软化（强度极限下降）预先进行较大的塑性变形，可不产生包申格效应。第二次反向受力前，先使金属材料回复或再结晶退火。返回§1.3塑性变形与应变硬化*

定义：外载荷卸去后，不能恢复的变形。塑性：材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变形而不发生断裂的性质。“δ”伸长率，“ψ”断面收缩率。δ%≥100%，常称为超塑性。一、塑性变形的方式及特点

1、塑性变形的方式滑移最主要的变形机制；孪生重要的变形机制，一般发生在低温形变或快速形变时；晶界滑动和扩散性蠕变只在高温时才起作用；形变带滑移和孪生都不能进行的情况下才起作用。*（1）滑移

定义：滑移面：原子最密排面；滑移向：原子最密排方向。滑移系：滑移面和滑移向的组合。滑移系越多，材料的塑性越好。晶体结构的影响较大，fcc＞bcc＞hcp滑移的临界分切应力

τ=(P/A)cosφcosλφ—外应力与滑移面法线的夹角；

λ—外应力与滑移向的夹角；

Ω=cosφcosλ称为取向因子。

*（2）孪生

孪晶：外形对称，好象由两个相同晶体对接起来的晶体；内部原子排列呈镜面对称于结合面。孪晶可分为自然孪晶和形变孪晶。

孪生的特点：比滑移困难；时间很短；变形量很小；孪晶层在试样中仅为狭窄的一层，不一定贯穿整个试样。孪生与滑移的交互作用，可促进金属塑性变形的发展。

*

（3）形变带

由晶体点阵畸变而使晶体表面出现的弯曲区域，由于该区域贯穿整个试样截面并成带状，所以称为形变带。

相邻滑移带的交互作用。多个滑移系同时动作，正常的滑移不能进行，所以产生点阵弯曲，形成形变带。

（4）三种变形机制的比较

滑移相邻部分滑动，变形前后晶体内部原子的排列不发生变化。

孪生变形部分相对未变形部分发生了取向变化。

形变带晶体点阵畸变。*

2、塑性变形的特点

（1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性

∵各晶粒的取向不同即cosφcosλ不同。

对于具体材料，还存在相和第二相的种类、数量、尺寸、形态、分布的影响。（2）变形的相互协调性

多晶体作为一个整体，不允许晶粒仅在一个滑移系中变形，否则将造成晶界开裂。

五个独立的滑移系开动，才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形。*二、屈服与屈服强度

1、屈服

在金属塑性变形的开始阶段，外力不增加、甚至下降的情况下，而变形继续进行的现象，称为屈服。

上屈服点，下屈服点（吕德丝带）

2、屈服机理（外应力作用下，晶体中位错萌生、增殖和运动过程）

（1）柯氏气团

位错与溶质原子交互作用，位错被钉扎。溶质原子聚集在位错线的周围，形成气团。提高外应力，位错才能运动；一旦运动，继续发生塑性变形所需的外应力降低。*

（2）位错塞积群

n个位错同相运动受阻，形成塞积群，导致材料要继续发生塑性变形必须加大外应力；一旦障碍被冲破，继续发生塑性变形所需的外应力降下。

（3）应变速率与位错密度、位错运动速率的关系

金属材料塑性变形的应变速率与位错密度、位错运动速率及柏氏矢量成正比，即：ε=bρυ.

位错增值，ρ↑，ε↑

提高外应力τ,υ↑,ε↑

晶体结构变化，b↑,ε↑*3、屈服强度

σs=Fs/A

由于金属材料存在上下屈服点，或者屈服点不明确，一般将σ0.2定为屈服强度。

屈服强度是工程上从静强度角度选择韧性材料的依据。提高屈服强度，机件不易产生塑性变形；但过高，又不利于某些应力集中部位的应力重新分布，容易引起脆性断裂。*三、影响屈服强度的因素（一）影响屈服强度的内因

（1）金属本性及晶格类型位错运动的阻力：晶格阻力（P-N力）；位错交互作用产生的阻力。

P-N力fcc位错宽度大，位错易运动。

bcc反之。

交互产生的阻力平行位错间交互作用产生的阻力；运动位错与林位错交互作用产生的阻力。（2）溶质原子和点缺陷形成晶格畸变（间隙固溶，空位）*（3）晶粒大小和亚结构

晶界是位错运动的障碍。

要使相邻晶粒中的位错源开动，必须加大外应力。

霍尔——培奇关系式σ=σi+Ksd-1/2

细化晶粒，可以提高材料的强度。

（4）第二相

不可变形的第二相，位错只能绕过它运动。可变形的第二相，位错可以切过。

第二相的作用，还与其尺寸、形状、数量及分布有关；同时，第二相与基体的晶体学匹配程度也有关。（二）外因温度提高，位错运动容易，σs↓。应变速率提高，σs↑。应力状态切应力τ↑，σs↓。*四、应变硬化

或称形变硬化，加工硬化

1、意义

（1）应变硬化和塑性变形适当配合，可使金属进行均匀塑性形变。

（2）使构件具有一定的抗偶然过载能力。

（3）强化金属，提高力学性能。

（4）提高低碳钢的切削加工性能。

2、应变硬化机理（1）三种单晶体金属的应力应变曲线

*（2）应变硬化机理

a）易滑移阶段：单系滑移

hcp金属（Mg、Zn）不能产生多系滑称，∴易滑移段长。

b）线性硬化阶段：多系滑移

位借交互作用，形成割阶、面角位错、胞状结构等；位错运动的阻力增大。

c）抛物线硬化阶段：交滑移，或双交滑移刃型位错不能产生交滑移。

多晶体，一开动便是多系滑移，∴无易滑移阶段。*3、应变硬化指数

Hollomon关系式：

S=ken

（真应力与真应变之间的关系）

n—应变硬化指数；k—硬化系数应变硬化指数n反映了金属材料抵抗继续塑性变形的能力。

n=1，理想弹性体;n=0材料无硬化能力。层错能低的材料应变硬化程度大;高Mn钢（Mn13），层错能力低∴n大

应变硬化指数，常用直线作图法求得（见参考文献1—P19）。*五、缩颈现象

1、缩颈（1）缩颈的意义变形集中于局部区域；失稳的临界条件。（2）缩颈的判据

S=ds/de(式1-22)

在缩颈点处，Sb=keBn

经过积分，得eB=n

即：金属材料的应变硬化指数等于最大真实均匀塑性变量时，缩颈便产生。（3）颈部的三向拉应力状态承受三向拉应力（相当于厚板单向拉伸，平面应变）*2、抗拉强度

σb

实际材料在静拉伸条件下的最大承载能力。

意义：（1）易于测定，重现性好（2）韧性材料不能作为设计参数，但脆性材料可以用它。（3）σs/σb对材料成型加工极为重要。（4）σb≈1/3HB；淬火钢σ-1≈1/2σb*六、塑性

1、塑性与塑性指标

金属材料断裂前发生塑性变形的能力。（δ、Ψ）

比例试样：L0=5d0或L0=10d0

由于大多数材料的集中塑性变形量大于均匀变形量，

∴δ5>δ10(断后伸长率)

Ψ>δ金属拉伸时产生缩颈；反之，不产生

Ψ反映了材料断裂前的最大塑性变形量。而δ则不能显示材料的最大塑性变形。

冶金因素对Ψ的影响更突出，Ψ比δ对组织变化更为敏感。最大力下的总伸长率与原始标距的百分比δqt，实际上是金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形（工程应变量）∵eB=ln(1+δqt)

δqt对于评定冲压用板材的成型能力非常有用。*2、塑性的意义和影响因素

意义：

a）安全，防止产生突然破坏；

b）缓和应力集中；

c）轧制、挤压等冷热加工变形；

影响因素：

（a）细化晶粒，塑性↑；

（b）软的第二相塑性↑；

（c）温度提高，塑性↑；高

（d）固溶、硬的第二相等，塑性↓。

3、塑性的综合性能指标

σs/σb

（屈强比）σs/σb↓，材料的塑性↑。

σb/V（体积比强度）σb/V↑，减轻构件的重量。*七、静力韧度

韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。J/m2

静力韧度：静拉伸时，单位体积材料断裂所吸收的功。J/m3

静力韧度对按屈服强度设计，有可能偶然过载的机件必须考虑。

返回§1.4金属的断裂*

材料完全破断为两个部分以上的现象，叫断裂。（断裂使材料失去完整性）（机件三大失效形式之一）断裂不仅出现在高应力和高应变条件下，也发生在低应力和无明显塑性变形条件下。一、断裂的基本类型

1、根据断裂前塑性变形大小分类脆性断裂；韧性断裂

2、根据断裂面的取向分类正断；切断

3、根据裂纹扩展的途径分类穿晶断裂；沿晶断裂

4、根据断裂机理分类解理断裂，微孔聚集型断裂；纯剪切断裂**二、断裂及断口特征（一）韧性断裂与脆性断裂（宏观）

1、韧性断裂；

（1）断裂特点：断裂前产生明显宏观变形；过程缓慢；

断裂面一般平行于最大切应力，并与主应力成45o角。

（2）断口特征

断口呈纤维状，灰暗色。杯——锥状。

断口特征三要素：纤维区、放射区、剪切唇

纤维区：裂纹快速扩展。撕裂时塑性变形量大，放射线粗。

剪切唇：切断。

（3）危害，不及脆性断裂，断裂前机件已变形失效。*2、脆性断裂

（1）断裂特点

断裂前基本不发生塑性变形，无明显前兆；

断口与正应力垂直。

（2）断口特征

平齐光亮，常呈放射状或结晶状；

人字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行。

材料的韧性与脆性行为会随环境条件而改变。

例如：T↓↓、脆性↑。一般是变形>75%为韧性断裂。*（二）穿晶断裂与沿晶断裂（微观）

特点：穿晶断裂，裂纹穿过晶界。沿晶断裂，裂纹沿晶扩展。

穿晶断裂，可以是韧性或脆性断裂；两者有时可混合发生。

沿晶断裂，多数是脆性断裂。*（三）纯剪切断裂，微孔聚集型断裂，解理断裂（机理）

（1）纯剪切断裂

沿滑移面分离而造成的分离断裂。

（2）微孔聚集型断裂

微孔形核、长大、聚合导致材料分离。

（3）解理断裂

以极快速率沿一定晶体学平面，产生的穿晶断裂。解理面一般是指低指数晶面或表面能量低的晶面。表1-6，P28）

fcc金属一般不发生解理断裂。解理断裂总是脆性断裂。*三、解理断裂机理和微观断口特征（一）解理裂纹的形成和扩展（裂纹的萌生，扩展）材料断裂前总会产生一定的塑性变形。而塑性变形与位错运动有关。

1、位错塞积理论

位错塞积头处，应力集中，超过材料的强度极限。∴裂纹形成。（1-31）

该式与P14（1-16）霍尔—培奇关系或同源；与P41（1-54）格雷菲斯公式相同。*

柯垂耳用能量分析法导出裂纹扩展的临界条件为：

σnb=2γ（1-34）

（详细内容，在断裂韧性一章中再讲）

∴晶粒细化，材料的脆性减小。

第二相质点的平均自由程入越小，材料的强度↑。

该理论的缺点，在上述应力状态，相邻晶粒中的位错源能够开动。

2、位错反应理论

位错反应，形成新的位错，能量降低，

∴有利于裂纹形核。

3、史密斯理论（脆性材料萌生裂纹）

位错塞积，在脆性相内萌生裂纹。

裂纹向塑性材料中扩展的力学条件为

（1-32）（实际上是弹塑性条件下，格雷菲斯公式）*（二）解理断裂的微观断口特征电镜观察（1）河流状（图1-25）

解理台阶，汇合台阶高度足够大形成河流状花样。

裂纹跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面。

解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。其方式为：解理裂纹与螺位错相交形成；通过二次解理成撕裂形成。*

晶界对解理断口的影响。

（a）小角度倾斜晶界裂纹能越过晶界，“河流”可延续到相邻晶粒内。

（b）扭转晶界（位向差大）

裂纹不能直接穿过晶界，必须重新形核。

裂纹将沿若干组新的相互平等的解理面扩展，形成新的“河流”。*（2）舌状花样解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌状凹坑或凸台。（见图）

（3）准解理

由于晶体内存在弥散硬质点，解理裂纹起源于晶内硬质处点，形成从晶内某点发源的放射状河流花样。

准解理不是独立的断裂机制。是解理断裂的变种。*四、微孔聚集断裂机理和微观断口特征

1、断裂机理

（1）微孔形核

点缺陷聚集；第二相质点碎裂或脱落；

位错引起的应力集中，不均匀塑性形变。

（2）微孔长大

滑移面上的位错向微孔运动，使其长大。

（3）微孔聚合

应力集中处，裂纹向前推进一定长度。

*

2、微观断口特征

韧窝（火山口式，圆形，椭圆形）（图1-32）（1）韧窝形状

（a）正应力⊥微孔的平面，形成等轴韧窝；

拉伸试样中心纤维区就是等轴韧窝。

（b）拉长韧窝扭转、或双向不等应力状态；切应力，形成拉长韧窝；

（c）撕裂韧窝拉、弯应力状态；（2）影响韧窝大小因数

基体材料的塑性变形能力和应变硬化指数；

第二相质点的大小和密度。

注意：微观上出现韧窝，宏观上不一定是韧性断裂。**五、断裂强度

1、理论断裂强度

“原子间结合力”“弗兰克模型”完整晶体，原子间作用力与原子间位移关系式

∵位移很小,

∴

虎克定律形成单位裂纹表面的功两个表面*a0—原子间平衡距离

σm≈E/5.5实际σm=E/10~1000

表面能为γ*2、格雷菲斯裂纹理论（1921年）

（1）出发点材料中已存在裂纹；局部应力集中；裂纹扩展（增加新的表面），系统的弹性（2）格雷菲斯模型

a）单位厚度、无限宽薄板，仅施加一拉应力（平面应力）。板内有一长度为2a，并垂直于应力的裂纹。*B）拉紧平板，已存在裂纹的平板，将释放弹性能（释放的能量，前面加负号）

弹性力学中：*释放的弹性能

c）裂纹形成产生新表面所需要的能量

W=4aγ（∵是两个表面）

d）能量守恒（3）格雷菲斯公式*六、断裂理论的应用

对具体的材料，如何应用格氏公式

（1）对有效表面能（表面能和塑性变形功）影响因素的分析。

（2）屈服时，产生解理断裂的判据与霍尔-培奇关系式联系起来。

（3）再考虑应力状态系数q的影响。*油压式拉伸试验机下一张返回

金属在冲击载荷下的力学性能**引言

冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度（幅度和频率）应变率ε=de/dτe为真应变

静拉伸试验ε=10-5～10-2s-1

冲击试验ε=102～104s-1

一般情况下ε=10-4～10-2s-1，可按静载荷处理。§3.1冲击载荷下金属变形和断裂的特点*一、冲击失效的特点

（1）与静载荷下相同，弹性变形、塑性变形、断裂。

（2）吸收的冲击能测不准。

时间短；机件；与机件联接物体的刚度。

通常假定冲击能全部转换成机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。

（3）材料的弹性行为及弹性模量对应变率无影响。

∵弹性变形的速度4982m/s（＞声速）,

普通摆锤冲击试验的绝对变形速度5～5.5m/s。*二、影响冲击性能的微观因素

（1）位错的运动速率↑，滑移临界切应力↑，材料的冲击韧性↑。（2）同时开动的位错源增加。

∴屈服强度提高得较多。

（3）内部的塑性变形不均匀。*三、冲击断口

同样也为纤维区、放射区、剪切唇三个区。

若试验材料具有一定的韧性，可形成两个纤维区。

即：纤维区—放射区—纤维区—剪切唇。

∵裂纹快速扩展形成结晶区，到了压缩区后，应力状态发生变化，裂纹扩展速度再次减小。

∴形成纤维区。返回§3.2冲击弯曲和冲击韧性*一、冲击韧性及其作用

1、材料在冲击载荷作用下，吸收塑性变形功和断裂功的大小。

单位，J/cm2；或kgf/cm2

2、作用

（1）揭示冶金缺陷的影响；

（2）对σs大致相同的材料，评定缺口敏感性。

（3）评定低温脆性倾向。*二、冲击试验

冲击实验机*（1）艾氏冲击摆锤5、10、15、30kg，试样尺寸55×10×10mm，试样跨距45mm；无缺口，有缺口（U；V）记为Ak,Aku,AKV。

铸铁（QT、白口铁）

110×20×20mm，跨距70mm，无缺口。*

（2）小能量多冲击

磨球的冲击等

单次冲击不足以破坏材料。冲击疲劳、断裂（3）落锤试验

模拟试验，半定量测定材料的性能。

返回§3.3低温脆性及韧脆转变温度*一、低温脆性现象

在低温下，材料的脆性急剧增加。

对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。

实质为温度下降，屈服强度急剧增加。

F.C.C金属，位错宽度比较大，一般不显示低温脆性。*二、韧脆转变温度

判断标准冲击试验值20J27J(能量标准)

断口的形貌

50％纤维；变形特征。

返回§3.4影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素*一、晶体学特性

晶体结构：

f.c.c不存在低温脆性。

b.c.c和某些h.c.p的低温脆性严重。（Sn）

位错：

位错宽度大，不显示低温脆性。

层错能↑，韧性↑。

形成柯氏气团，韧性↓。*二、冶金因素（1）溶质元素

间隙原子，使韧性↓。

置换式溶质，对韧性影响不明显

杂质元素S、P、As、Sn、Sb使韧性↓（2）显微组织

a）晶粒大小

b）金相组织

回火索氏体—贝氏体—珠光体，韧性↓。

第二相（大小、形态、数量、分布）*三、外部因素1、温度

钢的“蓝脆”525～550℃（钢的氧化色为蓝色）。

C、N原子扩散速率增加，形成柯氏气团。

2、加载速率

加载速率↑，脆性↑，韧脆转变温度tk↑;3、试样尺寸和形状

试样增厚，tk↑（表面上的拉压应力最大）;

带缺口，不带缺口；脆性及tk不同。

金属的断裂韧度*§4.1线弹性条件下的断裂韧度*一、裂纹扩展的基本形式

1、张开型（I型）

2、滑开型（II型）

3、撕开型（III型）

裂纹的扩展常常是组合式，I型的危险性最大。*二、应力场强度因子KI和断裂韧度KIC

1、裂纹尖端应力场、应力分析*①应力场（应力分量，极座标）平面应力σz=0

平面应变σz=υ（σx+σy）*对于某点的位移则有平面应力

位移平面应变k=3-4υ，ω=0

越接近裂纹尖端（即r越小）精度越高；最适合于r<<a情况。*②应力分析

在裂纹延长线上，（即v

的方向）θ=0

拉应力分量最大；切应力分量为0；

∴裂纹最易沿X轴方向扩展。*2、应力场强度因子KI

裂纹尖端区域各点的应力分量除了决定其位置(γ,θ)外,还与强度因子KⅠ有关,对于确定的一点,其应力分量就由KⅠ决定.KI可以反映应力场的强弱。∴称之为应力场强度因子。

通式：

a—1/2裂纹长度；

Y—裂纹形状系数（无量纲量）；一般Y=1~2

*

形状系数Y的计算很复杂根据不同的裂纹存在位置，→应力场→应力→Y

实际应用中，可根据试样、加载方式，查手册。如：宽板中心贯穿裂纹长板中心穿透裂纹注意：Y是无量纲的系数

而KI有量纲MPa·m1/2

或MN·m-3/2*3、断裂韧度KIC和断裂判据

①断裂韧度当应力达到断裂强度，裂纹失稳，并开始扩展。

临界或失稳状态的KI值记作：KIC或KC，称为断裂韧度。

KC—平面应力断裂韧度

KIC—平面应变，I类裂纹时断裂韧度

②断裂判据

KI<KIC

有裂纹，但不会扩展

KI=KIC

临界状态

KI>KIC

发生裂纹扩展，直至断裂*4、KI的塑性修正裂纹扩展前，在尖端附近，材料总要先出现一个或大或小的塑性变形区。

∴单纯的线弹性理论必须进行修正。

①塑性区的形状和尺寸*

应用材料力学中学过的知识，结合前述的弹性力场表达式得到：*

由VonMises屈服准则，材料在三向应力状态下的屈服条件为：

将主应力公式代入VonMises屈服准则中，便可得到裂纹尖端塑性区的边界方程，即

形状：r=f(θ)

尺寸：当θ=0r0=f(0)（裂纹扩展方向）*

平面应力平面应变

ν一般为0.3

∴平面应变的应力场比平面应力的硬。

≤r0区域的材料产生屈服。*②应力松驰的塑性区

材料屈服后，多出来的应力将要松驰（即传递给r>r0的区域）使r0前方局部地区的应力生高，又导致这些地方发生屈服。

σys——屈服应力不考虑加工硬化

σys（R-r0）R——塑性扩大区的半径。

积分后可知将σys用σs代替，并把r0(前式)代入

（平面应力）

裂纹尖端区塑性区的宽度计算公式，见表4-2**③有效裂纹及KI的修正有效裂纹长度a+ry

根据计算ry=（1/2）Ro

平面应力平面应变

∴通式

不同的试样形状、和裂纹形式，KI不同。

需要修正的条件：σ/σs≥0.6~0.7时，KI的变化比较明显，∴KI就需要修正。*三、裂纹扩展能量释放率G及断裂韧度GIC

从能量转换关系，研究裂纹扩展力学条件及断裂韧度。

1、裂扩展时能量转换关系*2、裂纹扩展能量释放率GIU=Ue-W系统能量

量纲为能量的量纲MJ·m-2

当裂纹长度为a，裂纹体的厚度为B时

令B=1

物理意义：GI为裂纹扩展单位长度时系统势能的变化率。又称，GI为裂纹扩展力。MN·m-1。*

恒位移与恒载荷恒位移——应力变化，位移速度不变；恒载荷——应力不变，位移速度变化。格雷菲斯公式，是在恒位移条件下导出。*已知：

①平面应力

②平面应变

GI也是应力σ和裂纹尺寸的复合参量，仅表示方式不同。*3、断裂韧度GIC和断裂GI判据即将因失稳扩展而断裂，所对应的平均应力为σc；对应的裂纹尺寸为ac[最好记为（aσ2

）c]

GI≥GIC

裂纹失稳扩展条件*4、GIC与KIC的关系（牢记）返回§4.2弹塑性条件下的断裂韧性*

裂纹尖端塑性区尺寸线弹性理论，只适用于小范围屈服；在测试材料的KIC，为保证平面应变和小范围屈服，要求试样厚度B≥2.5（KIC/σs）2

如：中等强度钢要求B=99mm

试样太大，浪费材料，一般试验机也做不好。∴发展了弹塑性断裂力学。原则：

①将线弹性理论延伸；

②在试验基础上提出新的断裂韧度和断裂判据；

③常用的为J积分法、COD法。*一、J积分原理及断裂韧度JIC

1、J积分的概念

①来源由裂纹扩展能量释放率GI延伸出来。

②推导过程（1）有一单位厚度（B=1）的I型裂纹体；（2）逆时针取一回路Γ，Γ上任一点的作用力为T；（3）包围体积内的应变能密度为ω*

（4）弹性状态下，Γ所包围体积的系统势能，

U=Ue-W（弹性应变能Ue和外力功W之差）

（5）裂纹尖端的（6）Γ回路内的总应变能为：

dV=BdA=dxdydUe=ωdV=ωdxdy

∴*

（7）Γ回路外面对里面部分在任一点的作用应力为T。

∴外侧面积上作用力为P=TdS(S为周界弧长)

设边界Γ上各点的位移为u

∴外力在该点上所做的功dw=u.TdS

∴外围边界上外力作功为（8）合并

（9）定义（J.R.赖斯）

JⅠ——Ⅰ型裂纹的能量线积分。*③“J”积分的特性

a）守恒性能量线积分，与路径无关；

b）通用性和奇异性

积分路线可以在裂纹附近的整个弹性区域内，也可以在接近裂纹的顶端附近。

c）J积分值反映了裂纹尖端区的应变能，即应力应变的集中程度。2、J积分的能量率表达式与几何意义

①能量率表达式

这是测定JI的理论基础*②几何意义

设有两个外形尺寸相同，但裂纹长度不同（a，a+△a），分别在作用力（p，p+△p）作用下，发生相同的位移δ。

将两条P—δ曲线重在一个图上

U1=OACU2=OBC

两者之差△U=U1-U2=OAB

则物理意义为：J积分的形变功差率*③注意事项：

∵塑性变形是不逆的。

∴测JI时，只能单调加载。

J积分应理解为裂纹相差单位长度的两个试样加载达到相同位移时的形变功差率。

∴其临界值对应点只是开裂点，而不一定是最后失稳断裂点。*3、断裂韧度JIC及断裂J判据

JIC的单位与GIC的单位相同，MPa·m或MJ·m-2。

JI≥JIC

裂纹会开裂。

实际生产中很少用J积分来计算裂纹体的承载能力。

一般是用小试样测JIC，再用KIC去解决实际断裂问题。*4、JIC和KIC、GIC的关系（平面应变）

上述关系式，在弹塑性条件下，还不能完全用理论证明它的成立。

但在一定条件下，大致可延伸到弹塑性范围。*二、裂纹尖端张开位移（COD）及断裂韧度δc

裂纹尖端附近应力集中，必定产生应变；

材料发生断裂，即：应变量大到一定程度；但是这些应变量很难测量。

∴有人提出用裂纹向前扩展时，同时向垂直方向的位移（张开位移），来间接表示应变量的大小；用临界张开位移来表示材料的断裂韧度。*1、COD概念

在平均应力σ作用下，裂纹尖端发生塑性变形，出现塑性区ρ。在不增加裂纹长度（2a）的情况下，裂纹将沿σ方向产生张开位移δ，称为COD（CrackOpeningDisplacement)。*2、断裂韧度δc及断裂δ判据

δ≥δc

δc越大，说明裂纹尖端区域的塑性储备越大。

δ、δc是长度量纲为mm，可用精密仪器测量。

一般钢材的δc大约为0.几到几mm

δc是裂纹开始扩展的判据;不是裂纹失稳扩展的断裂判据。*3、线弹性条件下的COD表达式平面应力时

令：δ=2υ

*

当θ=π时对于I型穿透裂纹：

（σ≤0.6σs）

该式可用于小范围屈服条件，进行断裂分析和破损安全设计。*4、弹塑性条件下的COD表达式

达格代尔建立了带状屈服模型，D-M模型

（基本思路：将塑性区看成等效裂纹）裂纹长度2a→2c；割面上、下方的阻力为σs。∴裂纹张开位移级数展开

∵σ/σs＜1∴高次方项可忽略

∴临界条件下*5、δc与其他断裂韧度间的关系

断裂应力≤0.5σs时

平面应力平面应变（三向应力，尖端材料的硬化作用）

n为关系因子，1≤n≤1.5~2.0

（平面应力，n=1；平面应变n=2）返回§4.3断裂韧度的测试*（有严格的测试标准）

（1）四种试样：三点弯曲，紧凑拉伸，C型拉伸，圆形紧凑拉伸试样。

大小及厚度有严格要求预先估计KIC（类比法），再逼近。

预制裂纹长度有一定要求，2.5%W

*（2）方法

弯曲、拉伸；传感器测量，绘出有关曲线。

（3）结果处理

根据有关的函数（可以查表）

（有兴趣者可以自看）

返回§4.4影响断裂韧度的因素*一、与常规力学性能之间的关系

KIC、GIC、JIC、δC

最后均是以常规力学性能之一的σ、σS作自变量。

AK值～GIC（JIC），均是吸收的能量，但AK值的误差本身就较大；缺口形状，加载速率等存在不同。

∴缺乏可靠的理论依据。*二、影响断裂韧度的因素

1、材料因素（内在因素）

①晶体特征（晶体结构、位错）

②化学成分

③显微组织（晶粒大小，各相，第二相，夹杂）

④处理工艺（热处理、强化处理）

2、（外因）环境因素

温度、应变速度等。返回§4.5断裂韧度在工程上的应用*一、高压容器承载能力的计算

二、高压壳体的材料选择

三、大型转轴断裂分析

四、钢铁材料的脆性评定(高强钢、QT)

金属的疲劳**引言

材料构件在变动应力和应变的长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂的现象——疲劳。

疲劳属低应力循环延时断裂，其断裂应力水平往往<σb，甚至<σs；不产生明显的塑性变形，呈现突然的脆断。

∴疲劳断裂是一种非常危险的断裂。

∴工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能指标、影响因素等，就具有重要的意义。§5.1金属疲劳现象及特点*一、变动载荷和循环应力

1、变动载荷

大小、方向或者大小和方向均随时间而变化。

变化分为周期性，无规则性。相对应的应力，称为变动应力。

2、循环应力

循环应力的波形一般近似为正弦波、矩形波和三角形波等。

（1）循环应力的描叙

平均应力σm=1/2（σmax+σmin）

应力幅σa=1/2（σmax-σmin）

应力比γ=σmin/σmax

（2）循环应力的种类（SeeFig5－2/P108）

对称交变；脉动；波动；不对称交变应力。*二、疲劳分类及特点

1、分类

（1）按应力状态弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、复合疲劳等。

（2）按环境腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳等。

（3）按循环周期高周疲劳（Nf＞105周次）,因断裂应力低（<σs

），所以也叫低应力疲劳。低周疲劳（Nf{102~105}周次），由于断裂应力水平高，≥σs，往往伴有塑性变形，故称为高应力疲劳（或应变疲劳）。

（4）按破坏原因机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳。*2、特点

（1）断裂应力<σb，甚至<σs；

（2）出现脆性断裂；

（3）对材料的缺陷十分敏感；

（4）疲劳破坏能清楚显示裂纹的萌生和扩展，断裂。*三、疲劳宏观断口的特征

断口拥有三个形貌不同的区域：疲劳源、疲劳区、瞬断区。

随材质、应力状态的不同，三个区的大小和位置不同。（表5-1）**1、疲劳源

裂纹的萌生地；裂纹处在亚稳扩展过程中。

由于应力交变，断面摩擦而光亮。加工硬化。

随应力状态及其大小的不同，可有一个或几个疲劳源。

2、疲劳区（贝纹区）

断面比较光滑，并分布有贝纹线。

循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。

有时在疲劳区的后部，还可看到沿扩展方向的疲劳台阶（高应力作用）。

3、瞬断区

一般在疲劳源的对侧。

脆性材料为结晶状断口；韧性材料有放射状纹理；边缘为剪切唇。返回§5.2疲劳曲线及疲劳性能*一、疲劳曲线

1、对称循环疲劳曲线（σ~N曲线）

（1）有水平段的疲劳曲线（钢、QT）

（2）无水平段的疲劳曲线（有色金属，不锈钢等）

2、σ~N曲线的测定

常用旋转弯曲疲劳试验机，有效试样13根以上。

用升降法测定σ-1。

再用概率统计方法处理数据。（取可信度）

最后确定点的位置、联线。*二、疲劳极限

1、对称疲劳极限

循环载荷，一般取周期N=107。

σ-1，τ-1，σ-1p（对称拉压）

2、不同应力状态下的疲劳极限

根据大量的实验结果，弯曲与拉压、扭转疲劳极限之间的关系：

钢：σ-1p=0.85σ-1，铸铁σ-1p=0.65σ-1

铜及轻合金：τ-1=0.55σ-1，铸铁τ-1=0.8σ-1

σ-1>σ-1p>τ-1*3、疲劳极限与静强度之间的关系

钢：σ-1p=0.23（σs+σb）

σ-1=0.27（σs+σb）

铸铁：σ-1p=0.4σb

σ-1=0.45σb

铝合金：σ-1p=σb/6+7.5(MPa)

σ-1p=σb/6-7.5(MPa)

*4、不对称循环疲劳极限（σr）利用已知的对称循环疲劳极限，用工程作图法求得各种不对称循环疲劳极限。

或者采用回归的公式求得。

（1）应力幅σa~平均应力σm图

y轴上的边界点为0和σ-1

x轴上的边界点为0和σb

将σmax分解成不同应力比r时的σa和σm，作图。

运用时，已知r，σr=σa+σm。*（2）σmax~σm

图

y轴上的边界点为σ-1和-σ-1，x轴则同前图。

σmax=σb

，利用不同的应力比r来作图。若为韧性材料σmax=σ0.2

（3）公式法

上两图中的曲线可用数学公式表示

可以很方便利用σb

，σ-1，σ0.2和r，求得σr。*三、抗疲劳过载能力过载持久值材料在高于疲劳极限的应力下运行，发生疲劳断裂的应力循环周次，称为过载持久值，也称有限疲劳寿命。

疲劳曲线倾斜部分越陡直，即损伤区窄，则持久值越高，抗疲劳过载的能力越好。

过载损伤界由实验测定。

疲劳过载损伤是由裂纹的亚稳扩展造成。*四、疲劳缺口敏感性疲劳缺口敏感度q0<q<1

Kt为理论应力集中系数，决定于缺口的几何形状与尺寸。

Kf为有效应力集中系数，

σ-1和σ-1N分别为光滑与缺口试样的疲劳极限，Kf的大小也和材料特性有关。

q=0，表示对缺口完全不敏感；q=1则表示对缺口十分敏感。

影响q的因素：

强度、硬度上升，q上升，即敏感

缺口尖锐度上升，q上升。返回§5.3疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值*一、疲劳裂纹扩展曲线

高频疲劳试验机；

固定裂纹预制长度a0、应力比r和应力幅σa；

σ2>σ1

作a~N曲线

曲线斜率da/dN为裂纹扩展速率；裂纹达到ac，da/dN无限大。*二、疲劳裂纹扩展速率

1、引入断裂韧度的概念

△K=Kmax-Kmin=Y△σα1/2

每一次小扩展，便认为是一次断裂过程。

2、lg(da/dN)~lg△K曲线

*3、曲线分析

I区（初始段）

△K≤△Kthda/dN↑，裂纹不扩展。

△K>△Kth△K↑，da/dN↑，裂纹扩展但不快。

II区（主要段）△K↑，da/dN↑，裂纹亚稳扩展，是决定疲劳裂纹扩展寿命的主要段。

III区（最后段）△K↑，da/dN↑↑，裂纹失稳扩展*

4、疲劳裂纹扩展门槛值定△Kth为门槛值单位MN·m-3/2或MPa·m1/2△K≤△Kth,裂纹不扩展。

△Kth不好测定。

规定，平面应变条件下，da/dN=10-6~10-7mm/周次对应的△K来代替△Kth，称为工程疲劳门槛值。

5、影响疲劳裂纹扩展速率的因素

（1）应力比r↑，曲线向左上方移动。

（2）过载峰适当过载反而有益。

（3）显微组织对I、III区的da/dN影响比较明显。晶粒粗大，△Kth值越高；韧性相可使△Kth↑。*三、疲劳裂纹扩展寿命的估算常选用paris公式。

da/dN=C(△K)n

c、n—材料试验常数，与材料、应力比、环境等因素有关。显微组织对n的影响不大，多数材料的n值在2~4之间变化。返回§5.4疲劳过程及机理*

（疲劳过程：裂纹萌生、亚稳护展、失稳扩展、断裂。）一、裂纹萌生及机理

常将0.05~0.1mm的裂纹定为疲劳裂纹核。

引起裂纹萌生的原因：应力集中、不均匀塑性形变。

方式为：表面滑移带开裂；晶界或其他界面开裂。*1、滑移带开裂

（1）驻留滑移带在交变载荷作用下，永留或能再现的循环滑移带，称为驻留滑移带。

通过位错的交滑移，使驻留滑移带加宽。

（2）挤出峰和挤入槽滑移带在表面加宽过程中，还会向前或向后移动，形成挤出峰和挤入槽。循环过程中，峰、槽不断增加，增高（或变深）。（柯垂耳-赫尔模型）。

孪晶处也易出现挤出峰和挤入槽。*2、晶界处开裂

晶界就是面缺陷；

位错运动易发生塞积，出现应力集中，晶界开裂。

3、相界面开裂

两相（包括第二相、夹杂）间的结合力差，各相的形变速率不同，易在相结合处或弱相内出现开裂。

只有首先达到临界尺寸的裂纹核，才能继续长大。*二、疲劳裂纹扩展过程及机理

1、裂纹扩展的两个阶段

第一阶段

沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展；扩展速率仅.1μm数量级。

第二阶段

在da/dN的II区。

晶界的阻碍作用，使扩展方向逐渐垂直于主应力方向；扩展速率μm级；可以穿晶扩展。

形成疲劳条纹（疲劳辉纹）（见书上图5-25）。一条辉纹就是一次循环的结果。**2、疲劳裂纹扩展模型

（1）Laird塑性钝化模型裂纹不再扩展的过程，称为“塑性钝化”

该模型对韧性材料的疲劳扩展很有用。

材料的强度越低，裂纹扩展越快，条带越宽*（2）再生核模型疲劳裂纹的扩展是断续的。

主裂纹前方是弹塑性交界点（三向拉应力区）可形成新裂纹核。主裂纹和裂纹核之间发生相向长大、桥接，使主裂纹向前扩展。

强度高的材料，可形成解理裂纹。返回§5.5影响疲劳强度的因素*一、材料内因

1、化学成分成分决定组织和强化效果。

2、显微组织相、相间交互作用、夹杂物、晶粒大小等。

3、治金缺陷夹杂、疏松、偏析、裂纹，方向性等。二、材料表面状态和工件结构

1、表面状态表面粗糙度；表面强化（机械、热处理、喷涂、化学）

2、工件结构壁厚；壁厚均匀性；表面沟槽等。三、工况因素

1、载荷载荷的大小和加载方式；加载频率；加载间歇；次载锻炼。

2、环境温度；周边介质；应力状况。返回§5.6低周疲劳*

疲劳寿命为102-105次的疲劳断裂，称为低周疲劳。一、低周疲劳的特点

1、局部产生宏观变形，应力与应变之间呈非线性。

总应变△εt=△εe+△εp

用△εt/2~N或△εp/2~N描叙疲劳规律。

2、裂纹成核期短，有多个裂纹源。

3、断口呈韧窝状、轮胎花样状。

4、疲劳寿命取决于塑性应变幅。*二、金属的循环硬化与循环软化

1、定义与特点

恒应变幅（塑性应变幅或总应变幅）循环加载过程中，材料的形变抗力不断增加，则称为循环硬化；反之为循环软化。

应力——应变滞后回线，只有在应力循环达到一定周期后，才是闭合的，即：达到循环稳定态。

循环应力—应变曲线高于单次应力—应变曲线，则是循环硬化，反之为循环软化。*2、循环软化的危害

使材料的形变抗力下降，导致工件产生过量的塑性变形而失效。

3、原因

决定于材料的初始状态，工件结构特性；应变幅，温度等。

σb/σs＞1.4循环硬化

σb/σs＜1.2循环软化

微观原因：位错的循环运动；相变强化；应力松驰。*三、低周疲劳的应变—寿命曲线低周疲劳的σ~N曲线，数据离散。

1、总应变幅△εt～N曲线

△εe/2～2Nf，

△εp/2～2Nf

，

△εt/2～2Nf，

两不同斜率的曲线叠放，必然会出现一个交点。

提高强度，交点左移；提高塑性，交点右移。*2、△ε~N关系式曼森公式

断裂真实伸长率

曼森——柯芬关系式

△εpNfz=C

Z、C——材料常数

Z=0.2~0.7;C—0.5ef~1.0ef

用上述关系式可估算材料的低周疲劳寿命。

返回§5.7其他类型疲劳*一、热疲劳

1、基本概念

在循环热应力和热应变作用下，产生的疲劳称为热疲劳。热疲劳属低周疲劳（周期短；明显塑性变形）。由温度和机械应力叠加引起的疲劳，称为热机械疲劳。*2、热应力的产生

外部约束不让材料自由膨胀；

内部约束温度梯度，相互约束，产生热应力。

热应变导致裂纹的萌生，扩展。

3、衡量标准

一定温度幅，产生一定尺寸疲劳裂纹的循环次数。

4、提高热疲劳寿命的途径

材料减小热膨胀系数，提高λ，均匀性，高温强度。

工件状况减小应力集中。

使用减小热冲击。*二、冲击疲劳

1、基本概念

在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂，称为冲击疲劳。冲击次数N>105,具有典型的疲劳断口。

Ak~N2、影响冲击疲劳的因素

小能量多冲击主要为强度。

较大能量时冲击作用下，材料易出现塑性变形，即易出现低周疲劳。

能量再大时则冲击疲劳退居次要地位，应考虑材料的断裂韧性。*三、接触疲劳

1、基本概念

对偶件（如轴承、齿轮等）在交变接触压应力长期作用下，而在材料表面产生的疲劳损伤。

形貌：点蚀，浅层剥落和深层剥落。

（轴承、齿轮表面、钢轨等）

接触疲劳曲线两种σ接～N，σ接～1/N。

2、接触应力（赫兹应力）

两物体接触，表面上产生局部的压应力，称为接触应力。

接触处的接触应力为三向压应力。*

接触处，σz>σy>σx

超过一定深度σz>σy>σy

相应的最大切应力为：

∴在最大切应力处，材料易出现局部塑性变形。*3、接触疲劳破坏方式（1）麻点剥落

局部塑性变形，产生裂纹、扩展（滑移带开裂）

润滑剂气蚀（高压冲击波）

剥落下一块金属而形成一凹坑（2）浅层剥落

最大切应力处，塑化变形最剧烈，非金属夹杂物附近萌生裂纹。

表层、次表层产生了加工硬化。（3）深层剥落

过渡区是薄弱区，萌生裂纹，先平行于表面扩展，后垂直于表面扩展，最后形成大的剥落坑。*4、影响接触疲劳抗力的因素（1）材料内因

组织（晶粒大小，相组成，夹杂物，第二相等）（残余奥氏体，可形成形变M，不利于接触疲劳）

表面硬度和心部硬度（2）外因

表面粗糙度，接触精度；

硬度匹配；

润滑情况。

金属的应力腐蚀和氢脆断裂*§6.1应力腐蚀*一、应力腐蚀及其产生条件

1、定义与特点

（1）定义金属在拉应力和特定的介质共同作用下，经过一段时间后，所产生的低应力脆断现象。

（2）特点

拉应力，特定介质，时间，脆断。

低碳钢、低合金钢——碱脆、硝脆；

不锈钢——氯脆；

铜合金——氨脆。

*2、产生条件

应力：外应力、残余应力；

化学介质：一定材料对应一定的化学介质（表）

金属材料：化学成分、显微组织、强化程度等。*二、应力腐蚀

1、机理滑移——溶解理论（钝化膜破坏理论）

a）应力作用下，滑移台阶露头且钝化膜破裂（在表面或裂纹面）

b）电化学腐蚀（有钝化膜的金属为阴极，新鲜金属为阳极）；

c）应力集中，使阳极电极电位降低，加大腐蚀；

d）若应力集中始终存在，则微电池反应不断进行，钝化膜不能恢复。则裂纹逐步向纵深扩展。

（该理论只能很好地解释沿晶断裂的应力腐蚀）*2、断口特征宏观：有亚稳扩展区，最后瞬断区（与疲劳裂纹相似）；断口呈黑色或灰色。微观：显微裂纹呈枯树枝状；腐蚀坑；沿晶断裂和穿晶断裂。*三、力学性能指标用常规方法测定的σSCC～tf曲线，得到的σSCC不能客观地反映材料的应力腐蚀抗力。

1、临界应力场强度因子KISCC

恒定载荷，特定介质，测KI~tf曲线。

将不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子，称为应力腐蚀临界应力场强度因子。*2、裂纹扩展速度da/dtKI>K