材料性能学课件

材料的弹性变形1.1材料的弹性变形机理 1.1.1金属与陶瓷材料的弹性变形机理 1.1.2高分子材料的弹性变形机理 1.2弹性变形力学性能指标 1.2.1弹性模量 1.2.2比例极限与弹性极限 1.2.3弹性比功 1.3非理想的弹性变形 1.3.1滞弹性 1.3.2粘弹性 1.3.3伪弹性 1.3.4包申格效应 1.3.5内耗7:24下午1§1.1材料的弹性变形机理7:24下午2去除外力，恢复原形状。弹性变形是可逆的：金属与陶瓷材料的弹性变形机理

高分子材料的弹性变形机理一、非晶态聚合物的力学状态及其变形机理二、晶态聚合物的变形机理

汽车板簧——>双原子模型：1.1.1金属与陶瓷的弹性变形机理7:24下午5F合是r的函数平衡位置处r，F合=0引力：正离子与自由电子斥力：离子间

F合=F引+F斥

双原子模型势能谷双原子模型外力作用下，r改变，离子位移。去除外力后，回到原来的平衡位置，宏观变形消失—>可逆性。

势能谷σ-ε:ε较小（小于1%）：原子（离子）在平衡位置附近产生可逆位移。F-r：非线性关系，在平衡位置附近，近似线性关系。胡克定律（<1%）。实际材料的弹性变形量一般小于1%，相当于合力曲线的起始阶段；由于实际材料中存在的各种缺陷杂质造成材料的塑变或断裂引起的。最大合力Fmax；当外力F大于Fmax，离子间永久分离，产生塑变或裂纹；Fmax：最大理论弹性变形抗力，此时弹性变形量为

rm-r0=25%。1.1.2高分子材料的弹性变形机理高分子结构7:24下午9聚集态结构：链结构：几千埃以上。大分子链的构成：大分子链的构型：大分子链的构象：全同间同无规立构。线性支化网状内旋转（柔顺性）折叠链薄片结晶伸直链片晶。完全结晶困难。晶态：非晶态：

远程无序、近程有序。复习：

线性非晶态高聚物的σ-ε曲线(Ta<Tb<Tc<Td)晶态高聚物的σ-ε曲线

线性非晶态高聚物：结构上无交联、聚集态无结晶的高分子材料。7:24下午11在不同的温度下，呈现三种不同的力学状态：玻璃态、高弹态粘流态。一、非晶态聚合物的力学状态及其变形机理7:24下午12T<Tb：硬玻璃态。拉伸→→脆性断裂，弹性模量较大，弹性变形量很小→→普弹性变形，符合虎克定律。（一）玻璃态

(室温：塑料)Ta<Tb<Tg分子热运动能力低，链段和链节热振动，大分子链段运动和整个分子链的运动处于“冻结”状态。普弹性来源于键长及键角的改变。7:24下午13Tb<T<Tg时→→软玻璃状态。oa′以下→→普弹性变形；键角和键长的变化。a′s段→→受迫高弹性变形。链段沿外力取向。受迫高弹性变形：可达300-1000%。在外力除去后保留下来，为“永久变形”，但加热到Tg以上，变形可恢复→→在本质上是可逆的。7:24下午14受迫高弹性变形机理：外力强迫链段运动，沿受力方向取向。7:24下午15sb段→→塑性变形。分子链沿外力取向。7:24下午16（二）高弹态大分子已具有足够的能量，链段运动，整个大分子尚不能运动。形变可达1000％，称为高弹性。室温：橡胶（Tg<室温)7:24下午17卷曲的线团沿外力取向高分子的熵弹性（entropyelasticity)

拉伸和回复过程：熵变起作用，内能几乎不变。熵值大（混乱度）熵值小，有序（混乱度）自发恢复高弹态：高分子材料与低分子材料区别的重要标志。高聚物的高弹性本质上是一种熵弹性。熵弹性：高聚物形变时克服分子链构象变化的势垒。利用熵弹性：弹性记忆材料（热收缩膜、管)。金属、陶瓷普弹性本质上是能量的弹性。原子以结合键处在晶格位置，变形功改变原子间距，内能变化。7:24下午19具有高弹性的必要条件：分子链应有柔性。C-C键内旋转，引起链段运动。但柔性链易引于链间滑动—>非弹性的粘性流动。采用分子链间的适当交联防止滑动，保证高弹性。7:24下午20（三）粘流态：分子具有很高的能量，链段和整个大分子链都能运动。在外力作用下分子间发生相对滑动，呈现粘性流动。形变不可逆。熔体的强度很低，无屈服应力的流动变形。二、晶态聚合物的变形晶区：链段无法运动

——>无高弹性。

普弹性（键长及键角）有高强度和硬度。非晶区：有高弹性,链段运动。晶态聚合物典型应力-应变曲线小结：7:24下午221.1弹性变形的机理二、高分子材料的弹性变形机理（一）非晶态聚合物：普弹性：键长及键角改变；受迫高弹性：链段沿受力方向取向。高弹性：链段运动，熵弹性粘流态：链段和整个大分子链运动。（二）晶态聚合物：普弹性（键长及键角），无高弹性双原子模型：原子（离子）在平衡位置附近产生可逆位移。能量的弹性一、金属与陶瓷1.2弹性变形力学性能指标一、弹性模量（或弹性系数、弹性模数）（一）广义虎克定律（二）弹性模量的意义（三）影响弹性模量的因素

1.金属材料弹性模量的特点

2.陶瓷材料弹性模量的特点

3.高分子材料弹性模量的特点二、比例极限、弹性极限三、弹性比功（弹性比能、应变比能）7:24下午23一、弹性模量（弹性模数，弹性系数）7:24下午24（一）广义虎克定律

在弹性范围内，当变形较小时，应力和应变间的关系普遍服从虎克定律。力的叠加原理：作用在弹性体上的合力产生的位移等于各分力产生的位移之和。一、弹性模量（弹性模数，弹性系数）7:24下午25（一）广义虎克定律

Cij为弹性刚度系数，表示使晶体产生单位应变所需的应力。根据力的叠加原理，有6个如下关系式：也可写成另一种形式，即：Sij为弹性柔度系数，单位应力作用下产生的应变量。弹性刚度系数和弹性柔度系数皆为材料的弹性系数。

弹性刚度系数和弹性柔度系数各有36个；Sij=Sji或Cij=Cji，其中i≠j。36个比例系数中，独立：Sii-----6个，Sij(i≠j)----30/2个，独立弹性系数：21个。7:24下午27晶体对称性的提高，21个常数中有彼此相等或为0，独立的弹性系数进一步减少。晶系三斜单斜正交四方六方立方各向同性体个数211396532表1-1不同晶系独立弹性系数的个数正交晶系：切应力只影响同方向平行平面的应变，不影响正应变。a≠b≠cα=β=90°=γ7:24下午29正交晶系：

6个Sii和3个S12，S13，S23独立。有9个独立的弹性系数。正交晶系：切应力只影响同方向平行平面的应变，不影响正应变。立方晶系：三个轴向是等同的：S11=S22=S33，S12=S23=S31，S44=S55=S66。独立的弹性系数仅为3个，即S11、S12和S44。（Cij也是如此）。

晶系三斜单斜正交四方六方立方各向同性体个数2113965327:24下午31表1-1不同晶系独立弹性系数的个数各向同性的弹性体：S44=2(S11－S12)；立方晶系各向同性弹性体：只有2个独立的弹性柔度系数S11、S12。定义E=1/S11，υ=－S12/S11，G=1/2（S11－S12）；则虎克定律的工程应用形式为：7:24下午32；在单向拉伸条件下:E为宏观弹性模量[杨氏模量]；

υ为泊松比；G为切变弹性模量。7:24下午33，

在单向加载条件下，材料不仅在受拉方向上有伸长变形，而且在垂直于拉伸方向上有收缩变形。对于立方晶系，在任一方向上：ι为所考虑方向与｛100｝三个坐标轴夹角的余弦。已知独立的弹性系数，可计算任意方向的弹性系数。7:24下午34例：已知25℃时MgO的弹性柔度系数：

S11=4.03×10-12/Pa，S12=—0.94×10-12/Pa，S44=6.47×10-12/Pa，计算MgO单晶在[100]、[110]、[111]方向上的弹性系数。解：计算出MgO单晶中[100]、[110]、[111]各方向与坐标轴｛100｝的方向余弦，计算结果如表所示。7:24下午35方向E/GPaG/GPa[100]100248.2154.6[110]1/21/20316.4121.9[111]1/31/31/3348.9113.8（二）弹性模量的意义

7:24下午36拉伸时σ=EεE：弹性模量（杨氏模数）切变时τ=GγG：切变模量

（1）表示产生单位弹性应变时的弹性应力。

（2）表征材料的弹性变形抗力，即抵抗弹性变形的能力。（3）刚度ES越大，同应力下材料的弹性变形越小，是结构材料实际的重要力学性能之一。（4）比弹性模量E/ρ：质轻而刚度大。材料E/GPa材料E/GPa低碳钢200尖晶石240低合金钢200-220石英玻璃73奥氏体不锈钢190-200氧化镁210铜合金100-130氧化锆190铝合金60-75尼龙28钛合金96-110聚乙烯1.8-4.3金刚石1039聚氯乙烯0.1-2.8碳化硅414皮革0.12-0.4三氧化二铝380橡胶<0.08烧结Al2O3（气孔率5%）366石墨97:24下午37一些材料的弹性模量（三）影响弹性模量的因素温度加载条件和负荷持续时间

7:24下午38内因外因键合方式和原子结构晶体结构化学成分微观组织成分、结构、组织1金属弹性模量的特点：E表征离子或分子间键合强度大小。（同熔点、硬度一样）7:24下午39（1）键合方式和原子结构共价键：E较高。金属键：50－300Gpa。分子键：E较小（0.4-4Gpa）7:24下午40原子半径：原子半径越大——>E越小金属的E呈周期性变化：同一族元素，随原子半径↑→→E↓。过渡族的E大—>r小,d层电子间结合力大。同一周期元素，随原子序数↑→→E↑（2）晶体结构

单晶：

各向异性。晶体弹性模量E/MPa＜111>晶向＜100＞晶向α-Fe2.7×1051.25×105MgO3.48×1052.48×1057:24下午41多晶：伪各向同性。表观为统计平均值。等轴多晶α-Fe：E=2.1×105Mpa。非晶：各向同性。非晶态金属，玻璃等。（3）化学成分纯金属→→合金：E变化较小。成分AlAl+（Ni、Si）E（GPa）65947:24下午42固溶体合金：E变化小于5%。两相合金：与第二相有很大关系，金属间化合物E↑大。7:24下午43（4）微观组织：金属材料E是一个极为稳定的力学性能指标，合金化、热处理、冷热加工等均难以改变其数值。碳钢、铸铁和各种合金钢的弹性模量E≈200GPa，而它们的屈服强度和抗拉强度可以差别很大。铝合金：高E的第二相粒子可提高E

青铜：时效后E增大。20%金属：大多对组织不敏感。（不改变键合强度）冷加工、热处理对E的影响小于5%；(5)温度大部分固体，受热后变软，E随温度升高而降低。7:24下午44金属：原子热振动加剧，结合力下降。（6）加载条件和负荷持续时间对金属，陶瓷的E几乎没有影响。他们的变形速度很快（声速）对高分子材料E的影响较大。2.陶瓷弹性模量的特点：7:24下午45（1）弹性模量大：强的离子键和共价键，高熔点。(2)陶瓷材料压缩状态E压一般大于拉伸状态的E。与陶瓷材料显微结构的复杂性和不均匀性有关。熔点与E：由原子间结合力的大小所决定的。7:24下午46（3）陶瓷材料E与组织状态密切相关。对连续基体内的密闭气孔，经验公式：

E=Eo(1－1.9P+0.9P2)适用于P50气孔对弹性模量的影响（气孔的弹性模量为零）构成相的种类、粒度、分布、比例及气孔率有关。陶瓷的工艺过程对陶瓷材料的E有着重大影响。75氧化铝瓷7:24下午47材料E(GPa)材料E(GPa)氧化铝晶体380烧结TiC(P=5%)310烧结氧化铝（P=5%

）366烧结MgAl2O4(P=5%)238高铝瓷（P=5-10%

）366密实SiC(P=5%)470烧结氧化铍（P=5%

）310烧结稳定化ZrO2P=5%

150热压BN（P=5%

）83石英玻璃72热压B4C（P=5%

）290莫来石瓷69石墨（P=20%

）9滑石瓷69烧结MgO（P=5%

）210镁质耐火砖170烧结MoSi2（P=5%

）407陶瓷材料E3.高分子材料的弹性模量高聚物的物理与力学性能与温度和时间有密切的关系。7:24下午48弹性模量随温度的变化弹性模量随时间的变化时温等效E：0.1~1Gpa高应变速率：玻璃态，E值较高；7:24下午49PMMA玻璃态聚合物在不同拉伸速率下的应力-应变曲线(温度一定)低应变速率：橡胶态，E值较低；中应变速率：转变区，粘弹性。影响晶态聚合物σ-ε曲线的因素：温度（与玻璃态聚合物相似）应变速率（与玻璃态聚合物相似）结晶度和球晶尺寸等。7:24下午50二、比例极限与弹性极限比例极限σp：弹性变形按正比关系变化的最大应力。7:24下午51弹性极限σe：弹性变形的最大应力。σp，σe难以准确测量；σp：规定非比例伸长应力。

σp0.01,σp0.05：0.01%,0.05%微量塑性伸长。σe：不允许微量塑变、与σs没有质的区别，都表示材料对微量塑性变形的抗力。σp、σe的工程意义:比例极限σp7:24下午52应力应变关系严格遵守线性关系的机件：如测力计弹簧。弹性极限σe：不允许产生微量塑性变形的机件。三、弹性比功（能，应变比能）ae应变比能：弹性变形过程中吸收变形功的能力

——>减振，储能元件。7:24下午53应变比能ae7:24下午54ae↑→σe↑：弹簧ae大(2.217Mpa)E↓铍青铜ae大(1.44Mpa)，无铁磁性。

橡胶

ae大(2.0Mpa)，减震、储能元件。第1章材料的弹性变形1.1材料的弹性变形机理 1.1.1金属与陶瓷材料的弹性变形机理 1.1.2高分子材料的弹性变形机理 1.2弹性变形力学性能指标 1.2.1弹性模量 1.2.2比例极限与弹性极限 1.2.3弹性比功 1.3非理想的弹性变形 1.3.1滞弹性 1.3.2粘弹性 1.3.3伪弹性 1.3.4包申格效应 1.3.5内耗7:24下午551.3非理想的弹性变形弹性变形：可逆、可恢复的。根据应力－应变的响应特点，分2类弹性变形：理想弹性（完全弹性）：非理想弹性（弹性不完整性）。7:24下午56理想弹性（完全、平衡弹性）：应力与应变的关系是线性的、同相位的；应变是应力的单值函数。σ＝Ee非理想弹性（弹性不完整性）：应力、应变不同时响应。滞弹性、粘弹性,伪弹性、包申格效应。一、滞弹性（弹性后效）

快速加载或卸载后，随时间延长产生的附加弹性应变。金属材料与高分子材料明显存在。与成分、组织、试验条件有关。7:24下午58滞弹性产生原因：金属：与点缺陷的扩散有关（时间）；结构、组织愈不均匀，温度升高、切应力高

------弹性后效明显。Hcp(Mg)晶格对称性低,后效明显；↓扭转＞弯曲＞拉伸7:24下午59滞弹性的工程意义：影响仪器仪表、精密机械的测量精度。测力弹簧\薄膜传感器7:24下午60减少滞弹性的方法：长时间退火

钢---300~450℃；

Cu合金----150~250℃二、粘弹性弹性+粘性：所有聚合物、沥青、水泥混凝土、玻璃、金属等。7:24下午61σ-ε不同时响应（驰豫），卸载后，ε恢复到零，无残余应变。紧固零件打包带变松、橡皮筋变松橡胶、软聚氯乙烯丝：慢慢伸长；解下砝码后，慢慢缩回。7:24下午62混凝土徐变:凝胶体颗粒的粘性流动和滑移。

creep粘弹性变形强烈地与时间有关，应变落后于应力。

金属：高温蠕变（动画）静态粘弹性模型：静态粘弹性指蠕变和松弛现象。7:24下午63弹簧+粘壶模型弹簧粘杯-阻尼器弹簧：理想弹性变形，服从胡克定律；粘壶：粘性效应，理想粘性液体，服从牛顿粘性定律。

=E

7:24下午64Maxwell--liquid模型(串联）：液态粘弹性物体弹性颗粒+连续粘性体:弹性体中的势能随时间消失于粘性体中。7:24下午65

并联模型的蠕变现象

Kelvin-Voigt-solid模型(并联)：固态粘弹性物体粘性液体填充弹性骨架。一般非匀质材料：水泥混凝土。变形随时间逐渐增加到最大弹性变形，卸荷后随时间逐渐消失。

（三）伪弹性：形状记忆合金SMA由于应力诱发M相变产生大幅弹性变形（可达60%）7:24下午66AM四、包申格效应：Bauschinger先预加载塑变1~4%，再同向加载，微量塑变抗力↑。再反向加载，塑变抗力↓。7:24下午67金属多晶体：具有包申格效应，与位错运动的阻力变化有关。

有害：反向加载时变形抗力降低，易失效。7:24下午68有利：（动画）薄板反向弯曲成型，辊压校直，板材交替通过轧辊，反向应力降低；研究疲劳现象，σ-1＜σb。消除包申格效应：大量塑变＞4%，变形均匀，林位错均匀分布，位错增殖，难以重分布。再结晶退火：钢---400~450℃；铜合金---250~270℃。五、内耗（动态粘弹性）1．定义7:24下午69弹性比功是可逆的。（储存〓释放）（粘）滞弹性，加载、卸载曲线不重合，形成一封闭回线，封闭回线面积的大小可表示加载变形功被材料所吸收------内耗（循环韧性）。内耗是不可逆的。2．产生内耗的原因：⑴溶质原子应力感生有序化引起的内耗7:24下午70在外力作用下，无序分布的溶质择优分布，降低畸变能→→应力感生有序→→原子扩散需一定的弛豫时间,产生附加应变。材料内部微观组织结构（缺陷）和物理性能（磁性）的变化受到阻碍，要消耗能量。7:24下午71

⑵位错运动引起的内耗

在弹性交变应力作用下，位错也产生某种形式的运动，产生内耗。交变应力下，位错作弓形振动、脱钉、缩回→→再钉扎，克服阻尼力→→内耗。A.钉扎位错：沉淀粒子强钉扎，点缺陷弱钉扎（空位、杂质）7:24下午72B．溶质原子与位错交互作用→→Controll气团，位错运动受阻→→驰豫应变→→内耗7:24下午73⑶晶界内耗

晶界处原子排列不规则，具有非晶态结构的特点，具有粘滞性。

⑷磁性改变：交变应力作用于铁磁材料上→→磁化状态改变（磁致伸缩的逆效应）→→附加应变（磁致伸缩，涡流→磁化强度M改变）→→内耗在切应力作用下，晶界相对滑动→→驰豫应变→→内耗（晶界滑动所消耗的功）。高分子材料的内耗：周期性的动载：塑料齿轮、阀门片、凸轮；交变载荷：橡胶轮胎、传送皮带、减震器等。7:24下午74外力改变分子链的构象。克服链段间内摩擦阻力；内摩擦阻力越大，滞后现象越严重，内耗也越大。3．内耗的意义：力学上：材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力→→消振性（循环韧性）。7:24下午75循环韧性高，降噪音、消振性好。石墨铸铁、1Cr13→→高的消振性。底座、箱体；叶片。循环韧性低灵敏度高、音质好。

钟表、仪表传感元件、乐器的弹性元件。4．内耗的应用7:24下午76金属材料：内耗对组织结构十分敏感测量内耗→→研究扩散、位错运动，晶界特性等。高聚物材料：变形与时间密切相关，产生内耗。高速行驶的汽车轮胎会因内耗引起温度升高（高达80-100℃），从而加速轮胎的老化。用作减震零件的高聚物材料，应增加内耗。

材料的塑性变形2.1.材料的塑性变形机理2.1.1金属与陶瓷晶体的塑性变形机理2.1.2陶瓷材料的塑性变形特点2.1.3高分子材料的塑性变形2.2冷变形金属的回复与再结晶2.2.1塑性变形对材料性能的影响2.2.2冷变形金属的回复与再结晶2.2.3材料的热加工与冷加工2.3塑性变形的力学性能指标19:24772.2.1塑性变形对材料性能的影响（四）对物理、化学性能的影响导电率、导磁率下降，比重、热导率下降；结构缺陷增多，扩散加快；化学活性提高，腐蚀加快。（一）加工硬化

（二）残余内应力（三）储存能

2.2冷变形金属的回复与再结晶二、回复与再结晶（一）组织与性能的变化（二）机理（三）动力学（一）加工硬化（形变强化、冷作强化）定义：随变形量的增加，材料的强度、硬度升高而塑性、韧性下降的现象。加工硬化2.2.1塑性变形对材料性能的影响三个阶段：位错滑移19:24801．单晶体的加工硬化2.2.1塑性变形对材料性能的影响θ=dτ/dγ称为“加工硬化速率”三个阶段：I．易滑移阶段：单滑移，位错阻力很小，θ1很低。19:2481fcc单晶体的应力—应变曲线2.2.1塑性变形对材料性能的影响II．线性硬化阶段：多系滑移，位错运动困难，θII

远大于θI

，

θII约为G/100—G/300，接近一常数。19:2482fcc单晶体的应力—应变曲线III．抛物线硬化阶段：交滑移，θIII

随应变增加而降低，应力应变曲线变为抛物线。19:2483fcc单晶体的应力—应变曲线2．多晶体的加工硬化19:2484a.不出现第一阶段，加工硬化率明显高于单晶体。2.2.1塑性变形对材料性能的影响b.细晶粒的加工硬化率一般大于粗晶粒。19:2485C.合金比纯金属的加工硬化率要高，溶质原子的加入，在大多数情况下增大加工硬化率。（二）残余内应力19:2486变形不均匀，晶体各部分之间相互作用，外力去除后仍残留在体内的应力；塑变功==热量+残余应力（10％）宏观内应力（第一类）微观内应力（第二类，第三类）2.2.1塑性变形对材料性能的影响作用在整个工件，由材料各部分（如表面和心部）的宏观形变不均匀而引起的。使工件尺寸不稳定，严重时甚至使工件变形断裂。19:24871.宏观内应力（第一类内应力）2.2.1塑性变形对材料性能的影响19:24882.微观残余内应力第二类内应力：晶粒变形不均匀，晶粒内或晶粒之间，（软取向和硬取向）。第二类内应力使金属更容易腐蚀；黄铜：加工后，春季或潮湿环境发生应力腐蚀开裂。2.2.1塑性变形对材料性能的影响19:24892.第三类内应力：

第三类内应力是产生

加工硬化的主要原因。晶格畸变应力

(位错、空位等引起)，占残余内应力的80%-90%。2.2.1塑性变形对材料性能的影响（三）储存能19:2490(1)储存能随形变量增加而增大．但增速逐渐变缓，最后趋于饱和；(2)加工温度越低，形变速度越大,

加工硬化率越大，相同变形后的储存能越高；(3)应力状态越复杂，应力、应变的分布越不均匀，消耗的总能量越高，储存能越大。塑变的结果→→加工硬化、残余应力、储存能→→→晶体处于高能状态，不稳定。2.2.1塑性变形对材料性能的影响残余拉应力→→有害（裂纹的萌生和扩展）残余压应力→→→表面残余压应力（阻止裂纹的萌生和扩展），提高疲劳强度。降低残余拉应力?降低储存能?减少点阵缺陷？加热温度提高，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大过程。激活高能量的金属提供能量：加热，热能！2.2.1塑性变形对材料性能的影响2.2.2冷变形金属的回复与再结晶19:2492储存能是冷变形金属发生变化的驱动力。冷变形金属加热时，从可分为回复；再结晶；晶粒长大三个阶段储能释放组织结构和性能的变化19:24932.2.2冷变形金属的回复与再结晶变形金属加热时显微组织的变化：动画19:24942.2.2冷变形金属的回复与再结晶19:2495动画19:2496一、回复

回复温度T回复为：

T回复=(0.25～0.3)T熔

(K)。

2.2.2冷变形金属的回复与再结晶（一）回复过程中组织及性能的变化19:2497

(1)

组织不改变，保留纤维组织；

(2)

完全消除宏观残余内应力，微观内应力仍部分残存；

(3)

力学性能变化不大；强度和硬度只略有降低，塑性有增高。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶回复过程中组织及性能的变化：19:2498(4)

回复过程对物理性能的影响较大：点缺陷浓度明显降低，密度增加，电阻率降低。

2.2.2冷变形金属的回复与再结晶（二）回复机制

19:2499TH=T/Tm点缺陷和位错在退火过程中运动，改变了组态和分布。1.低温回复：TH=0.1-0.3，点缺陷运动：空位迁移到晶界、表面和位错处；空位与间隙原子相遇而湮没。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶2.中温回复：19:24100

TH=0.3-0.5，位错滑移（+点缺陷运动）（1）异号位错相消；（2）位错胞内位错与壁内异号位错相消：位错胞壁变窄→→亚晶界，位错胞→→亚晶粒。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶19:241013.高温回复：19:24102

TH=T/Tm>0.5

位错攀移（+滑移）位错垂直排列，位错墙形成。亚晶转动、合并长大（降低界面能）―――再结晶核心。分割晶粒为亚晶，位错多边形化。弹性畸变能降低。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶（三）回复动力学回复动力学曲线

恢复过程中性能的衰减按指数关系进行。lnt=Q/kT+CQ—恢复激活能。无孕育期；开始变化快，随后变慢；长时间处理后，性能趋于一平衡值。二、再结晶19:24104冷变形后的金属加热到一定温度后，在原来的变形组织中产生无畸变的新晶粒，性能恢复到变形以前的状态，称为再结晶。再结晶驱动力：形变储存能2.2.2冷变形金属的回复与再结晶（一）再结晶后的组织与性能伸长晶粒→→等轴晶粒。与变形前晶格类型一样。19:241052.2.2冷变形金属的回复与再结晶强度、硬度急剧降低，塑性提高，力学性能恢复至变形前状态，消除加工硬化现象。变形储存能全部释放。三类内应力（点阵畸变）消除，位错密度降低。19:241062.2.2冷变形金属的回复与再结晶（二）再结晶的形核机制1.原有晶界弓出的形核形变较小，变形不均匀，位错密度不同。储存能的释放。19:241072.2.2冷变形金属的回复与再结晶2.

亚晶粒合并形核19:241082.2.2冷变形金属的回复与再结晶冷变形金属开始再结晶的最低温度称为再结晶温度。19:24109（三）再结晶温度*热力学：再结晶温度---意义不明确。形变一开始就获得储存能，就具有回复和再结晶的热力学条件，原则上就可发生再结晶。温度不同，只是过程的速度不同。动力学：人为定义了一个“再结晶温度”：在一定时间内（一小时）刚好完成再结晶的温度。再结晶温度是一个动力学意义的温度。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶形变量足够大时，一般纯金属的

再结晶温度为(0.35～0.4)Tm。表2-6金属的再结晶温度金属SnPbZnAlAgAuCuFeNiMoW熔点/℃232327420660962106410851538145326103410再结晶温度/℃<室温150200200200450600900120019:241102.2.2冷变形金属的回复与再结晶影响再结晶温度的因素：19:24111（1）预先变形度（2）金属的熔点（3）杂质和合金元素（4）加热速度和保温时间2.2.2冷变形金属的回复与再结晶（1）预先变形度：19:24112变形程度增高，再结晶速度加快，再结晶温度降低，并逐步趋于一稳定值。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶（3）杂质和合金元素：19:24113材料50%再结晶温度（℃）备注纯铜140Cu的原子半径为1.28Å纯铜加入0.01%Ag205Ag的原子半径为1.44Å纯铜加入0.01%Cd305Cd原子半径为1.52Å微量溶质原子或杂质：提高再结晶温度，降低再结晶速度（2）金属的熔点：熔点越高，最低再结晶温度也越高。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶（4）加热速度和保温时间19:24114加热速度↑→→T再↑，保温时间↑→→T再↓。为了缩短处理时间，实际再结晶温度：T=T再+100℃～200℃。扩散过程。应用：再结晶退火→→消除加工硬化→→恢复塑变能力。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶（四）再结晶后的晶粒度形核率N：单位时间/体积内形成的再结晶核心数；19:24115再结晶后的晶粒尺寸由形核率N和长大速率G决定。细晶粒：↓G/N值。形核率N

大，长大速率G小。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶影响再结晶后晶粒度的主要因素:加热温度；√预先变形程度（量）；

最重要的影响因素。√金属纯度；（自学）原始晶粒大小等。（自学）19:241162.2.2冷变形金属的回复与再结晶（1）加热温度19:24117

加热温度越高，原子扩散↑，N增大，

晶界迁移率↑，G也增大。

综合作用：晶粒长大。H68合金再结晶晶粒随温度的变化2.2.2冷变形金属的回复与再结晶（a）580℃保温8s(b)700℃保温10min“临界变形度”:一般为2-10%，晶粒粗大。19:24118（2）预先变形度>临界变形度，随变形度增加，晶粒变细。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶（五）再结晶动力学19:24120再结晶速率与温度间阿累尼乌斯(Arrhenius)关系式：其中QR为再结晶激活能。（2）再结晶需要热激活。（1）再结晶需要孕育期，且温度越高，孕育期越短，转变速度越快。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶相变再结晶相同点形核、长大过程，有孕育期，相似的动力学方程；不同点驱动力新/母相间的化学自由能差形变金属的机械储存能临界温度有一个临界温度，热力学意义的温度人为规定，动力学意义的温度19:24121！再结晶与相变的关系：2.2.2冷变形金属的回复与再结晶再结晶不是固态相变！是同相晶粒形态的转变。（六）再结晶后的晶粒长大

19:24122晶粒长大的驱动力：

晶界能的下降，即长大前后的界面能差值。长大方式有正常晶粒长大和异常晶粒长大两种。（a）正常再结晶（b）晶粒正常长大(c)异常长大Mg-3Al-0.8Zn合金退火组织:2.2.2冷变形金属的回复与再结晶19:24123变形80%工业纯铁再结晶退火100×变形80%600℃退火8小时

变形80%400℃退火8小时1、晶粒的正常长大：晶粒的长大连续、均匀。19:241242.2.2冷变形金属的回复与再结晶2、晶粒的异常长大（二次再结晶）19:24125驱动力：长大前后的界面能差。产生条件：弥散的第二相质点或杂质、织构等强烈阻碍晶粒正常长大过程。降低材料的室温机械性能，大多数情况下应当避免。2.2.2冷变形金属的回复与再结晶小结：一、塑变对金属性能影响

（一）加工硬化随变形量的增加，强度、硬度升高而塑韧性下降。位错滑移，交互作用，位错缠结、位错胞。（三）储存能

回复与再结晶的驱动力（二）残余内应力:宏观残余内应力（第一类应力）微观残余内应力:第二类应力：晶粒第三类应力：点阵畸变回复再结晶组织不改变等轴晶粒力学性能消除宏观残余内应力，力学性能变化不大强度、硬度低，塑性提高，消除加工硬化现象机理空位，位错滑移，位错攀移原有晶界弓出，亚晶合并形核，动力学意义的温度二、冷变形金属的回复与再结晶区分标准：再结晶温度。

在再结晶温度以上的塑性变形加工称为热加工。例如钢材的热锻和热轧。

19:241282.2.3材料的热加工与冷加工（动画）

（金工实习？自学）热轧时变形和再结晶2.2.2冷变形金属的回复与再结晶一、热加工及其对组织、性能的影响塑性变形+再结晶过程。加工硬化随即被再结晶过程的软化作用消除，使材料保持良好的塑性状态。19:24129热轧时变形和再结晶（1）热加工能使铸态金属中的气孔、疏松、微裂纹焊合，提高金属的致密度；减轻甚至消除树枝晶偏析和改善夹杂物、第二相的分布等；提高金属的机械性能，特别是韧性和塑性。19:24130（2）热加工能打碎铸态组织的粗大树枝晶和柱状晶，获得等轴细晶粒，全面提高机械性能。19:24131（3）形成纤维组织(流线,带状组织)。塑性和韧性具有明显的方向性，纵向上的性能显著大于横向上的。合理分布工件流线。受力复杂、载荷较大的重要工件，一般采用热加工方法来制造。19:24132锻造曲轴

切削加工曲轴最大拉应力与流线一致，剪应力或冲击力与流线垂直，曲轴不易断裂。动画沿轴肩易断裂。

材料的塑性变形2.1.材料的塑性变形机理2.1.1金属与陶瓷晶体的塑性变形机理2.1.2陶瓷材料的塑性变形特点2.1.3高分子材料的塑性变形2.2冷变形金属的回复与再结晶2.2.1塑性变形对材料性能的影响2.2.2冷变形金属的回复与再结晶2.2.3材料的热加工与冷加工2.3塑性变形的力学性能指标19:241332.3力学性能指标19:241342类力学性能指标材料的强度指标；材料的塑形指标表征材料对塑性变形和断裂抗力。表征材料塑性变形能力。屈服强度抗拉强度断裂强度延伸率断面收缩率

2.3.1屈服强度19:24135一、屈服强度的表示及工程意义

屈服：材料由弹性变形向弹-塑性变形过渡的明显标志。σs：材料抵抗起始（或微量）塑变的能力。屈服强度的表示：有屈服平台：下屈服点σsl；无明显屈服：人为确定----条件屈服强度。19:24136规定残余伸长应力σr：卸除拉力后，0.05%,0.1%,0.2%残余伸长

------σr0.05，σr0.1，σr0.2。规定总伸长应力σt：标距部分的总长,σt0.5。加载过程中易自动测量。条件屈服强度：

统一用σ0.2表示σs

（不计测量方法）2.3.1屈服强度σs的工程意义：①不允许过量塑变的设计与选材依据；19:24137σs不是越高越好，视具体形状、尺寸、服役条件而定。2.3.1屈服强度②σs/σb高：有利：充分发挥高强度，减轻机件质量。不利：塑变抗力高，局部应力集中处不易通过塑变缓解---突然脆断。19:24138二、影响屈服强度的因素σs的产生机理：（难点）①材料在变形前可动位错密度很小，或虽有大量位错但被钉扎（杂质原子或第二相质点）。1957年，Gilman和Johnston提出金属材料屈服的三个条件：②随塑性变形的发生，位错能快速增殖，即可动位错急速增加。2.3.1屈服强度19:24139③位错运动速率与外加切应力有强烈依存关系：τ----沿滑移面上的切应力。τ0----位错以单位速率运动所需的切应力。

m′----位错运动速率应力敏感指数。标志位错速度对应力的敏感性。2.3.1屈服强度19:24140解释：材料的宏观塑性应变速率

（试验机夹头移动速率）与可动位错密度ρ、位错运动速率

及柏氏矢量b成正比。变形前可动位错密度ρ较小，为了满足一定的塑性变形应变速率的要求，必须增大位错运动速率，需要有较高应力τ，是上屈服点的由来。2.3.1屈服强度塑性变形一旦发生，位错大量增殖，位错密度ρ增加：19:24141另一方面，位错间相互作用增强，位错缠结；这2方面的原因使位错运动速率下降，相应的应力突然降低，产生屈服降落平台。2.3.1屈服强度一方面，要保持一定的塑性应变速率；屈服降落平台的明显与否取决于m'值，即位错运动速率对应力的敏感指数。m'值越低，位错运动速率变化所需的应力τ的变化越大，屈服现象越明显。材料SiGeWCrMoLiFFe-3%SiCuAgm'1.4(600~900℃)1.4~1.7(420~700℃)5<7<814.53520030019:241422.3.1屈服强度19:24143

本质较软的材料（fcc），稍许提高应力就引起位错运动速率大幅上升，m′很大,屈服现象不明显。

Cu200，Ag300。

本质很硬的材料，m′很小，若要提高υ→→τ要大→→→上屈服点，

明显的屈服现象。

Ge：1.4,Si：1.4-1.7。2.3.1屈服强度19:24144bcc金属的m′较小(＜20)→→明显的屈服现象。fcc金属的m′较大(100~200)→→屈服现象不明显。应力敏感指数m′愈小，υ的变化所需切应力τ的变化越大，屈服现象越明显。小结：变形机制的改变：滑移→→孪生，有利位向增多；极快速生长，爆发性传播；2.3.1屈服强度屈服波动2.影响σs的因素内在因素：化学成分、晶体结构、组织结构等；外部因素：温度、应变速率等。19:24145屈服是位错运动的结果；位错运动阻力决定了σs的大小。晶格阻力√位错间交互作用力位错与各种缺陷间的交互作用阻力2.3.1屈服强度19:24146b-----柏氏矢量（滑移方向上的原子间距）ω----位错宽度，ω=a/(1-γ)，a为滑移面间距：

fcc密排--位错宽度大；bcc位错宽度小。理想晶体中仅存在1个位错运动时所克服的阻力。派-纳力(τP-N)：派尔斯（Peierls）和纳巴罗（Nabarro）（1）晶体结构（晶格阻力）：τp-N(派-纳力)2.3.1屈服强度派-纳力推导十分复杂，也不精确，

它的一些定性结果有：1)本质上，位错宽度ω越小，τP-N越大，位错难以滑移，屈服强度越高。19:24147从能量角度看：ω小→→晶格畸变大，位错运动阻力高→→

τp-N大，σs大。bcc.2.3.1屈服强度2)位错宽度ω主要决定于结合键和晶体结构。19:24148共价键：键角和键长难改变，位错宽度很窄，

ω≈b，τP-N很高但很脆；金属键：无方向性，位错宽度较大，

Cu：ω≈6b，派-纳力很低。3)派-纳力公式第一次定量地由位错的存在，推算晶体的切变强度。推算：τP-N＝3.6×10-4G，比刚性模型计算的理论值（约G/30）小得多，接近实验值。19:241494)解释为什么滑移面和方向都是原子最密排面和方向。b最小（原子密排方向）、a最大（原子最密排面），位错宽度ω最大，点阵阻力最小，派-纳力最小。2.3.1屈服强度19:24150（2）摩擦阻力：位错间交互作用阻的阻力。

τ=αGbρ1∕2α：fcc=0.2;bcc=0.4.ρ↑→τ↑,σs↑摩擦阻力有两种类型：平行位错间；运动位错与林位错间。2.3.1屈服强度19:24151（3）晶界阻力（晶界与亚结构）细晶强化

霍尔-配奇（Hall-Petch）屈服强度与晶粒的尺寸的关系：2.3.1屈服强度（Hall-Petch公式）19:24152d-----（亚）晶粒平均直径。

σi---位错运动的总阻力（摩擦阻力）；

K---晶界钉扎常数。

d↓→位错塞积长度↓→应力集中↓→→不足以开动相邻晶粒的位错滑移。Hall-Petch公式：适用于晶界与亚晶界、纳米晶。纳米材料中，可动位错少，启动应力高。2.3.1屈服强度晶粒大小对室温机械性能的影响：细晶粒组织的高温强度反而较低。高温下晶界在应力作用下产生粘滞性流动，晶界相对滑动；产生“扩散蠕变”，19:24153晶粒直径（μm）400501052下屈服点（KN/m2）86121180242345例：10#钢σs与晶粒大小的关系2.3.1屈服强度

细化晶粒，塑韧性提高！√：19:24154

晶粒越多，变形均匀性提高，由应力集中导致的开裂机会减少，可承受更大的变形量，表现出高塑性。

细晶→应力集中小→裂纹不易萌生；

细晶→晶界多→裂纹不易传播→在断裂过程中可吸收较多能量,表现出高韧性。

细化晶粒是常温下可同时提高材料强度和塑韧性的唯一方法。2.3.1屈服强度19:24155(4)溶质元素(固溶强化）

晶格畸变→→应力场→→与位错应力场交互作用→→σs↑→→固溶强化间隙、置换、空位→→强化σs空位――σs↑，塑性下降。（原子能工业）辐照空位。2.3.1屈服强度19:24156（5）第二相与第二相的形状、尺寸、数量、分布有关。细小弥散分布：σs↑不可变形质点：位错线弯曲绕过可变形质点：位错线切过，绕过切过2.3.1屈服强度(6)温度bcc金属的σs随T↓而急剧增高；

bcc金属τp-N大，而τp-N属短程力，对温度很敏感。fcc金属的σs随T↓变化不大。19:24157屈服强度随温度的变化2.3.1屈服强度(7)应变速率与应力状态

影响明显：静拉伸10-3/S,

冷轧、拉拔103/S→→σs↑

切应力有利于塑变，σs↓。19:24158σs对成分、组织、温度、应力状态极为敏感。2.3.1屈服强度小结：力学性能指标19:24159材料的强度指标；材料的塑形指标屈服强度√应变硬化指数抗拉强度断裂强度等。延伸率断面收缩率等。指标的意义及影响因素19:241602.3.2应变硬化指数1.

机理：应变硬化是材料阻止继续塑性变形的能力。位错的多系滑移位错的交滑移割阶、位错缠结、位错锁、胞状结构、刃位错不能交滑移，刃位错密度增大，产生应变硬化。2.3.1屈服强度19:241612.表征：Holloman公式：S—真应力；e----真应变；K----硬化系数；

n----应变硬化指数。应变硬化指数n：n=0.5~1n=1，完全理想弹性体

n=0，S=K=常数，无应变硬化n---反映了材料抵抗继续塑变的能力。

2.3.1屈服强度3.影响n的因素：层错能19:24162Al的层错能高→→不易形成扩展层错，d小→→易交滑移→→n小。层错能低（Ag\Au\Cu,不锈钢，α黄铜等）→→易出现层错→→扩展位错d宽，→→交滑移难发生→→位错应力集中高，滑移带平直→→n大。2.3.1屈服强度4．加工硬化的实际意义19:24163n大，强化效果突出。不能热处理强化的材料：奥氏体不锈钢、有色金属等，更重要。

n大，冲压性好（深冲压），应变均匀能力大。保证变形均匀；防止突然过载断裂；强化金属。2.3.1屈服强度19:24164

2.3.1屈服强度力学性能指标19:24165材料的强度指标；材料的塑形指标屈服强度应变硬化指数抗拉强度断裂强度等。延伸率断面收缩率等。指标的意义及影响因素2.3.1屈服强度19:24166韧性金属单向拉伸光滑试样的实际最大承载能力。σb易于测定，重复性好，选材设计的重要依据。2.3.3抗拉强度σb

σs/σb,冲压成型要求σs/σb要小。

σs一定时，n越大，σb越高。σb意义：19:24167缩颈时dF=0缩颈时：

塑性变形的发展大于应变硬化。应变硬化赶不上塑性变形的发展。2.3.3抗拉强度小结：强度指标的意义。σsσb加工硬化n19:241681.陶瓷材料的强度（一）陶瓷材料的强度特点

19:241691．陶瓷材料的抗拉强度低于金属。固体粉料烧结大量气孔，裂纹多而大；组织结构不均匀，缺陷多。（75%的α-Al2O3）2．陶瓷材料的抗压强度比抗拉强度大得多，其差别的程度大大超过金属。抗压强度是工程陶瓷材料的一个常测指标。19:241703．气孔和密度对陶瓷断裂强度有重大影响。（二）影响陶瓷材料强度的因素外在因素试样尺寸形状环境(温度湿度酸碱度)应变速率应力状态内在因素微观结构缺陷（形状大小）19:241711．显微结构晶相：晶粒尺寸、形貌和取向19:24172气孔：尺寸、形状和分布晶界玻璃相：组分、结构和形态裂纹：尺寸、密度和形状等陶瓷材料的制备工艺。影响陶瓷材料强度的因素透明氧化铝瓷（烧结白刚玉），99.5%以上Al2O3真空下烧结。Al2O3纯度很高，气孔极少。19:24173

透明氧化铝的显微组织1200x影响陶瓷材料强度的因素电熔刚玉的显微组织耐火材料19:241741200x白色粗大的柱状晶：

α-Al2O3相；暗黑色：玻璃相，黑色的圆洞：气孔。影响陶瓷材料强度的因素锰锌铁氧体的显微组织白色块状晶相：

(MnZn)Fe2O4；条状析出相：Fe2O3；暗黑色组织：玻璃相；圆形：气孔；过烧-------性能劣化。19:241751200x影响陶瓷材料强度的因素钛酸钡的显微组织广泛应用的压电陶瓷。优良的介电性能和电光性能等。19:241761200x白色块状晶相：BaTiO3，晶粒内部有孪晶。黑圆洞：气孔；晶界处有少量玻璃相。过烧，性能劣化。影响陶瓷材料强度的因素(1)晶粒尺寸晶粒尺寸越小，陶瓷材料室温强度越高。(细晶强化）19:24177α：经验指数；氧化物/碳化物陶瓷：α＝1/2；

k是与材料结构、显微结构有关的比例常数。影响陶瓷材料强度的因素(2)气孔

有气孔时陶瓷材料的强度；19:24178陶瓷材料的强度随气孔率p的增加而下降。气孔使受力相截面积减少，应力增大；气孔引起应力集中，强度下降；

无气孔时陶瓷材料强度有关的常数。影响陶瓷材料强度的因素(3)晶界相晶界相：若能阻止裂纹扩展并松弛裂纹尖端应力场，可提高强度和塑性。19:24179影响陶瓷材料强度的因素助烧剂：低熔点晶界相，提高致密度。脆性晶界玻璃相：对强度不利，通过热理使其晶化。2．试样尺寸尺寸效应19:24180工程陶瓷材料的强度指标通常为弯曲强度。相同体积下，试样厚度越小，应力梯度越大，弯曲强度越高。尺寸大，含大尺寸危险裂纹的机会大。石英玻璃纤维分段：

0.6cm长-----760Mpa12cm长-----275Mpa2.应力分布变化影响陶瓷材料强度的因素通常在800℃以下，温度对陶瓷材料强度影响不大。陶瓷材料耐高温性能较好。19:24181高温下，晶界软化、滑移，强度大幅度下降，表现一定的塑性；提高陶瓷的高温强度，应减少玻璃相和杂质。3．温度影响陶瓷材料强度的因素高分子材料的塑性变形玻璃态高聚物（Tb~Tg）和结晶性聚合物（Tb~Tm）典型的拉伸应力-应变曲线及试样形状的变化19:24182冷拉

高分子材料的塑性变形聚合物的屈服应变可达20%左右（金属<1%）。19:24183屈服点：最大应力点；

5％-10%，甚至更大。无极大值：定义2％应变处的应力为屈服强度。

高分子材料的塑性变形

19:24184BC段：高聚物特有的“细颈”沿样品扩展；AB段：分子链滑移，银纹形成；应变增加、应力下降，“应变软化”；颈缩高分子材料的塑性变形

19:24185CD：分子链重组，微纤维结构，试样均匀拉伸，“取向硬化”。D点：断裂强度σb，断裂伸长率εb。高分子材料的塑性变形

屈服机理比较复杂，因状态不同而异。应力-应变曲线依赖于时间和温度。屈服点是很难给出确切定义：通过高温退火可使永久变形恢复，不同于金属。19:24186聚合物屈服特点：19:24187聚合物的五种应力－应变曲线：

硬而脆；硬而强；强而韧；软而韧；软而弱。“软”和“硬”：模量的低或高；“弱”和“强”：强度的大小；“脆”-----无屈服现象而且断裂伸长很小；“韧”-----断裂伸长和断裂应力都较高。

19:24188聚合物的五种类型应力－应变曲线及试样形状的变化

硬而脆：聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和酚醛树脂等。19:24189硬而强：硬质PVC；强而韧：尼龙66、聚碳酸酯（PC）聚甲醛（POM）等。19:24190软而弱：柔软的凝胶。软而韧：橡胶和增塑PVC；19:2419119:241922.3.4塑性与超塑性

意义：（1）材料断裂前塑性变形的能力。（2）缓和裂纹尖端应力集中，防止过载断裂；（3）塑性加工成型：轧制、挤压、锻造。19:24193δ5＞δ10：集中不均匀塑变量大于均匀塑变量。δ,ψ＞10~20%：塑性越高，强度越低，

σs/σb越小。δ，ψ超塑性：δ＞1000%~6000％，一般金属δ＜50~60%。19:24194机理：结构超塑性：超细晶粒、微米等轴晶（变形前后保持等轴态）。

相变超塑性：A+F;

晶界滑动起主要作用。1982年，英国物理学家森金斯：金属在适当的温度（0.4Tm以上）变得像软糖一样柔软，应变速率ε＞10-3/s

时产生三倍以上的延伸率，称为超塑性。航天/汽车/车厢制造等。超塑性合金：铝/镁/钛/碳钢/不锈钢/高温合金等。小结：力学性能指标19:24195材料的强度指标；材料的塑形指标屈服强度应变硬化指数抗拉强度断裂强度等。延伸率断面收缩率等。指标的意义及影响因素

材料的断裂与断裂韧性3.1材料的断裂3.1.1断裂的类型及断裂机理3.1.2断口分析3.1.3裂纹的形核与扩展3.1.4断裂强度3.2断裂韧性3.2.1缺口效应3.2.2线弹性条件下的断裂韧性3.2.3弹塑性条件下的断裂韧性3.2.4影响材料断裂韧度的因素3.3断裂韧性在工程中的应用19:241963.1材料的断裂材料的失效方式：过量变形、断裂、腐蚀、磨损。19:24197材料在力的作用下丧失连续性，分成若干部分的现象称为断裂。断裂意味着材料的彻底失效。断裂的危害最大。（动画）赛车车轴意外断裂塔科马海峡大桥

TacomaNarrowsBridge（断裂）19:2419819:24199焊接构件——脆性断裂200多天→40天→

4天15个小时，这个纪录保持至今。二战期间，美国千艘全焊接自由轮→舱板断裂。自由轮：美国海事委员会二战时期应急大量建造的两型货船。（实业家亨利·凯泽：总重2500吨的25万个预制构件送到船厂焊接起来）。历史背景50年代，美国北极星导弹点火试验时，

发动机壳体爆炸。σs=1400Mpa，0.1-1mm裂纹。19:242001952年，Esso石油公司原油罐脆性断裂历史背景断裂力学的发展历史1.传统材料设计：19:24201①材料是均匀连续、各向同性的物体。②力学分析→应力应变→安全系数→强度、塑韧性经典强度理论：断裂瞬时发生，不考虑裂纹的萌生与扩展。设计时只考虑σb(抗拉强度),较少考虑σs、韧性、焊接性19:242022.连接方式:

铆接焊接C%↓→↓σb保证强度→Mn%↑

合金元素大型结构桥、船舶压力容器航空航天器火箭壳体大型转子极限条件下工作超高温、超高压、超高速条件

低应力脆断（断裂应力＜σb、σs）历史背景3.冲击韧性和断裂韧性的重要性19:24203

原因→→宏观裂纹（加工与使用过程中出现）（冶金、锻造、焊接、淬火、机加工、疲劳、腐蚀）材料是非均匀连续的。刚刚拉制的玻璃棒弯曲强度6Gpa，在空气中放置后下降到0.4Gpa；石英玻璃纤维分段：12cm长-----275Mpa，

0.6cm长-----760Mpa。

尺寸效应：危险裂纹机会多（大、长试件）。历史背景19:242044.断裂力学的发展(1)Griffith在1920年提出，断裂前材料有现成的裂纹，

裂纹尖端引发应力集中。19:242054.断裂力学的发展1922年Griffith研究断裂强度与裂纹尺寸间的关系。Griffith裂纹理论及Orowan塑性区修正历史背景裂纹扩展使原子键永久撕开。位错扫过之后，断开的原子键重新愈合。19:24206(2)

断裂过程：裂纹的形成与扩展过程。4.断裂力学的发展历史背景19:242074.断裂力学的发展→→1948年Irwin《FractureDynamics》------断裂力学独立学科。历史背景线弹性断裂力学+弹塑性断裂力学裂纹扩展新的力学参量→新的断裂判据

---断裂韧度KⅠc

。→→第3章材料的断裂与断裂韧性3.1材料的断裂3.1.1断裂的类型及断裂机理3.1.2断口