1、,材料力学性能,能源动力与机械工程学院 材料教研室,辛燕,Mechanical Properties of Materials,,2,工程材料力学性能,(第2版)，束德林,机械工业出版社，2008,参考资料：,金属力学性能，孙茂才，哈尔滨工业大学出版社，2003 材料的力学性能，郑修麟，西北工业大学出版社，2001,教材及参考资料,3,Properties (材料性能/性质),Processing (制备/加工)Performance(使用效能),材料科学：研究材料的组成/结构、性质、加工工艺和使用效能，以及它们之间相互关系的科学(成分/结构)Composition/Structure结构是制
2、备加工的结果结构是材料性能的原因Materials,4,一、材料的性能材料性能,力学性能,物理性能,化学性能,强,度,硬刚弹塑,度度性性,电学性能,磁学性能光学性能热学性能声学性能,抗氧化性耐腐蚀性催化性能,5,材料力学性能: 材料抵抗变形和断裂的能力。,服役过程: 保持设计要求的外形和尺寸，,保证在服役期内安全地运行。,生产过程: 要求材料具有优良的加工性能。,如压力加工要求优良的塑性和低的塑性变形抗力。,材料力学性能与材料力学的区别？,6,二、材料力学性能表征,材料软硬程度的表征,材料脆性的表征,材料抵抗外力能力表征,材料变形能力的表征,含缺陷材料抗断裂能力的表征,材料抵抗多次受力能力的表
3、征,新材料及特种材料性能的表征,特殊条件下材料性能的表征,7,材料力学性能是关于各类材料,或构件在外加载荷作用下或载荷和 环境因素（温度、介质和加载速 度）联合作用下表现的变形、损伤 与断裂的行为规律及其物理本质和 评定方法的学科。,8,弹性:是指材料在外力作用下保持和恢复固有形状 和尺寸的能力。,塑性:是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形 的能力。,强度:是材料对变形和断裂的抗力。,寿命:是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损 伤和失效的能力，使零件在服役期内安全运行。,三、材料的基本力学性能,9,第一部分:第一四章,阐述金属材料在一次加载条件下的形变和断裂过程。 所测定的力学性能指标用于
4、评价零件在服役过程中抗过载 失效的能力或安全性。,第二部分:第五八章,论述疲劳、蠕变、磨损和环境效应四种常见的与时间 相关的失效形式。金属材料对这四种形式失效的抗力将决 定零件的寿命。,第三部分:第九十一章,介绍聚合物材料、陶瓷材料和复合材料的力学性能。,四、教材结构和内容,10,预备知识：材料力学和金属学方面的基本理论知识。,理论联系实际:是实用性很强的一门课程。某些力学,性能指标根据理论考虑定义,而更多指标则按 工程实用要求定义。,做些练习: 加深理解巩固所学的知识。,五、本课程学习注意问题：,六、考核方式,平时成绩占30%(包括出勤+作业) 期末闭卷考试占70%,11,第一章,金属在单向
5、静拉伸载荷下,的力学性能,12,单向静拉伸实验介绍,1.1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,1.2 弹性变形,1.3 塑性变形,1.4 金属的断裂,主要内容,13,单向静拉伸试验(Tension test)特点：最广泛使用的金属力学性能检测手段,试验的温度、应力状态、加载速率和试样等都有严格规定 (GB/T228-2002),最基本的力学行为(弹性、塑性和断裂)可测力学性能指标：屈服强度0.2,抗拉强度b,断后伸长率断面收缩率,14,常用拉伸试样形状,光滑圆柱试样,板状试样,15,常用的拉伸试样:为了比较不同尺寸试样所测得的延性,要求试样的几何相似(比例试样)，L0/A01/2(常数;通常K
6、取5.65或11.3)其中A0为试件的初始横截面积，L0为原始标距。,光滑圆柱试样:试件的标距长度L0比直径d0,要大得多；通常，L0=5d0或L0=10d0,板状试样:试件的标距长度L0应满足下列关,系式：L0=5.65A01/2或11.3A0 1/2,拉伸试样的尺寸,16,电液伺服万能实验机,拉伸试验设备,17,拉伸实验中注意的问题,a. 拉伸加载速率较低,俗称静拉伸试验。,严格按照国家标准进行拉伸试验，其结果方为有效，由不同的实验室和工作人员测定的拉伸性能数据才可以互相比较。,b. 拉伸试验机带有自动记录或绘图装置，记录或绘制试件所受的载荷和伸长量L之间的关系曲线;,d /dt =110
7、MPa/s,18,1.1 拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线,拉伸力-伸长曲线：拉伸实验中记录的力(F)对伸长(L)的关系曲线,退火态低碳钢拉伸变形过程 可分为个阶段：,弹性变形(OA),不均匀屈服塑性变形(AC)均匀塑性变形(CB),不均匀集中塑性变形(Bk)断裂(k),正火、退火碳素结构钢和一般低合金结构 钢都具有类似的拉伸力-伸长曲线,19,20,注意：,并非所有金属材料或同一材料 在不同条件下都具有相同类型 的拉伸力-伸长曲线,淬火高碳钢,退火低碳钢在低温下拉伸时只有弹性变形阶段脆性材料：在拉伸断裂前不产生塑性变形, 只发生弹性变形塑性材料：在拉伸断裂前会发生不可逆塑性变形21,室温,脆
8、性材料普通灰铸铁,22,低塑性材料低塑性材料在拉伸断裂前:只发生均匀伸长不发生颈缩塑性变形量较小,高塑性材料高塑性材料在拉伸断裂前:不仅产生均匀的伸长而且发生颈缩现象且塑性变形量大,23,工程应力(Stress)工程应变(Strain),=FA0 =LL0,工程应力应变曲线将拉伸力-伸长曲线的纵、横坐 标分别用拉伸试样的原始截面积A0 和原始标距长度L0去除，则得到应 力-应变曲线。因均系以一常数相 除，故曲线形状不变，称为工程应 力应变曲线。,可得到金属在静拉伸条件 下的力学性能指标：,k,eg,sgt,b,24,拉伸变形过程中 横截面积和长度 是不断变化的,25,如果用拉伸时试样的真实断面
9、和真实长度去除,得到真应力S和真应变e(e)绘制曲线，则得到真实应,力-应变曲线(OBK曲线)。,真实应力应变曲线,26,1.2 弹性变形,一、弹性变形及其实质,弹性变形：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸的变形,特点：,可逆性变形,加载、卸载期内，应力与应变间都保持单调线性关系金属弹性变形量较小，一般不超过0.5%1%,实质：晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映,金属原子间结合力抵抗外力的宏观表现,27,弹性变形物理本质,弹性变形的可逆性：,原子的位移总和宏观变形外力去除后，原子靠彼此间,作用力又回到平衡位置位移消失宏观变形消失,28,二、胡克定律(一) 简单应力状态的胡克定律1单向拉伸
10、, yE, yy =E x = z = y = ,(1-1),y纵向拉伸应变,x、z横向拉伸应变,E 弹性模量, 泊松比,y拉应力,29,2剪切和扭转,(1-3), = G,(1-2),E 2(1+),G =, 切应力G 切变模量, 切应变3E、G和的关系, 1 =, 1 ( 2 + 3), 2 =, 2 ( 3 + 1), 3 = E 3 ( 1 + 2 ),(二) 广义胡克定律实际上机件的受力较复杂，应力往往是两向或三向的。在复杂应力状态下，用广义胡克定律描述应力与应变的关系：, 1 1 1 ,EE,式中1, 2, 3 主应力1 , 2 , 3主应变,压应力,拉应力,应变为正号(+)时表伸
11、长负号()时表缩短30,31,弹性模量：工程上亦称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值愈大，则在相同应力下产生的弹性变形就愈小。,三、弹性模量(Elastic Modulus)单纯弹性变形过程中应力与应变的比值,E =/,桥式起重机梁内燃机、离心机、压气机等的曲轴精密机床的主轴、床身等,均有刚度要求以免产生过大振动，保 证加工精度,1.2 弹性变形,32,E/105MPa2.171.250.722.01.71.92.02.11.92.0,金属材料铁铜铝铁及低碳钢铸铁低合金钢奥氏体不锈钢,表1-1,几种金属材料在常温下的弹性模量,33,影响弹性模量的因素,(1)主要取决于金属原子本性
12、和晶格类型,不同种类金属原子间的作用不同不同,原子密排方向的较大（单晶体弹性各向异性）,(2)弹性模量为对组织不敏感的力学性能指标,合金化、热处理、冷塑性变形等对弹性模量的影响较小,(3)温度、加载速率等外在因素对影响较小,四、弹性比功弹性比功：表示金属材料吸收弹性变形功的能力，又称弹性比能、应变比能。一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。几何意义：应力-应变曲线上弹性变形阶段下的面积2e2 2E,式中,弹性比功；,弹性极限；(组织敏感指标)最大弹性应变(表征材料弹性),e, e e,弹簧材料应具有较高的弹性比功和良好的弹性34,35,36,五、滞弹性,1.滞弹性现象,纯弹
13、性体的弹性变形,只与载荷大小有关,与加载方向和加载时间无关,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,37,滞弹性：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,2. 滞弹性原因,产生弹性后效的原因可能与金属中,点缺陷的移动有关。,材料组织越不均匀，滞弹性越明显钢经淬火或塑性变形后，滞弹性,38,在仪表和精密机械中，选用重要传感,元件的材料时，需要考虑弹性后效问题，如长期受载的测力弹簧、薄膜传感件等。如选用的材料弹性后效较明显，会使仪表精度不足甚至无法使用。,3. 滞弹性的危害,39,弹性滞后环,实际金属弹性区内快速加、卸载时，加载线与卸载曲 线不重合而
14、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。,回线面积为一个循环所消耗的不可逆功。,40,循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力，也称为内耗。,循环韧性又称为消振性。,循环韧性的应用,机床床身、缸体等选用循环韧性高的材料，减振降噪乐器（簧片、琴弦等）要求材料循环韧性小，保证音质,41,六、包申格效应(Bauschinger Effect),包申格效应：金属材料经预先加载产生少量塑性变形，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(特别是弹性极限在反向加载时几乎降低到零)的现象少量塑性变形：残余应变约为1%-4
15、%规定残余伸长应力：对应弹性极限或屈服强度42,屈服强度380MPa100MPa,某些钢和钛合金，因包申格效应可使屈服强度降低15%-20%黄铜、铝等有色金属合金,球化高碳钢、低碳钢、管线钢、双相钢奥氏体不锈钢等包申格效应是多晶体金属所具有的普遍现象度量包申格效应的基本定 量指标是包申格应变包申格应变：在给定应力 下，正向加载与反向加载 两应力应变曲线之间的 应变差43,均有包申格效应=bc即为包申格应变,44,包申格效应与金属材料中位错运动所受的阻力变化有关。,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
16、降低。,包申格效应的微观机理,如金属材料预先经受大量塑性变形，因位错增殖和难于重 分布，则在随后反向加载时，不显示包申格效应,45,危害：交变载荷情况下，显示循环软化(强度极限下降)利用：薄板反向弯曲成形，拉拔的钢棒经轧辊压制较直,包申格效应的危害和利用,包申格效应的防止方法,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,46,1.3 塑性变形,一、塑性变形方式及特点,金属材料常见的塑性变形方式为滑移和孪生,塑性变形：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,滑移 最主要的变形机制；,孪生 重
17、要的变形机制，一般发生在低温形,变或快速形变时,1.塑性变形方式,47,(1) 滑移金属材料在切应力作用下沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。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，fccbcchcp滑移的临界分切应力=(P/A)coscos外应力与滑移面法线的夹角；外应力与滑移向的夹角；= coscos称为取向因子。,48,(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。,孪生的特点：,比滑移困难；时间很短；,变形量很小；Cd孪生变形量仅7.4%，滑移变形30
18、0%也是在切应力作用下沿特定晶面和特定晶向进行的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,49,多晶体金属中，每一晶粒滑移变形的规律与单晶体金属相 同。但由于多晶体金属存在着晶界，各晶粒的取向也不相同 塑性变形具有如下特点：,2. 塑性变形特点,(1) 各晶粒变形的不同时性和不均匀性,多晶体中各晶粒取向不同，即 coscos不同，则,应力状态不同；,在受外力时，取向有利的晶粒先开始滑移变形，而 取向不利的晶粒可能仍处于弹性变形状态；,当外力，滑移从某些晶粒传播到另外一些晶粒， 并不断传播，从而产生宏观可见的塑性变形；若是多相合金，各相晶粒力
19、学性能的差异导致基体 与第二相变形量也不同；,金属组织愈不均匀，则起始塑性变形不同时性就愈 显著，局部越易达到塑性极限而形成裂纹。,50,(2) 各晶粒变形的相互协调性,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；,每个晶粒必须能同时沿几个滑移系进行滑移，即能进行 多系滑移，或在滑移同时进行孪生变形；,冯米赛斯(Von Mises)指出至少必须有五个独立的滑移,系开动，才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形， 并维持体积不变；,多晶体金属的应变硬化速率比相同的单晶体金属要高；hcp金属滑移系少，变形不易协调，故其塑性极差；,金属间化合物的滑移系更少，变形更不易协调
20、，性质更 脆。,二、屈服现象和屈服点(屈服强度),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,金属材料在拉伸试验时产生的屈服现象是其开始产生宏观塑性变形的一种标志51,屈服点(屈服强度),s,上屈服点下屈服点,su=Fsu/A0 sl=Fsl/A0,屈服伸长 AB段对应的伸长,屈服平台(屈服齿),AB段,屈服强度表征金属微量塑性变形抗力,屈服现象在退火、正火的中、低碳钢和低合金钢中最为常见,2连续屈服，黄铜,不连续屈服连续屈服,0.002L0,分为三种指标：(1)规定非比例伸长应力(p)加载时测量，非比例伸长率达到规定值 时的应力， 常用p0.01,p0
21、.05,p0.2,(2)规定残余伸长应力(r)卸载后测量，常用r0.2,表示规定残余伸 长率为0.2%时的应力(3)规定总伸长应力(t)加载时测量，常用t0.5，表示规定总伸 长率为0.5%时的应力52,许多具有连续屈服特征的金属 材料，拉伸时看不到屈服现象不连续屈服 用规定微量塑性伸长应力表征屈服强度,连续屈服0.002L02连续屈服，黄铜,s ,53,屈服强度是金属材料重要的力学性能指标，它是 工程上从静强度角度选择韧性材料的基本判据。,工程上特别重视材料屈服强度值的大小,统一用s或0.2表示材料的屈服强度,传统强度设计方法规定：,n,许用应力 = ,(n 2),根据机件具体情况，选择具有
22、适当屈服强度的材料。,54,三、影响屈服强度的因素,(1) 金属本性及晶格类型,（一）影响屈服强度的内因,凡影响位错增殖和运动的各种因素必然要影响屈服强度,屈服强度理论上为位错开始运动的临界切应力位错运动的阻力：晶格阻力（P-N力）,位错交互作用产生的阻力。,不同金属及晶格类型，位错运动所受的以上各阻力不相同,55,(2) 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。,减小晶粒尺寸，障碍数目增加, s ：霍尔培奇关系式,细化晶粒，可以提高材料的屈服强度。,bcc金属较fcc和hcp金属的ky值都高，所以bcc金属细晶强化,效果最好，而 fcc和hcp金
23、属则较差, s =i +kyd 1/2,(3) 溶质元素,溶质元素显著提高屈服强度，即固溶强化。间隙固溶强化效果大于置换固溶。机理：形成晶格畸变，阻碍位错运动,56,(4) 第二相,不可变形的第二相，位错只能绕,过它运动， s 取决于第二相质点,间距。,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。,屈服强度是一个对成分、组织极为敏感的力学性能指标,57,(二) 影响屈服强度的外在因素,(1) 温度,温度提高,位错运动容易,s bcc金属的屈服强度具有强烈的,温度效应,(2) 应变速率,应变速率提高， s ,(
24、3) 应力状态,切应力， s ,扭转屈服强度拉伸屈服强度弯曲屈服强度,四、应变硬化,或称形变硬化，加工硬化,(4) 提高低碳钢的切削加工性能。2、应变硬化机理位错增殖，运动受阻58,当外力超过屈服强度之后，需要不断增加外力才能继续塑性变形。表明金属材料有一种阻止继续变形的抗力，即应变硬化性能1、应变硬化意义(1)使构件具有一定的抗偶然过载能力,保证机件安全(2)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。(3) 强化金属，提高力学性能。如喷丸,SKenn应变硬化指数,59,大多数金属材料的n值在0.10.5之间，fcc金属(铜及黄铜),的n值较大,n大的材料，冲压性能好，变形均匀，应
25、变硬化效果突出，,eg.18-8不锈钢n0.45，40%轧制后， s提高34倍,应变硬化指数n 反映了金属材料抵抗均匀塑性变形的能,力，是表征金属材料应变硬化行为的性能指标,五、缩颈现象和抗拉强度(一) 缩颈现象和意义缩颈：韧性金属材料在拉伸试验时形变集中于局部区域的特殊现象，它是应变硬化与截面减小共同作用结果。亦称为颈缩拉伸力-伸长曲线上最大力点,由均匀塑性变形转为不均匀集中塑性变形点,缩颈对应,拉伸失稳点或塑性失稳点dSden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应变量时，缩颈便产生。60,b意义：,(三)颈缩颈部应力修正颈缩一旦产生，即在颈缩区出现三向应
26、力状态应对真实应力-应变曲线进行修正(四) 抗拉强度,(1)标志塑性金属材料的实际承载能力，易于测定，重现性好(2)是脆性材料的断裂强度，是脆性材料的设计依据。(3) b 决定于s 和n。 s 一定n b s/ b 。s/b(屈强比)对材料成型加工极为重要（较小有利）。(4) b 1/3HBW(布氏硬度)；淬火钢疲劳极限-1 1/2b 61,Fb A0,抗拉强度：韧性金属试样在拉断过程中的最大力所对应的应力 b =表征金属材料对最大均匀塑性变形的抗力,62,六、塑性,(一)塑性与塑性指标,大多数拉伸时形成缩颈的韧性金属材料，其均匀塑性变形量比集中塑形变形量要小得多，一般均不超过集中变形量的50
27、。,塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久(塑性)变形的能力。,塑性变形,均匀塑性变形 (应变硬化阶段),集中塑性变形 (缩颈后缩颈区阶段), = 100%,常用的塑性指标为断后伸长率和断面收缩率。断后伸长率：试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。,L1 L0L0,L0试样原始标距长度 ; L1试样断裂后的标距长度,两种圆柱比例拉伸试样： L0=5d0或 L0=10d0对应的断后伸长率分别为5和10 ,且510也可用最大力下的总伸长率gt表示材料的塑性gt最大力时标距的总伸长与原始标距的百分比，实际上是金属材料拉伸时产生的最大均匀塑性变形量（工程应变量）gt对于评定冲压用板材的成型能力非常有用6
28、3, = 100%,64,断面收缩率:试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比,A0 A 1A0,A0试样原始横截面积; A1缩颈处最小横截面积,可用与的相对大小来判定是否发生缩颈现象：,差值越大,缩颈越严重,产生缩颈现象不产生缩颈现象,65,(二)塑性的意义和影响因素,意义：,是安全力学性能指标，防止产生突然破坏；,缓和应力集中(塑性可松驰裂纹尖端的局部应力)；,有塑性才能进行轧制、挤压等冷热加工变形；能反映冶金质量的优劣,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；,(d) 固溶、硬的第二相等，塑性,66,韧性是金属材料的力
29、学性能，它是指金属材料断裂前 吸收塑性变形功和断裂功的能力。J/m2,韧度是度量材料韧性的力学性能指标，其中又分静力 韧度、冲击韧度和断裂韧度。,静力韧度：金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前 所吸收的功，它是强度和塑性的综合指标。 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。,七、静力韧度,67,1.4 金属的断裂 (Fracture)磨损,腐蚀断裂 危害最大,机件三大失效形式,齿面接触疲劳,轴瓦磨损,被严重腐蚀损坏 的管接头法兰盘,完全断裂,断裂,材料或机件在外力作用下分成两个或几个部分,不完全断裂 材料或机件内部存在裂纹,轴承内圈断裂齿轮轮齿断裂大多数金属材料的断裂
30、过程都包括裂纹形成与扩展两个阶段研究断裂形貌、机理、断裂的力学条件及内外影响因素68,69,断口：试样或零件在试验或使用过程 中断裂后形成的相匹配的表面，是断裂 失效最主要的残骸，也是断裂失效分析 最重要的物证。,断口忠实地记录了材料在载荷与环境 作用下断裂前的不可逆变形以及裂纹萌 生和扩展直到断裂的全过程产生了专门研究断口的断口学,研究断口的形貌、性质进而分析断裂 类型、方式、路径、过程、性质、原因 和机理的科学,断口,1、根据断裂前塑性变形大小分类,2、根据断裂面的取向分类3、根据裂纹扩展的途径分类,4、根据断裂机理分类,一、断裂的基本类型脆性断裂,韧性断裂,正断切断穿晶断裂沿晶断裂,纯剪
31、切断裂,微孔聚集型断裂,解理断裂70,71,(一) 韧性断裂与脆性断裂1、韧性断裂(1) 断裂特点：断裂前产生明显宏观塑性变形；塑性变形是韧断的前奏，韧断是大量塑性变形的结果过程缓慢；o,(2) 断口宏观特征断口呈纤维状，灰暗色。断口特征三要素：纤维区放射区剪切唇,中、低碳钢静拉伸韧性断裂典型断口,72,图1-18,杯锥状断口形成示意图,d) 微孔连接形成锯齿状 e) 边缘剪切断裂,a) 缩颈导致三向应力 b) 微孔形成 c) 微孔长大聚合形成裂纹,73,纤维区：裂纹扩展很慢，达临界尺寸,后形成放射区；,放射区：快速撕裂，有放射线花样。,撕裂时塑性变形量越大，放 射线越粗；,剪切唇：呈杯状或锥
32、状，表面光滑，,与拉伸轴呈45o，典型切断。,韧性断裂不及脆性断裂危险，因断裂 前机件已变形失效,研究韧性断裂有利于正确制订金属压 力加工工艺规范,图1-19,人字纹花样,断口平齐光亮；,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，危害大；断口与正应力垂直。(2) 断口宏观特征,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，尖顶指向裂纹源。材料的韧性与脆性行为会随环境条件而改变。例如：T、脆性。脆断前也可发生微量塑性变形，一般规定断面收缩率5%为脆性断裂。74,75,(二) 穿晶断裂与沿晶断裂,特点：,穿晶断裂，裂纹穿过晶界沿晶断裂，裂纹沿晶界扩展穿晶断裂，可
33、以是韧性或脆,性断裂；,沿晶断裂，多数是脆性断裂两者有时可混合发生。,沿晶脆性断裂,断口形貌,76,沿晶断裂产生原因,(Heat affect zone),应力腐蚀、氢脆,77,(三) 纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂,(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。fcc金属一般不发生解理断裂。,解理断裂总是脆性断裂。,78,79,表1-7 断裂分类及其特征(续),典型脆性断裂,典型韧性断裂,80,二、解理断裂,（一）解理裂纹
34、的形成和扩展,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。,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。,81,解理断裂过程包括三个阶段：,塑性变形形成裂纹,裂纹在同一晶粒内初期长大裂纹越过晶界向相邻晶粒扩 展。,82,（二）解理断裂的微观断口特征,(1)河流花样,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。,形成方式为：解理裂纹与螺位错相 交形成；
35、通过二次解理成撕裂形成。,解理断口河流花样,83,(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。,84,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。,(3)准解理,85,三、微孔聚集断裂,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，微孔连通， 裂纹向前推进一定长度。(4) 断裂,86,2. 微孔聚集断裂的微观断口特征,韧窝形状视应力状
36、态 不同而异，分为三类:,等轴韧窝拉长韧窝撕裂韧窝,韧窝是微孔聚集断裂的基本特征(火山口式，圆形，椭圆形),87,(a) 等轴韧窝,(b) 剪切韧窝,(c) 撕裂韧窝,正应力 微孔的平面,拉伸试样中心纤维区就是等轴韧窝,扭转、或双向不等应力状态；切 应力,拉、弯应力状态,88,影响韧窝大小因素：,基体材料的塑性变形能力和应变硬化指数；,应变硬化指数韧窝尺寸,第二相质点的大小和密度,密度韧窝尺寸,外加应力的大小及状态等,单向拉伸，韧窝深；多向拉伸，韧窝浅,89,90,拉长韧窝,91,微孔聚焦断裂一定有韧窝存在，但在微观形态 上出现韧窝，其宏观上不一定就是韧性断裂,宏观上为脆性断裂，在局部区域内也
37、可能有塑性变形，从而显示出韧窝形态。,微观上出现韧窝，宏观上不一定是韧性断裂,位移很小, Sin,2x 2x, = m, = E = E,a0,形成单位裂纹表面的功 U0 =0, mSin, m,2x Ex, m,92,两个表面,间位移关系式 = Sin 2xmx 虎克定律,dx =,N2, m,= 2 s,五、断裂强度c1、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,2x2x, E 2 a0,=a0 m =,2 s m, =,代入,a0原子间平衡距离理论mE/5.5 实际m=理论m/101000表面能为s93,1 2,),E sa0,理论断裂强度 m = (,94
38、,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。, a,95,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）, 2a2E,Ue = ,c）裂纹形成产生新表面所需要的能量W=4a （是两个表面） d）能量守恒,2,2E,+4a,Ue +W = ,1 2,),2E sa, c = (,（3）格雷菲斯公式,有裂纹物体的断裂强度（实际断裂强度）96,97,本章小结,第一章 金属在单向
39、静拉伸载荷下的力学性能,退火态低碳钢拉伸变形过程 可分为个阶段：,弹性变形(OA),不均匀屈服塑性变形(AC)均匀塑性变形(CB),不均匀集中塑性变形(Bk)断裂(k),98,工程应力应变曲线,可得到金属在静拉伸条 件下的力学性能指标：,eg,sgt,b,c,工程应力(Stress)工程应变(Strain), =F/A0=L/L0,弹性变形特点：可逆性变形加、卸载时应力与应变呈单调线性关系弹性变形量较小，一般不超过1%弹性模量(E)：工程上亦称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力。 影响因素： (1)主要取决于金属原子本性和晶格类型 (2)弹性模量为对组织不敏感的力学性能指标 (3)温度
40、、加载速率等外在因素对E影,(组织敏感指标),响较小 e 弹性比功 e 弹性极限99,金属材料常见的塑性变形方式 为滑移和孪生多晶体金属塑性变形特点：(1)各晶粒变形的不同时性和不均匀性(2)各晶粒变形的相互协调性常用的塑性指标为断后伸长率()和断 面收缩率()。产生缩颈现象不产生缩颈现象具有连续屈服特征的金属材料，拉伸时看不到屈服现象,规定残余伸长应力(r0.2或0.2)卸载后测量，残余伸长率为0.2%时的 应力,100,影响屈服强度的因素,内因,(1)金属本性及晶格类型 (2) 晶粒大小和亚结构 (3) 溶质元素 (4) 第二相,外在因素,(1) 温度,(2) 应变速率 (3) 应力状态,
41、屈服强度是一个对成分、组织极为敏感的力学性能指标,2、根据断裂面的取向分类,大多数金属材料的断裂过程都包括裂纹形成与扩展两个阶段,3、根据裂纹扩展的途径分类,4、根据断裂机理分类,断裂的基本类型(微观断口特征)脆性断裂 1、根据断裂前塑性变形大小分类韧性断裂正断切断穿晶断裂,沿晶断裂,纯剪切断裂 微孔聚集型断裂(韧窝),解理断裂(河流花样)101,磨损,腐蚀断裂,机件三大 失效形式,完全断裂,不完全断裂,断口特征三要素：纤维区 放射区 剪切唇,本章的重点概念：(1)弹性模量(2)滞弹性(3)循环韧性(4)包申格效应(5)塑性(6)韧性(7)屈服(8)脆性断裂和韧性断裂(9)穿晶断裂和沿晶断裂(10)应变硬化102,掌握以下力学性能指标 的意义(1)E(2)s(3)e(4)b(5)c(6)(7)(8)n(9)e,103,习题,1、说明下列力学性能指标的意义,(1)E；(2)s；(3)e；(4)b；(5)c； (6) ； (7) ； (8)n,2、决定金属屈服强度的因素有哪些？,
