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　　材料性能学向道平(博士副教授)海南大学材料与化工学院材料系TEL：Email：dpxiangyahoocomcn第一章材料静拉伸力学性能第一章材料静拉伸力学性能前言力伸长曲线和应力应变曲线弹性变形及性能指标非理想弹性和内耗塑性变形及其性能指标断裂前言前言拉伸性能通过静载拉伸试验可以材料的基本力学行为规律并得到材料的弹性、强度、延性、塑性和韧性等重要的力学性能指标它是材料的基本力学性能。拉伸性能的作用、用途由静载拉伸试验测定的力学性能指标可以作为工程设计、评定材料和优选工艺的依据具有重要的工程实际意义。提供预测材料的其它力学性能的参量如抗疲劳、断裂性能。（研究新材料或合理使用现有材料和改善其力学性能时都要测定材料的拉伸性能）力伸长曲线和应力应变曲线力伸长曲线和应力应变曲线力伸长曲线静拉伸试样常用的拉伸试样: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lA要为一．其中A为试件的初始横截面积。光滑圆柱试样:试样的标距长度l比直径d要大得多。通常l=d或l=dd为原始直径。板状试样:试样的标距长度l应满足下列关系式：l=A或A。具体标准见GB。图光滑圆柱拉伸试样图万能材料试验机试验装置和过程试验通常在室温、轴向和缓慢加载(s)条件下进行的并以自动记录或绘图装置记录绘制试样所受的载荷F和伸长量Δl之间的关系曲线这种曲线通常称为拉伸图。实验中注意的问题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。典型曲线图低碳钢的力伸长曲线P点以下:F和Δl为线性关系e点以内（FFe）：弹性变形A点（F=FA）:出现塑性变形A点到C点：不均匀的塑性变形C点到B点（FB为Fmax）：均匀塑性变形B点后：不均匀塑性变形局部区域产生颈缩k点：试样断裂拉伸过程变形包括弹性变形、变形、均匀塑性变形和不均匀集中变形等个阶段。图几种典型材料的力伸长曲线曲线(淬火、高温回火高碳钢)：弹性变形、少量均匀塑性变形曲线(低合金结构钢)：与低碳钢曲线相似曲线(黄铜)：弹性变形、均匀塑性变形和不均匀塑性变形曲线(陶瓷和玻璃类材料)：弹性变形曲线(橡胶类材料)：大弹性变形（高达％）曲线(工程塑料)：弹性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形注意：由于具有结构上的力学状态差异和对温度的性因而高聚合物的力伸长曲线可有多种形式应力应变曲线工程应力和工程应变工程应力σ：载荷F除以试样的原始截面积A工程应变δ：伸长量Δl除以原始标距长度lσ(纵坐标)δ(横坐标)曲线即为应力应变曲线图低碳钢的应力应变曲线根据应力应变曲线可知材料在静拉伸下的力学性能指标：σP比例极限σe弹性极限σs点σb抗拉强度脆性和塑性材料的应力应变曲线按材料在拉伸断裂前是否发生塑性变形将材料分为脆性材料和塑性材料两大类。脆性材料典型材料：玻璃、多种陶瓷、岩石低温下的金属材料、淬火状态的高碳钢和普通灰铸铁等。曲线特征：在拉伸断裂前只发生弹性变形不发生塑性变形在最高载荷点处断裂如图中曲线和图所示。断口特征：平断口断口平面与拉力轴线垂直。图脆性材料的应力应变曲线描述参数：弹性模量E应力应变曲线与横轴夹角α的大小表示材料对弹性变形的抗力E=tanα()虎克(Hooke)定律在弹性变形阶段应力与应变成正比σ=Eδ（）式中E为弹性模量。塑性材料最常见的金属材料应力应变曲线Oa为弹性变形阶段ab为形变强化阶段bk为缩颈阶段在k点发生断裂如图(a)。典型材料有调质钢、黄铜和铝合金。具有明显点的应力应变曲线曲线有明显的点aa′点呈平台或呈齿状相应的应变量在~范围如图(b)。典型材料：退火低碳钢和某些有色金属。不出现颈缩的应力应变曲线只有弹性变形Oa和均匀塑性变形ak阶段如图(c)。典型材料：铝青铜和高锰钢。不稳定型材料的应力应变曲线在形变强化过程中出现多次局部失稳原因是孪生变形机制的参与当孪生应变速率超过试验机夹头运动速度时导致局部应力松弛从而出现齿形特征如图(d)。典型材料：低溶质固溶体铝合金和含杂质铁合金。图塑性材料的应力应变曲线拉伸性能指标材料的性能指标可分为强度（反映材料对塑性变形和断裂的抗力）和塑性（反映材料的塑性变形能力）两类指标。强度原则上材料的强度应理解为开始塑性变形时的应力值。但实际上对于连续的材料这很难作为判定材料的准则因为工程中的多晶体材料其各晶粒的位向不同不可能同时开始塑性变形只有当较多晶粒发生塑性变形时才能造成宏观塑性变形的效果。工程上采用一定的残留变形量的方法确定强度主要有以下三种。比例极限：应力应变曲线上符合线性关系的最高应力值用σP表示超过σP时即认为材料开始。弹性极限：材料能够完全弹性恢复的最高应力值用σe表示超过σe时即认为材料开始。比例极限与弹性极限并非完全等同一般情况下材料的弹性极限稍高于比例极限。工程上之所以要区分它们是因为有些设计如火炮筒材料要求有高的比例极限而另一些情况如弹簧材料要求有高的弹性极限。强度以发生一定的残留变形为标准如以残留变形的应力作为强度用σ或σys表示。非比例伸长应力(σP)：加载过程中标距长度内的非比例伸长量达到值(以表示)的应力如σP,σP等。伸长应力(σr)：卸载后其标距部分的伸长达到比例时的应力常用的为σr即伸长率为时的应力值。总伸长应力(σt)：试样标距部分的总伸长（弹性伸长与塑性伸长之和）达到比例时的应力。应用较多的总伸长率为、、相应地总伸长应力分别记为σtσt和σt。颈缩形成的判断如δ材料不形成颈缩。高锰钢的延伸率为断面收缩率为不形成颈缩。如δ＜形成颈缩δ与相差越大颈缩越严重。CrNi钢经淬火回火的延伸率为断面收缩率为形成颈缩。塑性指标的选用长形零件可用δ因颈缩的变形量较小。非长形零件要用比δ对组织变化更。塑性指标的意义延伸率和断面收缩率是工程材料的重要性能指标。材料的设计中不仅要求材料的强度而且对材料的塑性也有要求可避免断裂安全。塑性是制定压力加工和成型工艺的基础（成形能力）。弹性变形及性能指标弹性变形及性能指标弹性变形概念变形：外力作用下材料发生的尺寸和形状变化。弹性变形与塑性变形：外力去除后随之消失的变形为弹性变形残留的（即永久性的）变形为塑性变形。弹性变形是可逆的与变形量大小和应力应变是否呈线性关系无关。图原子间的相互作用力外力引起的原子间距的变化即位移在宏观上就是所谓弹性变形。外力去除后原子复位位移消失弹性变形消失从而表现了弹性变形的可逆性。弹性性能与特征是原子间结合力的宏观体现本质上决定于晶体的电子结构而不依赖于显微组织因此弹性模量是对组织不的性能指标。理论断裂抗力当r=rm时原子间作用力的合力表现为引力而且出现极大值Fmax。如果外力达到Fmax就可以克服原子间的引力而将它们拉开。这就是材料在弹性状态下的理论断裂抗力相应的弹性变形量也是理论值。实际上由于晶体中含有缺陷如位错在弹性变形量尚小时的应力足以激活位错运动而代之以塑性变形所以实际上可实现的弹性变形量不会很大。对于脆性材料由于对应力集中敏力稍大时缺陷处的集中应力即可导致裂纹的产生与扩展使晶体在弹性状态下断裂。影响弹性模量的因素凡影响离子或之间键合强度的因素都会影响材料的弹性模量具体有：键合方式和原子结构共价键、离子键和金属键结合力较强无机非金属材料、金属合金有较高弹性模量键结合力较弱高聚合物弹性模量较低。金属弹性模量与原子半径有关：E=krm(m)晶体结构单晶体材料的弹性模量各向异性多晶体材料的弹性模量(伪)各向同性非晶材料的弹性模量各向同性化学成分合金的弹性模量与组成元素的质量分数、晶体结构和组织状态有关固溶体合金的弹性模量主要取决于溶剂元素的性质和晶体结构两相合金的弹性模量与合金成分第二相性质、数量、尺寸及分布状态有关微观组织金属材料合金成分不变时显微组织对弹性模量的影响较小晶粒大小对E值无影响工程陶瓷弹性模量与陶瓷相种类、粒度、分布、比例及气孔率有关。气孔率越高弹性模量越低高聚合物可通过添加增强性填料提高弹性模量复合材料增加粒状增强相体积分数可提高弹性模量温度温度升高原子振动加剧体积膨胀原子间距增大结合力减弱材料的弹性模量降低温度变化时材料若发生固态相变弹性模量也将发生显著变化温度变化时高聚合物力学状态改变其弹性模量也随之发生很大变化(图)图聚合物的ET曲线加载条件和负荷持续时间加载方式（多向应力）、加载速率和负荷持续时间对金属、陶瓷材料的弹性模量几乎没有影响。随着负荷时间的延长高聚合物的E值逐渐下降（与其对温度的关系相似）。这时的弹性模量也称为松弛模量。弹性性能的工程意义任何一部机器（或构造物）的零（构）件在服役过程中都是处于弹性变形状态的。结构中的部分零（构）件要求将弹性变形量控制在一定范围之内以避免因过量弹性变形而失效。而另一部分零（构）件如弹簧则要求其在弹性变形量符合的条件下有足够的承受载荷的能力即不仅要求起缓冲和减震的作用而且要有足够的吸收和弹性功的能力以避免弹力不足而失效。前者反映的是刚度后者则为弹性比功问题。弹性比功是指材料吸收变形功而不发生永久变形的能力它标志着材料开始塑性变形前单位体积材料所吸收的最大弹性变形功是一个韧度指标（影线面积）。图弹性比功（拉伸）弹簧硬弹簧：弹簧钢制造通过合金化、热处理和冷加工提高其弹性极限的方法来增大弹性比功。软弹簧（仪表弹簧）：磷青铜或铍青铜制作具有较高的弹性极限和较小的弹性模量因而弹性比功也较大。橡胶的高弹性弹性模量很小而形变量很大因此把橡胶类物质的弹性形变叫做高弹形变。形变需要时间。橡胶受到外力压缩或拉伸时形变总是随时间而发展的最后达到最大形变这种现象称为蠕变或者拉紧的橡会逐渐变松这种应力随时间而下降或消失的现象称为应力松弛。形变时有热效应。通常称为热弹效应。拉伸时发热回缩时吸热。非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗前言在应力的作用下产生的应变与应力间存在三个关系：线性、瞬时和唯一性。而在实际情况下三种关系往往不能同时满足称为弹性的不完整性。表弹性应力应变关系图滞弹性示意图正弹性后效(弹性蠕变或冷蠕变)：把一定大小的应力骤然加到多晶体试样上试样立即产生的弹性应变仅是该应力所应该引起的总应变(OH)中的一部分(Oa)其余部分应变(aH)是在保持该应力大小不变的条件下逐渐产生。反弹性后效：当外力骤然去除后弹性应变消失但也不是全部应变同时消失而只先消失一部分(eH)其余部分(Oe)是逐渐消失的。滞弹性滞弹性(弹性后效)：材料在快速加载或卸载后随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能。这种在应力作用下应变不断随时间而发展的行为以及应力去除后应变逐渐恢复的现象可统称为弹性后效。影响因素组织的不均匀温度(升高)应力状态(切应力分量大时)。产生原因金属：可能与晶体中点缺陷的移动有关危害仪表的准确性制造业中构件的形状稳定性(校直的工件会发生弯曲)。粘弹性粘弹性：材料在外力作用下弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为。其特征为应变对应力的响应（或反之）不是瞬时完成的需要通过一个弛豫过程但卸载后应变恢复到初始值不留下变形。可分为恒应变下的应力松弛(图a)和恒应力下的蠕变(图b)。图应力、应变与时间的关系(a)应力松弛(b)蠕变变形应力松弛曲线方程：式中E(t)为松弛模量,Eg为弹性模量Er为已松弛模量。蠕变曲线方程：式中C(t)为蠕变柔量。注：以上方程的具体推导过程见教材P。粘弹性是高材料的重要力学特征之一故其也被称为粘弹性材料。高材料的蠕变变形可以恢复。伪弹性伪弹性：在一定温度条件下当应力达到一定水平后金属或合金将产生应力诱发马氏体相变伴随应力诱发相变产生大幅度的弹性变形的现象。伪弹性变形量大大超过正常弹性变形。(形状记忆合金)图伪弹性材料的应力应变曲线AB段常规弹性变形BC段马氏体相变CD段马氏体弹性应变DF段马氏体弹性恢复FG段马氏体相变回原来组织GH段初始组织的弹性恢复包申格效应包申格(Bauschinger)效应金属材料经预先加载产生少量塑性变形(应变小于)而后再同向加载伸长应力增加反向加载伸长应力降低的现象。产生了少量塑性变形的材料再同向加载则弹性极限(强度)升高反向加载则弹性极限(强度)降低的现象。材料：退火或高温回火的金属或合金。应用场合：材料在变动载荷（疲劳）下的力学性能（第五章）消除办法：予以较大塑性变形或是在引起金属回复或再结晶的温度下退火。产生原因：认为由于位错塞积引起的长程内应力（常称反向应力）在反向加载时有助于位错运动从而降低比例极限所致。由于预应变使位错运动阻力出现方向性所致。因为经过正向形变后晶内位错最后总是停留在障碍密度较高处一旦有反向变形则位错很容易克服曾经扫过的障碍密度较低处而达到相邻的另一障碍密度较高处。内耗弹性滞后环在弹性变形范围内骤然加载和卸载的开始阶段应变总要落后于应力不同步。因此其结果必然会使得加载线和卸载线不重合,而形成一个闭合的滞后回线这个回线称为弹性滞后环。图弹性滞后环滞后环的形状：如果所加载荷不是单向的循环载荷而是交变的循环载荷并且加载速度比较缓慢弹性后效现象来得及表现时则可得到两个对称的弹性滞后环（图a）。如果加载速度比较快弹性后效来不及表现时则得到如图b和c的弹性滞后环。滞后环的面积：环面积的大小表示被金属吸收的变形功的大小。在交变载荷下环的面积代表材料以不可逆方式吸收能量(即内耗)而不的能力也称为循环韧性。也可理解为材料靠自身来消除机械振动的能力（即消振性的好坏）所以在生产上是一个重要的机械性能指标具有很重要的意义。滞后环的应用：消振性：Cr系列钢和灰铸铁的循环韧性大是很好的消振材料所以常用作飞机的螺旋桨和汽轮机叶片、机床和动力机器的底座、支架以达到机器稳定运转的目的。乐器：对追求音响效果的元件音叉、簧片、钟等希望声音持久不衰即振动的延续时间长久则必须使循环韧性尽可能小。产生原因位错的运动或变形的不均匀性等。内耗存在弹性滞后环的现象说明加载时材料吸收的变形功大于卸载时材料的变形功有部分加载变形功被材料所吸收。这部分在变形过程中被吸收的功称为材料的内耗其大小用回线面积度量。内耗的基本度量是振动一周在单位弧度上的相对能量损耗。内耗方程及曲线（见教材P）。塑性变形及其性能指标塑性变形及其性能指标前言塑性变形是指外力移去后材料微观结构的相邻部分产生永久性位移并不引起材料破裂的现象塑性是指材料此种变形而不的能力。塑性变形和应变硬化是金属材料区别于其它工业材料的重要特征。陶瓷材料在高温下也具有一定的塑性变形能力。塑性变形机理金属材料的塑性变形金属单晶体塑性变形的机制滑移是晶体在切应力作用下沿一定的晶面和晶向（滑移面和滑移方向）进行切变的过程如面心立方结构(fcc)的（）面方向等。滑移系越多金属材料的塑性越好但其多少不是决定塑性好坏的唯一因素。孪生是发生在金属晶体内局部区域的一个切变过程切变区域宽度较小切变后形成的变形区的晶体取向与未变形区成镜面对称关系点阵类型相同。fcc晶体只在很低的温度下才产生孪生变形bcc晶体在冲击载荷或低温下产生孪生变形hcp晶体在c轴没有滑移方向滑移系少更易产生孪生孪生可以提供的变形量是有限的如镉孪生变形只提供约的变形量而滑移变形量可达。但是孪生可以改变晶体取向以便启动新的滑移系统或者使难于滑移的取向变为易于滑移的取向。金属多晶体材料塑性变形特点各晶粒塑性变形的不同时性和不均匀性晶粒取向不同开始产生滑移和变形量的大小不一。材料表面优先与切应力取向最佳的滑移系优先各晶粒塑性变形的相互制约与协调为材料整体的统一变形相互制约。晶粒间塑性变形的相互制约晶粒间塑性变形的相互协调晶粒内不同滑移系滑移的相互协调陶瓷材料的塑性变形陶瓷晶体材料很难塑性变形陶瓷晶体的离子建或共价键具有明显方向性离子相遇斥力极大只有个别滑移系能满足位错运动的几何条件和静电作用条件。陶瓷材料一般呈多晶状态多晶体比单晶体更不容易滑移。因为在多晶体中晶粒在空间随机分布不同取向的晶粒其滑移面上的切应力差别很大。即使个别晶粒的某个滑移系统由于处于有利的而产生了滑移但由于受到周围晶粒和晶界的滑移也难以继续进行。陶瓷多晶中的气孔、微裂纹和玻璃相使位错容易在晶界处塞积产生应力集中形成裂纹引起断裂。非晶态玻璃在室温没有塑性不存在晶体中的滑移和孪生变形机制永久变形属于粘性流动变形机制通过的热激活交换来进行。高材料的塑性变形塑性变形机理与其状态有关。结晶态高材料的塑性变形是由薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束的过程非晶态高材料的塑性变形在正应力下形成银纹银纹是高材料在变形过程中产生的一种缺陷由于其密度低对光线的反射能力很高看起来呈银色因而得名。在切应力作用下无取向链局部转变为排列的纤维束现象及本质物理现象受力试样中应力达到某一特定值后开始大规模塑性变形的现象称为。它标志着材料的力学响应由弹性变形阶段进入塑性变形阶段称为物理现象。现象多出现在铁基合金、有色金属及高材料中。图低碳钢的物理点及点σs：材料在拉伸时对应的应力值上点σsu：材料发生而力首次下降前的最大应力值下点σsl：阶段的最小应力伸长：阶段产生的伸长。平台(齿)：伸长对应的水平线段或曲折线段光滑试样拉伸试验时变形开始于试样微观不均匀处或存在应力集中的部位一般在距试样夹持部分较近的地方。局部开始后逐渐到整个试样。与此过程相对应地可以观察到试样表面出现与拉伸轴线成方向的滑移带及其逐渐到整个试样表面。至滑移带遍布全部试样表面时应力应变曲线到达Ｃ点。应变量BC是靠变形提供的。应用：在薄钢板冷冲压成形时往往因局部变形不均匀形成表面折皱。为避免折皱出现可对钢板预变形变形量稍大于应变然后冲压时将不出现物理避免折皱。强度及影响因素强度:见ppt的~页。金属材料强度的影响因素提高强度的途径晶体结构纯金属单晶的强度与使位错开动的临界分切应力相关其值由位错运动的所受的各种阻力决定。这些阻力包括晶格(点阵)阻力(派纳力τp–n)和位错间交互作用产生的阻力等。派纳力τp–n位错交互作用阻力剧烈冷变形位错密度增加个数量级形变强化。晶界和亚结构金属多晶体的晶界越多（晶粒尺寸减小）强度越高。细晶强化(原因见教材p~)HallPetch公式：式中σi为位错运动总阻力（摩擦阻力）ky为钉扎（或应力集中系数）d为平均晶粒尺寸。该公式对金属纳米材料仍基本适用。溶质元素溶质原子周围的晶格畸变应力场和位错应力场产生交互作用使位错运动受阻从而提高强度产生固溶强化。间隙固溶体的强化效果比置换固溶体的大。第二相第二相强化聚合型合金(第二相粒子与基体晶粒尺寸属同一数量级）组成合金的两相晶粒尺寸属同一数量级且都为塑性相时则合金变形能力取决于两相体积分数如两相中一个是塑性相另一个是脆性相时则还与第二相形状、大小和分布密切相关。弥散型合金(第二相粒子细小而弥散分布在基体晶粒中）不可变形第二相粒子的强化作用弥散强化质点周围形成应力场对位错运动产生阻碍位错弯曲可变形沉淀相粒子的强化作用沉淀强化位错切过变形粒子使之随同基体一起变形。沉淀强化和细晶强化是工业中提高材料强度的最常用的手段。在几种强化机制中固溶强化、形变强化(应变硬化)、沉淀强化和弥散强化机制在提高材料强度的同时也降低了塑性。只有细化晶粒和亚晶既能提高强度又能增加塑性。温度一般情况下金属材料的强度随温度升高而下降但其变化趋势与金属晶体结构有关。bcc金属(如Fe、Mo、W)的强度随温度下降急剧升高这导致钢的低温脆化。fcc(如Ni)和hcp金属的强度具有较小的温度效应应变速率与应力状态应变速率对金属材料的强度有明显影响。应变速率过高时金属材料的应力将显著提高。实验表明当应变量与实验温度一定时应力（流变应力）与应变速率有如下关系：式中C在一定应力状态下为m为应变速率指数。应力状态也影响金属材料的强度。切应力分量越大越有利于塑性变形强度就越低。总之金属材料的强度是一个对成分、组织、温度和应力状态等都极为的力学性能指标。改变金属的成分或热处理工艺都可使强度产生明显变化。应变硬化材料在应力作用下进入塑性变形阶段后随着变形量的增大形变应力不断提高的现象称为应变硬化（加工硬化）或形变强化。冷变形金属的真应力应变关系从点到颈缩之间（均匀塑性变形阶段）的应变硬化规律可以用Hollomon公式描述：式中ε实塑性应变K为硬化系数n为应变硬化指数。n反应了材料开始以后继续变形时材料的应变硬化情况。n决定了材料开始发生颈缩时的最大应力决定了材料能够产生的最大均匀应变量。n=理想塑性材料（没有应变硬化）n=理想弹性材料n=~大多数金属材料应变硬化指数n的大小表示材料的应变硬化能力或对进一步塑性变形的抗力是一个很有意义的性能指标。n值越大应力应变曲线越陡。可用直线作图法求n值（教材p~）。影响金属材料应变硬化指数n值的因素：n值与层错能的高低有关。层错能低的n值大反之就小。n值对材料的冷热变形也比较。n和强度σs近似成反比（nσs=）。某些合金中n也随溶质原子数增加而降低。晶粒变粗n值提高。应变硬化的实际意义材料的应变硬化性能在材料应用和加工中有明显的实用价值。应变硬化可使金属零件具有抵抗偶然过载的能力使用安全。应变硬化是工程上强化材料的重要手段。如型不锈钢变形前σ=MPa经冷轧后σ=～MPa强度提高~倍。应变硬化性能可以某些冷成形工艺如冷拔线材和深冲成形等顺利进行。颈缩及产生条件颈缩颈缩是材料拉伸过程中变形集中于局部区域的特殊状态。是在应变硬化和截面减小的共同作用下因应变硬化跟不上塑性变形的发展使变形集中于材料局部区域产生的。颈缩产生条件应力应变曲线上的应力达到最大值时开始颈缩。颈缩前试样的变形在整个试样长度上是均匀分布的颈缩开始后变形便集中于颈部地区。在应力应变曲线的最高点处有：韧性及静力韧度韧性是指材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。韧度是度量材料韧性的力学性能指标。材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。对拉伸断裂来说韧度可以理解为应力应变曲线下的面积因此只有在强度和塑性有较好的配合时才能获得较好的韧性。图强度与塑性的配合A:高强度、低塑性,低韧性B:高塑性、低强度,低韧性C:中等强度、中等塑性,高韧性超塑性定义材料在一定条件下呈现非常大的伸长率而不发生颈缩和断裂的现象称为超塑性。分类相变超塑性：在变形过程中发生相变。结构超塑性：在纯金属和单相合金的稳定结构中得到的超塑性。产生条件超细晶粒合适变形条件m较高特点应变前后晶粒基本上保持等轴状态。断裂断裂前言定义固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称为断裂。断裂是工程材料的主要失效形式之一。失效形式：如弹塑性失稳、磨损、腐蚀等。断裂的基本过程：裂纹形成和扩展。断裂是材料的一种十分复杂的行为在不同的力学、物理和化学下会有不同的断裂形式。研究断裂的主要目的是防止断裂以构件在服役过程中的安全。断裂分类韧性断裂(ductilefracture)和脆性断裂(brittlefracture)两大类。在不同的场合下用不同的术语描述断裂的特征。解理断裂、准解理断裂、沿晶断裂和微孔聚合型的延性断裂是指断裂的微观机制。穿晶断裂和沿晶断裂是指裂纹扩展线。正断和切断是发断裂的缘因和断裂面的取向。正断是由正应力引起的断裂面与最大主应力方向垂直切断是由切应力引起的断裂面在最大切应力作用面内而与最大主应力方向呈。金属材料的断裂静拉伸断口静拉伸下材料可呈现种断口。图静拉伸的断口图(a)、（b）所示的断口即为正断铸铁、淬火低温回火高碳钢的平断口。图(e)、（f）所示的断口即为切断纯金属如金、铅等塑性很好的材料。对单晶样品只有一个滑移系统开动滑移无限发展形成刃状断口(切离)（e）对多晶样品多系滑移形成尖锥状断口（f）。图(c)、(d)所示的断口中心部分大致为正断两侧部分为切断故为混合型断口。多数金属材料为杯锥状断口。断口三区域：第一个区域：在试样的中心叫做纤维区见图(a)。裂纹首先在该区形成该区颜色灰暗表面有较大的起伏如山脊状这表明裂纹在该区扩展时伴有较大的塑性变形裂纹扩展也较慢第二个区域：放射区表面较光亮平坦有较细的放射状条纹裂纹在该区扩展较快第三个区域：剪切唇接近试样边缘时应力状态改变了(平面应力状态)最后沿着与拉力轴向成～剪切断裂表面粗糙发深灰色。图拉伸断口及试验温度的关系(a)拉伸断口呈现三个区域(b)断口三个区域随温度变化试样塑性的好坏由这三个区域的比例而定。如放射区较大则材料的塑性低因为这个区域是裂纹快速扩展部分伴随的塑性变形也小。反之对塑性好的材料必然表现为纤维区和剪切唇占很大比例甚至中间的放射区可以消失。影响这三个区比例的主要因素是材料强度和试验温度。试样形状：对圆形试样的脆断断面上有许多放射状条纹这些条纹汇聚于一个中心此中心区域就是裂纹源。断口表面越光滑放射条纹越细。板状试样：断裂呈“人”字形花样“人”字的尖端指向裂纹源。图脆性断裂宏观断口形貌韧断机制微孔聚合微观上的微孔聚合断裂机制在多数情况下与宏观上的韧断相对应。试样拉伸开始出现颈缩后就产生了三向拉应力最大轴向拉应力位于试样中心在此拉应力作用下试样开始产生微孔继而长大和聚合形成一中心裂纹这中心裂纹沿着垂直于拉力轴的方向伸展到试样边缘以大约和轴向成平面剪切断开。图颈缩试样锯齿状拉伸断口形成示意图在扫描电镜下微孔聚合型断裂的形貌特征是一个个韧窝(即凹坑)韧窝是微孔长大的结果韧窝内大多包含着一个夹杂物或第二相这证明微孔多萌生于夹杂物或第二相与基体的界面上。微孔的萌生可以在颈缩之前也可以发生在颈缩之后这取决于第二相与基体的结合强度。微孔多萌生于夹杂物和第二相处这并不意味着在没有夹杂物和第二相时便不能形成微孔对纯金属或单相合金变形后期也可产生许多微孔微孔可产生于晶界或孪晶带等处只是相对地说微孔萌生较迟些。微孔的萌生有时并不单纯取决于拉应力要看具体的组织而定。由于应力状态或加载方式的不同微孔聚合型断裂所形成的韧窝可有三种类型：拉伸型的等轴状韧窝裂纹扩展方向垂直于最大主应力σmaxσmax均匀分布于断裂平面上拉伸时呈颈缩的试样中心部分就显示这种韧窝状。剪切型的伸长韧窝在拉伸试样的边缘两侧均由剪应力切断韧窝很大如卵形其上下断面所显示的韧窝其方向是相反的。拉伸撕裂的伸长韧窝产生这种韧窝的加载方式有些和等轴状韧窝类似但是等轴状韧窝可以认为是在试样中心加拉伸载荷的而拉伸型韧窝是在试样边缘加载的因而σmax不是沿截面均匀分布的在边缘部分应力很大裂纹是由表面逐渐向内部延伸的。表面有缺口的试样或者裂纹试样其断口常显示拉伸撕裂的伸长韧窝。这种类型的韧窝韧窝小而浅裂纹扩展快故在宏观上常为脆断所以不要把微孔聚合型的微观机制都归之为韧断这也是宏观和微观不能完全统一处。韧窝的形状：取决于应力状态。韧窝的大小和深浅：取决于第二相的数量分布以及基体的塑性变形能力。如第二相较少、均匀分布以及基体的塑性变形能力强则韧窝大而深如基体的加工硬化能力很强则得到大而浅的韧窝。图不同应力状态下的韧窝形态(a)等轴韧窝(b)拉长韧窝(c)撕裂韧窝图韧窝断口微观形貌穿晶断裂解理和准解理解理断裂产生条件穿晶的解理断裂常见于bcc和hcp金属中。当处于低温或者应变速率较高或者是有三向拉应力状态原子间结合键遭到都能促使解理断裂在宏观上表现为脆性断裂。微观特征解理断裂是沿着一定的结晶学平面发生的这个平面叫解理面。解理面一般是表面能最小的晶面且往往是低指数的晶面。解理断口的宏观形貌是较为平坦的、发亮的结晶状断面。解理断口的微观形貌似应为一个平坦完整的晶面。但实际晶体总是有缺陷存在如位错、第二相粒子等等。解理断裂实际上不是沿单一的晶面而是沿一族相互平行的晶面(均为解理面)解理而引起的。在不同高度上的平行解理面之间形成了所谓的解理台阶。在电子显微镜下解理台阶、河流花样、舌状花样是解理断裂的基本微观特征。解理台阶：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。其形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺型位错相交形成通过二次解理或撕裂形成。图解理裂纹和螺位错相交形成解理台阶图二次解理和撕裂形成台阶a)沿二次裂纹解理面解理形成台阶b)通过撕裂形成台阶(撕裂棱)河流花样：判断是否为解理断裂的重要微观依据。河流状花样是由解理台阶的侧面汇合而形成的。“河流”的流向与裂纹扩展方向一致所以可以根据“河流”流向确定在微观范围内解理裂纹的扩展方向而按“河流”反方向去寻找断裂源。图河流花样形成示意图图船用钢板河流花样舌状花样：由于解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌头状凹坑或凸台故在匹配断口上“舌头”为黑白对应的。图舌状花样准解理微观形态特征似解理河流但又非真正解理故称准解理。准解理与解理的共同点都是穿晶断裂有小解理刻面有台阶或撕裂棱及河流花样。不同点准解理裂纹常起源于晶内硬质点向四周放射状地扩展而解理裂纹则自晶界一侧向另一侧延伸准解理断口有许多撕裂棱准解理断口上局部区域出现韧窝是解理与微孔聚合的混合型断裂准解理断裂的主要机制仍是解理其宏观表现是脆性的。所以常将准解理断裂归入脆性断裂。图准解理断口沿晶断裂裂纹在晶界上形成并沿晶界扩展的脆性断裂形式。图沿晶断裂形貌脆性沿晶断裂(冰糖状断口)微孔型沿晶断裂(石状断口)断口特征冰糖块断口晶界的强度小于强度晶界无塑性变形。石状断口晶界的强度大于强度晶界有塑性变形。原因裂纹扩展总是沿着消耗能量最小即原子结合力最弱的区域进行的。一般情况下晶界不会开裂。发生沿晶断裂势必由于某种原因降低了晶界结合强度：晶界存在有连续分布的脆性第二相晶界上有弥散相析出削弱了晶界的强度微量有害杂质元素在晶界上偏聚由于介质的作用损害了晶界如氢脆、应力腐蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。陶瓷材料的断裂陶瓷材料的断裂过程都是以其内部或表面存在的缺陷为起点而发生的。晶粒和气孔尺寸在决定陶瓷材料强度中有与裂纹尺寸等效的作用。解理是陶瓷材料的主要断裂机理而且很容易从穿晶解理转变成沿晶断裂。陶瓷材料的断裂是以各种缺陷为裂纹源在一定拉伸应力作用下其最薄弱环节处的微小裂纹扩展当裂纹尺寸达到临界值时陶瓷瞬时脆断。高材料的断裂断面形貌的基本模式及分析测试方法图简单拉伸试样的应力状态和断裂表面的几种典型外观形状示意(a)脆性断裂的断面形状(b)杯锥形(c)双杯形(d)倾斜滑移形(e)双刃滑移形与金属材料类比高材料的断面也分为起裂区、裂纹扩展区及瞬时断裂区三个区域。图断面三要素示意a试样预加的切口b起裂区c裂纹扩展区d瞬时断裂区起裂区(断裂源)是裂纹萌生的区域提供了材料断裂起因的信息。断裂源一般位于断面的边缘但材料内部缺陷会使断裂源位于断面的内部位。裂纹扩展区是裂纹不断扩展增大的区域提供了材料内部的断裂扩展方向和径以及扩展过程中的塑性形变特征等信息。这些信息与材料的结构及力学性能相关。瞬时断裂区是材料的最后破断区提供了材料边界部位对断裂影响的信息。脆性断裂的断面形貌特征高材料脆性断裂几乎没有塑性形变发生裂纹产生后急速扩展至。低倍观察的断面形貌图脆性断裂断面形貌示意（实线表示放射元）放射元常见有两种：一种是所谓山形沿着裂纹的扩展方向其山顶对着断裂源呈放射状分布另一种是所谓条状也称菊花状其放射条痕与起裂区的半圆镜面呈垂直分布。图聚酯塑料的脆性断面形貌（倍）高倍观察的断面形貌高倍观察的脆性断面形貌在裂纹扩展区常见的有河流形、抛物线形、碎石块形、肋形和波浪形等。图高倍断面形貌延性断裂的断面形貌特征高材料延性断裂之前有和塑性形变试样断面形貌具有粘弹性特征。低倍观察的断面形貌塑料材料根据其韧性程度的不同主要是杯锥形貌和滑移形貌。图聚甲醛的杯锥形断面（倍）图聚碳酸酯的滑移形断面天然橡胶（NR）拉伸的断面形貌示意如图所示起裂区呈平滑的镜面形貌在扩展区呈肋状或抛物线状形貌在瞬时断裂区呈粗糙形貌。图天然橡胶拉伸的断面形貌示意高倍观察的断面形貌对高倍观察的延性断面形貌在裂纹扩展区常见的有针孔形、纤维形、肋形、杉叶形以及铸铁状粗糙形等。图几种高倍观察的延性断面形貌针孔形貌是由于塑性变形中材料内的异物（包括多种填料等）而形成众多的微小空隙这些空隙进一步连接、合并而成。肋形和纤维形均是由不相连接的裂纹在扩展中合并而形成的。裂纹形核的位错模型甑纳斯特罗（ZenerStroh）理论位错塞积理论柯垂尔（Cottrell）理论位错反映理论斯密斯（Smith）理论脆性第二相开裂理论理论断裂强度和脆断强度理论理论断裂强度定义在外加正应力作用下将晶体中的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力叫理论断裂强度。、原子（离子）之间结合力是决定材料强度的最基本因素。估算一完整晶体在拉应力作用下会产生位移。原子间作用力与位移的关系如图。图原子间作用力与原子位移的关系曲线上的最高点代表晶体的最大结合力即理论断裂强度。作为一种近似该曲线可用正弦曲线表示式中x为原子间位移,λ为正弦曲线的波长。如位移很小则,于是根据虎克定律在弹性状态下式中E为弹性模量ε为弹性应变a为原子间的平衡距离。合并式（）和（）消去x得另一方面晶体脆性断裂时形成两个新的表面需要表面形成功γs其值应等于出的弹性应变能可用图中曲线下所包围的面积来计算:进而有最终由（）和（）可计算得到这就是理想晶体解理断裂的理论断裂强度。可见在Ea一定时σm与表面能γs有关解理面往往是表面能最小的面可由此式得到理解。如用实际晶体的E、a、γs值代入式()计算例如铁E=MPaa=mγs=Jm,则铁的理论断裂强度为：σm＝MPaE。高强度钢其强度只相当于E相差倍。在实际晶体中必有某种缺陷使其断裂强度降低。实际金属材料的断裂强度仅为理论的~而陶瓷、玻璃等脆性材料则更低。断裂强度的裂纹理论Griffith理论Griffith在年提出了裂纹理论。Griffith假定在实际材料中存在着裂纹当名义应力还很低时裂纹尖端的局部应力已达到很高的数值(σm)从而使裂纹快速扩展并导致脆性断裂。设想有一单位厚度的无限宽形板对其一拉应力后与能源（图)。板材每单位体积的弹性能为σE。长度为a的裂纹则原来弹性拉紧的平板就要弹性能。根据弹性理论计算出来的弹性能为图Griffith裂纹模型形成新表面所需的表面能为整个系统的能量变化为系统能量随裂纹半长a的变化如下图图裂纹尺寸与能量的关系当裂纹增长到ac后若再增长则系统的总能量下降。从能量观点来看裂纹长度的继续增长将是自发过程。临界状态为:于是裂纹失稳扩展的临界应力为:这便是著名的Griffith公式。σc是含裂纹板材的实际断裂强度它与裂纹半长的平方根成反比。临界裂纹半长（Griffith裂纹）为对于定裂纹长度a外加应力达到σc时裂纹即失稳扩展。承受拉伸应力σ时板材中半裂纹长度也有一个临界值ac当aac时就会自动扩展。而当a＜ac时要使裂纹扩展须由提供能量即增大外力。Griffith公式和理论断裂强度公式比较在形式上两者是相同的。在研究裂纹扩展的动力和阻力时基本概念都是基于能量的消长与变化。Griffith认为裂纹尖端局部区域的材料强度可达其理论强度值。倘若由于应力集中的作用而使裂纹尖端的应力超过材料的理论强度值则裂纹扩展引起断裂。根据弹性应力集中系数的计算,可以得到相似公式Griffith公式适用于陶瓷、玻璃这类脆性材料。GriffithOrowanIrwin公式实际金属材料在纹尖端处发生塑性变形需要塑性变形功γpγp的数值往往比表面能大几个量级是裂纹扩展需要克服的主要阻力。因而需要修正为:这就是GriffithOrowanIrwin公式。需要强调的是Griffith理论的前提是材料中已存在着裂纹但不涉及裂纹来源。本章复习思考题本章复习思考题教材P~中~题。附：本章知识点基本要求附：本章知识点基本要求力伸长曲线和应力应变曲线掌握工程（真）应力应变及其相互关系。理解应力应变曲线。弹性变形及其性能指标理解弹性变形的物理本质。了解弹性模量的影响因素。理解比例极限、弹性极限、刚度和弹性比功。非理想性弹性与内耗理解滞弹性、粘弹性、伪弹性的概念及成因。理解应力松弛和蠕变曲线。掌握包申格效应的概念、成因及消除方法。了解材料产生内耗的原因及应用。塑性变形及性能指标理解材料的塑性变形规律及机理。理解现象的物理本质。掌握现象、强度、应变硬化和抗拉强度的概念。理解影响金属强度的因素。了解缩颈产生条件。掌握塑性概念和塑性评价指标。了解超塑性的特点及产生条件。断裂掌握断裂的概念和断口特征。了解高材料的断裂特点。了解裂纹形核的位错理论。理解理论断裂强度。理解Griffith裂纹理论。掌握真实断裂强度和静力韧度的概念。

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