材料的力学性能4.pptx

断裂是材料和机件主要的失效形式之一，其危害性极大，特别断裂是材料和机件主要的失效形式之一，其危害性极大，特别是脆性断裂，由于断裂前没有明显的预兆，往往会带来灾难性的后是脆性断裂，由于断裂前没有明显的预兆，往往会带来灾难性的后果。工程断裂事故的出现及其危害性使得人们对断裂问题非常重视。果。工程断裂事故的出现及其危害性使得人们对断裂问题非常重视。研究材料的断裂机理、断裂发生的力学条件以及影响材料断裂研究材料的断裂机理、断裂发生的力学条件以及影响材料断裂的因素，对于机械工程设计、断裂失效分析、材料研究开发等具有的因素，对于机械工程设计、断裂失效分析、材料研究开发等具有重要意义。重要意义。断裂是一个物理过程，在不同的力学、物理和化学环境下会有断裂是一个物理过程，在不同的力学、物理和化学环境下会有不同的断裂形式，如疲劳断裂、蠕变断裂、腐蚀断裂等。不同的断裂形式，如疲劳断裂、蠕变断裂、腐蚀断裂等。断裂之后断口的宏观和微观特征与断裂的机理紧密相关。断裂之后断口的宏观和微观特征与断裂的机理紧密相关。RAL4.1 4.1 断裂分类与宏观断口特征断裂分类与宏观断口特征 4.1.1 断裂的分类断裂的分类 韧性断裂与脆性断裂韧性断裂与脆性断裂 这是根据材料断裂前塑性变形的程度进行的一种分类。这是根据材料断裂前塑性变形的程度进行的一种分类。韧性断裂是指材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂。这种断裂有一韧性断裂是指材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂。这种断裂有一个缓慢的撕裂过程。在裂纹扩展过程中需要不断地消耗能量。由于韧性断裂个缓慢的撕裂过程。在裂纹扩展过程中需要不断地消耗能量。由于韧性断裂前已经发生了明显的塑性变形，有一定的预警，所以其危害性不大。前已经发生了明显的塑性变形，有一定的预警，所以其危害性不大。脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。通常，脆断前也产生微量塑性变形。一般规定光滑征兆，因而危害性很大。通常，脆断前也产生微量塑性变形。一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于拉伸试样的断面收缩率小于5 5者为脆性断裂，该材料即称为脆性材料；反者为脆性断裂，该材料即称为脆性材料；反之，大于之，大于5%5%者则为韧性材料。者则为韧性材料。RAL4.1.1 断裂的分类断裂的分类 穿晶断裂与沿晶断裂穿晶断裂与沿晶断裂 根据裂纹扩展路径进行的一种分类。根据裂纹扩展路径进行的一种分类。穿晶断裂裂纹穿过晶内，沿晶断裂裂纹沿晶界扩展。穿晶断裂裂纹穿过晶内，沿晶断裂裂纹沿晶界扩展。4.1 4.1 断裂分类与宏观断口特征断裂分类与宏观断口特征 RAL4.1.1 断裂的分类断裂的分类 穿晶断裂与沿晶断裂穿晶断裂与沿晶断裂 从宏观上看，穿晶断裂可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂），也可从宏观上看，穿晶断裂可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂），也可以是脆性断裂（低温下的穿晶断裂），而沿晶断裂则多数是脆性断裂。以是脆性断裂（低温下的穿晶断裂），而沿晶断裂则多数是脆性断裂。沿晶断裂一般是晶界被弱化造成的断裂。相变时产生的领先相如脆性的沿晶断裂一般是晶界被弱化造成的断裂。相变时产生的领先相如脆性的碳化物、很软的铁素体等沿晶界分布可以使晶界弱化；杂质元素磷、硫等向碳化物、很软的铁素体等沿晶界分布可以使晶界弱化；杂质元素磷、硫等向晶界偏聚也可以引起晶界弱化。应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨晶界偏聚也可以引起晶界弱化。应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等都是沿晶断裂。削裂纹等都是沿晶断裂。4.1 4.1 断裂分类与宏观断口特征断裂分类与宏观断口特征 RAL4.1.1 断裂的分类断裂的分类 解理断裂、纯剪切断裂和微孔聚集型断裂解理断裂、纯剪切断裂和微孔聚集型断裂 按断裂的晶体学特征分类按断裂的晶体学特征分类 解理断裂是材料（晶体）在一定条件下解理断裂是材料（晶体）在一定条件下(如低温如低温)，当外加正应力达到一，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂。因与大理石断裂定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂。因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。解理面一般是低指数晶面或表面能最类似，故称此种晶体学平面为解理面。解理面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面。低的晶面。剪切断裂是材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断剪切断裂是材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，其中又分滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂裂，其中又分滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。微孔聚集断裂是通过微孔形核长大聚合而导致材料分离的。由于实际材微孔聚集断裂是通过微孔形核长大聚合而导致材料分离的。由于实际材料中常同时形成许多微孔，通过微孔长大互相连接而最终导致断裂，故常用料中常同时形成许多微孔，通过微孔长大互相连接而最终导致断裂，故常用金属材料一般均产生这类性质的断裂，如低碳钢室温下的拉伸断裂。金属材料一般均产生这类性质的断裂，如低碳钢室温下的拉伸断裂。4.1 4.1 断裂分类与宏观断口特征断裂分类与宏观断口特征 RAL4.1.1 断裂的分类断裂的分类 正断和切断正断和切断 按断裂面的取向可以将断裂分为正断和切断。按断裂面的取向可以将断裂分为正断和切断。正正断断型型断断裂裂的的断断口口与与最最大大正正应应力力相相垂垂直直，常常见见于于解解理理断断裂裂或或约约束束较较大大的塑性变形的场合。的塑性变形的场合。切切断断型型断断裂裂的的宏宏观观断断口口的的取取向向与与最最大大切切应应力力方方向向平平行行，而而与与主主应应力力约约成成45450 0 角角。切切断断常常发发生生于于塑塑性性变变形形不不受受约约束束或或约约束束较较小小的的情情况况，如如拉拉伸断口上的剪切唇等。伸断口上的剪切唇等。4.1 4.1 断裂分类与宏观断口特征断裂分类与宏观断口特征 RAL4.1.2 断口的宏观特征断口的宏观特征 材料或构件受力断裂后的自然表面称为断口。材料或构件受力断裂后的自然表面称为断口。断口可以分为宏观断口和微观断口断口可以分为宏观断口和微观断口:宏宏观观断断口口指指用用肉肉眼眼或或20倍倍以以下下的的放放大大镜镜观观察察的的断断口口，它它反反映映了了断断口的全貌；口的全貌；微观断口是指用光学显微镜或扫描电镜观察的断口。微观断口是指用光学显微镜或扫描电镜观察的断口。通过对断口微观特征的分析可以揭示材料断裂的本质。通过对断口微观特征的分析可以揭示材料断裂的本质。4.1 4.1 断裂分类与宏观断口特征断裂分类与宏观断口特征 RAL4.1.2 断口的宏观特征断口的宏观特征 光滑圆柱拉伸试样的宏观韧性断口呈杯锥形，由纤维区、放射区光滑圆柱拉伸试样的宏观韧性断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，这就是断口特征的三要素。和剪切唇三个区域组成，这就是断口特征的三要素。4.1 4.1 断裂分类与宏观断口特征断裂分类与宏观断口特征 RAL4.1.2 断口的宏观特征断口的宏观特征 韧性断裂的宏观断口同时具有上述三个区域，而脆性断口纤维区韧性断裂的宏观断口同时具有上述三个区域，而脆性断口纤维区很小，几乎没有剪切唇。很小，几乎没有剪切唇。上述断口三区域的形态、大小和相对位置会因试样形状、尺寸和上述断口三区域的形态、大小和相对位置会因试样形状、尺寸和材料的性能，以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。材料的性能，以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。一般来说，材料强度提高，塑性降低，则放射区比例增大；一般来说，材料强度提高，塑性降低，则放射区比例增大；试样尺寸加大，放射区增大明显，而纤维区变化不大；试样尺寸加大，放射区增大明显，而纤维区变化不大；试样表面存在缺口不仅改变各区所占比例，而且裂纹形核位置将试样表面存在缺口不仅改变各区所占比例，而且裂纹形核位置将在表面产生。在表面产生。4.1 4.1 断裂分类与宏观断口特征断裂分类与宏观断口特征 RAL4.2.1 晶体的理论断裂强度晶体的理论断裂强度晶体的理论断裂强度是指将晶体原子分离开所需的最大应力，它与晶体的弹性模数有一定关系，弹性模数表示原子间结合力的大小，只表示产生一定量的变形不同晶体所需要的力大小，晶体的理论断裂强度就是这个应力的最大值。实际金属材料，其断裂应力为理论的值的1/101/1000，潜力巨大。4.2 4.2 断裂强度断裂强度 RAL4.2.2 材料的实际断裂强度材料的实际断裂强度为了解释玻璃，陶瓷等脆性材料理论断裂强度和实际断裂强度的巨大差别，格雷菲斯(A.A.Griffith)在1921年提出了断裂强度的裂纹理论。这一理论的基本出发点是认为实际材料中已经存在裂纹，当平均应力还很低时，局部应力集中已达到很高数值，从而使裂纹快速扩展并导致脆性断裂。根据能量平衡原理，由于存在裂纹，系统弹性能降低应该与因存在裂纹而增加的表面能相平衡。如果弹性能降低足以支付表面能增加之需要时，裂纹就会失稳扩展引起脆性破坏。4.2 4.2 断裂强度断裂强度 RAL4.2.2 材料的实际断裂强度材料的实际断裂强度 一单位厚度的无限宽薄板，对之施加一拉应力，而后使其固定并隔绝外界能源。用无限宽板是为了消除板的自由边界的约束。这样，在垂直板表面的方向上可以自由位移，板处于平面应力状态。单位体积储存的弹性能割开裂纹释放的弹性能形成裂纹需要的表面功 W=4a 4.2 4.2 断裂强度断裂强度 RAL4.2.2 材料的实际断裂强度材料的实际断裂强度系统总能量变化及每一项能量均与裂纹半长有关。即为有裂纹物体的实际断裂强度，它表明，在脆性材料中，裂纹扩展所需之应力为裂纹尺寸之函数。=4.2 4.2 断裂强度断裂强度 RAL4.2.2 材料的实际断裂强度材料的实际断裂强度如外加应力不变，而裂纹在物体服役时不断长大，则当裂纹长大到临界尺寸 时，也达到失稳扩展的临界状态=上述两式只适用于薄板的情况上述两式只适用于薄板的情况4.2 4.2 断裂强度断裂强度 RAL4.2.2 材料的实际断裂强度材料的实际断裂强度=对于厚板，应力状态为平面应变对于厚板，应力状态为平面应变=4.2 4.2 断裂强度断裂强度 RAL4.2.2 材料的实际断裂强度材料的实际断裂强度 具有临界尺寸的裂纹亦称格雷菲斯裂纹。格雷菲斯裂纹是根据热力学原理得出断裂发生的必要条件，但这并不是意味着事实上一定要断裂。格雷菲斯公式只适用于脆性固体，如玻璃、金刚石、超高强度钢等。换言之，只适用于那些裂纹尖端塑性变形可以忽略的情况。格雷菲斯缺口强度理论有效地解决了实际强度和理论强度之间的巨大差异。4.2 4.2 断裂强度断裂强度 RAL4.3.1 脆性断裂机理脆性断裂机理 解解理理断断裂裂和和沿沿晶晶断断裂裂是是脆脆性性断断裂裂的的两两种种主主要要机机理理。沿沿晶晶断断裂裂是是晶晶界界弱弱化化造造成成的的，而而解解理理断断裂裂则则与与塑塑性性变变形形有有关关。金金属属材材料料的的塑塑性性变变形形是是位位错错运运动动的的反反映映，所所以以解解理理裂裂纹纹的的形形成成与与位位错错运运动动有有关关。这这就就是是裂裂纹纹形形成成的的位位错错理理论论考考虑虑问问题题的的出出发发点点，本本节节将将简简要要介介绍绍几几种种裂纹形成理论。裂纹形成理论。4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂 RAL4.3.1 脆性断裂机理脆性断裂机理（1）甄纳斯特罗位错塞积理论）甄纳斯特罗位错塞积理论 滑移面上的切应力作用下，刃型位错互相靠近。当切应力达到某一临界值时，塞积头处的位错互相挤紧聚合而成为一高为nb长为r的楔形裂纹（或孔洞位错）。斯特罗（A.N.Stroh）指出，如果塞积头处的应力集中不能为塑性变形所松弛，则塞积头处的最大拉应力能够等于理论断裂强度而形成裂纹。4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂 RAL 塞积前端处的拉应力在与滑移面方向呈=70.5o时达到最大值，且近似为 滑移面上的有效切应力；d/2位错源到塞积头处之距离，亦即滑移面的距离；r自位错塞积头到裂纹形成点之距离。4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂 RAL 晶体的理论断裂强度为 所以，形成裂纹的力学条件为：+=4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂 RAL 如r与晶面间距相当，且E=2G(1+)，为泊松系数，则上式可写为+=对于有第二相质点的合金，d实际上代表质点间距，d愈小，则材料的断裂应力越高。以上所述主要涉及解理裂纹的形成，并不意味着由此形成的裂纹将迅速扩展而导致金属材料完全断裂。4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂 RAL 解理断裂过程包括：通过塑性变形形成裂纹；裂纹在同一晶粒内初期长大；以及越过晶界向相邻晶粒扩展三个阶段：4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂 RAL 解理裂纹扩展需要具备如下三个条件即：1）存在拉应力；2）表面能较低，其值接近原子面开始分离时的数值。3）为使裂纹通过基体扩展，其长度应大于“临界尺寸”。柯垂尔能量分析法推导出解理裂纹扩展扩展的条件为：nb2 即为了产生解理裂纹，裂纹扩展时外加正应力所作的功必须等于产生裂纹新表面的表面能。长度相当于直径d的裂纹扩展所需之应力 晶粒直径减小，提高。4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂 RAL 解理裂纹可以通过两种基本方式扩展导致宏观脆性断裂。第一种是解理方式，裂纹扩展速度较快，如脆性材料在低温下试验就是这种状况。第二种方式是在裂纹前沿先形成一些微裂纹或微孔，而后通过塑性撕裂方式互相联结，开始时裂纹扩展速度比较缓慢，但到达临界状态时也迅速扩展而产生脆性断裂。4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂 RAL 甄纳甄纳-斯特罗理论存在的问题是：斯特罗理论存在的问题是：在那样大的位错塞积下，将同时产生很大的切应力集中，完全可以使相邻晶粒内的位错源开动，产生塑性变形而将应力松弛，使裂纹难以形成。按此模型的计算结果表明，裂纹扩展所要求的条件比形核条件低，而形核又主要取决于切应力，与静水压力无关。这与实际现象有出入，事实表明，静水张力促进材料变脆，而静水压力则有助于塑性变形发展。4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂 RAL （2）柯垂尔位错反应理论）柯垂尔位错反应理论 该理论是柯垂尔（A.H.Cottrell）为了解释晶内解理与bcc晶体中的解理而提出的。4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂 RAL （3）史密斯碳化物开裂模型）史密斯碳化物开裂模型柯垂尔模型强调拉应力的作用，但未考虑显微组织不均匀对解理裂纹形成核扩展的影响，因而不适用于晶界上碳化物开裂产生解理裂纹的情况。史密斯（E.Smith）提出了低碳钢中通过铁素体塑性变形在晶界碳化物处形成解理裂纹的模型。铁素体中的位错源在切应力作用下开动，位错运动至晶界碳化物处受阻而形成塞积，在塞积头处拉应力作用下使碳化物开裂。4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂 RAL 碳化物开裂的力学条件为碳化物开裂的力学条件为 碳化物开裂时的临界有效切应力；碳化物开裂时的临界有效切应力；碳化物的表面能碳化物的表面能；E 弹性模数；弹性模数；泊松系数；泊松系数；d 铁素体晶粒直径。铁素体晶粒直径。4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂 RAL 碳化物裂纹扩展的力学条件为碳化物裂纹扩展的力学条件为 碳化物裂纹形成并得以扩展的切应力碳化物裂纹形成并得以扩展的切应力；碳化物的表面能碳化物的表面能；E 弹性模数；弹性模数；泊松系数；泊松系数；d 铁素体晶粒直径。铁素体晶粒直径。4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂 RAL断裂过程为裂纹形成过程断裂过程为裂纹形成过程的判据的判据 如果断裂过程为裂纹扩展所控制如果断裂过程为裂纹扩展所控制 扩展的临界应力扩展的临界应力；碳化物的表面能碳化物的表面能；E 弹性模数；弹性模数；泊松系数；泊松系数；碳化物厚度碳化物厚度4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂 RAL 4.3.2 脆性断裂的微观特征脆性断裂的微观特征（1）解理断裂）解理断裂 解理断裂是沿特定界面发生的脆性穿晶断裂，其微观特征应该是极解理断裂是沿特定界面发生的脆性穿晶断裂，其微观特征应该是极平坦的镜面。实际的解理断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理平坦的镜面。实际的解理断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成的，这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为面集合而成的，这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面解理刻面。在。在解理刻面内部只从一个解理面发生解理破坏实际上是很少的。在多数情解理刻面内部只从一个解理面发生解理破坏实际上是很少的。在多数情况下，裂纹要跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面，从而在况下，裂纹要跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面，从而在同一刻面内部出现同一刻面内部出现解理台阶解理台阶和和河流花样。河流花样。河流花样是解理台阶的一种标志。解理台阶、河流花样、舌状花样河流花样是解理台阶的一种标志。解理台阶、河流花样、舌状花样是解理断裂的基本微观特征。是解理断裂的基本微观特征。4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂 RAL解理断裂解理断裂准解理准解理沿晶断裂沿晶断裂4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂 RAL4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂 RAL解理台阶的形成：解理裂纹与螺型位错相交形成解理裂纹与螺型位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成通过二次解理或撕裂形成。CD为螺型位错；AB为解理裂纹；解理裂纹AB与螺型位错交截后形成台阶。4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂 RAL裂纹继续向前扩展，与许多螺型位错相交截，便形成为数众多的台阶。台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合，同号台阶相互汇合长大，异号台阶汇合则相互消毁，当汇合台阶高度足够大时，便成为在电镜下可以观察到的河流花样。河流花样是判断是否为解理裂纹的重要微观依据。“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。4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂 RAL二次解理：二次解理：二次解理是在解理裂纹扩展的两个相互平行解理面间距较小时产生的，当若解理裂纹的上下间距远大于一个原子间距时，两解理裂纹之间的金属会产生较大塑性变形，结果借塑性撕裂而形成台阶。如此形成的台阶称为撕裂棱。4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂 RAL舌状花样舌状花样解理断裂的另一微观特征是存在舌状花样，因其在电子显微镜下类似于人舌而得名。由于解理裂纹沿挛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。（2）准解理）准解理 准解理不是一种独立的断裂机制，而是解理断裂的变异。在许多淬火回火钢中，在回火产物中有弥散细小的碳化物，它们影响裂纹形成和扩展。当裂纹在晶粒内扩展时，难于严格地沿一定晶体学平面扩展。断裂路径不再与晶粒位向有关，而主要与细小碳化物质点有关。其微观形态特征，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是：都是穿晶断裂；也有小解理刻面；也有台阶或撕裂棱及河流花样。其不同点是：准解理小刻面不是晶体学解理面。真正解理裂纹常源于晶界（位错运动在晶界处塞积），而准解理则常源于晶内硬质点，形成形成从晶内某点发源的放射状河流花样从晶内某点发源的放射状河流花样。4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂 RAL （3）沿晶断裂）沿晶断裂晶界上有脆性第二相薄膜或杂质元素偏聚均可产生沿晶脆性断裂，它的最基本微观特征是具有晶界刻面的冰糖状形貌。在脆性第二相引起沿晶断裂的情况下，断裂可以从第二相与基体界面上开始，也可能通过第二相解理来进行。此时，在晶界上可以见到网状脆性第二相或第二相质点。在杂质元素偏聚引起晶界破坏的情况下，晶界是光滑的，看不到特殊的花样。4.3 4.3 脆性断裂脆性断裂 RAL 4.4.1 韧性断裂机理韧性断裂机理1）纯剪切断裂）纯剪切断裂 剪切断裂是材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的分离断剪切断裂是材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的分离断裂。高纯金属在韧性断裂过程中，试样内部不产生孔洞，无新界面产裂。高纯金属在韧性断裂过程中，试样内部不产生孔洞，无新界面产生，位错无法从金属内部放出，只能从试样表面放出，断裂靠试样横生，位错无法从金属内部放出，只能从试样表面放出，断裂靠试样横截面积减到零为止，所以产生的断口都呈尖锥状。截面积减到零为止，所以产生的断口都呈尖锥状。在这种纯的滑移过程或延伸过程中，将产生极大的塑性变形。断在这种纯的滑移过程或延伸过程中，将产生极大的塑性变形。断面收缩率几乎达到面收缩率几乎达到100%。工业用钢高温拉伸时，由于基体屈服强度。工业用钢高温拉伸时，由于基体屈服强度极低，不易产生孔洞，产生接近高纯金属的高延性效果，断面收缩率极低，不易产生孔洞，产生接近高纯金属的高延性效果，断面收缩率可达可达90%以上，断口形状接近于锥尖。以上，断口形状接近于锥尖。4.4 4.4 韧性断裂韧性断裂 RAL纯剪切断裂纯剪切断裂微孔聚集型断裂微孔聚集型断裂 4.4.1 韧性断裂机理韧性断裂机理2）微孔聚集型韧性断裂）微孔聚集型韧性断裂 微孔聚集型韧性断裂包括微孔形成、长大、聚合、断裂等过程。微孔聚集型韧性断裂包括微孔形成、长大、聚合、断裂等过程。微孔是通过第二相（或夹杂物）质点本身碎裂，或第二相（或夹杂物）微孔是通过第二相（或夹杂物）质点本身碎裂，或第二相（或夹杂物）与基体界面脱离而形核的，它们是金属材料在断裂前塑性变形进行到与基体界面脱离而形核的，它们是金属材料在断裂前塑性变形进行到一定程度时产生的。在第二相质点处微孔形核的原因是：位错引起的一定程度时产生的。在第二相质点处微孔形核的原因是：位错引起的应力集中；或在高应变条件下因第二相与基体塑性变形不协调而产生应力集中；或在高应变条件下因第二相与基体塑性变形不协调而产生分离分离。4.4 4.4 韧性断裂韧性断裂 RAL 4.4.1 韧性断裂机理韧性断裂机理微孔形核的位错模型：（a）按绕过机制形成位错环；（b）位错环在外加应力作用下堆积；（c）界面分离形成微孔；（d）、（e）位错进入微孔，使微孔长大；（f）、（g）考虑到位错可以在不同滑移面上运动和堆积，则微孔可因一个或几个滑移面上位错运动而形成，并借其他滑移面上的位错向该微孔运动而使其长大。4.4 4.4 韧性断裂韧性断裂 RAL 4.4.1 韧性断裂机理韧性断裂机理 微孔长大同时，几个相邻微孔之间的基体的横截面积不微孔长大同时，几个相邻微孔之间的基体的横截面积不断缩小。基体被微孔分割成无数个小单元，每个小单元可断缩小。基体被微孔分割成无数个小单元，每个小单元可看成为一个小拉伸试样。它们在外力作用下可能借塑性流看成为一个小拉伸试样。它们在外力作用下可能借塑性流变方式产生颈缩变方式产生颈缩(内颈缩内颈缩)而断裂，使微孔连接（聚合）形成而断裂，使微孔连接（聚合）形成微裂纹。微裂纹。随后，因在裂纹尖端附近存在三向拉应力区和集中塑性随后，因在裂纹尖端附近存在三向拉应力区和集中塑性变形区，在该区又形成新的微孔。新的微孔借内颈缩与裂变形区，在该区又形成新的微孔。新的微孔借内颈缩与裂纹连通，使裂纹向前推进一定长度。如此不断进行下去直纹连通，使裂纹向前推进一定长度。如此不断进行下去直至最终断裂。至最终断裂。4.4 4.4 韧性断裂韧性断裂 RAL 4.4.2 韧性断裂的微观特征韧性断裂的微观特征韧窝是韧性断裂的基本特征韧窝是韧性断裂的基本特征 韧窝形状视应力状态不同而异韧窝形状视应力状态不同而异:等轴韧窝;拉长韧窝;撕裂韧窝。等轴韧窝等轴韧窝-正应力垂直于微孔平面，微孔在垂直于正应力的平面上各个方向长大倾向相同;拉长韧窝拉长韧窝-在扭转载荷或受双向不等拉伸条件下，在切应力作用形成。在拉长韧窝配对的断口上，韧窝方向恰巧相反；拉伸试验剪切唇部分是抛物线的拉长韧窝。撕裂韧窝撕裂韧窝三点弯曲断裂韧性试样中，裂纹在平面应变条件下扩展时出现的韧窝。4.4 4.4 韧性断裂韧性断裂 RAL 4.4.2 韧性断裂的微观特征韧性断裂的微观特征1、第二相质点密度增大或其间距减少，则微孔尺、第二相质点密度增大或其间距减少，则微孔尺寸减少。寸减少。2、金属材料的塑性变形能力及其形变强化指数大、金属材料的塑性变形能力及其形变强化指数大小直接影响着已长成一定尺寸的微孔的连接，聚合小直接影响着已长成一定尺寸的微孔的连接，聚合方式。形变强化指数数值越大的材料，越难于发生方式。形变强化指数数值越大的材料，越难于发生内颈缩，故微孔尺寸变小。内颈缩，故微孔尺寸变小。3、应力大小和状态改变实际上是通过影响材料塑、应力大小和状态改变实际上是通过影响材料塑性变形能力而间接影响韧窝深度的。在高的静水压性变形能力而间接影响韧窝深度的。在高的静水压力之中，内颈缩易于产生，故韧窝深度增加；相反，力之中，内颈缩易于产生，故韧窝深度增加；相反，在多向拉伸应力下或在缺口根部，韧窝则较浅。在多向拉伸应力下或在缺口根部，韧窝则较浅。4.4 4.4 韧性断裂韧性断裂 RAL韧窝的大小的影响因素：韧窝的大小的影响因素：第二相质点的大小和深度；第二相质点的大小和深度；基体材料的塑性变形能力和基体材料的塑性变形能力和形变强化指数；形变强化指数；外加应力的大小和状态等。外加应力的大小和状态等。4.6 4.6 缺口效应缺口效应 4.6.1 缺口对应力分布的影响缺口对应力分布的影响设一薄板上开有缺口。当板所受拉应力低于材料的弹性极限时，其缺口截面上的应力分布不均匀的 弹性应力状态下的应力分布弹性应力状态下的应力分布应力集中系数。不是材料本身的性质，应力集中系数。不是材料本身的性质，其值只与缺口几何形状有关其值只与缺口几何形状有关(曲率半径曲率半径越小，集中应力越大越小，集中应力越大)缺口造成应力应变集中缺口造成应力应变集中这是缺口的第一个效应。这是缺口的第一个效应。缺口根部应力集中有可能超过材料的屈服强度而产生塑性变形。塑性变形集中在缺口根部附近区域内，且缺口愈尖，塑性变形区愈小。RAL 4.6.1 缺口对应力分布的影响缺口对应力分布的影响开有缺口的薄板受载后，缺口根部内侧还出现了横向拉应力，它是由于材料横向收缩所引起的。小试样位置不同，所受拉力不同。对应每一个 弹性应力状态下的应力分布弹性应力状态下的应力分布由于板子是连续的，存在约束，所以必然产生X方向拉应力。4.6 4.6 缺口效应缺口效应 RAL在缺口界面上，x分布是先增后减，这是由于x较大时，y逐渐减少，相邻试样间的纵向应力差减少，于是x下降。4.6.1 缺口对应力分布的影响缺口对应力分布的影响对于薄板，在垂直于板面方向可以自由变形，于是：薄板中心是两向拉伸的平面应力状态。但在缺口根部，拉伸小试样能够自由收缩，横向拉伸应力为零，所以仍为单向拉伸应力状态。弹性应力状态下的应力分布弹性应力状态下的应力分布4.6 4.6 缺口效应缺口效应 RAL 4.6.1 缺口对应力分布的影响缺口对应力分布的影响对于厚板，垂直板厚方向的变形受到约束，在缺口根部为两向应力状态，故所以缺口内侧为三向应力状态，这种三向应力状态是缺口试样或有缺口的机件，构件早期脆断的主要原因。弹性应力状态下的应力分布弹性应力状态下的应力分布缺口的第二个效应是改变了缺口前方缺口的第二个效应是改变了缺口前方的应力状态，使平板中材料所受的应的应力状态，使平板中材料所受的应力由原来的单向拉伸改变为两向或三力由原来的单向拉伸改变为两向或三向拉伸。向拉伸。4.6 4.6 缺口效应缺口效应 RAL 4.6.1 缺口对应力分布的影响缺口对应力分布的影响 对于塑性金属材料，若缺口前方产生塑性变形，应力将重新分布，并且随着载荷增加，塑性区逐渐扩大，直至整个截面上都产生塑性变形。以厚板为例，根据屈雷斯加判据：在缺口根部所以 塑性应力状态下的应力分布塑性应力状态下的应力分布4.6 4.6 缺口效应缺口效应 RAL 4.6.1 缺口对应力分布的影响缺口对应力分布的影响当外加载荷增加时，也随之增加，缺口根部最先满足屈服条件而开始屈服。一旦根部屈服，则 即松弛而降低到屈服点。在缺口内侧，要满足屈服条件必须增加纵向应力，即心部屈服要在纵向应力不断增加的情况下才能产生。屈服变形将自表面向心部扩展。y，z随x快速增加而增加(因yx+s，z(xy)，且塑性变形时，y引起的横向收缩约比弹性变形时大1倍，需要较高x值才能维持连续变形，一直增加到塑性区与弹性区交界处为止。因此，当缺口前方产生了塑性变形后，最大应力已不在缺口根部，而在其前方一定距离处，该处x最大，所以y,s也最大。越过交界后，弹性区内的应力分布与上面所述弹性变形阶段的应力分布稍有区别，x是连续下降的。显然，随塑性变形逐步向内转移，各应力峰值越来越高，它们的位置也逐步移向中心。可以预料，在试样中心区，y最大。塑性应力状态下的应力分布塑性应力状态下的应力分布4.6 4.6 缺口效应缺口效应 RAL 4.6.1 缺口对应力分布的影响缺口对应力分布的影响 有缺口时，由于出现了三向应力，试样的屈服应力比单向拉伸时高，产生了所谓“缺口强化”现象。由于此时材料本身的s值(注意s是用光滑试样测得的拉伸屈服极限)未变，故“缺口强化”纯粹是由于三向应力约束了塑性变形所致，如同颈缩造成的几何强化一样。因而不能把“缺口强化”看作强化金属材料的手段。缺口强化只有对相同净截面的光滑试样才能观察到。在有缺口时，塑性材料的强度极限也因塑性变形受约束而增加。虽然缺口提高塑性材料的屈服强度，但因缺口约束塑性变形，故缺口使塑性降低。脆性材料或低塑性材料缺口试样拉伸常常是直接由弹性状态过渡到断裂，很难通过缺口前方极有限的塑性变形使应力重新分布。所以脆性材料缺口试样的强度比光滑试样的低。缺缺口口使使塑塑性性材材料料得得到到强强化化，这这是是缺缺口口的的第三个效应第三个效应。塑性应力状态下的应力分布塑性应力状态下的应力分布4.6 4.6 缺口效应缺口效应 RAL 4.6.2 缺口敏感性及其表示方法缺口敏感性及其表示方法 对对于于金金属属材材料料来来说说，缺缺口口总总是是降降低低塑塑性性，增增大大脆脆性性。金金属属材材料料存存在在缺缺口口而而造造成成三三向向应应力力状状态态和和应应力力应应变变集集中中，由由此此而而使使材材料料产产生变脆的倾向，这种效果称为缺口敏感性。生变脆的倾向，这种效果称为缺口敏感性。一一般般采采用用缺缺口口试试样样力力学学性性能能试试验验来来评评价价材材料料的的缺缺口口敏敏感感性性。常常用用的的缺缺口口试试样样力力学学性性能能试试验验方方法法有有缺缺口口静静拉拉伸伸和和缺缺口口偏偏斜斜拉拉伸伸、缺口静弯曲等。缺口静弯曲等。4.6 4.6 缺口效应缺口效应 RAL 4.6.2 缺口敏感性及其表示方法缺口敏感性及其表示方法 缺口试样静拉伸试验用于测定拉伸条件下金属材料对缺口的敏感性。试验时常用缺口试样的抗拉强度 与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度 的比值作为材料的缺口敏感性指标，并称为缺口敏感度，用或NSR(Notch Sensitivity Ratio)表示 比值qe越大，缺口敏感性越小。脆性材料的qe永远小于 1，表明缺口处尚未发生明显塑性变形时就已经脆性断裂。高强度材料qe一般也小于1。对于塑性材料，若缺口不太尖，有可能产生塑性变形时，qe总大于1。4.6 4.6 缺口效应缺口效应 RAL 4.6.2 缺口敏感性及其表示方法缺口敏感性及其表示方法 缺口弯曲试验也可以显示材料的缺口敏感性。由于缺口和弯曲引起的不均匀性叠加，所以缺口弯曲较缺口拉伸应力应变分布不均匀性要大。这种方法一般根据断裂时的残余挠度或弯曲破断点（裂纹出现）的位置评定材料的缺口敏感性。金属材料的缺口敏感性除和材料本身性能，应力状态(加载方式)有关外，还与缺口形状和尺寸，试验温度有关。缺口尖端曲率半径越小，缺口越深，材料对缺口的敏感性也越大。缺口类型相同，增加试样截面尺寸，缺口敏感性也增加，这是由于尺寸较大试验弹性能储存较高所致。降低温度，尤其对bcc金属，缺口敏感性急剧增大。因此，不同材料的缺口敏感性应在相同条件下对比。4.6 4.6 缺口效应缺口效应 RAL 4.6.3 缺口试样冲击弯曲及冲击韧性缺口试样冲击弯曲及冲击韧性 在冲击载荷下，由于加载速率大，变形条件更为苛刻，塑性变形得不到充分发展，所以冲击试验更能灵敏地反映材料的变脆倾向。常用的缺口试样冲击试验是冲击弯曲。4.6 4.6 缺口效应缺口效应 RAL 4.6.3 缺口试样冲击弯曲及冲击韧性缺口试样冲击弯曲及冲击韧性 试验是在摆锤式冲击试验机上进行的。将试样水平放在试验机支座上，缺口位于冲击相背方向，并用样板使缺口位于支座中间。然后将具有一定重量摆锤举至一定高度H1，使其获得一定位能GH1。释放摆锤冲断试样，摆锤的剩余能量为GH2，则摆锤冲断试样失去的位能为GH1-GH2，此即为试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击功。根据试样缺口形状不同，冲击功分别为AKV和AKU。AKV(AKU)G(H1H2)，单位为J。AKV亦有用CVN或CV表示的。用试样缺口处截面积FN(cm2)去除AKV(AKU)，即得到冲击韧性或冲击功aKV(aKU)aKV(aKU)=AKV(AKU)/FN通常，aKV(aKU)的单位为J/cm2。4.6 4.6 缺口效应缺口效应 RAL 4.6.3 缺口试样冲击弯曲及冲击韧性缺口试样冲击弯曲及冲击韧性 aKV(aKU)是一个综合性的材料力学性能指标，与材料的强度和塑性有关。AKV(AKU)也可以表示材料的变脆倾向，但AKV(AKU)并非完全用于试样变形和破坏，其中有一部分消耗于试样掷出、机身振动、空气阻力以及轴承与测量机构中的摩擦消耗等。材料在一般摆锤冲击试验机上试验时，这些功是忽略不计的。但当摆锤轴线与缺口中心线不一致时，上述功耗比较大。所以，在不同试验机上测定的AKV(AKU)值彼此可能相差较大。此外，根据断裂理论，断裂类型取决于断裂扩展过程中所消耗的功。消耗功大，则断裂表现为韧性的；反之，则为脆性的。4.6 4.6 缺口效应缺口效应 RAL 4.6.3 缺口试样冲击弯曲及冲击韧性缺口试样冲击弯曲及冲击韧性 在摆捶冲击试验机上附加一套示波装置，利用粘贴在测力刀口两侧的电阻应变片作为载荷感受元件，可以记录材料在冲击载荷下的载荷挠度（或载荷时间）曲线，在曲线所包围的面积中只有断裂区的面积才表示裂纹扩展所消耗的功，亦即才能显示材料的韧性性质。除了摆捶试验法之外，落捶试验法也是目前应用较多的测试材料动态性能的试验方法。落捶试验法一般用于测试一些厚钢板构件的冲击性能，试验采用比标准冲击试样尺寸大一些的试样，由于冲击功大的关系，所以需要落捶试验法。对于一些在特殊环境下使用的材料有时还采用撕裂试验法进行低温韧性的评定。4.6 4.6 缺口效应缺口效应 RAL 4.6 4.6 缺口效应缺口效应 RAL在在摆摆捶捶冲冲击击试试验验机机上上附附加加一一套套示示波波装装置置，可可以以记记录录材材料料在在冲冲击击载载荷荷下下的的载载荷荷挠挠度度（或或载载荷荷时时间间）曲曲线线，在在曲曲线线所所包包围围的的面面积积中中只只有有断断裂裂区区的的面面积积才才表表示示裂裂纹纹扩扩展展所所消消耗耗的的功功，亦亦即才能显示材料的韧性性质。即才能显示材料的韧性性质。4.7.1 材料的低温脆性现象材料的低温脆性现象 当试验温度低于某一温度Tk 时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击值明显下降，断口特征由纤维状变为结晶状，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，这就是材料的低温脆性，转变温度Tk称为韧脆转变温度或脆性转变临界温度，也称为冷脆转变温度。低温脆性对压力容器，桥梁和船舶结构以及在低温下服役的机件安全是非常重要的。4.7 4.7 材料的低温脆性材料的低温脆性 RAL 4.7.1 材料的低温脆性现象材料的低温脆性现象 任何金属材料都有屈服强度和断裂强度两个强度指标。断裂强度c随温度变化很小，因为热激活对裂纹扩展的力学条件没有显著作用。但屈服强度s却对温度变化十分敏感。温度降低，屈服强度急剧升高，故两曲线相交于一点，交点对应的温度即为TK。温度高于TK 时，cs，材料受载后，先屈服再断裂，为韧性断裂；温度低于TK时，外加应力先达到c，材料表现为脆性断裂。4.7 4.7 材料的低温脆性材料的低温脆性 RAL 4.7.1 材料的低温脆性现象材料的低温脆性现象 4.7 4.7 材料的低温脆性材料的低温脆性 RAL 4.7.1 材料的低温脆性现象材料的低温脆性现象 冲击试样断口