1、緒論彈性：指材料在外力作用下保持和恢復(fù)固有形狀和尺寸的能力。塑性：材料在外力作用下發(fā)生不可逆的永久變形的能力。剛度：材料在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。強(qiáng)度：材料對變形和斷裂的抗力。韌性：指材料在斷裂前吸收塑性變形和斷裂功的能力。硬度：材料的軟硬程度。耐磨性：材料抵抗磨損的能力。壽命：指材料在外力的長期或重復(fù)作用下抵抗損傷和失效的能。材料的力學(xué)性能的取決因素：內(nèi)因一一化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力、表面和內(nèi)部的缺陷 等；外因一一載荷的性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)等條件的變化。第一章材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能1.1 拉伸力一伸長曲線和應(yīng)力一應(yīng)變曲線應(yīng)力一應(yīng)變曲線退火低碳鋼在拉伸力作用下的力

2、學(xué)行為可分為彈性變形、不均勻屈服塑性變形、均勻塑性變 形和不均勻集中塑性變形和斷裂幾個(gè)階段。彈性變形階段：曲線的起始部分，圖中的oa段。 多數(shù)情況下呈直線形式，符合虎克定律。屈服階段：超出彈性變形范圍之后，有的材料在 塑性變形初期產(chǎn)生明顯的塑性流動。此時(shí)，在外力不 增加或增加很小或略有降低的情況下，變形繼續(xù)產(chǎn) 生，拉伸圖上出現(xiàn)平臺或呈鋸齒狀，如圖中的ab段。均勻塑性變形階段：屈服后，欲繼續(xù)變形，必 須不斷增加載荷，此階段的變形是均勻的，直到曲線 達(dá)到最高點(diǎn)，均勻變形結(jié)束，如圖中的 bc段。不均勻塑性變形階段：從試樣承受的最大應(yīng)力點(diǎn)開始直到斷裂點(diǎn)為止，如圖中的 cd段。在 此階段，隨變形增大，載

3、荷不斷下降，產(chǎn)生大量不均勻變形，且集中在頸縮處，最后載荷達(dá)到斷 裂載荷時(shí)，試樣斷裂。彈性模量E:應(yīng)力一應(yīng)變曲線與橫軸夾角的大小表示材料對彈性變形的抗力，用彈性模量E 表小O塑性材料應(yīng)力一應(yīng)變曲線(a)彈性一彈塑性型：Oa為彈性變形階段，在a點(diǎn)偏離直線關(guān)系，進(jìn)入彈一塑性階段，開 始發(fā)生塑性變形，開始發(fā)生塑性變形的應(yīng)力稱為屈服點(diǎn)，屈服點(diǎn)以后的變形包括彈性變形和塑性 變形。在m點(diǎn)卸載，應(yīng)力沿mn降至零，發(fā)生加工硬化。(b)彈性-不均勻塑性-均勻塑性型：與前者不同在于出現(xiàn)了明顯的屈服點(diǎn)aa',有時(shí)呈屈服平臺狀，有時(shí)呈齒狀。應(yīng)變約1%3%退火低碳鋼和某些有色金屬具有此行為。(c)彈性-均勻塑性型

4、：未出現(xiàn)頸縮前的均勻變形過程中發(fā)生斷裂。主要是許多金屬及合金、 部分陶瓷和非晶態(tài)高聚物具有此種曲線。(d)彈性-不均勻塑性型：形變強(qiáng)化過程中出現(xiàn)多次局部失穩(wěn)，其塑性變形方式通常是學(xué)生 而不是滑移。當(dāng)學(xué)生速率超過試驗(yàn)機(jī)夾頭運(yùn)動速度時(shí)，載荷會突然松弛而呈現(xiàn)鋸齒形的曲線。某 些低溶質(zhì)固溶體鋁合金及含雜質(zhì)的鐵合金具有此行為。加工硬化：材料經(jīng)歷一定的塑性變形后，其屈服應(yīng)力升高的現(xiàn)象稱為應(yīng)變強(qiáng)化或加工硬化。頸縮：材料經(jīng)均勻形變后出現(xiàn)集中變形的現(xiàn)象稱為頸縮。1.2 彈性變形材料受外力作用發(fā)生尺寸和形狀的變化，稱為 變形。外力去除后，隨之消失的變形為 彈性變 形，剩余的(即永久性的)變形為 塑性變形。彈性變形

5、的重要特征 是其可逆性，即受力作用后產(chǎn)生變形，卸除載荷后，變形消失。曲線1:兩原子間的引力曲線2:兩原子間的斥力曲線3:兩原子之間的作用力當(dāng)原子間相互平衡力受外力而受到破壞時(shí)，原子位 置相應(yīng)調(diào)整，產(chǎn)生位移。而位移總和在宏觀上表現(xiàn)為變 形。外力去除后，原子依靠之間的作用力又回到原來平 衡位置，位移消失，宏觀變形消失。彈性模量E:表征材料抵抗正應(yīng)變的能力。在單向受力狀態(tài)下切變模量G:表征材料抵抗剪切變形的能力。在純剪切應(yīng)力狀態(tài)下泊松比V：反映材料受力后橫向正應(yīng)變與受力方向上正應(yīng)變之比。單向受力狀態(tài)下體積彈性模量K:表示物體在三向壓縮下，壓強(qiáng) p與體積變化率/V/V之間的線性比例關(guān)系E3(1 -2v

6、)剛度：工程上彈性模量為稱為材料的剛度，表征金屬材料對彈性變形的抗力，其值越大，則在相同的應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)生的彈性變形量越小0彈性比功：彈性比功又稱彈性比能、應(yīng)變比能，表示金屬材料吸 收彈性變形功而不發(fā)生永久變形的能力。金屬拉伸時(shí)的彈性比功用應(yīng) 力一應(yīng)變曲線下影線的面積表示，即1ae- e e2E2式中，ae為彈性比功，oe為彈性極限（材料由彈性變形過渡到彈 一塑性變形時(shí)的應(yīng)力）；陰為最大彈性應(yīng)變。在應(yīng)力作用下應(yīng)變不斷隨時(shí)間而發(fā)展的行為，以及應(yīng)力去除后應(yīng) 變逐漸恢復(fù)的現(xiàn)象都統(tǒng)稱為彈性后效。實(shí)際金屬在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，開始時(shí)沿OA線產(chǎn)生瞬時(shí)彈 性應(yīng)變OC,如果載荷保持不變，還產(chǎn)生隨時(shí)間延長而逐

7、漸增加的應(yīng)變 CH這種在加載狀態(tài)下產(chǎn)生的滯彈性變形稱為 正彈性后效。卸載時(shí)， 延BD線只有應(yīng)變DH立即消失，而應(yīng)變OD是卸載后隨時(shí)間延長才緩 慢消失的，這種在卸載后產(chǎn)生的滯彈性變形稱為反彈性后效。圖L9彈性比功示意圖圖LU彈性后效示/圖彈性滯后環(huán)：彈性變形時(shí)因應(yīng)變滯后于外 加應(yīng)力，使加載線和卸載線不重合而形成的回 線稱為彈性滯后環(huán)。存在彈性滯后環(huán)的現(xiàn)象說明，加載時(shí)金屬 消耗的變形功大于卸載時(shí)金屬恢復(fù)變形釋放出 的功，環(huán)面積大小代表被金屬吸收的那部分功。交變循環(huán)載荷，加載速度快滯后環(huán)的面積相當(dāng)于金屬在單向循環(huán)應(yīng)力交變循環(huán)載荷，加載速度慢 或交變循環(huán)應(yīng)力作用下消耗不可逆能量的多少，即表示金屬吸收不

8、可逆變形功的能力，成為金屬的內(nèi)耗，又稱循環(huán)韌性。循環(huán)韌性是指在塑性區(qū)加載時(shí)材料吸收不可逆變形功的能力；內(nèi)耗是指 在彈性區(qū)加載時(shí)材料吸收不可逆變形功的能力。一般這兩個(gè)名詞可以混用圖L I，包申格效應(yīng)背應(yīng)力幫助位錯運(yùn)動,包中格效應(yīng)：金屬材料經(jīng)過預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形（殘余應(yīng) 變?yōu)?%4%,卸載后同向加載，規(guī)定殘余伸長應(yīng)力（彈性極限或屈服 強(qiáng)度）增加，反向加載時(shí)規(guī)定殘余伸長應(yīng)力降低的現(xiàn)象，稱為包中格 效應(yīng)。包中格效應(yīng)產(chǎn)生的原因（位錯理論）：初次加載變形時(shí)，位錯源在 滑移面上產(chǎn)生的位錯受阻，塞積后產(chǎn)生背應(yīng)力，背應(yīng)力反作用于位錯 源，當(dāng)背應(yīng)力足夠大時(shí)，可使位錯源停止開動。預(yù)變形時(shí)位錯的運(yùn)動 方向和背應(yīng)

9、力的方向相反。反向加載時(shí)位錯運(yùn)動的方向和背應(yīng)力方向一致, 塑性變形相對容易1.3 塑性變形塑性變形的方式：滑移和學(xué)生。其中，滑移是金屬材料在切應(yīng)力作用下，位錯沿滑移面和滑 移方向運(yùn)動而進(jìn)行的切變過程，是最主要的變形機(jī)制。學(xué)生也是金屬材料在切應(yīng)力作用下的一種 塑性變形方式，一般發(fā)生在低溫形變或快速形變時(shí)，受晶體結(jié)構(gòu)的影響較大一一fcc>bcc>hcp塑性變形的特點(diǎn)1、各晶粒塑性變形的不同時(shí)性和不均勻性：多晶體試樣受到外力作用后，大部分區(qū)域尚處 在彈性變形范圍內(nèi)，塑性變形首先在個(gè)別取向有利的晶粒內(nèi)，塑性變形不可能在不同晶粒中同時(shí) 開始；一個(gè)晶粒的塑性變形必然受到相鄰不同位向晶粒的限制，

10、由于各晶粒的位向差異，這種限 制在變形晶粒的不同區(qū)域上是不同的，在同一晶粒內(nèi)的不同區(qū)域的變形量也是不同的。2、各晶粒塑性變形的相互制約與協(xié)調(diào)：多晶體作為一個(gè)整體，不允許晶粒僅在一個(gè)滑移系 中變形，否則將造成品界開裂。五個(gè)獨(dú)立的滑移系開動，才能確保產(chǎn)生任何方向不受約束的塑性變形。3、塑性變形后金屬的品格發(fā)生點(diǎn)陣畸變，儲存能量，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。4、塑性應(yīng)變量提高，金屬強(qiáng)度增大，產(chǎn)生加工硬化。屈服：受力試樣中，應(yīng)力達(dá)到某一特定值后，開始大規(guī)模塑性變形的現(xiàn)象稱為屈服。呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象的金屬材料拉伸時(shí)，試樣在外力不增加仍能繼續(xù)伸長時(shí)的應(yīng)力稱為屈服點(diǎn)；試樣發(fā)生屈服而首次下降前的最大應(yīng)力稱為 上屈服點(diǎn)，即為Gu；當(dāng)

11、不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)（指在屈服過程中實(shí)驗(yàn)為第一次發(fā)生下降）時(shí)屈服階段中的最小應(yīng)力稱為下屈服點(diǎn)，記為仃sl。屈服現(xiàn)象的本質(zhì)（不確定）：金屬材料在拉伸試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的屈服現(xiàn)象是其開始產(chǎn)生宏觀塑性 變形的一種標(biāo)志。參考拉伸力一伸長曲線，材料從彈性變形階段向塑性變形階段過渡是明顯的， 表現(xiàn)在試驗(yàn)過程中外力不增加試樣仍能繼續(xù)伸長或外力增加到一定數(shù)值時(shí)突然下降，隨后，在外 力不增加或上下波動情況下，試樣繼續(xù)伸長變形，這便是屈服現(xiàn)象。金屬材料一般是多晶體合金，往往具有多相組織，因此，討論影響屈服強(qiáng)度的因素，必須注 意以下幾點(diǎn)：？屈服變形是位錯增殖和運(yùn)動的結(jié)果；？實(shí)際金屬材料的力學(xué)行為是由許多晶粒綜合 作用的結(jié)果；？

12、各種外界因素通過影響位錯運(yùn)動而影響屈服強(qiáng)度。影響屈服強(qiáng)度的因素：？內(nèi)在因素一一金屬本性及晶格類型；晶格大小和亞結(jié)構(gòu)；溶質(zhì)元素；第二相。？外在因素 溫度；應(yīng)變速率；應(yīng)力狀態(tài)。相變強(qiáng)化：通過熱處理方式，在不改變金屬成分的前提下，改變金屬的品格結(jié)構(gòu)，使金屬的 強(qiáng)度得以提高的方法稱為相變強(qiáng)化。細(xì)品強(qiáng)化：減少晶粒尺寸會減少晶粒內(nèi)部位錯塞積的數(shù)量，減少位錯塞積群的長度，降低塞 積點(diǎn)處的應(yīng)力，相鄰晶粒中位錯源開動所需的外加切應(yīng)力提高，屈服強(qiáng)度增加。這種通過細(xì)化品 粒尺寸提高材料強(qiáng)度的方法稱為細(xì)品強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化：金屬中溶入溶質(zhì)原子（間隙固溶、置換固溶）形成固溶體，其屈服強(qiáng)度會明顯提 高，這種提高強(qiáng)度的方法稱為

13、固溶強(qiáng)化。（通常，間隙固溶體的強(qiáng)化效果大于置換固然體）彌散強(qiáng)化：金屬中的第二相質(zhì)點(diǎn)通過粉末冶金等方法獲得。沉淀強(qiáng)化（析出強(qiáng)化）：金屬中的第二相質(zhì)點(diǎn)通過固溶處理加時(shí)效等方法獲得。應(yīng)變速率硬化：因應(yīng)變速率增加而產(chǎn)生的強(qiáng)度提高效應(yīng)的現(xiàn)象。頸縮：頸縮是韌性金屬材料在拉伸試驗(yàn)時(shí)，變形集中于局部區(qū)域的現(xiàn)象，是材料加工硬化和 試樣截面減小共同作用的結(jié)果。頸縮判據(jù)：n=eb,當(dāng)金屬材料的應(yīng)變硬化指數(shù)等于最大真實(shí)均勻塑性應(yīng)變量時(shí)產(chǎn)生頸縮?？估瓘?qiáng)度：試件斷裂前所能承受的最大工程應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，用來表征材料對最大均勻塑性變形的抗力。ob且，6為抗拉強(qiáng)度；Fb為最大載荷；Ao為試件的原始截面積。Ao兩個(gè)塑性指標(biāo)1、

14、斷后伸長率次 試樣拉斷后標(biāo)距的伸長量與原始標(biāo)距的百分比。/詈 乂10。“，Lo為試樣原始標(biāo)距長度，Li為試樣斷裂后的標(biāo)距長度。2、斷面收縮率 巾：試樣拉斷后頸縮處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。W/I。, Ao為試樣原始橫截面積，Ai為頸縮處最小橫截面。金屬材料塑性與強(qiáng)度的關(guān)系：一般來講，材料的強(qiáng)度提高，具變形抗力提高，變形能力下降， 塑性降低。？相變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、加工硬化及第二相彌散強(qiáng)化一般都會使塑性降低； ？細(xì)品強(qiáng)化 不僅提高強(qiáng)度還時(shí)塑性提高。韌性：指材料在斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。切度：度量材料韌性的力學(xué)性能指標(biāo)，分為靜力韌度、沖擊韌度和斷裂韌度。金屬材料在靜 拉

15、伸時(shí)單位體積材料斷裂前所吸收的功定義為 靜力韌度，它是強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo)。1.6材料的斷裂材料在塑性變形過程中，也在產(chǎn)生微孔，微孔的產(chǎn)生與發(fā)展，導(dǎo)致材料中微裂紋的形成與長 大，這種損傷達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，裂紋失穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)最終的斷裂。塑性變形一裂紋的形成一裂紋擴(kuò)展一斷裂韌性斷裂與脆性斷裂斷裂前不發(fā)生明顯塑性變形一一脆性斷裂；斷裂前發(fā)生明顯塑性變形一一韌性斷裂。脆性斷裂所需的能量：分開原子+新表面的表面能；韌性斷裂所需的能量：分開原子 +新表面 的表面能+塑性變形消耗的能量（遠(yuǎn)大于前兩者之和）韌性斷裂是金屬材料斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂。韌性斷裂宏觀斷口形態(tài)呈杯錐狀，由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三個(gè)

16、區(qū)域組成。纖維區(qū)：光滑圓柱試樣受拉伸力作用，產(chǎn)生頸縮時(shí)試樣的應(yīng)力狀態(tài)也由單向變?yōu)槿?，且?心區(qū)軸向應(yīng)力最大。在中心三向拉應(yīng)力作用下，塑性變形難于進(jìn)行，致使試樣中各部分的夾雜物 或第二相質(zhì)點(diǎn)本身碎裂，或使夾雜物質(zhì)點(diǎn)與基體界面脫離而形成微孔，微孔不斷長大和聚合就形 成顯微裂紋。顯微裂紋形成、擴(kuò)展過程重復(fù)進(jìn)行就形成鋸齒狀的纖維區(qū)。放射區(qū)：環(huán)狀纖維區(qū)發(fā)展到一定尺寸（臨界裂紋尺寸）后，裂紋開始快速擴(kuò)展（失穩(wěn)擴(kuò)展） 而形成放射區(qū)。放射區(qū)是裂紋作快速低能撕裂而形成的，有放射線花樣特征，放射線平行于裂紋 擴(kuò)展方向而垂直于裂紋前端（每一瞬間）的輪廓線，并逆指向裂紋源。剪切唇：放射區(qū)形成后，試樣承載面積只剩下最

17、外側(cè)的環(huán)狀面積，最后由拉伸應(yīng)力的分切應(yīng) 力所切斷，形成與拉伸軸呈45的杯狀或錐狀剪切唇。脆性斷裂是突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，沒有明顯征兆，因而危害性很 大。脆性斷裂的斷裂面一般與正應(yīng)力垂直，斷口平齊而光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀。圓柱形拉伸試樣：斷裂面與正應(yīng)力垂直，斷口平齊、光亮。斷面上的放射狀條紋匯聚于一個(gè) 中心，此中心區(qū)域就是裂紋源。板狀矩形截面拉伸試樣：人”字紋花樣的放射方向與裂紋擴(kuò)展方向平行，但其尖頂指向裂紋沿晶斷裂與穿晶斷裂沿晶斷裂：指裂紋在晶界上形成并沿晶界擴(kuò)展的斷裂形式，大多是脆性斷裂。在多晶體變形 中，晶界起協(xié)調(diào)相鄰晶粒變形的作用，當(dāng)品界受到損傷，其變形能力被消弱

18、，不足以協(xié)調(diào)相鄰品 粒的變形時(shí)，便形成晶界斷裂。斷裂機(jī)制：？晶界由脆性相析出（如過共析鋼中二次滲碳體析出）；？高溫晶界變?nèi)酰訜釡囟?過高，晶界熔化）；？有害元素沿晶界富集（合金鋼的回火脆性 ）；？晶界上有彌散相析出（奧氏 體高鉆鋼固溶處理后再加熱時(shí)沿晶界析出碳化物）；？腐蝕環(huán)境下品界被腐蝕等原因使晶界脆化或 弱化所致。斷裂過程：沿晶斷裂過程包括裂紋的形成與擴(kuò)展。品界受損的材料受力變形時(shí)，晶內(nèi)的運(yùn)動 位錯受阻于晶界，在晶界處造成應(yīng)力集中，當(dāng)集中應(yīng)力達(dá)到晶界強(qiáng)度時(shí)，便將晶界擠裂。斷口形貌：沿晶斷裂的性質(zhì)取決于仃g （沿晶斷裂應(yīng)力有關(guān)的常數(shù)）與屈服強(qiáng)度仃s的相對大小。當(dāng)色6時(shí)，晶界開裂發(fā)生于宏觀屈

19、服之前，晶界無塑性變形，斷裂呈宏觀脆性，產(chǎn)生冰糖狀斷口；當(dāng)色河時(shí)，先發(fā)生宏觀屈服變形和形變強(qiáng)化， 晶界有塑性變形，在完成一定的變形量后發(fā)生微孔 型沿晶斷裂，產(chǎn)生石狀斷口。穿晶斷裂：指裂紋沿晶內(nèi)（穿過晶粒）擴(kuò)展的斷裂。穿晶斷裂可依據(jù)不同的微觀斷裂機(jī)制而 具有不同的微觀斷口形貌特征，主要有解理、微孔聚集、準(zhǔn)解理等。一般地，從宏觀上看，穿晶斷裂既可以是脆性斷裂，也可以是韌性斷裂。純剪切斷裂與微孔聚集型斷裂、解理斷裂剪切斷裂是金屬材料在切應(yīng)力作用下沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂，一般是韌性斷裂，分為純剪切斷裂和微孔聚集型斷裂。其中，純剪切斷裂主要在純金屬尤其是在單晶體金屬中產(chǎn)生，其斷口呈鋒利的楔形

20、或刀尖形，這是純粹由滑移流變所造成的斷裂。微孔聚集型斷裂是通過微孔形核、長大聚合而導(dǎo)致材料分離的，常用金屬材料一般均產(chǎn)生這類性質(zhì)的斷裂。微孔聚集型斷裂的斷口形貌為切窩花樣。在每一個(gè)切窩內(nèi)都含有一個(gè)第二相質(zhì)點(diǎn)或者折斷的 夾雜物或者夾雜物顆粒，材料中的非金屬夾雜物或第二相或其他脆性相顆粒是微孔形成的核心。 韌窩斷口就是微孔開裂后繼續(xù)長大和連接的結(jié)果。（町異相與屎佛印廊開妻（切夾余物峻裂t圖L49微孔形成過程示意圖圖L50微孔的長大和連接韌窩形成過程：韌窩的形成與異相粒子有關(guān)， 在外力作用下產(chǎn)生塑性變形時(shí)，異相阻礙基體滑移, 便在異相與基體滑移面交界處造成應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到異相與基體界面結(jié)合強(qiáng)

21、度或異相本身強(qiáng)度時(shí)，會使二者界面脫離或異相自身斷裂，從而形成裂紋（微孔），并不斷擴(kuò)大，最后使火雜物之間基體金屬產(chǎn)生內(nèi)頸縮”，當(dāng)頸縮達(dá)到一定程度后基體金屬被撕裂或剪切斷裂，使空洞連 接，從而形成切窩斷口形貌。影響切窩形成的因素：韌窩的形成位置、形狀、大小和深淺受很多因素影響，大致歸納起來可分為三個(gè)方面？成核粒子的大小和分布；？材料的塑性變形能力，尤其是形變硬化的能力；？外部 因素（包括應(yīng)力大小、應(yīng)力狀態(tài)、溫度、變形速度等）。切窩形狀主要取決于應(yīng)力狀態(tài)或應(yīng)力與斷面的相對取向，有等軸韌窩、拉長韌窩和撕裂切窩 三類。解理斷裂：金屬材料在一定條件下當(dāng)外加正應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后以極快速率沿一定晶體學(xué)平面產(chǎn)生

22、的穿晶斷裂，該晶體學(xué)平面為解理面。解理面一般是低指數(shù)晶面，如體心立方點(diǎn)陣金屬的 （100）面和密排六方點(diǎn)陣金屬的（0001）面。一般地，解理斷裂總是脆性斷裂，而脆性斷裂卻不一定是解理斷裂。解理斷口的微觀形貌特征：對于理想單晶體而言，解理斷裂可以是完全沿單一結(jié)晶面的分離, 其解理斷口是一毫無特征的理想平面。在實(shí)際晶體中，由于缺陷的存在，斷裂并不是沿單一的結(jié) 晶面解理，而是沿一組平行的結(jié)晶面解理，從而在不同高度上平行的解理面以解理臺階相連。在解理裂紋擴(kuò)展過程中，臺階匯合形成 “河流”花樣，解理臺階、“河流”花樣即為典型的解理斷口微觀形貌特征。解理斷裂的另一微觀特征是存在舌狀花樣分類方在名稱斷裂示與

23、圖特征斷我前葷件脆性斷饃)II (斷裂時(shí)無期顯型佳變形、舶里光亮平齊交壽帆大小樹性斷裂ED 口嫌疑時(shí)有電理受用1冊口呈灰色纖維壯丁西)£定觀瓶物面_L吊大正應(yīng)力方向斯君面的取向切斷L_/O宏觀腓裂面II最大切應(yīng)力方向裂頸晨途徑沿晶朗裂費(fèi)裝沼品界發(fā)展1芽晶斷裂裂蚊穿過晶粒內(nèi)部做用行箱機(jī)用1都理窗裂濮孔素合斷裂純匏切斷裂o<o無明顯變形.沼斛理直立離、必晶斷裂沿晶產(chǎn)僦孔第合.沿晶斷裂皓晶內(nèi)微孔聚合,牙晶斷蕊沿瘠移面分離切慚f單反體頤嘀導(dǎo)致最勇斷盟f高鴕寶盾-多晶一第二章材料在其他靜載荷下的力學(xué)性能2.1應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)：u =蘭;=Qi -。3）42b - 2*（仃

24、? - 6）| o OnU越大，最大切應(yīng)力分量越大，表示應(yīng)力狀態(tài)越軟，材料越易于產(chǎn)生塑性變形；b越小，表示應(yīng)力狀態(tài)越硬，金屬越不容易產(chǎn)生塑性變形而易于產(chǎn)生脆性斷裂。B2.4幅性金星材料在拉伸和壓縮載有下的力學(xué)行為1一拉伸力伸氏曲線2壓力-變形曲淺圖2.5金屬壓縮力-變影曲線 【壓縮曲線）1 一脆性材料* 2理性材料1、單向壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)& = 2,比拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲的應(yīng)力狀態(tài)都軟，所以單 向壓縮試驗(yàn)主要用于拉伸時(shí)呈脆性的金屬材料力學(xué)性能的測定，以顯示這類材料在塑性狀態(tài)下的 力學(xué)行為（圖2.4）2、拉伸時(shí)塑性很好的材料在壓縮時(shí)只發(fā)生壓縮變形而不會斷裂（圖2.5）脆性材料在拉伸

25、時(shí)產(chǎn)生垂直于載荷軸向的正斷，塑性變形量幾乎為零；而在壓縮時(shí)除能產(chǎn)生定的塑性變形外，常沿與軸線呈 45方向產(chǎn)生斷裂，具有切斷特征2.3 材料的彎曲彎曲試驗(yàn)的特點(diǎn)1、彎曲試驗(yàn)不存在拉伸試驗(yàn)時(shí)的試件偏斜（力的作用線不能準(zhǔn)確通過拉伸試件的軸線而產(chǎn) 生附加彎曲應(yīng)力）對試驗(yàn)結(jié)果的影響，可以穩(wěn)定地測定脆性材料和低塑性材料的抗彎強(qiáng)度，并能 由撓度明顯地顯示脆性和低塑性材料的塑性。如鑄鐵、工具鋼、陶瓷等。2、彎曲試驗(yàn)不能使塑性很好的材料破壞，不能測定其斷裂彎曲強(qiáng)度，但可以比較一定彎曲 條件下材料的塑性。3、彎曲試驗(yàn)時(shí)試樣斷面上的應(yīng)力分布是不均勻的，表面應(yīng)力最大，依此可以較靈敏地反映 材料的表面缺陷，以檢查材料的

26、表面質(zhì)量。2.5 材料的硬度硬度并不是金屬獨(dú)立的基本性能，它是指金屬在表面上的不大體積內(nèi)抵抗變形或者破裂的能 力。硬度的種類：？壓入法一一布氏硬度、洛氏、維氏、普氏等。表征材料的塑性變形抗力及應(yīng) 變硬化能力。應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)最大，a >2幾乎所有的材料都能產(chǎn)生塑性變形。？刻劃法一一莫 氏硬度。表征材料對切斷的抗力。？一跳法一一肖氏硬度。表征金屬彈性變形功的大小。同一類 方式的硬度可以換算；不同類方式則只能采用同一材料進(jìn)行標(biāo)定。壓入法是最主要的試驗(yàn)方法。布氏硬度原理：在直徑D的鋼珠上，加一定載荷p,壓在被試金屬的表面，根據(jù)金屬表面壓痕的陷凹 面積F計(jì)算出應(yīng)力值，以此值作為硬度值大小的計(jì)量指

27、標(biāo)。布氏硬度值的符號以HB (kgf/mm2,1kgf=9.80665N)標(biāo)記，則口曰=昌，式中，t為壓痕陷凹深度；紅n為壓痕陷凹面積。在p和D一定時(shí)，t大，則說明材料的形變抗力低，硬度值?。环粗畡t說明材料的形變抗力高，硬度值大。直觀上，測量壓痕直徑比測量壓痕陷凹深度要容易，由 D、d、t三者之間的幾何 Ltd _.關(guān)系可得："u帆3產(chǎn)。讀數(shù)：載荷、壓頭直徑、保持時(shí)間是布氏硬度試驗(yàn)的 三要素。150HBs10/100030表示采用淬 火鋼球，壓頭直徑10mm,載荷1000kg,載荷保持時(shí)間30s測得的布氏硬度值為150;200HBW103000/10表示采用硬質(zhì)合金鋼球，壓頭直徑 1

28、0mm,載荷3000kg,載荷保持時(shí)間10s 測得的布氏硬度值為200。優(yōu)點(diǎn)：？壓痕面積大，能反映金屬表面較大體積范圍內(nèi)各組成相綜合平均的性能數(shù)據(jù)；？式驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性好，試驗(yàn)數(shù)據(jù)從小到大都可以統(tǒng)一起來；？特別適宜于測得灰鑄鐵、軸承合金、等具有粗大晶粒或粗大組成相的金屬材料。缺點(diǎn)：？對于450HB以上的硬材料，因鋼球變形已很顯著，影響所測數(shù)據(jù)的正確性，因此不 能使用；？由于此法產(chǎn)生的壓痕較大，故不宜于某些表面不允許有較大壓痕的成品檢驗(yàn)，也不宜 于薄件試驗(yàn)；？因需測量d值，故被測處要求平穩(wěn)，操作和測量都需較長時(shí)間，在要求迅速檢定 大量成品時(shí)不適合。洛氏硬度洛氏硬度試驗(yàn)是目前應(yīng)用最廣泛的一種方法

29、，它是測定壓痕深度來表征材料的硬度值。原理：洛氏硬度以壓痕陷凹深度t作為計(jì)量硬度值的指標(biāo)，所以在同一硬度級下，金屬越硬則壓痕深度t越小，越軟則t越大。如果直接以t的大小作為指標(biāo)，則將出現(xiàn)硬金屬t值小從而硬 度值小，軟金屬的t值大從而硬度值大的現(xiàn)象。為此，只能采取一個(gè)不得已的措施，即用選定的 常數(shù)來減去所得t值，以其差值來標(biāo)志洛氏硬度值。此常數(shù)規(guī)定為 0.2mm （用于HRG HRQ和 0.26mm （用于HRB）,此外在讀數(shù)上再規(guī)定0.002mm為一度，這樣前一常數(shù)為100度（在試驗(yàn)機(jī)表盤上為100格（一圈），后一常數(shù)為130度（在表盤上為一圈再加30格，為130格），因此1IRC100-0.

30、002£IRB = 0.26- 1 = 130-0.002壓頭與載荷的搭配：洛氏硬度的壓頭分硬質(zhì)和軟質(zhì)兩種。硬質(zhì)的由頂角120的金剛石圓錐體 制成，適用于測定淬火鋼等較硬的金屬材料；軟質(zhì)的為直徑 1/16' （1.875mm）或1/8 （3.175mm） 鋼球，適用于退火鋼、有色金屬等較軟材料硬度值的測定。生產(chǎn)上用得最多的是 A級、B級和G 級，即HRA （金剛石圓錐壓頭、60kgf載荷），HRB （1/16'鋼球壓頭、100kgf載荷）和HRG（金剛 石圓錐壓頭、150kgf載荷），而其中又以HRG用的最普遍。優(yōu)點(diǎn)：？有硬質(zhì)、軟質(zhì)兩種壓頭，適用于各種不同硬質(zhì)材料的檢

31、驗(yàn)，不存在壓頭變形問題；?壓痕小，不傷工件表面；？操作迅速，立即得出數(shù)據(jù)，生產(chǎn)效率高，適用于大量生產(chǎn)中的成品檢 驗(yàn)。缺點(diǎn)：？不同硬度級測得的硬度值無法統(tǒng)一起來，如 HRA, HRB HRG數(shù)據(jù)不具有可比性；？ 對組織結(jié)構(gòu)不一致，特別是具有粗大組成相或粗大晶粒的金屬材料，因壓痕太小，可能正好壓在 個(gè)別組成相上，缺乏代表性；？材料中有偏析或組織不均勻時(shí)，數(shù)據(jù)重復(fù)性差，分散度大。維氏硬度原理：與布氏硬度相同，也是根據(jù)單位壓痕陷凹面積上承受的載荷，即應(yīng)力值作為硬度值的計(jì)量指標(biāo)。所不同的是，維氏硬度采用錐面夾角為136的四方角錐體，有金剛石制成。計(jì)算公式:HV =斕優(yōu)點(diǎn)：？不存在布氏硬度試驗(yàn)載荷p和壓頭

32、直徑D的規(guī)定條件的約束，以及壓頭變形問題，且通過維氏硬度試驗(yàn)所得到的硬度值和通過布氏硬度試驗(yàn)所得到的硬度值能完全相等；？不存在洛氏硬度試驗(yàn)?zāi)欠N硬度值無法統(tǒng)一的問題，維氏硬度試驗(yàn)和洛氏硬度試驗(yàn)一樣可以試驗(yàn)任何軟硬 的材料，并且比洛氏硬度試驗(yàn)?zāi)芨玫販y試極薄件的硬度；？采用四方角錐，當(dāng)載荷改變時(shí)壓入角不變，因此載荷可以任意選擇。缺點(diǎn)：硬度值需通過測量對角線后才能計(jì)算 （或查表）出來，生產(chǎn)效率沒有洛氏硬度試驗(yàn)高， 不適宜成批生產(chǎn)的質(zhì)量檢驗(yàn)。讀數(shù)：640HV30/20 （維氏硬度值HV試驗(yàn)載荷/加載時(shí)間）顯微硬度顯微硬度是用來測量尺寸很小或很薄零件的硬度，或者是用來測量各種顯微組織的硬度。其 試驗(yàn)原理

33、與維氏硬度相同。所不同的是，載荷以 gf計(jì)量，壓痕對角線長度以微米計(jì)量。壓頭：一種是維氏壓頭，和宏觀的維氏硬度壓頭一樣，只是在金剛石四方錐的制造上和測量 上更加嚴(yán)格；另一種是努氏壓頭，它是一菱形的金剛錐體。努氏硬度的計(jì)算公式：hk = W = "努氏硬度和維氏顯微硬度的比較：？在測量滲碳（或氮化）淬硬層的硬度分布時(shí)，努氏壓痕 的排列與分布較維氏壓痕更緊湊；？在相同的對角線長度下（努氏壓痕以長對角線計(jì)），努氏壓痕 的深度與面積只有維氏壓痕的15%,這對測量薄層硬度如電鍍層特別適宜。2.6 缺口試樣在靜載荷下的力學(xué)性能缺口效應(yīng)：實(shí)際機(jī)件不是橫截面均勻無變化的光滑體，往往存在截面的急劇變化

34、，這些截面 變化的部位可視為缺口，由于缺口的存在，在靜載荷作用下缺口截面上的應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化， 產(chǎn)生缺口效應(yīng)。缺口效應(yīng)的影響：引起應(yīng)力集中；應(yīng)力狀態(tài)由單向改變?yōu)閮上蚧蛉驊?yīng)力狀態(tài)應(yīng)變集中；局部 應(yīng)變速率增大；腐蝕傾向加大。金屬材料的缺口敏感性指標(biāo)用缺口試件的抗拉強(qiáng)度 如口與等截面尺寸光滑試件的抗拉強(qiáng)度 優(yōu) 的比值表示，稱為缺口敏感度，記為 NSR即NSR=¥。NSR越大，缺口敏感性越小。脆性材料 的NSR總是小于1,表明缺口根部尚未發(fā)生明顯塑性變形時(shí)就已經(jīng)斷了，對缺口很敏感。高強(qiáng)度 材料的NSR一般也小于1,塑性材料的NSR一般大于1。第三章材料在沖擊載荷下的力學(xué)性能3.3低溫脆性

35、低溫脆性：隨溫度降低金屬材料由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔训默F(xiàn)象。發(fā)生脆性轉(zhuǎn)變的溫度稱 為脆性轉(zhuǎn)變溫度。什么材料容易發(fā)生低溫脆斷?對于以面心六方金屬為基礎(chǔ)的中、低強(qiáng)度材料和大部分密排六方金屬，在很寬的溫度范圍內(nèi)其沖擊功都很高，基本不存在低溫脆性問題。只有以體心立方金屬為基礎(chǔ)的，如中低強(qiáng)度鋼和鍍、 鋅等具有明顯的低溫脆性，這些金屬材料稱為冷脆金屬o低溫脆性是材料屈服強(qiáng)度隨溫度降低急劇增加的結(jié)果。屈服點(diǎn)隨溫度下降反而升高，材料的解理斷裂強(qiáng)度用隨溫度變 化很小，兩條曲線相交于一點(diǎn)，交點(diǎn)對應(yīng)的溫度即為韌脆轉(zhuǎn)變 溫度當(dāng)溫度高于TEH, a二以材料受載后先屈服再斷裂為 韌性斷裂；低于Tk時(shí)，外加應(yīng)力先達(dá)到k,材

36、料表現(xiàn)為脆性斷 裂。低溫脆性的本質(zhì)柯垂?fàn)柼岢龅拇鄶鄺l件,即公式Gid1二-ky)ky = dGf,只要公式左端大于右端之值,gpoy '5 , 就可發(fā)生脆斷。G是組織結(jié)構(gòu)不敏感的性能，凡是增加 5、國和d的因素都將促進(jìn)脆斷，使冷脆 斷轉(zhuǎn)化溫度升高；凡使4和1值減小的也將促使脆斷，使冷脆斷轉(zhuǎn)化溫度升高?！眎位錯在晶體中運(yùn)動的點(diǎn)陣摩擦阻力， 包括派納力、溶質(zhì)原子以及第二相對位錯運(yùn)動的 阻力。對體心立方金屬，派納力隨溫度的降低而急劇升高，這是體心立方金屬產(chǎn)生冷脆的主要原 因。依-一反映位錯被原子或第二相釘扎運(yùn)動難易程度的參量，k值越大，位錯運(yùn)動越困難。L值并不因?yàn)闇囟冉档投@著增加。?d晶粒

37、直徑。細(xì)化晶粒既提高斷裂強(qiáng)度也提高屈服強(qiáng)度，但斷裂強(qiáng)度相對提高較多，因 此細(xì)化晶粒總是使冷脆轉(zhuǎn)化溫度降低。?表示在外加載荷下切應(yīng)力和正應(yīng)力之比。?材料的有效表面能。影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度n的主要因素1、材料品格類型的影響：體心立方金屬在溫度較高時(shí)，變形能力尚好，在低溫下，脆性增加。2、合金成分的影響：鋼中的C、P、O、H、N、Mo、Al、Si都使口上升；Ni、Mn、Ti、V都使Tk下降。3、晶粒尺寸的影響：細(xì)化晶粒使Tk下降，同時(shí)還可以改善塑性韌性。4、顯微組織的影響：冷作時(shí)效、上貝氏體使Tk上升；低溫馬氏體、奧氏體、高溫回火組織 都 使Tk下降。第四章材料的斷裂韌性4.1 概述斷裂是工程構(gòu)件最危險(xiǎn)

38、的一種失效方式，尤其是脆性斷裂，它是突然發(fā)生的破壞，斷裂前沒 有明顯的征兆，常常引起災(zāi)難性的破壞事故并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。4.2 裂紋尖端的應(yīng)力場三種斷裂類型I型裂紋（張開型）：拉應(yīng)力垂直于裂紋面 擴(kuò)展面，裂紋沿作用力方向張開，沿裂紋面擴(kuò) 展。如軸的橫向裂紋在軸向拉力或彎曲力作用 下的擴(kuò)展、容器縱向裂紋在內(nèi)壓力下的擴(kuò)展。II型裂紋（滑開型）：切應(yīng)力平行于裂紋面， 而且與裂紋垂直，裂紋沿裂紋面平行滑開擴(kuò)展。 如輪齒或花鍵根部沿切線方向的裂紋，或者受扭 轉(zhuǎn)的薄壁圓筒上的環(huán)形裂紋。III型裂紋（撕開型）：切應(yīng)力平行作用于裂 紋面，而且與裂紋線平行，裂紋沿裂紋面撕開 擴(kuò)展。如圓周上有一環(huán)形切槽，受到扭

39、轉(zhuǎn)作用 引起的斷裂。應(yīng)力強(qiáng)度因子K：表征裂紋尖端應(yīng)力場特性。iii型（滑開型）裂紋形式裂紋尖端區(qū)域的確定點(diǎn)，其應(yīng)力分量就由i型（張開型）裂紋形式ii型（滑開型）裂紋形式?jīng)Q定，Ki越大應(yīng)力場各應(yīng)力分量也越大。任何I型斷裂的應(yīng)力場強(qiáng)度因子的一般形式為 Ki = Yo血Y為裂紋的形狀系數(shù)，與裂紋幾何形狀及加載方式有關(guān)，一般Y=12;同理,* = Yzv,a ,Km - Yt04.3 斷裂韌性和斷裂判據(jù)裂紋體發(fā)生失穩(wěn)斷裂的臨界K值記作Kc或Krc,稱為斷裂韌性。Kc是平面應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂韌性，表示平面應(yīng)力條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。為平面應(yīng)變下的斷裂韌性，表示在平面應(yīng)變條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展

40、的能力。Ke與Kk的區(qū)別：Kc與板材或試樣厚度有關(guān)，而當(dāng)板材厚度增加到平面應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，斷裂切 性就趨于一穩(wěn)定的最低值，即為K仁（與厚度無關(guān)）。K【C是Kr的最低值，它是真正反映材料裂紋擴(kuò)展抗力的材料常數(shù)。 所以臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子Kid 稱為材料的斷裂韌性。在臨界狀態(tài)下所對應(yīng)的平均應(yīng)力，稱為斷裂應(yīng)力或裂紋體實(shí)際斷裂強(qiáng)度，記作 aj;對應(yīng)的裂 紋尺寸稱為臨界裂紋尺寸，記作 此， 有如下關(guān)系Kic Ya%1小?？梢?，材料的Kid越高，則裂紋體 的斷裂應(yīng)力或臨界裂紋尺寸就越大，表面材料越難斷裂。因此 Kic表示材料抗斷裂的能力。斷裂判據(jù)：裂紋體在受力時(shí)，若2_£昭或丫。加之人5就會發(fā)生脆性斷

41、裂。反之，即使存在 裂紋，若KKId或丫。飛口也不會斷裂，這種情況稱為破損安全。II, III型裂紋的斷裂判據(jù) 同理。4.5 裂紋尖端的塑性區(qū)塑性區(qū)邊界曲線方程所描繪的塑性區(qū)：不管是平面應(yīng)力還是平面應(yīng)變的塑性區(qū)，都是沿x方向的尺寸最小，消耗的塑性變形功也最小，所以裂紋就容易沿x方向擴(kuò)展。另外，平面應(yīng)變的塑性區(qū)比平面應(yīng)力的塑性區(qū)小得多。在平面應(yīng)變狀態(tài)（厚板）下沿板厚方向的裂紋前端有較強(qiáng)的 約束，使材料處于三向應(yīng)力狀態(tài)，不容易發(fā)生塑性變形所致。在實(shí)際情況下，沿板厚方向上的彈性約束是變化的，鄰近表面約束最小，可認(rèn)為處于平面應(yīng)力狀態(tài)，塑性區(qū)尺寸最大；而在板厚中部約束最大，可 認(rèn)為處于平面應(yīng)變狀態(tài)，塑性

42、區(qū)尺寸最小。因此，在裂紋尖端前沿區(qū)域，沿材料板厚方向的塑性區(qū)尺寸是連續(xù)變化的，一般呈啞鈴形狀。應(yīng)力松弛對塑性區(qū)的影響：如圖4.14,圖中仃”是在y方向發(fā)生屈服時(shí)的應(yīng)力，稱為y向有效 屈服應(yīng)力。在平面應(yīng)力狀態(tài)下，片下=缶；在平面應(yīng)變狀態(tài)下，b爐=2.5缶。圖中影線部分的面積即 內(nèi)應(yīng)力松弛的影響，這種應(yīng)力松弛可以使塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，由 m擴(kuò)大到Ro。從能量角度考慮，裂紋尖端附近塑性區(qū)的形狀和尺寸圖4.U應(yīng)力松弛對塑性區(qū)尺寸的帶響可以求得，Ro = rti。4.9 影響斷裂韌性的因素如能提高斷裂韌性，就能提高材料的抗脆斷能力。IF板厚或構(gòu)件截面尺寸溫度外部因素影響斷裂韌性的因素L應(yīng)變速率材料的成分、

43、組織 對Kic的影響化學(xué)成分的影響基體相結(jié)構(gòu)和晶粒大小的影響雜法及第二相的影嘀L顯微組織的影響L內(nèi)部因素形變熱處理特殊熱處理. L對K1©的影響亞溫淬火L顯微組織的影響外部因素材料的斷裂韌性隨板材厚度或構(gòu)件的界面尺寸的增加而減小，最1、板厚或構(gòu)件截面尺寸：終趨于一個(gè)穩(wěn)定的最低值，即平面應(yīng)變斷裂韌性 Kic。2、溫度：大多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼的Kic都隨溫度降低而下降。但是，不同強(qiáng)度等級的鋼，在溫度降低 時(shí)Kic的變化趨勢不同。一股中、低強(qiáng)度鋼都有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上，材 料主要是微孔聚集型的韌性斷裂，Kic較高；而在韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下，材料主要是解理型脆性斷 裂，1"低

44、。3、應(yīng)變速率：應(yīng)變速率具有與溫度相似的效應(yīng)，增加應(yīng)變速率相當(dāng)于降低溫度，也可使 Kid 下降。斷裂韌性表征金屬材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展需要消耗能量，其中主要是 塑性變形功。塑性變形功與應(yīng)力狀態(tài)、材料強(qiáng)度和塑性以及裂紋尖端塑性區(qū)尺寸有關(guān)：材料強(qiáng)度 高、塑性好，塑性變形功大，材料的斷裂韌性就高；在強(qiáng)度值相近時(shí)，提高塑性，增加塑性區(qū)尺 寸，塑性變形功也增加。內(nèi)部因素1、材料的成分、組織對Kic的影響?化學(xué)成分的影響：細(xì)化晶粒的合金元素因提高強(qiáng)度和塑性使 Kid提高；強(qiáng)烈固溶強(qiáng)化的合金 元素因降低塑性使Kic明顯降低，并且隨著合金元素含量的提高，降低越厲害；形成金屬化合物并呈第二相析

45、出的合金元素，因降低塑性有利于裂紋的擴(kuò)展，也使 Kid降低。?基體相結(jié)構(gòu)和晶粒大小的影響：從滑移塑性變形和解理斷裂的角度來看，面心立方固溶體 容易產(chǎn)生滑移塑性變形而不產(chǎn)生解理斷裂， 并且n值較高，所以其Kic較高，因此，奧氏體鋼的Kid 較鐵素體鋼、馬氏體鋼的高；一般來說，晶粒越細(xì)小，n和人就越高，則Kic也越高，但是在某些情況下，粗晶粒的K*反而較高。?雜質(zhì)及第二相的影響：鋼中的非金屬夾雜物和第二相在裂紋尖端的應(yīng)力場中，若本身脆裂 或在相界面開裂而形成微孔，微孔和主裂紋連接使裂紋擴(kuò)展，從而使 Kic降低；鋼中某些微量雜 質(zhì)元素（如睇、錫、磷、神等）容易偏聚于奧氏體晶界，降低晶間結(jié)合力使裂紋沿

46、晶界擴(kuò)展并斷 裂，使Ki匚降低。?顯微組織的影響：板條馬氏體是位錯型亞結(jié)構(gòu)，具有較高的強(qiáng)度和塑性，裂紋擴(kuò)展阻力較 大，常呈韌性斷裂，因而Kic較高；針狀馬氏體是李晶型亞結(jié)構(gòu)，硬而脆，裂紋擴(kuò)展阻力小，呈 準(zhǔn)解理或解理斷裂，因而Kic很低；回火索氏體的基體具有較高的塑性，第二相是粒狀碳化物， 分布間距較大，裂紋擴(kuò)展阻力較大，因而 較高；回火馬氏體基體相塑性差，第二相質(zhì)點(diǎn)小且 彌散分布，裂紋擴(kuò)展阻力較小，因而 Km較低?；鼗鹎象w的Kic居于上述兩者之間。2、特殊熱處理對Kic的影響師變熱處理：高溫形變熱處理可以細(xì)化奧氏體的亞結(jié)構(gòu)，因而細(xì)化淬火馬氏體，使強(qiáng)度和 韌性都提高；低溫形變熱處理除了細(xì)化奧氏

47、體亞結(jié)構(gòu)外，還可增加位錯密度，促進(jìn)合金碳化物彌 散沉淀，降低奧氏體含碳量和增加細(xì)小板條馬氏體的數(shù)量因而提高強(qiáng)度和韌性。?亞溫淬火：亞溫淬火可以提高低溫韌性和抑制高溫回火脆性。?顯微組織的影響4.10 金屬材料斷裂韌性Kic的測定試樣要求：常用的兩種試樣為三點(diǎn)彎曲試樣和緊湊拉伸試樣。由于Kk是金屬材料在平面應(yīng)變和小范圍屈服條件下裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí) Ki的臨界值，因此，測,Kic用的試驗(yàn)尺寸必須保證裂紋頂端處于平面應(yīng)變或小范圍屈服狀態(tài)。Ba>25（臂J（Wa） JB為試樣在z向的厚度，W為在y向的寬度，a為裂紋長度第五章材料在變動載荷下的力學(xué)性能5.1 金屬疲勞現(xiàn)象及特點(diǎn)疲勞：金屬機(jī)件或構(gòu)件在變

48、動應(yīng)力和應(yīng)變長期作用下，由于承受變動載荷而導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展以致斷裂失效的全過程。疲勞載荷的共同特點(diǎn)：？斷裂時(shí)并無明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有明顯的預(yù)兆，而是突 然地破壞；？引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，常常低于靜載時(shí)的屈服強(qiáng)度；？疲勞破壞能清楚地顯示出裂紋的發(fā)生、擴(kuò)展和最后斷裂三個(gè)組成部分。變動載荷是引起疲勞破壞的外力，它是指載荷大小或大小和方向隨時(shí)間按一定規(guī)律呈周期性 變化或呈無規(guī)則隨機(jī)變化的載荷，其在單位面積上的平均值為變動應(yīng)力。變動應(yīng)力可分為規(guī)則周 期變動應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）和無規(guī)則隨機(jī)變動應(yīng)力兩種彎曲疲勞技應(yīng)力狀態(tài)-扭轉(zhuǎn)疲勞拉壓疲勞L復(fù)合疲勞高周疲勞按斷裂壽命和應(yīng)力高低一-低周疲勞L大氣

49、疲勞腐蝕疲勞L按環(huán)境和接觸情況-高溫疲勞接觸疲勞疲勞的特點(diǎn)疲勞斷裂與靜載荷或一次沖擊加載斷裂相比，具有以下特點(diǎn):?疲勞是低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，即具有壽命的斷裂。斷裂應(yīng)力低于材料的抗拉強(qiáng)度6，,甚至低 于屈服強(qiáng)度5。斷裂壽命隨應(yīng)力不同而變化，應(yīng)力高壽命短，應(yīng)力低壽命長，當(dāng)應(yīng)力低于某一臨 界值時(shí)，壽命可達(dá)無限長。?疲勞是一種潛在的突發(fā)性脆性斷裂，它是在長期累積損傷過程中經(jīng)裂紋萌生和緩慢亞穩(wěn)擴(kuò) 展到臨界尺寸此時(shí)才突然發(fā)生的。?疲勞對缺陷（缺口、裂紋及組織缺陷）十分敏感，三者都加快疲勞破壞的開始和發(fā)展。 疲勞宏觀斷口具有三個(gè)形貌不同的區(qū)域：疲勞源、疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)。1、疲勞源：疲勞源是疲勞裂紋萌生的策源地

50、, 在斷口上，疲勞源一般在機(jī)件表面，常和缺口、裂 紋、刀痕、蝕坑等缺陷相連。疲勞源區(qū)的光亮度最 大。在一個(gè)疲勞斷口中，疲勞源可以有一個(gè)或幾 個(gè)不等，與機(jī)件的應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力大小有關(guān)。疲勞 源區(qū)光亮度越大，相鄰疲勞區(qū)越大，貝紋線越多越 密者，其疲勞源就越先產(chǎn)生；反之，則疲勞源就越 后產(chǎn)生。2、疲勞區(qū)：疲勞區(qū)是疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展所形成的斷口區(qū)域，其斷口比較光滑并分布有貝紋 線（或海灘花樣）。貝紋線是疲勞區(qū)的最大特征，一般認(rèn)為它是有變動載荷引起的。循環(huán)應(yīng)力低， 材料韌性好，疲勞區(qū)大，貝紋線細(xì)、明顯。3、瞬斷區(qū)：瞬斷區(qū)是裂紋最后失穩(wěn)快速擴(kuò)展所形成的斷口區(qū)域，一般在疲勞源的對側(cè)。其 斷口比疲勞區(qū)粗糙，宏觀特

51、征同靜載的裂紋件的斷口一樣，隨材料性質(zhì)而變；脆性材料為結(jié)晶狀 斷口；若為韌性材料，則在中間平面應(yīng)變區(qū)為放射狀或人字紋斷口， 在邊緣平面應(yīng)力區(qū)為剪切唇5.2 高周疲勞與低周疲勞高周疲勞：指小型試樣在變動載荷試驗(yàn)時(shí)，疲勞斷裂壽命不小于10,周次的疲勞過程低周疲勞：金屬在循環(huán)載荷作用下，疲勞壽命為lOTO、次的疲勞斷裂。（應(yīng)力水平高、循環(huán)周次少）疲勞曲線和疲勞極限典型的金屬材料疲勞曲線如右圖。圖中縱坐標(biāo)為循環(huán)應(yīng)力的最大應(yīng)力5曲或應(yīng)力幅橫坐標(biāo)為斷裂循環(huán)周次N,常用對數(shù)值表示。QI11=1041011061011(F10H I 悌循環(huán)篇次,一S-N曲線由高應(yīng)力段和低應(yīng)力段組成，前者 壽命短，后者壽命長。

52、對于一般具有應(yīng)變時(shí)效的金屬材料，如碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼等，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力 水平降到某一臨界值時(shí)，低應(yīng)力段變?yōu)樗蕉?，表面試樣可以?jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)也不發(fā)生疲勞斷 裂，故將對應(yīng)的應(yīng)力稱為疲勞極限，記為仃。常用10,周次作為測定疲勞極限的基數(shù)，記為Nd。 另一類金屬材料，如鋁合金、不銹鋼、高強(qiáng)度鋼等，它們的S-N曲線沒有水平部分，只是隨應(yīng)力降低，循環(huán)周次不斷增大。此時(shí)，只能根據(jù)材料的使用要求規(guī)定某一循環(huán)周次下不發(fā)生斷裂的應(yīng) 力作為“條件疲勞極限”。疲勞斷裂應(yīng)力判據(jù)為：對稱應(yīng)力循環(huán)下 仃二仃.】；非對稱應(yīng)力循環(huán)下仃26 （r為應(yīng)力比）。疲勞極限與靜強(qiáng)度間的關(guān)系：金屬材料的抗拉強(qiáng)度越大，其疲勞極限也越大。對于中

53、、低強(qiáng) 度鋼，疲勞極限與抗拉強(qiáng)度之間大體呈線性關(guān)系。低周疲勞的特點(diǎn)?低周疲勞時(shí)，局部區(qū)域產(chǎn)生宏觀塑性變形，應(yīng)力與應(yīng)變呈非線性關(guān)系，形成滯后回線。總 應(yīng)變屬=?的十兀。?低周疲勞試驗(yàn)時(shí)，或者控制急應(yīng)變范圍，或者控制塑性應(yīng)變范圍，在給定的左t或向下測定疲勞壽命。試驗(yàn)結(jié)果處理不用 S-N曲線，而要改用/2-2即或叫/2-2Nf曲線，以描述材料的低 周疲勞規(guī)律。"2和分別為總應(yīng)變幅和塑性應(yīng)變幅。蹊紋成核期短，有多個(gè)裂紋源；微觀斷口的疲勞條帶較粗，間距也較寬；斷口呈韌窩狀、 輪胎花樣狀。? 低周疲勞壽命取決于塑性應(yīng)變幅。低周疲勞與高周疲勞的區(qū)別相同點(diǎn)：都是循環(huán)塑性變形累積損傷的結(jié)果。不同點(diǎn)：高

54、周疲勞壽命取決于應(yīng)力幅或應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍；低周疲勞壽命取決于塑性應(yīng)變幅。在低周疲勞的循環(huán)加載初期，材料對循環(huán)加載的響應(yīng)有一個(gè)由不穩(wěn)定向穩(wěn)定過渡的過程。材 料對循環(huán)加載的初期響應(yīng)過程可表現(xiàn)為循環(huán)硬化和循環(huán)軟化。若金屬材料在恒定應(yīng)變范圍循環(huán)作用下，隨循環(huán)周次增加其應(yīng)力（形變抗力）不斷增加，即 為循環(huán)硬化；若在循環(huán)過程中，應(yīng)力逐漸減小，則為 循環(huán)軟化。金屬材料產(chǎn)生循環(huán)硬化還是循環(huán)軟化取決于材料的初始狀態(tài)、結(jié)構(gòu)特性以及應(yīng)變幅和溫度等。其中，退火狀態(tài)的塑性材料往往表現(xiàn)為循環(huán)硬化， 而加工硬化的材料則往往表現(xiàn)為循環(huán)軟化。循環(huán)硬化產(chǎn)生的原因：位錯運(yùn)動。熱疲勞：機(jī)件在由溫度循環(huán)變化時(shí)產(chǎn)生的循環(huán)熱應(yīng)力及熱應(yīng)變作

55、用下發(fā)生的疲勞。5.3 疲勞裂紋擴(kuò)展疲勞裂紋擴(kuò)展曲線的斜率即表示 裂紋擴(kuò)展速率da/dN,即每循環(huán)一次裂紋擴(kuò)展的距離。疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線：材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN不僅與應(yīng)力水平有關(guān)，而且與當(dāng)時(shí)的裂紋尺寸a有關(guān)，將兩者復(fù)合為應(yīng)力強(qiáng)度因子 （ K=Kax-Kmin=YZ （T 產(chǎn)。I區(qū)（初始段）：AK心Kth： da/dN值很小，裂紋不擴(kuò)展。Kth, AKt , da/dN T,裂紋擴(kuò)展但不快。I區(qū)所占壽命不長。II區(qū)（主要段）：4KT , da/dN較大，裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展，是決定疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的主要段。III區(qū)（最后段）：4KT , da/dN T T ,裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展。W印看灰M圖5-1

56、6疲勞裂蚊獷展速率曲線疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值：確定&為裂紋疲勞不擴(kuò)展的4K臨界值，稱為疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值。 表示材料阻止疲勞裂紋開始擴(kuò)展的性能，具值越大，阻止疲勞裂紋開始擴(kuò)展的能力就越大，材料 就越好。 單位為MNm-3/2或MPam1/2 Kh與g的區(qū)別：叫是光滑試樣的無限壽命疲勞強(qiáng)度，用于傳統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)和校核； Kh是裂紋試樣的無限壽命疲勞性能，適合裂紋件的設(shè)計(jì)和校核。影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素?應(yīng)力比的影響：應(yīng)力比rT ,曲線向左上方移動，使da/dN升高，而且在I、III區(qū)的影響比II區(qū)的大。?實(shí)際機(jī)件在工作時(shí)很難一直是恒載，往往會有偶然過載現(xiàn)象。偶然過載進(jìn)入過載損傷區(qū)，將使材料受到損傷并降低疲勞 壽命，但若過載適當(dāng)，有時(shí)反而是有益的。在恒載裂紋疲勞擴(kuò) 展期內(nèi)，適當(dāng)?shù)倪^載峰會使裂紋擴(kuò)展減慢或停滯一段時(shí)間，發(fā)生裂紋擴(kuò)展過載停滯現(xiàn)象，并延長疲勞壽命。小料組織的影響：對I、III區(qū)的da/dN影響比較明顯，而對AJC !MFa cnl'，jlS 5.25 應(yīng)力比，對疲弟裂國貨整建率的露珀II區(qū)的影響不太明顯。通常，晶粒粗大,值越高，擊值越低。當(dāng)鋼的淬火組織中存在一定量的殘余奧氏體和貝氏體等韌性組織時(shí)，可以提高鋼的 小也，降低da/dK。鋼的高溫回火