第6章金属的断裂过程
材料力学性能-第2版课后习题答案
第一章 单向静拉伸力学性能1、 解释下列名词。
2．滞弹性：金属材料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称为滞弹性，也就是应变落后于应力的现象。
3．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称为循环韧性。
4．包申格效应：金属材料经过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的现象。
11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变2、 说明下列力学性能指标的意义。
答：E 弹性模量 G 切变模量 r σ规定残余伸长应力 2.0σ屈服强度 gt δ金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应变硬化指数 【P15】3、 金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？答：主要决定于原子本性和晶格类型。
合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小，但是不改变金属原子的本性和晶格类型。
组织虽然改变了，原子的本性和晶格类型未发生改变，故弹性模量对组织不敏感。
【P4】4、 现有45、40Cr 、35 CrMo 钢和灰铸铁几种材料，你选择哪种材料作为机床起身，为什么？选灰铸铁，因为其含碳量搞，有良好的吸震减震作用，并且机床床身一般结构简单，对精度要求不高，使用灰铸铁可降低成本，提高生产效率。
5、 试述韧性断裂与脆性断裂的区别。
为什么脆性断裂最危险？【P21】答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而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。
6、 何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。
金属的应力腐蚀和氢脆断裂
第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂§6.1应力腐蚀一、应力腐蚀及其产生条件1、定义与特点（1）定义（2）特点特定介质（表6-1）低碳钢、低合金钢——碱脆、硝脆不锈钢——氯脆铜合金——氨脆2、产生条件应力：外应力、残余应力；化学介质：一定材料对应一定的化学介质；金属材料：化学成分、显微组织、强化程度等。
二、应力腐蚀1、机理（图6-1）滑移——溶解理论（钝化膜破坏理论）a）应力作用下，滑移台阶露头且钝化膜破裂（在表面或裂纹面）；b）电化学腐蚀（有钝化膜的金属为阴极，新鲜金属为阳极）；c）应力集中，使阳极电极电位降低，加大腐蚀；d）若应力集中始终存在，则微电池反应不断进行，钝化膜不能恢复。
则裂纹逐步向纵深扩展。
（该理论只能很好地解释沿晶断裂的应力腐蚀）2、断口特征宏观：有亚稳扩展区，最后瞬断区（与疲劳裂纹相似）；断口呈黑色或灰色。
微观：显微裂纹呈枯树枝状；腐蚀坑；沿晶断裂和穿晶断裂。
（见图6-2，和p2）三、力学性能指标1、临界应力场强度因子K ISCC恒定载荷，特定介质，测K I~t f曲线。
将不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子，称为应力腐蚀临界应力场强度因子。
2、裂纹扩展速度da/dtK I>K ISCC，裂纹扩展，速率da/dtDa/dt~ K I|曲线上的三个阶段（初始、稳定、失稳）由（图6-7，P152）可以估算机件的剩余寿命。
四、防止应力腐蚀的措施1、合理选材；2、减少拉应力；3、改善化学介质；4、采用电化学保护，使金属远离电化学腐蚀区域。
§6-2 氢脆由于氢和应力的共同作用，而导致金属材料产生脆性断裂的现象，称为氢脆断裂（简称氢脆）一、氢在金属中存在的形式内含的（冶炼和加工中带入的氢）；外来的（工作中，吸H）。
间隙原子状，固溶在金属中；分子状，气泡中；化学物（氢化物）。
二、氢脆类型及其特征1、氢蚀（或称气蚀）高压气泡（对H，CH4）宏观断口：呈氧化色，颗粒状（沿晶）；微观断口：晶界明显加宽，沿晶断裂。
(整理)第6章金属及合金的塑性变形
第6章 金属及合金的塑性变形6-1 金属的变形特性金属在外力作用下的变形行为可用拉伸曲线来描述。
设拉力为P ，试样伸长量为dl ，则应力σ和应变ε分别为：A P σ=； ldl ε= 式中，A 为试样的截面积。
在拉伸过程中，A 和l 是变化的，在工程上，为了简化问题，A 常用A 0来代替，ε也用平均值表示ε=(l －l 0)/l 0，这样测得的σ-ε曲线称工程σ-ε曲线。
一、工程σ-ε曲线P161图1是低碳钢拉伸时的工程σ-ε曲线。
当应力低于σs 时，没有残留变形，大于σs 时，开始发生塑性变形。
所以，σs 是发生塑性变形的最小应力，称屈服强度。
屈服强度也是弹性极限σe （弹性变形的最大应力）。
在弹性变形阶段，当应力小于σp 时，σ-ε呈线性，服从虎克定律： εE σ=式中，E 是直线的斜率，称材料的弹性模量。
开始偏离直线的应力σp 称比例极限。
当应力超过σs 时，开始发生塑性变形。
随着塑性变形的增加，应力增大，这种现象称加工硬化。
当应力达到最大值σb 时，开始下降，直到断裂。
最大值σb 称材料的抗拉强度。
超过此值，试样发生局部颈缩，即发生了不均匀塑性变形。
所以，σb 是材料发生均匀塑性变形的最大应力。
注意，应力超过σb 后下降，并不是加工硬化失效。
在结构材料中，我们关心的力学指标是σs 和σb ，它们和硬度一起称做强度指标。
在实际应用中，σs 值是无法测量的，通常用发生0.2%塑性变形时对应的应力值来表示屈服强度，称条件屈服强度。
通常我们所说的材料的力学性能，除了上述强度指标外，还有两个塑性指标，延伸率、断面收缩率。
延伸率是指发生断裂时，试样的伸长率：%10000⨯-=l l l δσσ断面收缩率是指发生断裂时，试样截面积的变化率：%10000⨯-=A A A ψ 二、真应力-真应变曲线（T T εσ-曲线） 工程应力与真实应力之间的不同是容易发现的。
下面看看工程应变与真实应变的不同。
拉伸一个试样，使其伸长一倍，则工程应变1/)2(000=-=l l l ε；若是压缩，要获得同样数值的负应变，理应压缩到原长度的一半。
材料断口分析第6章-疲劳断裂
§1 引言 §2 疲劳裂纹的萌生与扩展 §3 疲劳断口形貌特征 §4 影响疲劳断口形貌的因素 §5 腐蚀疲劳
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§1 引言
1、定义: 由于交变应力或循环载荷所引起的低应力脆断。 在所有的损坏中，疲劳断裂的比例最高，约占70%
2、类型:依负载和环境条件的不同，分为五类： 高周疲劳：材料在低应力（σ＜σ0.2）的作用下而寿命较高
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锯齿形断口
棘轮花样
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3、瞬断区
形貌：具有断口三要素（放射区、剪切唇）的特征 对于塑性材料，断口为纤维状、暗灰色 对于脆性材料，断口为结晶状
位置：自由表面 断面中心 非对称（次表面）
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瞬断区面积越大，越靠近中心部位，工件过载程度越大 瞬断区面积越小，越靠近 边缘，工件过载程度越小
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二、疲劳断口显微形貌特征
疲劳辉纹 1、定义：在光学显微镜、SEM或TEM下观察疲劳断口时，断口上细
小的、相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直 的显微特征条纹
疲劳辉纹与疲劳条纹（贝纹线）的区别：
贝纹线是宏观特征线，因交变应力幅度变化或载荷停歇等造成的 辉纹是显微特征线，是一次交变应力循环裂纹尖端塑性钝化形成的
铝合金疲劳辉纹
（Nf ＞ 105）的疲劳 低周疲劳：材料在反复变化的大应力或大应变作用下，使材
料的局部应力往往超过σ0.2 ，在断裂过程中产 生较大塑性变形，是一种短寿命（Nf ＜ 102 — 105）的疲劳
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接触疲劳：材料在较高接触压应力的作用下，经过多次应力 循环后，其接触面的局部区域产生小片或小块金 属剥落，形成麻点或凹坑，导致材料失效的现象
▲工程构件对疲劳抗力比对静载荷要敏感得多。其疲劳抗力不仅取 决于材料本身特性，而且与其形状、尺寸、表面质量、服役条件 环境等密切相关
第六章 固体材料的变形与断裂
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滑移的表面痕迹 单滑移：单一方向的滑移带； 多滑移：相互交叉的滑移带； 交滑移：波纹状的滑移带。
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6. 单晶体的应力-应变曲线
第Ⅰ阶段----易滑移阶段:屈服后首先进行 单滑移，在应力增加不大时，可发生大 量塑变。此时加工硬化系数dτ／dγ很小， 约为10-4G。 第Ⅱ阶段----线性硬化阶段：加工硬化系 数比第Ⅰ阶段约大30倍且基本为常数。 双滑移造成滑移带的交割，使位错密度 急剧增加并互相缠结，加工硬化系数明 显增高。 第Ⅲ阶段----抛物线型硬化阶段：加工硬 化系数逐渐降低，应力与应变关系为 τ＝Kγ1/2。第Ⅲ阶段位错可通过交滑移克 服滑移障碍，使变形易于进行，从而使 加工硬化系数下降。
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5 多滑移和交滑移 （1）滑移的分类 单滑移：处于软取向的一组滑移系首先开动。 多滑移：由于滑移过程中晶体的转动使两个或多个滑移 系上交替滑移。 交滑移：两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行 的滑移。 （2）等效滑移系：各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴 夹角分别相等的一组滑移系。
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改变，形成镜面对称关系（对 抛光面观察有重现性）
位移量 不 同 点
对塑变的贡献 变形应力 变形条件
小于孪生方向上的原子间 距，较小。 有限，总变形量小。 所需临界分切应力远高于 滑移 滑移困难时发生
变形机制
全位错运动的结果
分位错运动的结果
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6.2.3 晶体的扭折 对于那些既不能滑移也不能孪生的地方，为使晶体的形状 与外力相适应，当外力超过某一临界值时，晶体会产生局部弯 曲，这种形式的变形叫扭折。扭折是晶体弯曲变形或滑移在某 些部位受阻，位错在那里堆积而成的。压缩时产生的理想对称 扭折带是由好几个楔形区域组成。扭折带的形成能协调相邻晶 粒或同一晶粒中不同部位之间的变形，并能引起晶体的再取向， 促进晶体变形能力的发挥。
材料力学基础-6-1
6.1.2 滞弹性
对于完全弹性体，加上和除去应力，应变都是瞬时 达到平衡值，没有考虑时间的关系。若在弹性范围内 加载和卸载，发现应变不是瞬时达到其平衡值，而是 通过时间的延长，逐步趋于平衡值。
图中的0a为瞬时产生的弹性 应变；a`b是在应力作用下逐 渐产生的弹性应变叫滞弹性 应变。bc=0a，是应力去除时 瞬时消失的弹性应变； c`d= a`b是除去应力后，随时间的 延长逐步消失的滞弹性应变。
滑 移 带 与 滑 移 面 的 关 系
滑移是靠位错的运动实现的。位错沿滑移面滑移，
当移动到晶体表面时，便产生了大小等于柏氏矢量的
滑移台阶，该台阶称为滑移线，就是滑移面和表面的
交线。每个台阶的高度越为100nm。在金相显微镜下
看到的滑移痕迹往往是许多相距10nm左右的滑移线
形成的滑移带。
2. 滑移系
结论：单晶体没有确定的屈服极限，其屈服极限由 取向因子决定。
同一晶体可有几组晶体学上完全等价的滑移 系，但实际先滑移的是处在软位向的滑移系。密 排六方金属滑移时，只有一组滑移面，故晶体位 向的影响就十分显著。如图。面心立方金属有多 组滑移面，晶体位向的影响就不显著，不同取向 的晶体拉伸屈服强度仅相差两倍。
晶体发生弹性变形时，应力与应变成线性关系， 去掉外力后能够完全恢复原状。弹性变形阶段应力 与应变服从虎克定律（Hooke's law） :
E 或 G
其中σ为正应力，τ为切应力，ε为正应变，γ为切应 变，E为杨氏模量(Modulus of elasticity) ，G为切变 模量。
E与G的关系满足：
映象方法”或“映象规则” —— 一种快速确定具 有最大取向因子的滑移系统的方法。
金属学与热处理课后习题答案第六章
第六章金属及合金的塑性变形和断裂2）求出屈服载荷下的取向因子，作出取向因子和屈服应力的关系曲线，说明取向因子对屈服应力的影响。
答：1）需临界临界分切应力的计算公式：τk=σs cosφcosλ，σs为屈服强度=屈服载荷/截面积需要注意的是：在拉伸试验时，滑移面受大小相等，方向相反的一对轴向力的作用。
当载荷与法线夹角φ为钝角时，则按φ的补角做余弦计算。
2）c osφcosλ称作取向因子，由表中σs和cosφcosλ的数值可以看出，随着取向因子的增大，屈服应力逐渐减小。
cosφcosλ的最大值是φ、λ均为45度时，数值为0.5，此时σs为最小值，金属最易发生滑移，这种取向称为软取向。
当外力与滑移面平行（φ=90°）或垂直（λ=90°）时，cosφcosλ为0，则无论τk数值如何，σs均为无穷大，表示晶体在此情况下根本无法滑移，这种取向称为硬取向。
6-2 画出铜晶体的一个晶胞，在晶胞上指出：1）发生滑移的一个滑移面2）在这一晶面上发生滑移的一个方向3）滑移面上的原子密度与{001}等其他晶面相比有何差别4）沿滑移方向的原子间距与其他方向有何差别。
答：解答此题首先要知道铜在室温时的晶体结构是面心立方。
1）发生滑移的滑移面通常是晶体的密排面，也就是原子密度最大的晶面。
在面心立方晶格中的密排面是{111}晶面。
2）发生滑移的滑移方向通常是晶体的密排方向，也就是原子密度最大的晶向，在{111}晶面中的密排方向<110>晶向。
3）{111}晶面的原子密度为原子密度最大的晶面，其值为2.3/a2，{001}晶面的原子密度为1.5/a24）滑移方向通常是晶体的密排方向，也就是原子密度高于其他晶向，原子排列紧密，原子间距小于其他晶向，其值为1.414/a。
6-3 假定有一铜单晶体，其表面恰好平行于晶体的（001）晶面，若在[001]晶向施加应力，使该晶体在所有可能的滑移面上滑移，并在上述晶面上产生相应的滑移线，试预计在表面上可能看到的滑移线形貌。
清华大学 材料科学基础——作业习题第六章
第六章目录6.1 要点扫描 (1)6.1.1 金属的弹性变形 (1)6.1.2 单晶体的塑性变形 (2)6.1.3 多晶体的塑性变形与细晶强化 (8)6.1.4 纯金属的塑性变形与形变强化 (10)6.1.5 合金的塑性变形与固溶强化和第二相强化 (14)6.1.6 冷变形金属的纤维强化和变形织构 (16)6.1.7 冷变形金属的回复与再结晶 (17)6.1.8 热变形、蠕变和超塑性 (20)6.1.9 断裂 (22)6.2 难点释疑 (25)6.2.1 从原子间结合力的角度了解弹性变形。
(25)6.2.2 从分子链结构的角度分析粘弹性。
(25)6.2.3 FCC、BCC和HCP晶体中滑移线的区别。
(25)6.2.4 Schmid定律与取向规则的应用。
(26)6.2.5 孪生时原子的运动特点。
(27)6.2.6 Zn单晶任意的晶向[uvtw]方向在孪生后长度的变化情况 (29)6.3 解题示范 (30)3.4 习题训练 (33)参考答案 (38)第六章 金属与合金的形变6.1 要点扫描6.1.1 金属的弹性变形1. 弹性和粘弹性所谓弹性变形就是指外力去除后能够完全恢复的那部分变形。
从对材料的力学分析中可以知道，材料受力后要发生变形，外力较小时发生弹性变形，外力较大时产生塑性变形，外力过大就会使材料发生断裂。
对于非晶体，甚至某些多晶体，在较小的应力时，可能会出现粘弹性现象。
粘弹性变形即与时间有关，又具有可恢复的弹性变形，即具有弹性和粘性变形两方面的特性。
2. 应力状态金属的弹性变形服从虎克定律，应力与应变呈线性关系：γτεσG E == 其中： yx G E εενν-==+,)1(2 E 、G 分别为杨氏模量和剪切模量，v 为泊松比。
工程上，弹性模量是材料刚度的度量。
在外力相同的情况下，E 越大，材料的刚度越大，发生弹性形变的形变量就越小。
3. 弹性滞后由于应变落后于应力，使得εσ-曲线上的加载线和卸载线不重合而形成一个闭合回路，这种现象称为弹性滞后。
第六章 金属学作业
第六章金属及合金的塑性变形与断裂(一)填空题1、硬位向是指，其含义是。
2、从刃型位错的结构模型分析，滑移的实质是。
3、由于位错的性质，所以金属才能产生滑移变形，而使其实际强度值大大的低于理论强度值。
4、加工硬化现象是指，加工硬化的结果使金属对塑性变形的抗力，造成加工硬化的根本原因是。
5、影响多晶体塑性变形的两个主要因素是、。
6、金属塑性变形的基本方式是和，冷变形后金属的强度，塑性。
7、常温下使用的金属材料以晶粒为好，而高温下使用的金属材料以晶粒为好。
8、面心立方结构的金属有个滑移系，它们是。
9、体心立方结构的金属有个滑移系，它们是。
10、密排六方结构的金属有个滑移系，它们是。
11、单晶体金属的塑性变形主要是在作用下发生的，常沿着晶体中和发生。
12、金属经冷塑性变形后,其组织和性能会发生变化,如、、等。
13、拉伸变形时，晶体转动的方向是由转到与。
14、晶体的理论屈服强度约为实际屈服强度的倍。
15、内应力是指，它分为、、三种。
(二)判断题1、在体心立方晶格中，滑移面为｛111｝×6，滑移方向为〈110〉×2，所以其滑移系有12个。
（）2、滑移变形不会引起晶体位向的变化。
（）3、因为体心立方与面心立方晶格具有相同的滑移系数目，所以它们的塑性变形能力也相同。
（）4、在晶体中，原子排列最密集的晶面间的距离最小，所以滑移最困难。
（）5、孪生变形所需要的切应力要比滑移变形所需要的切应力小得多。
（）6、金属的加工硬化是指金属冷塑性变形后强度和塑性提高的现象。
（）7、单晶体主要变形的方式是滑移和孪生。
（）8、细晶粒金属的强度高，塑性也好。
（）9、反复弯折铁丝，铁丝会越来越硬，最后会断裂。
（）10、喷丸处理能显著提高材料的疲劳强度。
（）11、晶体滑移所需的临界分切应力实测值比理论值小得多。
（）12、晶界处滑移的阻力最大。
( )13、滑移变形的同时伴随有晶体的转动，因此，随变形度的增加，不仅晶格位向要发生变化，而且晶格类型也要发生变化。
变形与断裂总结
第一章：单向静拉伸试验：是应用最广泛的力学性能试验方法之一。
1）可揭示材料在静载下的力学行为（三种失效形式）：即：过量弹性变形、塑性变形、断裂。
2）可标定出材料最基本力学性能指标：如：屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率等。
拉伸力－伸长曲线拉伸曲线：拉伸力F －绝对伸长△L 的关系曲线。
在拉伸力的作用下，退火低碳钢的变形过程四个阶段：1）弹性变形：O ～e2）不均匀屈服塑性变形：A ～C3）均匀塑性变形：C ～B4）不均匀集中塑性变形：B ～k5）最后发生断裂。
k ～第二章：弹性变形：当外力去除后，能恢复到原形状或尺寸的变形。
特点：可逆性、单值线性、同相位、变形量小本质：都是构成材料的原子(离子)或分子从平衡位置产生可逆位移的反映。
弹性模量E ：是表征材料对弹性变形的抗力，工程称材料的刚度.E 值越大，在相同应力下产生的弹性变形就越小。
弹性模量是结构材料的重要力学性能指标之一。
影响因素：1、键合方式 2、原子结构 3、晶体结构 4、化学成分 5.微观组织 6.温度 弹性模量 E 与切变模量 G 关系：(其中： ν－泊松比。
)比例极限σp ：是材料弹性变形按正比关系变化的最大应力，即拉伸应力一应变曲线上开始偏离直线时的应力值。
弹性极限：材料由弹性变形过渡到弹－塑性变形时的应力，当应力超过弹性极限σe 后，便开始产生塑性变形。
（比例极限σp 和弹性极限σe 与屈服强度的概念基本相同，都表示材料对微量塑性变形的抗力，影响因素也基本相同。
）弹性比功ae ：（弹性比能、应变比能）表示材料在弹性变形过程中吸收弹性变形功的能力。
一般用材料开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
物理意义：吸收弹性变形功的能力。
几何意义：应力σ -应变ε曲线上弹性阶段下的面积。
欲提高材料的弹性比功：提高σe ，或降低 E2E G ν=（1＋）弹簧钢：含碳较高并添加Si 、Mn 等合金元素强化基体，经淬火＋中温回火获得回火托氏体组织及冷变形强化，以提高其弹性极限，使弹性比功ae 和弹性提高。
第六章材料科学基础
§6.1.1 普弹性
图 弹性变形与塑性变形
普弹性：应力与应变间符合线性关系，即满足虎克定律；
加上或去除应力时应变都能瞬时达到平衡
弹性的实质是原子作用势 的不对称性。
可以用双原子模型来解释。
图 双原子模型
弹性变形的主要特点是： (1)可逆性 去掉外力，变
s k s cos cos
τk称为临界分切应力，与金属 的晶体结构、纯度、加工状 态、试验温度与加载速度有 关，而与外力的大小、方向 及作用方式无关。
图 镁单晶屈服应力与晶体取向的关系
k取决于金属的本性，不受，的影响； 或＝90时，s ；
k＝scoscos s的取值 ，＝45时，s最小，晶体易滑移；
形就消失。 (2)线性 应力和应变间满
足直线关系。 (3)弹性变形量小 一般说
来，金属材料和陶瓷材料 的弹性变形很小，高聚物 材料的弹性变形可以比较 大。
E G
G E
2(1 )
弹性模量是材料结合强度的标志之一。主要的影响因素有： （1）结构 弹性模量与原子序数呈周期性变化趋势。 （2）温度的影响 T升高，热振动加剧，晶格势能发生变
螺位错的双交滑移：交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。
9. 滑移的表面痕迹 单滑移：
单一方向的滑移带； 多滑移：
相互交叉的滑移带； 交滑移：
波纹状的滑移带。
滑移的位错机制
① 位错的运动是晶体的滑移 滑移是位错在切应力作用下沿着滑移面逐步移动形成的。
② 位错的增殖——弗兰克－瑞德位错源 ③ 位错的交割与塞积
图 工业纯铜中的滑移线
滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相 对于另一部分沿着一定的晶面（滑移面） 和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不 破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。
第6章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂讲解
3）应力腐蚀断裂途径 (1) 根据金属和合金的种类及介 质不同， SCC 可以是沿晶的 或穿晶的： 碳钢和铬不锈钢多系沿晶 奥氏体不锈钢多为穿晶 铝、钛、镍也多为沿晶 但也有例外的。 (2)裂纹扩展的宏观方向与应力 有关，大体垂直于主应力， 但裂纹常有分叉现象，呈枯 树枝状。
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三、应力腐蚀抗力指标
关于应力腐蚀的机理曾提出许多学说，如活性通 路—电化学理论，膜破裂理论、氢脆理论，“化学脆 变—脆性破裂”理论，腐蚀产物楔入理论、隧洞形蚀孔 撕裂理论，应力吸附破裂理论，快速溶解理论，环境破 裂三阶段理论……等。
最基本的是： 滑移—溶解理论(或称钝化模破坏理论)和氢脆理论。
4
滑移－溶解理论
在特定化学介质中首先在表面形成一层钝化膜，在拉应力 阳极金属变成正离子进入电解质中产生阳极溶解，于是在 作用下裂纹尖端地区产生局部塑性变形，滑移台阶在表面 金属表面形成蚀坑。拉应力在蚀坑或原有裂纹的尖端形成 露头时钝化膜破裂，显露出新表面。这个新表面在电解质 应力集中，使阳极电位降低，加速阳极金属的溶解。如果 溶液中成为阳极，具有钝化膜的金属表面为阴极，从而形 裂纹尖端的应力集中始终存在，那么微电池反应便不断进 成腐蚀微电池。 行，钝化膜不能恢复，裂纹将逐步向纵深扩展。
6
R
(Vc Va )
2、应力腐蚀断口特征
1）应力腐蚀断裂断口宏观特征 （1）即使是塑韧性非常好的材料，其应力腐蚀断裂的宏观形 貌也是完全脆性的。 （2）断口往往是粗糙的。 （3）在亚稳扩展区可见腐蚀产物带来的颜色变化（黑色或灰 黑色），但深裂纹的裂夹区颜色可能很浅，不易为肉 眼辨认。 （4）由于断裂总是从与介质接触的表面开始，故启裂区表面 附近的断口颜色最深，有时由于腐蚀进展的变化会在 断口上留下海滩花样。 （5）与介质接触表面往往有点蚀或蚀斑。 （6）应注意，有腐蚀产物不是判定应力腐蚀的充分条件。因 为也有可能由于别的机制导致断裂后，断口受到随后 的腐蚀。
材料力学性能第六章-金属的应力腐蚀和氢脆
a
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1Cr18Ni9Ti：固溶处理 氯离子环境下应力腐蚀断口。用10%HCl水ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ液浸蚀后，用扫描电镜观察断口。 断口上有许多正方形腐蚀坑，图中间区域三角形晶面上有三角形腐蚀坑。 图中的两种形状蚀坑说明开裂主要沿｛100｝晶面和｛111｝晶面。
a
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五、应力腐蚀抗力指标
➢①光滑试样 ➢应力腐蚀断裂是一种与时间有关的延滞断裂
当时正在谢菲尔德大学研究部工作的中国学者李熏通 过大量研究工作，在世界上首次提出钢中的“发裂” 是由于钢在冶炼过程中混进的氢原子引起的。
a
41
3.氢化物致脆
• 对于纯铁、α－钛合金、镍、钒、锆、铌及其合金，由于它们与氢 有较大的亲和力，极易生成脆性氢化物，使金属脆化。
• 例如，在室 温下，氢在α－钛合金中的溶解度较小，钛与氢又具有 较大的化学亲和力，因此容易形成氢化钛（TiHx）而产生氢脆。
a
33
氢在金属中的存在形式
a
34
• 在一般情况下，氢以间隙原子状态固溶在金属中，对于大多数工业 合金，氢的溶解度随温度降低而降低。
• 氢在金属中也可通过扩散聚集在较大的缺陷(如空洞、气泡、裂纹等) 处以氢分子状态存在。
• 氢还可能和一些过渡族、稀土或碱土金属元素作用生成氢化物，或 与金属中的第二相作用生成气体产物，如钢中的氢可以和渗碳体中 的碳原子作用形成甲烷等。
a
6
钢丝应力腐蚀与通常拉应力断裂比较
a
7
二、应力腐蚀产生的条件
• （1）只有在拉伸应力作用下才能引起应力腐蚀开裂(近年来，也发现 在不锈钢中可以有压应力引起)。 这种拉应力可以是外加载荷造成的应力，但主要是各种残余应 力，如焊接残余应力、热处理残余应力和装配应力等。 据统计，在应力腐蚀开裂事故中，由残余应力所引起的占80% 以上，而由工作应力引起的则不足20%。
金属学及热处理课后习题答案解析第六章
⾦属学及热处理课后习题答案解析第六章第六章⾦属及合⾦的塑性变形和断裂2）求出屈服载荷下的取向因⼦，作出取向因⼦和屈服应⼒的关系曲线，说明取向因⼦对屈服应⼒的影响。
答：1）需临界临界分切应⼒的计算公式：τk=σs cosφcosλ，σs为屈服强度=屈服载荷/截⾯积需要注意的是：在拉伸试验时，滑移⾯受⼤⼩相等，⽅向相反的⼀对轴向⼒的作⽤。
当载荷与法线夹⾓φ为钝⾓时，则按φ的补⾓做余弦计算。
2）c osφcosλ称作取向因⼦，由表中σs和cosφcosλ的数值可以看出，随着取向因⼦的增⼤，屈服应⼒逐渐减⼩。
cosφcosλ的最⼤值是φ、λ均为45度时，数值为0.5，此时σs为最⼩值，⾦属最易发⽣滑移，这种取向称为软取向。
当外⼒与滑移⾯平⾏（φ=90°）或垂直（λ=90°）时，cosφcosλ为0，则⽆论τk数值如何，σs均为⽆穷⼤，表⽰晶体在此情况下根本⽆法滑移，这种取向称为硬取向。
6-2 画出铜晶体的⼀个晶胞，在晶胞上指出：1）发⽣滑移的⼀个滑移⾯2）在这⼀晶⾯上发⽣滑移的⼀个⽅向3）滑移⾯上的原⼦密度与{001}等其他晶⾯相⽐有何差别4）沿滑移⽅向的原⼦间距与其他⽅向有何差别。
答：解答此题⾸先要知道铜在室温时的晶体结构是⾯⼼⽴⽅。
1）发⽣滑移的滑移⾯通常是晶体的密排⾯，也就是原⼦密度最⼤的晶⾯。
在⾯⼼⽴⽅晶格中的密排⾯是{111}晶⾯。
2）发⽣滑移的滑移⽅向通常是晶体的密排⽅向，也就是原⼦密度最⼤的晶向，在{111}晶⾯中的密排⽅向<110>晶向。
3）{111}晶⾯的原⼦密度为原⼦密度最⼤的晶⾯，其值为2.3/a2，{001}晶⾯的原⼦密度为1.5/a24）滑移⽅向通常是晶体的密排⽅向，也就是原⼦密度⾼于其他晶向，原⼦排列紧密，原⼦间距⼩于其他晶向，其值为1.414/a。
6-3 假定有⼀铜单晶体，其表⾯恰好平⾏于晶体的（001）晶⾯，若在[001]晶向施加应⼒，使该晶体在所有可能的滑移⾯上滑移，并在上述晶⾯上产⽣相应的滑移线，试预计在表⾯上可能看到的滑移线形貌。
材料科学基础复习提纲(下)
材料科学基础(下)复习提纲第六章 金属与合金的塑性变形与断裂1、常温和低温下金属塑性变形的两种主要方式为（ ）和 （ ）。
2、体心、面心、密排六方晶格金属的主要滑移系，详见表6-2。
解释体心立方的金属的塑性为什么比面心立方金属差？3、了解施密特定律，并会做相应的计算（见第六章作业）4、晶体的滑移的实质（是位错在切应力的作用下沿着滑移面逐步移动的结果）。
了解位错的交割和塞积对金属的力学性能的影响。
5、掌握塑性变形对金属组织和性能的影响。
第七章 金属及合金的回复与再结晶1、了解回复过程的组织结构和性能的变化？2、了解再结晶过程的组织结构和性能的变化？3、从金属学角度，金属的热加工和冷加工是如何划分的？ 第八章 扩散1、固态下原子扩散的机制主要有哪两种？扩散的本质原因是什么？2、掌握扩散第二定律的误差函数解，并会做相应计算。
（见作业题型）3、了解影响扩散的因素。
第九章 钢的热处理原理 1、钢的奥氏体化过程？ 2、钢在冷却过程中的转变。
高温转变⎪⎩⎪⎨⎧︒︒︒，托氏体，索氏体，珠光体C C C A 550~600600~650650~1 解释珠光体、索氏体和托氏体的力学性能与片间距的关系。
（详见P246）中温转变⎩⎨⎧︒，下贝氏体，上贝氏体S M C ~350350~600 了解下贝氏体的力学性能及生产方式（详见P261）低温转变 {下，马氏体转变、，快冷至f S C M M V V ≥（1） 什么是马氏体？马氏体的晶体结构、组织形态、性能特点？ （2） 马氏体转变的特点？3、淬火钢的回火转变过程？（一）~（五）P268~272，淬火钢回火时力学性能的变化？4、了解第一类和第二类回火脆性及解决办法？ 第十章 钢的热处理工艺1、了解退火和正火的目的？各种退火工艺的目的和适用对象。
正火工艺适用的四个主要方面。
2、淬火的加热温度的选择？原因？淬火常用的介质有哪几种？淬火常用方法？3、什么是淬透性、淬硬性？它们的差别？（详见P289）4、低温、中温、高温回火各获得什么组织？其性能有何特征？5、了解感应加热表面淬火的工作原理？淬硬层深度与电流频率的关系？5、渗碳的适用材料、主要方法、渗碳温度及渗碳介质？渗氮的适用材料、主要方法、渗氮温度及渗氮介质？第十一章 工业用钢1、 合金元素在钢里的存在方式？合金元素对铁-渗碳体相图的影响？合金元素对钢热处理过程的影响？2、 什么时回火稳定性和二次硬化？3、 造成金属腐蚀的原因？耐磨钢耐磨的原因？耐热钢的抗氧化型和热强性？ 第十二章 铸铁1、 铸铁石墨化过程？铸铁的组织？影响铸铁石墨化的因素？ 第十三章 有色金属及其合金1、 铝合金的分类及铝合金的强化方法？（重点掌握铝合金的沉淀强化P384）2、 铜合金的分类？黄铜的力学性能与含锌量的关系？锡青铜的力学性能与含锡量的关系。
第六章 金属材料性能与塑性变形
？？？
减震
恒力碟簧支吊架
第二节 弹性变形
1.2.5 滞弹性
（1）突然加载OA，产生瞬时应 变Oa ,而后产生附加应变Ah （2）快速卸载Be，产生瞬时应 变He 而后产生附加应变eO
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。
产生原因：可能与金属中点缺陷的移动有关。 在仪表和精密机械中，选用重要传感元件的材料时，需要考虑滞弹性问题。
P 载 荷 (N)
b
e p Pp s
(MPa) k
Pk
0
lk b （低碳钢的拉伸力-伸长曲线）
l
lu
l伸长 0 (mm)
p
b
k
u
（低碳钢的应力-应变曲线）
k
(%)
低碳钢的应力-应变曲线 (M Pa) b k
a
a′
0a段 aa ′段 a ′b段
弹性变形 阶段 塑性变形 阶段
但是，通常拉开n分之一个原子间距就发生了塑性变形——塑性变 形机理取代弹性变形
第二节 弹性变形
1.2.2 胡克定律
(一) 简单应力状态的胡克定律 1．单向拉伸
y
y
2．剪切和扭转
x z y
E
y
E
（1-1）
G
E G 3．E、G的关系 2(1 )
断口特征
第一节 应力－应变曲线
1.1.1 脆性材料的拉伸性能
在拉伸时只产生弹性变形，不产生或产生微量的塑性变形 强度高、塑性差的材料：玻璃、陶瓷、高强钢、铸铁
材料完全脆性的－ 曲线
弹性变形阶段 应力-应变成正比
E G
金属的疲劳断裂
二、循环硬化与循环软化
11
12
13
三、疲劳形变的不均匀性 同单调形变时一样，循环形变时金属内部的不 可逆滑移，表现于试样表面为滑移带。若每当疲 劳一段时间后，用电解抛光去除有滑移带的一薄
层（30 m）继续试验，累计的疲劳寿命可成倍提
高。这表明滑移带与疲劳起裂有关。同时有一种 滑移带，即使被抛光去除，再次疲劳试验时仍在 处出现滑移。这就叫做驻留滑移带。
16
而这些挤入、挤出是来自于驻留滑移带，如图6 －15所示，由这样挤入、挤出继续发展成为裂纹 是纯金属和单相合金形成疲劳裂纹的主要方式。
17
二、晶界萌生裂纹方式
晶界处出现较高的应力； 由于形变在晶界处出现凹槽； 晶界有杂质偏析或弱化
铝、铜、黄铜和低碳钢在大振幅疲劳条件下， 疲劳裂纹大都是由晶界开始的。
24
第I阶段的扩展机理，主要是与滑移有关，裂 纹的转向是损伤机理和断裂机理变化之表现。在 扩展的第I阶段，驻留滑移机理在滑移面上积累损 伤而促成剪切断裂。当裂纹深入后，裂尖的塑性 区中，易发生形变的方向的分布性滑移起保护作 用，而断裂就发生在正应力最大而不利于滑移的 面上，故转向正断。
25
二、ห้องสมุดไป่ตู้纹扩展的第II阶段及断口微观形貌 裂纹转向同正应力垂直起，进入第II阶段。在此
28
后半周由拉转向压，则 如图c→d→e所示，裂 纹闭合，在尖部留下折 痕，当再次拉伸时，此 折痕保留，裂纹往前伸 展一条，在此口上就留 下一条辉纹，可见辉纹 是裂纹扩展的瞬时前沿， 条纹推移的方向（垂直 于条纹）即为裂纹扩展 方向。这就是疲劳裂纹 扩展的塑性钝化模型。
29
然而在多晶体材料中，这种有辉纹的穿晶扩展断 口，并不是处在一个完整的平坦面上。而是如图6 －24所示，在不同高度的台面上扩展。台面与台面 之间的台阶连接。这台阶是大体顺着裂纹扩展方向 的。这一片一片的台面，叫做疲劳班片。图中示出 了与疲劳辉纹平行的二次裂纹。
金属断口机理及分析
名词解释延性断裂：金属材料在过载负荷的作用下，局部发生明显的宏观塑性变形后断裂。
蠕变：金属长时间在恒应力，恒温作用下，慢慢产生塑性变形的现象。
准解理断裂：断口形态与解理断口相似，但具有较大塑性变形（变形量大于解理断裂、小于延性断裂）是一种脆性穿晶断口沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展的方式发生的断裂。
解理断裂：在正应力作用下沿解理面发生的穿晶脆断。
应力腐蚀断裂：拉应力和腐蚀介质联合作用的低应力脆断疲劳辉纹：显微观察疲劳断口时，断口上细小的，相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直的显微条纹。
正断：断面取向与最大正应力相垂直（解理断裂、平面应变条件下的断裂）韧性：材料从变形到断裂过程中吸收能量的大小，是材料强度和塑性的综合反映。
冲击韧性：冲击过程中材料吸收的功除以断的面积。
位向腐蚀坑技术：利用材料腐蚀后的几何形状与晶面指数之间的关系研究晶体取向，分析断裂机理或断裂过程。
河流花样：解理台阶及局部塑性变形形成的撕裂脊线所组成的条纹。
其形状类似地图上的河流。
断口萃取复型：利用AC 纸将断口上夹杂物或第二相质点萃取下来做电子衍射分析确定这些质点的晶体结构。
氢脆：金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断。
卵形韧窝：大韧窝在长大过程中与小韧窝交截产生的。
等轴韧窝：拉伸正应力作用下形成的圆形微坑。
均匀分布于断口表面，显微洞孔沿空间三维方向均匀长大。
第一章断裂的分类及特点1.根据宏观现象分：脆性断裂和延伸断裂。
脆性断裂裂纹源：材料表面、内部的缺陷、微裂纹；断口：平齐、与正应力相垂直 ，人字纹或放射花纹。
延性断裂裂纹源：孔穴的形成和合并;断口：三区，无光泽的纤维状，剪切面断裂、与拉伸轴线成45º .2.根据断裂扩展途分：穿晶断裂与沿晶断裂。
穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部、可能为脆性断裂也可 能是延性断裂； 沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展，多属脆断。
应力腐蚀断口，氢脆断口。
3根据微观断裂的机制上分：韧窝、解理（及准解理）、沿晶和疲劳断裂 4根据断面的宏观取向与最大正应力的交角分：正断、切断正断：断面取向与最大正应力相垂直（解理断裂、平面应变条件下的断裂） 切断：断面取向与最大切应力相一致，与最大应力成45º交角（平面应力条件下的撕裂） 根据裂纹尖端应力分布的不同，主要可分为三类裂纹变形： 裂纹张开型、边缘滑开型（正向滑开型）、侧向滑开型（撒开型）裂纹尺寸与断裂强度的关系Kic ：材料的断裂韧性，反映材料抗脆性断裂的物理常量（不同于应力强度因子，与K 准则相似）a Y K c c πσ⋅=1：断裂应力（剩余强度） a ：裂纹深度（长度） Y ：形状系数（与试样几何形状、载荷条件、裂纹位置有关） 脆性材料K 准则：KI 是由载荷及裂纹体的形状和尺寸决定的量，是表征裂纹尖端应力场强度的计算量； KIC 是材料固有的机械性能参量，是表示材料抵抗脆断能力的试验量第二章裂纹源位置的判别方法： T 型法（脆断判别主裂纹），分差法（脆断判别主裂纹），变形法（韧断判别主裂纹），氧化法（环境断裂判别主裂纹），贝纹线法（适用于疲劳断裂判别主裂纹）。
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（4）解理裂纹扩展过程 • 解理裂纹形成后， 在晶粒A内部扩展只需要 克服表面张力，而表面张力数值较小，因此可以 迅速扩展，达到晶界； • 晶粒B的晶体取向与A不同，因此解理裂纹遇到晶 界后停止扩展，外加应力进一步增大，克服晶界 阻力，裂纹才能穿越晶界。 • 穿越晶界过程满足以下条件：B晶粒内仍沿着解 理面（001）扩展；转折的角度尽量小
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思考题
1）叙述韧性断裂和脆性断裂的区别。 2）何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口 形态的因素有哪些？ 3）在什么条件下容易出现沿晶断裂？ 4）解理断裂河流花样形成过程的位错机制是 什么？ 5）叙述微孔聚集型断裂裂纹萌生与扩展过程 6）查找文献，说明峰时效2024Al合金和 SiCp/2024Al复合材料断裂过程和断口特征
29
• 在晶界处，B晶粒内部的多个位置产生裂纹， 裂纹都在（001）面内形成，分别沿着 （001）面扩展
30
• 穿越晶界后，上述不同高度的（001）面上 有许多裂纹，当这些面上的裂纹相遇时， 中间夹着一层金属
• 这层金属受到很大的 应力作用，可以通过二次解理 或者切离方式断裂，从而 造成裂纹汇合，从支流变 成干流，形成河流花样
2）拉应力作用下，微孔沿应力方向伸长，形 成椭圆形（蓝）；
12
3）随着椭圆增大，质点 面上的承载面积减小， 变形逐渐集中到质点 面上，在此处形成水平 椭圆，得到颈缩区域 （阴影线区域）
4）阴影线区域类似于颈缩后拉伸试样，发生 切离断裂，微孔聚合，形成宏观断裂裂纹
13
• 讨论： “ 2）拉应力作用下，微孔 沿应力方向伸长，形成椭 圆形”过程决定了韧窝的 深浅； 抑制颈缩的能力决定韧窝深浅！ “4）阴影线区域发生切离断裂， 形成宏观断裂裂纹”过程发生材料的切离，尽管材料内 含有第二相，在此颈缩区域，没有第二相的影响，类 似于纯金属。因此基体金属对断裂过程的影响主要通 过此过程实现； “4）过程”主要与微区切离过程，而与宏观变形能力 无关，因此宏观脆性材料也有可能产生微孔聚集型断 裂特征。如金属基复合材料。 14
举例：低碳钢的低温脆性
37
解理断口
38
39
6.4 沿晶断裂
1) 产生条件：晶界上有脆性第二相薄膜或杂 质元素偏聚。断口上形成具有晶界刻面的 冰糖状形貌
40
2) 脆性第二相引起沿晶断裂时，断裂可以从第二相与基体 界面开始，也可以通过第二相解理来进行。此时晶界上 可以见到网状脆性第二相或第二相质点； 杂质元素引起沿晶断裂时，晶界光滑，看不到特殊的花 样。 3) 穿晶断裂与沿晶断裂（微观） 特点：穿晶断裂，裂纹穿过晶界。沿晶断裂，裂纹沿 晶扩展。 穿晶断裂，可以是韧性或脆性断裂；两者有时可混合 发生。 沿晶断裂，多数是脆性断裂。
42
裂纹能越过晶界，“河流”可延续到相邻晶
粒内。 （b）扭转晶界（位向差大） 裂纹不能直接穿过晶界，必须重新形核。
裂纹将沿若干组新的相互平等的解理面扩
展，形成新的“河流”。
33
• 解理断裂强度 A）一个完整的解理断裂过程包含以下步骤： 位错运动形成位错塞积（σs）——解理裂纹 形成——解理裂纹穿越晶界（ σ ） B）解理断裂过程能否进行取决于上述三个 阻力中的最大阻力 C）解理裂纹形成需要的应力<解理裂纹穿越 晶界的应力
34
• 考虑温度对σs和σb 的影响
σ 3 2 1 A 6 5 4 Tc
σc
σs
T
35
• 考虑温度对σs和σ 的影响 4：塑性变形，无解理 5 ：塑性变形，无解理 6 ：塑性变形，无解理 1 ：塑性变形，无解理 2 ：塑性变形，无解理 3 ：解理
σ
3
2 1
A 6 5 4 Tc
σc
σs
T
36
• 材料的低温脆性 核心在于温度影响σs和σc
27
• 对 c 4G 讨论：
d
1）密排面的表面能最小，最容易产生解理裂纹； bcc金属产生解理裂纹还需要满足位错反应的几何条 件，仅能在（001)次密排面产生 G（单晶） 2）d大，晶粒粗大，容易产生解理裂纹。因此细小 晶粒能够强化金属，还能够韧化金属
3）解理裂纹的形成离不开位错滑移。
28
31
解理断裂的微观断口特征电镜观察 （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。
晶界
•其方式为：切离断裂或 二次解理
32
晶界对解理断口的影响 （a）小角度倾斜晶界
21
（2）断口微观特征 • 解理面形成的每个小晶面都是穿晶断裂形成的， 在同一个晶粒内裂纹沿同一晶面发展； • 同一晶粒内部，界面不是一个平坦表面，而是 一系列晶面族，即位于不同高度的平行的晶面 构成 • 每个解理面上都能见到河流花样，发源于晶界， 中止于晶界 • 解理面附近的金属中能见到显著的塑性变形痕 迹，塑性变形量可达10％～15％。
3
• 断裂的基本类型
1、根据断裂前塑性变形大小分类：脆性断裂；韧 性断裂 2、根据断裂面的取向分类：正断；切断 3、根据裂纹扩展的途径分类：穿晶断裂；沿晶断 裂 4、根据断裂机理分类：解理断裂，微孔聚集型断 裂；纯剪切断裂
4
切离
5
• 断裂类型的划分一般从两个层次： 一是宏观断裂特征，如脆性和韧性； 二是微观断裂过程/机制
• 拉伸宏观杯锥状断口的形成 颈缩后，颈缩区域应力集中，变成三向应力状态， 且应力在中心处最大——微孔在中心处萌生—— 微孔在拉应力作用下从中心向边缘长大——达到 边缘时，应力变成平面应力状态，裂纹沿45度方 向长大，形成杯锥状断口
15
•微观断口特征
韧窝（等轴韧窝，椭圆形）形貌取决于应力状态 （1）韧窝形状 （a）正应力⊥ 微孔的平面，形成等轴韧窝； 拉伸试样中心纤维区就是等轴韧窝。 （b）拉长韧窝 扭转、或双向不等应力状态；切应力，形成 拉长韧窝； （c）撕裂韧窝 拉、弯应力状态；
23
•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。 a (011 ) : b1 [ 1 1 1] 2 a (0 1 1) : b2 [111 ] 2 a a [ 1 1 1] [111 ] a[001 ] (1) 2 2 能量上： a a 2 2 2 2 2 2 2 2 [ （－ 1 ） （－ 1 ）1 ] [ 1 1 1 ] a2 2 2 3 / 2a 2 a 2 因此反应（ 1 ）在几何上和能量上都 是满足的，可以自发进 行
26
nb 2 (1) 其中，n 2 L( i ) 2 L ( 2) Gb Gb L为位错塞积群长度
如果形成的位错塞积群 中心在晶粒中点， L＝d / 2，（2）式变成： d 1 / 2 * d * n (3) Gb Gb 把（3）带入（ 1）得到： 1 / 2 * d * b 2 Gb 4G c d c 就是金属中产生解理裂 纹需要的临界应力
举例：SiCw/Al复合材料的断裂分析 宏观脆性断裂，断裂应变小于1％ 但微观上呈现微孔聚集型断裂特征 因此不能说微孔聚集型断裂一定为韧性断裂
6
6.2 金属的延性断裂
• 纯剪切断裂（切离）
一般发生在纯金属或较软金属中，如Pb－Sn金属中
单晶体：单系滑移，沿滑移面分离 多晶体：多个滑移系同时开动
微孔聚集型断裂过程中也会 发生切离过程
（3）危害： 不及脆性断裂 断裂前机件已变形失效
杯
9
• 微孔聚集型断裂机理和微观断口特征 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，裂纹向前推进一定长度。
24
• 新形成的a[001] 位错的可动性？ ——a[001]位错布氏矢量从下向上，而在此动位错； ——后续位错反应不断进行，在交叉点处形成位错
25
• 解理裂纹形成的能量关系 解理裂纹一旦形成，位错塞积群b1和b2将会 消失，同时产生两个新的表面，位错塞积群 b1＋位错塞积群b2——两个新表面，反应是： nb1+ nb2——nb（ 形成的nb,能量是σnb） • 这部分弹性能转变成两个新表面的能量2γ ： σ nb＝ 2γ
7
• 微孔聚集型断裂及断口特征 （1）断裂特点： 断裂前产生明显宏观变形；过程缓慢； 中心断裂面垂直于最大正应力； 锥 边缘断裂面平行于最大 切应力，与主应力成45度 发生在低碳钢、调质或退火 中碳钢、时效铝合金等
杯
8
（2）断口特征
• • • • • 杯——锥状 断口三要素：纤维区、星芒区（放射区）、剪切唇 纤维区：纤维状，灰暗色： 星芒区：裂纹快速扩展。撕裂时塑性变形量大，放射 a b c d 锥 线粗 剪切唇：切断。
16
（2）韧窝大小影响参数 • 基体材料的塑性变形能力和应变强化指数 • 第二相质点的大小和密度。 注意：微观上出现韧窝，宏观上不一定是韧 性断裂。
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6.3 解理断裂
（1）断裂特点 • 断裂前基本不发生塑性变形，无明显前兆； 断口与正应力垂直，属于正断。 • 断口平齐光亮，常呈放射状或结晶状；断口由许 多小晶面构成；晶面的大小与晶粒大小对应。 • 解理面都是特定的晶体学平面，如bcc金属中为 {001}面，hcp金属中为{0001}，前者是较密排面， 后者为密排面 • 材料的韧性与脆性行为会随环境条件而改变。 例如：T↓↓、脆性↑。如低碳钢的低温脆性。
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• 微孔形成方式 1）第二相与基体的界面结合较弱时，通过界 面脱粘在第二相/基体界面形成裂纹 2）第二相与基体的界面结合较强时，通过变 形协调位错产生
3）第二相质点的断裂 4）晶界处（往往由应力集中导致）