第07章材料的变形与断裂优秀课件
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材料的断裂和韧性PPT课件
E
2
0
临界应力为：
c
2E c
1/ 2
E
c
1/ 2
2/ 1
平面应变状态下的断裂强度：
（2.7）格里菲斯公式
c
(1
2E 2 )c
1/
2
Chapter3 Properties of Materials
陶瓷、玻璃 等脆性材料
按照晶体材料断裂时裂纹扩展的途径
穿晶断裂；沿晶断裂；
根据断裂机理分类 解理断裂；剪切断裂；
根据断裂面的取向分类 正断；切断。
Chapter3 Properties of Materials
11/25/2019 4:22:35 PM
2
1.金属材料的韧性断裂与脆性断裂
韧性断裂（延性断裂）是材料断裂前及断裂过程 中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。
07amchapter3propertiesmaterials17从能量平衡的观点出发格里菲斯认为裂纹扩展的条件是物体内储存的弹性应变能的减小大于或等于开裂形成两个新表面所需增加的表面能即认为物体内储存的弹性应变能降低或释放就是裂纹扩展的动力否则裂纹不会扩展
§1-5 材料的断裂和强度
固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称为断 裂。材料的断裂是力对材料作用的最终结束，它意味 着材料的彻底失效。因材料断裂而导致的机件失效与 其他失效方式(如磨拙、腐蚀等)相比危害性最大，并 且可能出现灾难性的后果。因此，研究材料断裂的宏 观与微观构征、断裂机理、断裂的力学条件，以及影 响材料断裂的各种因素不仅具有重要的科学意义，而 且也有很大的实用价值。
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临界应力为：
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2E c
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平面应变状态下的断裂强度：
（2.7）格里菲斯公式
c
(1
2E 2 )c
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Chapter3 Properties of Materials
陶瓷、玻璃 等脆性材料
按照晶体材料断裂时裂纹扩展的途径
穿晶断裂；沿晶断裂；
根据断裂机理分类 解理断裂；剪切断裂；
根据断裂面的取向分类 正断；切断。
Chapter3 Properties of Materials
11/25/2019 4:22:35 PM
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1.金属材料的韧性断裂与脆性断裂
韧性断裂（延性断裂）是材料断裂前及断裂过程 中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。
07amchapter3propertiesmaterials17从能量平衡的观点出发格里菲斯认为裂纹扩展的条件是物体内储存的弹性应变能的减小大于或等于开裂形成两个新表面所需增加的表面能即认为物体内储存的弹性应变能降低或释放就是裂纹扩展的动力否则裂纹不会扩展
§1-5 材料的断裂和强度
固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称为断 裂。材料的断裂是力对材料作用的最终结束，它意味 着材料的彻底失效。因材料断裂而导致的机件失效与 其他失效方式(如磨拙、腐蚀等)相比危害性最大，并 且可能出现灾难性的后果。因此，研究材料断裂的宏 观与微观构征、断裂机理、断裂的力学条件，以及影 响材料断裂的各种因素不仅具有重要的科学意义，而 且也有很大的实用价值。
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《材料的断裂》PPT课件
68
3 Griffith微裂纹理论（1920年）
从玻璃工业的实际经验中，Griffith认识到微小裂 纹对玻璃强度有很大的影响，并从中得到启发，材料 的实际强度比理论强度低得多的原因可能是由于材料 中微裂纹的存在。1920年，Griffith提出：
1）脆性材料中存在微裂纹，在外力作用下裂纹尖 端引起的应力集中会大大降低材料的断裂强度；
2）对应于一定尺寸的裂纹C有一临界应力值σc，当 外加应力大于σc时裂纹便迅速扩展而导致材料断裂；
3）裂纹扩展的条件是裂纹扩展所需要的表面功能由 系统所释放的弹性应变能所提供。
Griffith分析了物体中存在的裂纹长度对开裂应力 的影响并首次得出了脆性材料中的这种定量关系。
69
经推导，临界应力为：
55
以应用力学为基础，从宏观现象研究材料应力
-应变状况，进行力学分析，总结出经验规律， 作为设计、使用材料的依据，这是力学工作者的 任务。
从材料的微观结构来研究材料的力学性状，也
就是研究材料宏观力学性能的微观机理，从而找 出改善材料性能的途径，为工程设计提供理论依 据，这是材料科学的研究范围。
56
a
对比式（1）和（2），得
即
59
下面求解λ。脆性物体发生断裂时不发生 塑性变形，所以没有塑性变形功。外力拉伸 物体时，物体中储存弹性应变能，断裂时， 弹性应变能释放，转变为表面能，只有当弹 性应变能等于物体断裂后产生新的表面的表 面能时，断裂才可以发生。拉伸时两原子之 间弹性应变能为应力曲线以下的面积（图中 阴影部分）。
1 理论断裂强度
在分析材料的断裂强度时，人们希望了解 在断裂前材料所能承受的最大应力，即从理论上 来说材料的强度应有多高。
有几种推算晶体材料理论强度的方法，其 中以双原子作用力模型应用的较为普遍。
3 Griffith微裂纹理论（1920年）
从玻璃工业的实际经验中，Griffith认识到微小裂 纹对玻璃强度有很大的影响，并从中得到启发，材料 的实际强度比理论强度低得多的原因可能是由于材料 中微裂纹的存在。1920年，Griffith提出：
1）脆性材料中存在微裂纹，在外力作用下裂纹尖 端引起的应力集中会大大降低材料的断裂强度；
2）对应于一定尺寸的裂纹C有一临界应力值σc，当 外加应力大于σc时裂纹便迅速扩展而导致材料断裂；
3）裂纹扩展的条件是裂纹扩展所需要的表面功能由 系统所释放的弹性应变能所提供。
Griffith分析了物体中存在的裂纹长度对开裂应力 的影响并首次得出了脆性材料中的这种定量关系。
69
经推导，临界应力为：
55
以应用力学为基础，从宏观现象研究材料应力
-应变状况，进行力学分析，总结出经验规律， 作为设计、使用材料的依据，这是力学工作者的 任务。
从材料的微观结构来研究材料的力学性状，也
就是研究材料宏观力学性能的微观机理，从而找 出改善材料性能的途径，为工程设计提供理论依 据，这是材料科学的研究范围。
56
a
对比式（1）和（2），得
即
59
下面求解λ。脆性物体发生断裂时不发生 塑性变形，所以没有塑性变形功。外力拉伸 物体时，物体中储存弹性应变能，断裂时， 弹性应变能释放，转变为表面能，只有当弹 性应变能等于物体断裂后产生新的表面的表 面能时，断裂才可以发生。拉伸时两原子之 间弹性应变能为应力曲线以下的面积（图中 阴影部分）。
1 理论断裂强度
在分析材料的断裂强度时，人们希望了解 在断裂前材料所能承受的最大应力，即从理论上 来说材料的强度应有多高。
有几种推算晶体材料理论强度的方法，其 中以双原子作用力模型应用的较为普遍。
第七章 材料的变形与断裂
孪生变形产生的塑性变形量一般不超过10％，但是孪 生使晶体位向变化，从而引起滑移系取向变化，能促进滑 移的发生。往往孪生与滑移交替发生，即可获得较大的塑 性变形量。
第四节 单晶体的塑性变形
金属室温塑变主要以滑移和孪生两种方式进行。实际金属材料多为多晶体。 但多晶体的塑变与组成它的各晶粒的变形有关。 一、单晶体塑变机制 (一)滑移 1. 滑移的位错机制
(二)孪生
孪生是冷塑性变形的另一种重要形式，常作为滑移不易进行时的补充。
图2-10 面心立方晶体孪生变形示意图 a）孪生方向与孪晶面 b）孪生时原子切变过程
图2-4 35钢的包申格效应
第三节 滑移与孪晶变形
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。 滑移线和滑移带
滑移系：一个滑移面（密排面）和其上的一个滑移方向（密排 方向）组成一个滑移系。滑移系越多，晶体塑性越好。
滑移时晶体的转动和旋转 拉伸时,滑移面和滑移方 向趋于平行于力轴方向 压缩时，滑移面逐渐趋 于垂直于压力轴线。
滑移是由位错运动造成的 （滑移位错机制）
孪晶：切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面（孪晶面）和 一定的晶相（孪生方向）相对于另一部分做均匀的切变所产生 的变形。
1.孪生：均匀切变；滑移：塑性变形是不均勺的。
第一节 金属变形概述
• 金属材料、陶瓷材料和玻璃化温度以下的 高分子材料属于能弹性，弹性回复力是键长和 键角的微小改变所引起的焓变所引起的，而熵 的变化所引起的弹性回复力可忽略。处于高弹 态的橡胶则属于熵弹性。无应力作用时大分子 链呈无规线团状，构象数最大，因此熵值最大。 拉伸时，大分子链的伸展使构象数减少，熵值 下降，自由焓增高，有自发回复到自由焓低的 原始卷曲状的趋势，这是弹性回复力产生的主 要原因。能弹性也称普弹性，能弹性材料弹性 模量大，弹性变形量小，其应力-应变关系符合 虎克定律。与能弹性材料不同，具有熵弹性的 材料的弹性模量小，弹性变形量大，例如天然 橡胶，其弹性模量仅为一般固体材料的万分之 一左右，而延伸率高达500～1000%。
材料的变形课件PPT课件
材料在外力作用下，当外力较小时将发生弹性变形，随着外力的逐步增大，进而 会发生永久变形，直至最终断裂。在这个过程中，不仅其形状或尺寸发生了变化， 其内部组织以及相关的性能也都会发生相应变化。
研究材料在塑性变形中的行为特点，分析其变形机理以及影响因素具有十分重要 的理论和实际意义。
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第22页/共48页
6.交滑移
两个或两个以上滑移面沿着同一个滑 移方向同时或交替进行滑移的现象， 称作交滑移。
第23页/共48页
交滑移
§3.2.2 孪生
单晶体中如果滑移系由 于某些情况而不能开动， 就会发生另一种重要的变 形，这就是孪生。
在金相显微镜下一般呈 带状，称为孪晶带。
第24页/共48页
1.孪生的晶体学 孪晶是晶体内部的一种均匀切变过程。 面心立方 {111}面为孪生面，<112>为孪生方向。fcc晶体是一系列平行的(111)
§3.2.1 滑移
1.滑移现象 如果对经过抛光的退火态工业纯铜
多晶体试样施加适当的塑性变形，然 后在金相显微镜下观察，就可以发现 原抛光面呈现出很多相互平行的细线。
图 工业纯铜中的滑移线
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在普通金相显微镜中发现的滑移线其 实由多条平行的更细的线构成，现在 称前者为滑移带，后者为滑移线。
形变孪晶：在形变过程中形成的孪晶组织，在金相形貌上一般呈现透镜片状，多 数发源于晶界，终止于晶内，又称机械孪晶。
退火孪晶：变形金属在退火过程中也可能产生孪晶组织，一般孪晶界面平直，且 孪晶片较厚。
第30页/共48页
§3.2.3 晶体的扭折
在一些晶体中，由于某些特殊原因， 既不能进行滑移也不能进行孪生的晶 体将通过其他方式进行塑性变形。
研究材料在塑性变形中的行为特点，分析其变形机理以及影响因素具有十分重要 的理论和实际意义。
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6.交滑移
两个或两个以上滑移面沿着同一个滑 移方向同时或交替进行滑移的现象， 称作交滑移。
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交滑移
§3.2.2 孪生
单晶体中如果滑移系由 于某些情况而不能开动， 就会发生另一种重要的变 形，这就是孪生。
在金相显微镜下一般呈 带状，称为孪晶带。
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1.孪生的晶体学 孪晶是晶体内部的一种均匀切变过程。 面心立方 {111}面为孪生面，<112>为孪生方向。fcc晶体是一系列平行的(111)
§3.2.1 滑移
1.滑移现象 如果对经过抛光的退火态工业纯铜
多晶体试样施加适当的塑性变形，然 后在金相显微镜下观察，就可以发现 原抛光面呈现出很多相互平行的细线。
图 工业纯铜中的滑移线
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在普通金相显微镜中发现的滑移线其 实由多条平行的更细的线构成，现在 称前者为滑移带，后者为滑移线。
形变孪晶：在形变过程中形成的孪晶组织，在金相形貌上一般呈现透镜片状，多 数发源于晶界，终止于晶内，又称机械孪晶。
退火孪晶：变形金属在退火过程中也可能产生孪晶组织，一般孪晶界面平直，且 孪晶片较厚。
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§3.2.3 晶体的扭折
在一些晶体中，由于某些特殊原因， 既不能进行滑移也不能进行孪生的晶 体将通过其他方式进行塑性变形。
第七章 固体材料的变形与断裂
图7-7 分切应力的分析图
当 和 都 接 近 45º， 取 向 因 子取得极大值，s最低，称为软
位向，在外力作用下最易塑变；
当和只要有一个接近90º时， 取向因子趋近于零，s趋近无穷
大，叫硬位向，此时不会产生滑 移，直至断裂。
图7-7 分切应力的分析图
显然，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。
8(c)。使滑移面法线与外力轴夹角增大，使外力与滑
移方向夹角变小。
图7-8 单晶体拉伸变形过程
转动机制：滑移前如图中虚线所示。滑移后，每 层薄片之间，沿滑移面和滑移方向产生相对位移，如 图中实线所示。
图7-9 拉伸时晶体转动机制示意图
力偶n1－n2 使晶体向拉力轴方向转动， 角逐渐变大。
图7-9 拉伸时晶体转动机制示意图
单晶圆柱体截面积为A，轴向拉力 P，则P在滑移方向的分力为Pcos，
而滑移面的面积为A/cos，于是，
外力在该滑移面沿滑移方向的分
切应力 为：
图7-7 分切应力的分析图
式中，P/A为试样拉伸时横截面上的正应力。
当滑移系中的分切应力达到其 临界分切应力值而开始滑移时，则
P/A 为 宏 观 上 的 起 始 屈 服 强 度 s ， cos cos称为取向因子。
图7-3 金属单晶体拉伸 后的实物照片
滑移带并不是单一条线，而是由一系列相互平 行的更细的线所组成的，称为滑移线，如图7-4所示。
图7-4 滑移带形成示意图
晶体塑性变形是不均匀性的，滑移只是集中发生 在一些晶面上，而滑移带或滑移线之间的晶体层片则 未产生变形，只是彼此之间作相对位移而已。
2．滑移系
塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动， 这些晶面和晶向分别称为“滑移面”和“滑移方向”。 晶体结构不同，其滑移面和滑移方向也不同。
当 和 都 接 近 45º， 取 向 因 子取得极大值，s最低，称为软
位向，在外力作用下最易塑变；
当和只要有一个接近90º时， 取向因子趋近于零，s趋近无穷
大，叫硬位向，此时不会产生滑 移，直至断裂。
图7-7 分切应力的分析图
显然，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。
8(c)。使滑移面法线与外力轴夹角增大，使外力与滑
移方向夹角变小。
图7-8 单晶体拉伸变形过程
转动机制：滑移前如图中虚线所示。滑移后，每 层薄片之间，沿滑移面和滑移方向产生相对位移，如 图中实线所示。
图7-9 拉伸时晶体转动机制示意图
力偶n1－n2 使晶体向拉力轴方向转动， 角逐渐变大。
图7-9 拉伸时晶体转动机制示意图
单晶圆柱体截面积为A，轴向拉力 P，则P在滑移方向的分力为Pcos，
而滑移面的面积为A/cos，于是，
外力在该滑移面沿滑移方向的分
切应力 为：
图7-7 分切应力的分析图
式中，P/A为试样拉伸时横截面上的正应力。
当滑移系中的分切应力达到其 临界分切应力值而开始滑移时，则
P/A 为 宏 观 上 的 起 始 屈 服 强 度 s ， cos cos称为取向因子。
图7-3 金属单晶体拉伸 后的实物照片
滑移带并不是单一条线，而是由一系列相互平 行的更细的线所组成的，称为滑移线，如图7-4所示。
图7-4 滑移带形成示意图
晶体塑性变形是不均匀性的，滑移只是集中发生 在一些晶面上，而滑移带或滑移线之间的晶体层片则 未产生变形，只是彼此之间作相对位移而已。
2．滑移系
塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动， 这些晶面和晶向分别称为“滑移面”和“滑移方向”。 晶体结构不同，其滑移面和滑移方向也不同。
金属的塑性变形和断裂分析PPT教案
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原因：
➢ 多晶体先在取向最有利的晶粒中发生滑移， 产生位错塞积，位错塞积群应力：
n0 nL
晶粒越小→L越小→n越小 →τ越小
所以，在同样的外加应力下，小晶粒的应力集 中小，则需要在较大的外加应力下才能使相邻 的晶粒发生塑变，所以，d↓→ σs ↑
晶界强化：这种用细化晶粒增加晶界提高金属强 度的方法叫做晶界强化；
②同理，沿原子密度最大的晶向滑动时，阻力最 小；
第17页/共78页
•几种常见金属的滑移面与滑移方向如表6－2所示；
说明：滑移系越多，滑移时可供采用的空间位 向也越多，所以该金属的塑性也越好，而且滑移 方向的作用大于滑移面的作用； 所以，fcc的塑性最好，bcc次之，hcp最差；
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2.3滑移的临界分切应力： 临界分切应力：使滑移系开动的最小分切应力； 如图所示；
第44页/共78页
1.4多晶体变形的不均匀性： •由于晶界及相邻晶粒位向的影响：①有的晶粒变 形大，有的晶粒变形小；②一个晶粒内部变形也 不均匀，呈现“竹节形”变形，如图6－22所示；
第45页/共78页
2、晶粒大小对塑性变形的影响： 2.1多晶体的变形抗力大于单晶体： 原因：晶界和相邻晶粒位向差阻碍了位错的运动，
第49页/共78页
2.3细晶粒在强度高的同时，塑、韧性也较好；
➢ 原因： ①晶粒细小，单位面积的晶粒数目多，有利于变
形的取向多； ②晶粒细小，晶内和晶界的变形差异小，变形均
匀，引起的应力集中小，不易开裂，在断裂 前可以承受较大的形变量； ③晶粒细小，晶界多，且曲折，不利于裂纹的传 播； ➢ 所以，细小的晶粒具有强度高，塑、韧性好 的综合机械性能；
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原因：
➢ 多晶体先在取向最有利的晶粒中发生滑移， 产生位错塞积，位错塞积群应力：
n0 nL
晶粒越小→L越小→n越小 →τ越小
所以，在同样的外加应力下，小晶粒的应力集 中小，则需要在较大的外加应力下才能使相邻 的晶粒发生塑变，所以，d↓→ σs ↑
晶界强化：这种用细化晶粒增加晶界提高金属强 度的方法叫做晶界强化；
②同理，沿原子密度最大的晶向滑动时，阻力最 小；
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•几种常见金属的滑移面与滑移方向如表6－2所示；
说明：滑移系越多，滑移时可供采用的空间位 向也越多，所以该金属的塑性也越好，而且滑移 方向的作用大于滑移面的作用； 所以，fcc的塑性最好，bcc次之，hcp最差；
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2.3滑移的临界分切应力： 临界分切应力：使滑移系开动的最小分切应力； 如图所示；
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1.4多晶体变形的不均匀性： •由于晶界及相邻晶粒位向的影响：①有的晶粒变 形大，有的晶粒变形小；②一个晶粒内部变形也 不均匀，呈现“竹节形”变形，如图6－22所示；
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2、晶粒大小对塑性变形的影响： 2.1多晶体的变形抗力大于单晶体： 原因：晶界和相邻晶粒位向差阻碍了位错的运动，
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2.3细晶粒在强度高的同时，塑、韧性也较好；
➢ 原因： ①晶粒细小，单位面积的晶粒数目多，有利于变
形的取向多； ②晶粒细小，晶内和晶界的变形差异小，变形均
匀，引起的应力集中小，不易开裂，在断裂 前可以承受较大的形变量； ③晶粒细小，晶界多，且曲折，不利于裂纹的传 播； ➢ 所以，细小的晶粒具有强度高，塑、韧性好 的综合机械性能；
金属材料的断裂和断裂韧性课件
4.4.3 裂纹扩展的能量释放率GI和断裂韧性GIc
➢分析原理：能量法
应变能释放率
扩展 临界
裂纹扩展需要吸 收的能量率
稳定
dU GI dA
裂纹临界条件：G准则
G Ic
dS dA
40
金属材料的断裂和断裂韧性课件
K与G的关系
G
Gc Ic
1K E
1 2
E
2 c
K
2 Ic
41
金属材料的断裂和断裂韧性课件
断裂力学和断裂韧性
➢ 为防止裂纹体的低应力脆断，不得不对其强度——断裂抗
力进行研究，从而形成了断裂力学这样一个新学科。
➢ 断裂力学的研究内容包括裂纹尖端的应力和应变分析；建
立新的断裂判据；断裂力学参量的计算与实验测定，其中 包括材料的力学性能新指标——断裂韧性及其测定，断裂 机制和提高材料断裂韧性的途径等。
随第二相体积分数的增加，钢的韧性都下降，硫化物比碳化物 的影响要明显得多。
➢ 2 基体的形变强化
基体的形变强化指数越大，则塑性变形后的强化越强烈，其结
* Kepn
果是各处均匀的变形。微孔长大后的聚合，将按正常模式进行， 韧性好；相反地，如果基体的形变强化指数小，则变形容易局
部化，较易出现快速剪切裂开。这种聚合模式韧性低。
断裂前无明显的塑性变形，吸收的能量很少，而裂纹的 扩展速度往往很快，几近音速，故脆性断裂前无明显的 征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的 后果 。
➢ 在工程应用中，一般把Ψk <5％定为脆性断裂， Ψk =5％定
为准脆性断裂， Ψ k >5％定为韧性断裂。
➢ 材料处于脆性状态还是韧状态并不是固定不变的，往往因
金属及合金的塑性变形与断裂PPT课件
03
02
延性断裂的断口呈纤维状，色泽灰暗，表面 有明显的塑性变形。
04Biblioteka 脆性断裂：材料在断裂前几乎没有塑性变 形，断裂突然发生。
脆性断裂的断口呈结晶状，色泽光亮，没 有明显的塑性变形。
05
06
脆性断裂多发生在脆性材料中，如玻璃、 陶瓷等。
疲劳断裂与环境断裂
疲劳断裂：材料在循环载荷作用下发 生的断裂现象。
THANKS.
塑性变形机制
滑移
金属晶体在切应力作用下，晶体的一 部分相对于另一部分沿一定的晶面和 一定的晶向相对移动的现象。
孪生
金属晶体在切应力作用下，沿一定的 晶面和一定的晶向发生切变的现象。
晶界滑移
在多晶体金属中，晶界在切应力作用 下发生相对移动的现象。
晶界滑移与位错交互作用
晶界滑移与位错运动之间的相互作用， 影响金属的塑性变形行为。
金属及合金的塑性变形与断裂 涉及到材料科学、物理学、力 学等多个学科领域，开展跨学 科研究有助于深入理解其内在 机制，推动相关领域的发展。
通过实验与计算模拟相结合的 方法，可以更全面地揭示金属 及合金的塑性变形与断裂行为 ，为实际应用提供更准确的指 导。
将智能化与自动化技术应用于 金属及合金的塑性变形与断裂 研究中，可以提高研究效率， 降低实验成本，为实际生产提 供有力支持。
屈服准则
描述材料开始进入塑性变形的应力条件 。例如，Tresca和Von Mises屈服准则。
VS
应力-应变关系
描述金属或合金在塑性变形过程中应力与 应变之间的关系，通常呈现非线性特征。
加工硬化与软化现象
加工硬化
随着塑性变形的增加，金属或合金的强度和 硬度提高，但延展性和韧性下降的现象。
金属材料的断裂和断裂韧性课件PPT
有撕裂棱，河流花样不明显
撕裂棱的形成过程示意图
19
准解理断裂和解理断裂的异同
同：穿晶断裂，脆性断裂，有小解理刻面、台阶。
①断裂起源：准解理源于晶粒内部的空洞、夹杂物、第二相粒子 ，而 解理则自晶界/相界一侧向另一侧延伸； ② 裂纹传播途径：准解理向四周放射状不连续扩展，与晶粒位向无关， 与细小第二相有关，解理是由晶界向晶内扩展，形成河流花样； ③ 解理位向：准解理小平面的位向与基体解理面之间无确定的对应关 系，源头不清。
微观：大量韧窝，内含夹杂物或第二相，微孔萌生处。
无明显塑性变形，沿解理面分离，穿晶断裂
在晶内微孔聚合，穿晶断裂
应力强度因子KI和断裂韧性KIc
ห้องสมุดไป่ตู้
低于许用应力，构件突然断裂 金属：裂纹尖端塑性区尺寸远小于裂纹长度。
微孔聚集断裂机理：形核—长大—聚合
三种基本断裂类型的实例
宏观解理断口：较为平坦、发亮的结晶状断面。
前推进直至断裂。
27
微孔聚合的三种形式 剪切裂纹一般沿滑移线发生.
高强材度料钢内常部发本生身这存种在模着式大的片微的孔夹聚杂合，，微 微孔成核源：第二相粒子其。韧孔性通较过“脆正弱常的的夹”杂微连孔成聚裂合纹模。式要 在应力作用下，基体和第差二。相这粒是子不的合界格面材脱料开出，现的一种缺陷 或第二相粒子本身开裂，于是出现微孔。
的流向与裂纹扩展方向一致 。
➢ 原因一：通过扭曲晶界或大角度晶界，相邻晶粒内解理面位向差很
大，裂纹在晶界受阻，裂纹尖端高应变激发晶界另一侧面裂纹成核。
➢ 原因二：裂纹不沿单一晶面发生，在跨越若干个相互平行的位于不
同高度上的解理面处发生，在交界处形成台阶。
➢ 解理断裂的另一个微观特征：舌状花样，它是解理裂纹沿孪晶界扩
撕裂棱的形成过程示意图
19
准解理断裂和解理断裂的异同
同：穿晶断裂，脆性断裂，有小解理刻面、台阶。
①断裂起源：准解理源于晶粒内部的空洞、夹杂物、第二相粒子 ，而 解理则自晶界/相界一侧向另一侧延伸； ② 裂纹传播途径：准解理向四周放射状不连续扩展，与晶粒位向无关， 与细小第二相有关，解理是由晶界向晶内扩展，形成河流花样； ③ 解理位向：准解理小平面的位向与基体解理面之间无确定的对应关 系，源头不清。
微观：大量韧窝，内含夹杂物或第二相，微孔萌生处。
无明显塑性变形，沿解理面分离，穿晶断裂
在晶内微孔聚合，穿晶断裂
应力强度因子KI和断裂韧性KIc
ห้องสมุดไป่ตู้
低于许用应力，构件突然断裂 金属：裂纹尖端塑性区尺寸远小于裂纹长度。
微孔聚集断裂机理：形核—长大—聚合
三种基本断裂类型的实例
宏观解理断口：较为平坦、发亮的结晶状断面。
前推进直至断裂。
27
微孔聚合的三种形式 剪切裂纹一般沿滑移线发生.
高强材度料钢内常部发本生身这存种在模着式大的片微的孔夹聚杂合，，微 微孔成核源：第二相粒子其。韧孔性通较过“脆正弱常的的夹”杂微连孔成聚裂合纹模。式要 在应力作用下，基体和第差二。相这粒是子不的合界格面材脱料开出，现的一种缺陷 或第二相粒子本身开裂，于是出现微孔。
的流向与裂纹扩展方向一致 。
➢ 原因一：通过扭曲晶界或大角度晶界，相邻晶粒内解理面位向差很
大，裂纹在晶界受阻，裂纹尖端高应变激发晶界另一侧面裂纹成核。
➢ 原因二：裂纹不沿单一晶面发生，在跨越若干个相互平行的位于不
同高度上的解理面处发生，在交界处形成台阶。
➢ 解理断裂的另一个微观特征：舌状花样，它是解理裂纹沿孪晶界扩
金属的塑性变形和断裂分析课件
腐蚀速率
金属腐蚀的速度，通常以单位 时间内腐蚀的深度或质量损失
表示。
腐蚀防护采用涂层、电镀、缓来自剂等措 施来减缓金属的腐蚀速率。
提高金属抗疲劳和抗腐蚀的方法
材料选择
选择具有优异抗疲劳和抗腐蚀 性能的材料，如不锈钢、钛合
金等。
表面处理
采用喷涂、电镀、化学镀等表 面处理技术，提高金属表面的 耐腐蚀性能。
金属的塑性变形和断 裂分析课件
目录
CONTENTS
• 金属的塑性变形 • 金属的断裂分析 • 金属的塑性和韧性 • 金属的强度和硬度 • 金属的疲劳和腐蚀
01 金属的塑性变形
塑性变形的定义
塑性变形：金属在受到外力作用 时，发生的不可逆的形状变化。
塑性变形是一种不可逆的永久变 形，即使外力撤去，也无法恢复
温度
温度对金属的塑性变形有显著影响，温度升高， 金属的塑性增加，更容易发生塑性变形。
应变速率
应变速率越快，金属的塑性越差；应变速率越慢 ，金属的塑性越好。这是因为应变速率快时，金 属内部的应变硬化速度跟不上应变速率，导致金 属容易发生断裂。
02 金属的断裂分析
断裂的定义和分类
总结词
断裂是金属材料在受力过程中发生的永久性结构变化，通常表现为突然的开裂或分离。
强度和硬度在一定程度上可以相互转换，但转换公式因材料和测试方法 而异。
强度和硬度的关系对于材料的选择和应用具有重要的指导意义，例如在 机械零件的设计和制造中，需要根据零件的工作条件和要求合理选择材 料的强度和硬度。
05 金属的疲劳和腐蚀
金属的疲劳
疲劳定义
金属在循环应力作用下 ，经过一段时间后发生
提高金属塑性和韧性的方法
合金化
材料的断裂PPT课件
2）脆性断裂：材料断裂前基本不产生明显宏观塑性变形，无 明显预兆，表现为突然发生的快速断裂，故具有很大危险性。
特点：断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放 射状或结晶状。
矩形截面板状试样脆性断口可见“人字纹花样”。
人字纹放射方向与裂纹扩展方向平行，其尖顶指向裂纹源。
（二）穿晶断裂与沿晶断裂
铜材在拉伸断口特征－细小等轴韧窝
25
韧窝形状：视应力状态不同而异 有三类：等轴韧窝、拉长韧窝和撕裂韧窝。 1）等轴状韧窝： 微孔在垂直于正应力的平面上各方向长大倾向相同。
铜材在拉伸断口特征－细小等轴韧窝
26
2）拉长韧窝： 在扭转载荷或双向不等拉伸条件下，因切应力作用而形成。 在匹配断口上韧窝拉长方向相反；（拉伸断口剪切唇部）
应变硬化指数越大，越难于发生内缩颈，故韧窝尺寸变小。 3）外加应力的大小和状态。
通过影响材料塑性变形能力，而间接影响韧窝深度。
必须指出：微孔聚集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。因宏观为脆性断 裂，但在局部区域内也能有塑性变形，从而显示出韧窝形态。
只有微观断口存在大量韧窝时，宏观上才表现为韧性断裂。
面)垂直于拉伸应力方向。
杯锥状断口形成示意图 a）缩颈导致三向应力 b）微孔形成 C）微孔长大 d）微孔连接形成锯齿状
e）边缘剪切断裂
8
纤维区：裂纹扩展速率很慢，当裂纹达到临界尺寸后就快速 扩展面形成放射区。
放射区：裂纹快速、低能撕裂形成的，有放射线花样特征。 放射线平行于裂纹扩展方向，垂直于裂纹前瑞(每一瞬间)的轮
3）解理断裂
28
2）解理断裂：
金属材料在一定条件（如低温、高应变速率，或有三向拉应 力状态）下，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（解理面）产生的穿晶断裂。
材料的变形最新课件
• 孪生方向η1； η2
• 切变平面：垂 直于K1并包含 η1方向的平面。
《材料的变形》PPT课件 (2)
一些合金的孪生要素
《材料的变形》PPT课件 (2)
（3）孪生机制
• 孪生时，整个孪晶区发生均匀切变； • 各层原子相对位移可借助不全位错的移动实现 • 例如fcc结构，孪生面(111)，孪生方向[112],位移矢
• (2)由于厚度限制，由孪生提供的形变量是很 小的，特别是在六方结构晶体中。
• (3)孪生可以改变晶体的方位，使某些滑移系 处于有利位向，有利于滑移。
《材料的变形》PPT课件 (2)
相同点
晶体位向
位移量
不 同 对塑变的贡献 点
变形应力
变形条件
变形机制
滑移
孪生
沿一定的晶面、晶向进行；不改变结构。
不改变（对抛光面观察无 重现性）。
滑移方向上原子间距的整 数倍，较大。
很大，总变形量大。
改变，形成镜面对称关系（对抛光 面观察有重现性）
小于孪生方向上的原子间距， 较小。
有限，总变形量小。
有一定的临界分切压力
所需临界分切应力远高于滑移
一般先发生滑移
滑移困难时发生
全位错运动的结果
《材料的变形》PPT课件 (2)
分位错运动的结果
(2)孪生几何学
A / cos A 当开始滑移时 c scos cos
《材料的变形》PPT课件 (2)
Ｍｇ晶体的屈服应力与取向
临界分切应力是材料常数， 与滑移系位向无关； 屈服应力与滑移系方向有关； 软取向：有些滑移系与外力 的取向接近45º角，处于易滑 移 的 位 向 ， σs 较 小 ， 称 为
“软取向”。
• 实验发现变形后晶体中位 错的密度显著提高
• 切变平面：垂 直于K1并包含 η1方向的平面。
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一些合金的孪生要素
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（3）孪生机制
• 孪生时，整个孪晶区发生均匀切变； • 各层原子相对位移可借助不全位错的移动实现 • 例如fcc结构，孪生面(111)，孪生方向[112],位移矢
• (2)由于厚度限制，由孪生提供的形变量是很 小的，特别是在六方结构晶体中。
• (3)孪生可以改变晶体的方位，使某些滑移系 处于有利位向，有利于滑移。
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相同点
晶体位向
位移量
不 同 对塑变的贡献 点
变形应力
变形条件
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滑移
孪生
沿一定的晶面、晶向进行；不改变结构。
不改变（对抛光面观察无 重现性）。
滑移方向上原子间距的整 数倍，较大。
很大，总变形量大。
改变，形成镜面对称关系（对抛光 面观察有重现性）
小于孪生方向上的原子间距， 较小。
有限，总变形量小。
有一定的临界分切压力
所需临界分切应力远高于滑移
一般先发生滑移
滑移困难时发生
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(2)孪生几何学
A / cos A 当开始滑移时 c scos cos
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Ｍｇ晶体的屈服应力与取向
临界分切应力是材料常数， 与滑移系位向无关； 屈服应力与滑移系方向有关； 软取向：有些滑移系与外力 的取向接近45º角，处于易滑 移 的 位 向 ， σs 较 小 ， 称 为
“软取向”。
• 实验发现变形后晶体中位 错的密度显著提高
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2. 原因：维持材料均匀变形的原因是材料发生 了加工硬化。 已经发生变形处的强度提高， 进一步变形困难，即变形要在更大的应力作 用下才能进行。下一步的变形发生在未变形 或变形相对较小的位置，达到同样变形后， 在更大的应力作用下发生变形。
塑性变形过程－－颈缩
1. 颈缩：试样将开始发生不均匀的塑性变形， 产生了颈缩，即塑性变形集中在一局部区域 进行。
3. 应变：物体形状尺寸所发生的相对改变。物体内部 某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比 值称为“线应变”；物体内两互相垂直的平面在变 形后夹角的改变值称为“剪应变”或“角应变”； 变形后物体内任一微小单元体体积的改变同原单位 体积之比值称为“体积应变”。
变形过程
低碳钢的拉伸曲线如 图所示。
3. 屈服强度：表示材料对开始发生微量塑性变形的抗 力，也称为屈服极限，用σБайду номын сангаас表示。对具有屈服现象 的材料用屈服现象发生时对应的应力表示；对屈服 现象不明显的材料，则以所产生的塑性应变答0.2% 时的应力值表示。
塑性变形过程－－均匀变形
1. 均匀变形：在屈服后的变形阶段，试样整体 进行均匀的塑性变形。如果不再增加外力， 材料的变形将不能继续下去。
4. 实质： 弹性变形的实质是在应力的作用下，材料内 部原子间距就偏离了平衡位置，但未超过其原子间 的结合力。晶体材料反应为晶格发生了伸长(缩短) 或歪扭。原子的相邻关系还未发生改变，故外力去 除后，原子间结合力便可以使变形完全恢复。
塑性变形
1. 定义：不能恢复的永久性变形叫塑性变形。当应力 大于弹性极限时，材料不但发生弹性变形，而且还 发生塑性变形，即在外力去除后，其变形不能得到 完全的恢复，而具有残留变形或永久变形。
作用在晶格上的正应力只能使晶格的距离加大，不 能使原子从一个平衡位置移动到另一平衡位置，不能产 生塑性变形；正应力达到破坏原子间的吸引力，晶格分 离，材料则出现断裂。
材料在正应力作用下，在应力方向虽然不能发生塑 性变形，但应力的分解在另一方向就有切应力，可使晶 格沿另外的方向上发生滑移。
第一节 变形概述
• 名词概念 • 变形过程 • 弹性变形 • 塑性变形 • 塑性变形的方式
变形过程中的名词概念
1. 变形：物体在外力的作用下，其形状和尺寸的改变。
2. 应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。 同截面垂直的称为“正应力”或“法向应力”，同 截面相切的称为“剪应力”或“切应力”。
2. 塑性：是指材料能发生塑性变形的量或能力，用伸 长率(δ%)或断面减缩率(ψ%)表示。
3. 实质：塑性变形的实质是在应力的作用下，材料内 部原子相邻关系已经发生改变，故外力去除后，原 子回到另一平衡位置，物体将留下永久变形。
塑性变形过程－－屈服
1. 屈服：材料开始发生塑性变形。
2. 屈服现象：即使外力不再增加，试样也会继续变形， 这种变形属于塑性变形，在拉伸曲线上会出现锯齿 状的平台。这是部分材料所具有的特征。
第二节 单晶体的滑移
• 滑移概念 • 过程说明 • 滑移系 • 施密特定律 • 临界分切应力 • 滑移变形的主要特点
滑移概念
滑移：滑移是在外力作用下，晶体的一部分沿着一定 的晶面(滑移面)的一定方向(滑移方向)相对于晶体的 另一部分发生的相对滑动
滑移过程说明
在切应力的作用下，先使晶格发生弹性外扭，进一 步将使晶格发生滑移。外力去除后，由于原子到了一新 的平衡位置，晶体不能恢复到原来的形状，而保留永久 的变形。大量晶面的滑移将得到宏观变形效果，在晶体 的表面将出现滑移产生的台阶。
第07章材料的变形 与断裂
塑性变形引言
塑性变形是塑性材料的一个极其重要的性能，也 是材料成型的一种重要加工方法。大多数金属均具有 良好的塑性变形能力，这也是金属材料获得广泛应用 的重要原因之一。塑性变形可以改变金属的外形，也 是塑性材料成形的主要方法之一。同时塑性变形也会 改变材料的内部组织和结构，从而影响到它的宏观性 能，可使材料的某些性能如强度等得到显著的提高。 但在塑性变形的同时，也会给材料的组织和性能带来 某些不利的影响，为了消除塑性变形(冷加工)这些不 利的影响，在加工之后或加工过程中，通常还对材料 进行加热，使其内部发生回复和再结晶过程。所以， 塑性变形和再结晶是材料研究中的重要问题。
3. 韧性断裂：在断裂前有明显塑性变形后发生的断裂 叫“韧性断裂”。在晶体构成的材料中，内部的晶 粒都被拉长成为细条状，断口呈纤维状，灰暗无光。
4. 脆性断裂：断裂前因并未经过明显塑性变形，故其 断口常具有闪烁的光泽，这种断裂叫“脆性断裂”。 脆性断裂可沿晶界发生，称为“晶间断裂”，断口 凹凸不平；脆性断裂也可穿过各个晶粒发生，称为 “穿间断裂”，断口比较平坦。
2. 特点：颈缩发生后，宏观表现为外力在下降， 工程应力在减小，但颈缩区的材料承受的真 实应力依然在上升。
3. 极限强度：材料开始发生颈缩时对应的工程
应力σb ，这时试样出现失稳，颈缩真实应
力依然在上升，但能承受的总外力在下降。
塑性变形过程－－断裂
1. 断裂：变形量大至K点，试样发生断裂。
2. 实质：断裂的实质原子间承受的力超出最大吸引力， 原子间的结合破坏而分离。
在应力低于弹性极限 σe时，材料发生的 变形为弹性变形；应 力在σe到σb之间将 发生的变形为均匀塑 性变形；在σb之后 将发生颈缩；在K点 发生断裂。
弹性变形
1. 定义：变形是可逆的，在外力去除后它便可以完全 恢复，变形消失。
2. 特点：服从虎克定律，及应力与应变成正比
3. 比例系数E称为弹性模量G称为切变模量，它反映材 料对弹性变形的抗力，代表材料的“刚度” 。
塑性变形的方式
材料在外力作用下发生塑性变形，依材料 的性质、外界环境和受力方式不同，进行塑性 变形的方式也不相同，通常发生塑性变形的方 式有：滑移、孪生、蠕变、流动。
其中滑移是晶体材料塑性变形的基本方式。 而非晶体材料原子为无规则堆积，像液体一样 只能以流动方式来进行，衡量变形的难易程度 的参数为粘度。在重力作用下能发生流动的为 液体，可以维持自己形状的位固体、
塑性变形过程－－颈缩
1. 颈缩：试样将开始发生不均匀的塑性变形， 产生了颈缩，即塑性变形集中在一局部区域 进行。
3. 应变：物体形状尺寸所发生的相对改变。物体内部 某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比 值称为“线应变”；物体内两互相垂直的平面在变 形后夹角的改变值称为“剪应变”或“角应变”； 变形后物体内任一微小单元体体积的改变同原单位 体积之比值称为“体积应变”。
变形过程
低碳钢的拉伸曲线如 图所示。
3. 屈服强度：表示材料对开始发生微量塑性变形的抗 力，也称为屈服极限，用σБайду номын сангаас表示。对具有屈服现象 的材料用屈服现象发生时对应的应力表示；对屈服 现象不明显的材料，则以所产生的塑性应变答0.2% 时的应力值表示。
塑性变形过程－－均匀变形
1. 均匀变形：在屈服后的变形阶段，试样整体 进行均匀的塑性变形。如果不再增加外力， 材料的变形将不能继续下去。
4. 实质： 弹性变形的实质是在应力的作用下，材料内 部原子间距就偏离了平衡位置，但未超过其原子间 的结合力。晶体材料反应为晶格发生了伸长(缩短) 或歪扭。原子的相邻关系还未发生改变，故外力去 除后，原子间结合力便可以使变形完全恢复。
塑性变形
1. 定义：不能恢复的永久性变形叫塑性变形。当应力 大于弹性极限时，材料不但发生弹性变形，而且还 发生塑性变形，即在外力去除后，其变形不能得到 完全的恢复，而具有残留变形或永久变形。
作用在晶格上的正应力只能使晶格的距离加大，不 能使原子从一个平衡位置移动到另一平衡位置，不能产 生塑性变形；正应力达到破坏原子间的吸引力，晶格分 离，材料则出现断裂。
材料在正应力作用下，在应力方向虽然不能发生塑 性变形，但应力的分解在另一方向就有切应力，可使晶 格沿另外的方向上发生滑移。
第一节 变形概述
• 名词概念 • 变形过程 • 弹性变形 • 塑性变形 • 塑性变形的方式
变形过程中的名词概念
1. 变形：物体在外力的作用下，其形状和尺寸的改变。
2. 应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。 同截面垂直的称为“正应力”或“法向应力”，同 截面相切的称为“剪应力”或“切应力”。
2. 塑性：是指材料能发生塑性变形的量或能力，用伸 长率(δ%)或断面减缩率(ψ%)表示。
3. 实质：塑性变形的实质是在应力的作用下，材料内 部原子相邻关系已经发生改变，故外力去除后，原 子回到另一平衡位置，物体将留下永久变形。
塑性变形过程－－屈服
1. 屈服：材料开始发生塑性变形。
2. 屈服现象：即使外力不再增加，试样也会继续变形， 这种变形属于塑性变形，在拉伸曲线上会出现锯齿 状的平台。这是部分材料所具有的特征。
第二节 单晶体的滑移
• 滑移概念 • 过程说明 • 滑移系 • 施密特定律 • 临界分切应力 • 滑移变形的主要特点
滑移概念
滑移：滑移是在外力作用下，晶体的一部分沿着一定 的晶面(滑移面)的一定方向(滑移方向)相对于晶体的 另一部分发生的相对滑动
滑移过程说明
在切应力的作用下，先使晶格发生弹性外扭，进一 步将使晶格发生滑移。外力去除后，由于原子到了一新 的平衡位置，晶体不能恢复到原来的形状，而保留永久 的变形。大量晶面的滑移将得到宏观变形效果，在晶体 的表面将出现滑移产生的台阶。
第07章材料的变形 与断裂
塑性变形引言
塑性变形是塑性材料的一个极其重要的性能，也 是材料成型的一种重要加工方法。大多数金属均具有 良好的塑性变形能力，这也是金属材料获得广泛应用 的重要原因之一。塑性变形可以改变金属的外形，也 是塑性材料成形的主要方法之一。同时塑性变形也会 改变材料的内部组织和结构，从而影响到它的宏观性 能，可使材料的某些性能如强度等得到显著的提高。 但在塑性变形的同时，也会给材料的组织和性能带来 某些不利的影响，为了消除塑性变形(冷加工)这些不 利的影响，在加工之后或加工过程中，通常还对材料 进行加热，使其内部发生回复和再结晶过程。所以， 塑性变形和再结晶是材料研究中的重要问题。
3. 韧性断裂：在断裂前有明显塑性变形后发生的断裂 叫“韧性断裂”。在晶体构成的材料中，内部的晶 粒都被拉长成为细条状，断口呈纤维状，灰暗无光。
4. 脆性断裂：断裂前因并未经过明显塑性变形，故其 断口常具有闪烁的光泽，这种断裂叫“脆性断裂”。 脆性断裂可沿晶界发生，称为“晶间断裂”，断口 凹凸不平；脆性断裂也可穿过各个晶粒发生，称为 “穿间断裂”，断口比较平坦。
2. 特点：颈缩发生后，宏观表现为外力在下降， 工程应力在减小，但颈缩区的材料承受的真 实应力依然在上升。
3. 极限强度：材料开始发生颈缩时对应的工程
应力σb ，这时试样出现失稳，颈缩真实应
力依然在上升，但能承受的总外力在下降。
塑性变形过程－－断裂
1. 断裂：变形量大至K点，试样发生断裂。
2. 实质：断裂的实质原子间承受的力超出最大吸引力， 原子间的结合破坏而分离。
在应力低于弹性极限 σe时，材料发生的 变形为弹性变形；应 力在σe到σb之间将 发生的变形为均匀塑 性变形；在σb之后 将发生颈缩；在K点 发生断裂。
弹性变形
1. 定义：变形是可逆的，在外力去除后它便可以完全 恢复，变形消失。
2. 特点：服从虎克定律，及应力与应变成正比
3. 比例系数E称为弹性模量G称为切变模量，它反映材 料对弹性变形的抗力，代表材料的“刚度” 。
塑性变形的方式
材料在外力作用下发生塑性变形，依材料 的性质、外界环境和受力方式不同，进行塑性 变形的方式也不相同，通常发生塑性变形的方 式有：滑移、孪生、蠕变、流动。
其中滑移是晶体材料塑性变形的基本方式。 而非晶体材料原子为无规则堆积，像液体一样 只能以流动方式来进行，衡量变形的难易程度 的参数为粘度。在重力作用下能发生流动的为 液体，可以维持自己形状的位固体、