变形与断裂 2 江苏大学

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 ～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 E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。

纯弹性体的弹性变形：只与载荷大小有关，而与加载方向和加载时间无关。

2E G ν=（1＋）材料的非理想弹性行为：可分为滞弹性、粘弹性、伪弹性及包申格效应等几种类型。

滞弹性：是指材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的现象。

金属的循环韧性：金属材料在交变载荷(振动)下吸收不可逆变形功的能力伪弹性材料的应力一应变曲线如图：AB 段－为常规弹性变形阶段；B 点应力－为诱发马氏体相变开始的应力；C 点－处马氏体相变结束，CD 段－为马氏体弹性应变阶段。

CD 段卸载，马氏体作弹件恢复。

－开始逆向相变的应力，马氏体相变回原来的组织；G 点－完全恢复初始组织。

GH －为初始组织的弹性恢复阶段，恢复到初始组织状态，没有任何残留变形。

包申格(Bauschinger)效应：金属材料经预加载产生少量塑变 (残余应变约1％～4％)，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力(弹性极限或屈服强度)增加；反向加载，规定残余伸长应力降低(特别是弹件极限在反向加载时几乎降低到零)的现象。

消除包申格效应方法：（包申格效应：是一种对材料微观组织结构变化的结果，所以可通过热处理加以消除。

）（1）对材料预先进行较大的塑性变形；（2）在第二次反向受力前，对材料进行回复再结晶退火。

位错增殖机制：弗兰克-瑞德(Frank-Rend ）源，简称F-R 源、双边(或双轴) F-R 源（U 型平面源）、单边F-R 源、双交滑移增殖金属材料常见的塑性变形方式：滑移 孪生塑性变形：当材料所受应力超过弹性极限后，开始发生不可逆的永久变形。

滑移：指晶体的一部分沿一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对于另一部分发生滑动的现象。

滑移机理：滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。

单滑移：对有多组滑移系的晶体，当其与外力轴取向不同时，处于软位向的一组滑移系首先开动。

多滑移：若两组或几组滑移系处在同等有利的位向，在滑移时，各滑移系同时开动，或因滑移中晶体的转动使两个或多个滑移系交替滑移。

交滑移：是指两个或多个滑移面沿同一个滑移方向滑移。

滑移变形的特点 ：1）滑移只能在切应力的作用下发生。

2）滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。

3）一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。

4）滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。

5）滑移的同时伴随着晶体的转动孪生：在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的均匀切变。

此切变并未使晶体点阵发生变化，但却使切变区晶体取向与未切变区晶体呈镜面对称。

孪生变形特点：1）孪生也是在切应力作用下发生的2）孪生使一部分晶体发生均匀切变3）孪生使晶体变形部分位向发生改变，孪晶面两侧晶体位向呈镜面对称4）孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距5）孪生对塑变的直接贡献比滑移小很多M B σP Fσ6）孪生变形的拉伸应力-应变曲线呈锯齿状7）孪生变形与晶体结构8）孪生使表面出现浮凸晶界及晶粒位向差的影响:1、晶界的影响：双晶在室温下拉伸变形后，呈现竹节状。

即晶界处晶体变形较小，而晶内变形量则大得多，整个晶粒的变形不均匀。

这表明：晶界强度高于晶内。

晶界对塑性变形的影响：晶体在外力作用下变形，当滑移的位错运动到晶界附近时，受到阻碍而堆积，称位错塞积。

要使变形继续进行, 须增加外力, 而使金属变形抗力提高。

2、晶粒位向的影响：因各相邻晶粒位向不同，当一晶粒发生塑变时，为保持金属的连续性，周围晶粒若不发生塑变，则必以弹性变形来与之协调。

这便成为塑性变形晶粒的变形阻力。

因各晶粒间的相互约束，使多晶体金属的变形抗力提高。

多晶体金属塑性变形特点:1）各晶粒变形不同时性：当多晶体受外力作用时，因各晶粒取向不同，软取向晶粒先滑移变形，而硬取向晶粒可能仍处于弹性变形状态。

只有外力继续增大，才能使滑移从某些晶粒传播到相邻晶粒，并不断传播下去，从而产生宏观可见的塑性变形。

2)各晶粒的变形不均匀：多晶体各晶粒变形不同时性，也反映了各晶粒变形不均匀。

变形不均匀性：不仅存在于各晶粒间、基体与第二相间，也存在于同一晶粒内部。

因晶界对滑移的阻碍作用，使得靠近晶界区域的滑移变形量明显小于晶粒中心区域。

当宏观塑变量还不大时，个别晶粒或晶粒局部塑变量可能已达极限，加上变形不均匀产生较大内应力，就有可能使这些晶粒中形成裂纹，导致金属材料早期断裂。

3）各晶粒变形的相互协调：多晶体作为一个整体，不允许各个晶粒任意自由变形，否则将造成晶界开裂，这就要求各晶粒间能协调变形。

为此，各晶粒须能同时沿几个滑移系进行滑移（多滑移）。

一般认为，各晶粒至少应有5个独立滑移系启动，才能确保产生任何方向不受约束的塑性变形，即其形状才能相应地作各种改变，而不引起晶界开裂。

细晶强韧化：通过细化晶粒来同时提高金属的强度、塑性和韧性的方法屈服：金属材料在拉伸时，当应力超过弹性极限，即使外力不再增加，甚至下降情况下，而变形继续进行的现象应变时效现象：若将低碳钢经少量预变形，去载后立即加载，则暂不出现屈服现象。

但若预变形后，将试样放置一段时间或稍微加热（200℃）后再加载拉伸，则又出现屈服现象，且屈服强度会有所提高屈服的解释：一般认为，在固溶体中溶质或杂质原子造成点阵畸变所产生应力场和位错应力场发生交互作用，使溶质原子将聚集在位错线附近，形成所谓的柯垂尔（Cottrell）气团。

因此交互作用，使体系能量处于较低状态；只有在较大应力作用下，位错才能脱离溶质原子的钉扎；表现为应力－应变曲线上的上屈服点；当位错继续滑移时，就不需要开始时那么大的应力，表现为应力－应变曲线上的下屈服点；当继续变形时，因应变硬化作用，应力又出现升高的现象。

应变时效解释：1）当卸载后，短时间内因位错已经挣脱溶质原子束缚，故继续加载时不会出现屈服现象。

2）当卸载后经较长时间或短时加热，溶质原子又会扩散重新聚集到位错线附近，故继续拉伸，又会出现屈服现象。

影响金属材料屈服强度的因素：1）内因1.金属本性及晶格类型（1）位错运动所受的各种阻力①晶格阻力（P-N力）②位错间交互产生的阻力2.晶粒大小和亚结构3.溶质元素4.第二相2）外因5.温度6.应变速率与应力状态。

弥散强化：当第二相以弥散分布形式存在时，将产生显著的强化作用，若借助粉末冶金或其它方法加入，则为弥散强化。

第二相颗粒可分为“可变形的”和“不可变形的”1）弥散强化的颗粒属不可变形的；2）沉淀强化的颗粒多属可变形，但当沉淀粒子长大到一定程度后，也会变为不可变形的。

单相固溶体合金：随溶质含量增加，固溶体强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称固溶强化。

弥散强化机理：当运动位错与不可变形颗粒相遇时，位错线因受阻挡而发生弯曲；随着应力增加，弯曲加剧，最终绕颗粒的位错相遇，并留下一个位错环，而位错线将继续前进。

显然，此过程需额外做功，且位错环将对后续位错产生进一步阻碍作用，这都将使材料强度的上升。

当第二相在晶内呈颗粒状弥散分布时，颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。

应变硬化指数n ：反映了材料抵抗继续塑性变形的能力。

也是表征材料应变硬化行为的性能指标。

应变硬化指数n 对材料结构、组份与状态变化敏感。

应变硬化指数n 也与层错能有关，层错能低的材料应变硬化程度大。

机件的三种主要失效形式：磨损、腐蚀、断裂。

断裂：又可分为完全断裂和不完全断裂。

断裂的类型：断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段。

按照不同的分类方法，将断裂分为以下几种：1）按宏观塑性变形程度：韧性断裂、脆性断裂。

2）按裂纹扩展途径：穿晶断裂、沿晶断裂。

3）按断裂机理：纯剪切断裂、微孔聚集型、解理断裂。

4）按断裂面取向分类：正断；切断。

韧性断裂：材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂。

特点：1）断裂有一个缓慢撕裂过程，且消耗大量塑性变形能。

2）断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45°角。

3）断口呈纤维状，灰暗色。

4）典型宏观断口特征呈杯锥状。

杯锥状断口：有纤维区、放射区、剪切唇（断口三要素）。

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，故有很大危险性。

特点：1）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。

2）矩形截面板状试样脆性断口可见“人字纹花样”。

3）人字纹放射方向与裂纹扩展方向平行，其尖顶指向裂纹源。

微孔聚集型断裂：（纯剪切断裂另一种形式）通过微孔形核、长大聚合而导致材料分离，是韧性断裂的普遍方式。

宏观断口：常呈现暗灰色、纤维状，微观断口特征：则是断口上分布大量“韧窝”。

微孔聚集型断裂断口微观特征：韧窝韧性断裂主要过程：微孔形核长大和聚合。

在断口上留下痕迹即为电镜下观察到的大小不等的圆形或椭圆形韧窝。