第五章-固体材料的变形与断裂PPT课件
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材料的断裂和韧性PPT课件
E
2
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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：
c
2E c
1/ 2
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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
1/
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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
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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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材料的变形与断裂
发生一系列复杂得交割作用,出现位错得缠结等等现象,使位错
得运动受阻,位错源不断发出得位错不能顺利地移出晶体,发生
位错地塞积,造成位错密度得逐渐增大。变形量越大,位错密度
就越大,变形得抗力也越就大。随着位错密度得升高,位错之间
得平均距离减小,她们之间得相互干扰和交互作用进一步增强,
因而强度和硬度也就越来越大。
滑移得实质就是位错得运动
位错得滑移面就就是晶体得滑移面,柏氏矢量得 方向就就是晶体得滑移方向。为了使位错得能量较低, 在结构容许得条件下,尽量减小柏氏矢量,所以原子得 密排方向就成为了位错得柏氏矢量得方向。
位错得增殖
塑性变形得过程中,尽管位错移出晶体产 生滑移台阶,但位错得数量(位错密度)却在不 断得增加,这就是因为在外应力作用下发生塑 性变形时位错会发生增殖。
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,但颈缩区得材料承受得真实应 力依然在上升。
3. 极限强度:材料开始发生颈缩时对应得工程应
力σb ,这时试样出现失稳,颈缩真实应力依
然在上升,但能承受得总外力在下降。
大家学习辛苦了，还是要坚持
继续保持安静
塑性变形过程－－断裂
1. 断裂:变形量大至K点,试样发生断裂。
作用在晶格上得正应力只能使晶格得距离加大,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得吸引力,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,但应力得分解在另一方向就有切应力,可使晶格沿 另外得方向上发生滑移。
滑移系
➢ 滑移发生得晶面称为滑移面,通常为晶体得最密排晶 面;
➢ 滑移滑动得方向称为滑移方向,通常也为晶体得最密 排方向;
断裂力学课件
脆性断裂和韧性断裂
从带裂纹物体的载荷——变形量关系来看，脆性断裂时的载荷与变形量一般呈线性关系，如图(1-4)。在接近最大载荷时才有很小一段非线性关系。脆性断裂的发生是比较突然的，即裂纹开始扩展的启裂点与裂纹扩展失去控制的失稳断裂点非常接近。裂纹扩展后，载荷即迅速下降，断裂过程很快就结束了。韧性断裂的载荷——变形量关系如图(1-5)所示，有较长的非线性阶段，启裂后，裂纹可以缓慢地扩展一段时间。除非载荷增加到失稳断裂点，否则就不会发生失稳断裂。对于金银等延展性相当好的材料，受载时可以发生很大的变形，但承载能力较低，不易立即发生失稳断裂，这不属于断裂力学研究的范围。
断裂力学中的三种裂纹形式
根据外力的作用方式，断裂力学按照裂纹扩展形式将介质中存在的裂纹分为三种基本形式：张开型：裂纹上下表面位移是对称的，由于法向位移的间断造成裂纹上下表面拉开；滑开型：上下表面的切向位移是反对称的，由于上表面切向位移间断，从而引起上下表面滑开，而法向位移则不间断，因而形成面内剪切；撕开型：上下表面的位移间断，沿Z方向扭剪。
断裂力学的相关概念
脆性断裂和韧性断裂
韧度(toughness)是指材料在断裂前的弹塑性变形中吸收能量的能力。高韧度材料比较不容易断裂，在断裂前往往有大量的塑性变形。例如低强度钢，在断裂前必定伸长并颈缩，是塑性大、韧度高的金属。玻璃和粉笔低韧度、低塑性材料，断裂前几乎没有变形，表形为脆性断裂。例如图(1-3)所示的一个带环形尖锐切口的圆棒，受到轴向拉伸载荷的作用，在拉断时，没有明显的塑性变形，断裂面比较平坦，而且基本与轴向垂直，这是典型的脆性断裂。若断裂前的切口根部发生了塑性变形，剩余截面的面积缩小(即发生颈缩)，断口可能呈锯齿状，这种断裂一般是韧性断裂。低强度钢的断裂就属于韧性断裂。象金银的圆棒试样，破坏前可颈缩至一条线那样细，这种破坏是大塑性破坏，不能称为韧性断裂。同时，同一种材料在不同的温度或不同的截面积时，也会显出不同的断裂特征。同一种材料一般是随裂纹的存在和长度的增加，以及温度降低和零构件截面积的增大，而增加脆性断裂的倾向。
从带裂纹物体的载荷——变形量关系来看，脆性断裂时的载荷与变形量一般呈线性关系，如图(1-4)。在接近最大载荷时才有很小一段非线性关系。脆性断裂的发生是比较突然的，即裂纹开始扩展的启裂点与裂纹扩展失去控制的失稳断裂点非常接近。裂纹扩展后，载荷即迅速下降，断裂过程很快就结束了。韧性断裂的载荷——变形量关系如图(1-5)所示，有较长的非线性阶段，启裂后，裂纹可以缓慢地扩展一段时间。除非载荷增加到失稳断裂点，否则就不会发生失稳断裂。对于金银等延展性相当好的材料，受载时可以发生很大的变形，但承载能力较低，不易立即发生失稳断裂，这不属于断裂力学研究的范围。
断裂力学中的三种裂纹形式
根据外力的作用方式，断裂力学按照裂纹扩展形式将介质中存在的裂纹分为三种基本形式：张开型：裂纹上下表面位移是对称的，由于法向位移的间断造成裂纹上下表面拉开；滑开型：上下表面的切向位移是反对称的，由于上表面切向位移间断，从而引起上下表面滑开，而法向位移则不间断，因而形成面内剪切；撕开型：上下表面的位移间断，沿Z方向扭剪。
断裂力学的相关概念
脆性断裂和韧性断裂
韧度(toughness)是指材料在断裂前的弹塑性变形中吸收能量的能力。高韧度材料比较不容易断裂，在断裂前往往有大量的塑性变形。例如低强度钢，在断裂前必定伸长并颈缩，是塑性大、韧度高的金属。玻璃和粉笔低韧度、低塑性材料，断裂前几乎没有变形，表形为脆性断裂。例如图(1-3)所示的一个带环形尖锐切口的圆棒，受到轴向拉伸载荷的作用，在拉断时，没有明显的塑性变形，断裂面比较平坦，而且基本与轴向垂直，这是典型的脆性断裂。若断裂前的切口根部发生了塑性变形，剩余截面的面积缩小(即发生颈缩)，断口可能呈锯齿状，这种断裂一般是韧性断裂。低强度钢的断裂就属于韧性断裂。象金银的圆棒试样，破坏前可颈缩至一条线那样细，这种破坏是大塑性破坏，不能称为韧性断裂。同时，同一种材料在不同的温度或不同的截面积时，也会显出不同的断裂特征。同一种材料一般是随裂纹的存在和长度的增加，以及温度降低和零构件截面积的增大，而增加脆性断裂的倾向。
材料的断裂ppt课件
意思是说：墙的倒塌是因为有缝隙，剑的折断是因 为有裂纹，小小的蚯蚓洞穿大堤，会使它崩溃、淹没 城市。
试验证据：
1）Griffith发现刚拉制玻璃棒的弯曲强度为6GPa；而在空 气中放置几小时后强度下降为0.4 GPa。其原因是由于大气 腐蚀形成了表面裂纹。
2) 约飞等人用温水溶去氯化钠表面的缺陷，强度即由 5MPa提高到1.6×103MPa，提高了300多倍。 3) 有人把石英玻璃纤维分割成几段不同的长度，测其强度 时发现，长度为12cm时，强度为275MPa；长度为0.6cm时， 强度可达760MPa。这是由于试件长，含有危险裂纹的机 会增多。
➢割开一长度为2a的裂纹，则 原来弹性拉紧的平板就要释放 弹性能。根据弹性理论计算， 释放出来的弹性能为：
Ue= -πσ2a2/E
➢形成新表面所需的表面能为：
W=4aγs
Griffith裂纹模型
整个系统的能量变化为:
Ue+W=4aγs-πσ2a2/E
由图可知，当裂纹增长到2ac后， 若再增长，则系统的总能量下 降。从能量观点来看，裂纹长 度的继续增长将是自发过程， 则临界状态为:
一、晶体的理论断裂强度
➢从原子间的结合力入手， 当克服了原子间的结合力， 材料断裂。
✓原子间距随应力的增加而 增大，在某点处，应力克服 了原子之间的作用力，达到 一个最大值，这一最大值即 为理论断裂强度σm 。
作为一级近似，该曲线可用正 弦曲线表示：
σ=σmsin(2πx/λ)
式中x为原子间位移，λ为 正弦曲线的波长。
（2）柯垂尔(Cottrell)理论(位错反应理论)
在bcc晶体中，有两个相交的滑移 面( 1 0 1 ) 和(101)与解理面(001)相交， 三面交线为[010]。现有位错群 和列反a2 [1 应1 1 ] 相：遇a2 [11于1 ] [010]轴，并产生下
试验证据：
1）Griffith发现刚拉制玻璃棒的弯曲强度为6GPa；而在空 气中放置几小时后强度下降为0.4 GPa。其原因是由于大气 腐蚀形成了表面裂纹。
2) 约飞等人用温水溶去氯化钠表面的缺陷，强度即由 5MPa提高到1.6×103MPa，提高了300多倍。 3) 有人把石英玻璃纤维分割成几段不同的长度，测其强度 时发现，长度为12cm时，强度为275MPa；长度为0.6cm时， 强度可达760MPa。这是由于试件长，含有危险裂纹的机 会增多。
➢割开一长度为2a的裂纹，则 原来弹性拉紧的平板就要释放 弹性能。根据弹性理论计算， 释放出来的弹性能为：
Ue= -πσ2a2/E
➢形成新表面所需的表面能为：
W=4aγs
Griffith裂纹模型
整个系统的能量变化为:
Ue+W=4aγs-πσ2a2/E
由图可知，当裂纹增长到2ac后， 若再增长，则系统的总能量下 降。从能量观点来看，裂纹长 度的继续增长将是自发过程， 则临界状态为:
一、晶体的理论断裂强度
➢从原子间的结合力入手， 当克服了原子间的结合力， 材料断裂。
✓原子间距随应力的增加而 增大，在某点处，应力克服 了原子之间的作用力，达到 一个最大值，这一最大值即 为理论断裂强度σm 。
作为一级近似，该曲线可用正 弦曲线表示：
σ=σmsin(2πx/λ)
式中x为原子间位移，λ为 正弦曲线的波长。
（2）柯垂尔(Cottrell)理论(位错反应理论)
在bcc晶体中，有两个相交的滑移 面( 1 0 1 ) 和(101)与解理面(001)相交， 三面交线为[010]。现有位错群 和列反a2 [1 应1 1 ] 相：遇a2 [11于1 ] [010]轴，并产生下
《材料科学基础教案》PPT课件
1学时 1学时 2学时 3学时 2学时 1学时
教材及教学参考书
1.,《材料科学基础教程》 赵品 XX工业大学出版社 2.《材料科学基础教程习题与解答》 赵品 XX工业大学出版社 3.《材料科学基础》 赵品 XX工业大学出版社 1999年 4.《金属学原理》 刘国勋主编 工业冶金出版社 1980年 5.《金属学》 胡庚祥主编 上海科技出版社 1980年 6.《金属学教程》卢光熙主编 机械工业出版社 1985年 7.《金属学原理》 李 超主编 哈工大出版社 1996年 8.《材料科学基础》 马泗春主编 XX科学技术出版社 1998年 9.《材料科学基础》石德珂主编 XX交大出版社 1995年
第二部分 总纲
• 一、课程性质及教学目的 • 二、课程内容 • 三、与其它课程的关系 • 四、教学对象 • 五、教学时间 • 六、教学地点 • 七、教学指导思想 • 八、教学重点 • 九、教学难点 • 十、教学方法 • 十一、学时分配 • 十二、教学过程 • 十三、实验内容 • 十四、教材及教学参考书
编 XX科学技术出版社 1998年
7《材料科学基础》石德珂主编 XX交大出版社
1995年
讲授内容
1、材料在国民经济中的重要地位与作用 2、材料的分类 3、材料的发展历史 4、材料科学的发展方向 5、本课程的任务与内容
材料在国民经济中的重要地位与作用
材料是用来制造各种有用物件的物质. 它是人类生存与发展、征服和改造自然的物质基础,也是 人类社会现代文明的重要支柱.因此史学家将人类发展分为石 器时代、青铜器时代、铁器时代、水泥时代、钢时代、硅时 代和新材料时代.材料科学的发展及进步成为衡量一个国家科 学技术发展的重要标准.材料科学的发展在国民经济中占有极 其重要的地位,因此,材料、能源、信息被誉为现代经济发展 的三大支柱.
材料的疲劳损伤与断裂.完整版PPT资料
1970 1980
2000
疲劳的根本概念
疲劳的根本概念
What is fatigue ?
The process of progressive localized permanent structural change occurring in a material subjected to conditions which produce fluctuating stresses and strains at some point or points and which may culminate in crack or complete fracture after a sufficient number of fluctuations.
S
S
S
0
t0
t0
t0
t
三角波
正弦波
矩形波
梯形波
材料的疲劳性能
材料的疲劳性能
材料的疲 劳性能
材料的循环变形特性 - relationship
载荷寿命关系 -N curve -N curve
疲劳裂纹扩展特性 da/dN curve
材料的疲劳性能
拉伸应力-应变关系
σ-ε
S-e
σ ε
单调σ-ε曲线
单调拉伸和单调压缩曲线关于原点O对称；在 屈服极限A点以内是直线。
工程中的疲劳现象
Case 2: rotating shaft with overhung flywheel
Service conditions: Load W, constant Shaft rotates at 250 rev/min, 8hr/day, 300 days/yr
In a service life of 40 years the shaft accumulates 25060830040 =1.44109 cycles of bending moment, WL
断裂-2010
27
材料物理性能---断裂
（3） 准解理断裂
• 在许多淬火回火钢中，有弥散细小的碳化物质点，它们影 响裂纹形成与扩展。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。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：都是穿晶断裂；有小解理刻面； 有台阶或撕裂棱及河流花样。 • 不同点：准解理小刻面不是晶体学解理面。解理裂纹常源 于晶界，而准解理裂纹则常源于晶内硬质点，形成从晶内 某点发源的放射状河流花样。
载荷而导致韧性断裂失效。
• (5)零件存在不符合技术要求的铸造、锻造、焊接和热处理等热加工缺陷。
8
材料物理性能---断裂
1.2 脆性断裂
• 脆性断裂是材料断裂前基本上不产生明显 的宏观塑性变形，没有明显的预兆，突然 快速的断裂，具有很大的危险性。 • 脆性断裂的断口，一般与正应力垂直，宏 观上比较齐平光滑，呈放射状或结晶状。
31
材料物理性能---断裂
4. 高分子材料的断裂
无定型聚合物：裂纹的扩展过程就是银纹区的产生、 移动的过程。 32
材料物理性能---断裂
（1） 晶态高分子材料的断裂
• 单晶体的断裂取决于应力与分子链的相对取 向。
晶体受垂直于分子链方向的应力作用
晶体受平行于分子链方向的应力作用
33
材料物理性能---断裂
36
材料物理性能---断裂
断口分析特征
• 如放射区较大，则材料的塑性低，因为这个区域 是裂纹快速扩展部分，伴随的塑性变形也小。反 之对塑性好的材料，必然表现为纤维区和剪切唇 占很大比例，甚至中间的放射区可以消失。 影响这三个区比例的主要因素是材料强度和试 验温度。
材料物理性能---断裂
（3） 准解理断裂
• 在许多淬火回火钢中，有弥散细小的碳化物质点，它们影 响裂纹形成与扩展。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。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：都是穿晶断裂；有小解理刻面； 有台阶或撕裂棱及河流花样。 • 不同点：准解理小刻面不是晶体学解理面。解理裂纹常源 于晶界，而准解理裂纹则常源于晶内硬质点，形成从晶内 某点发源的放射状河流花样。
载荷而导致韧性断裂失效。
• (5)零件存在不符合技术要求的铸造、锻造、焊接和热处理等热加工缺陷。
8
材料物理性能---断裂
1.2 脆性断裂
• 脆性断裂是材料断裂前基本上不产生明显 的宏观塑性变形，没有明显的预兆，突然 快速的断裂，具有很大的危险性。 • 脆性断裂的断口，一般与正应力垂直，宏 观上比较齐平光滑，呈放射状或结晶状。
31
材料物理性能---断裂
4. 高分子材料的断裂
无定型聚合物：裂纹的扩展过程就是银纹区的产生、 移动的过程。 32
材料物理性能---断裂
（1） 晶态高分子材料的断裂
• 单晶体的断裂取决于应力与分子链的相对取 向。
晶体受垂直于分子链方向的应力作用
晶体受平行于分子链方向的应力作用
33
材料物理性能---断裂
36
材料物理性能---断裂
断口分析特征
• 如放射区较大，则材料的塑性低，因为这个区域 是裂纹快速扩展部分，伴随的塑性变形也小。反 之对塑性好的材料，必然表现为纤维区和剪切唇 占很大比例，甚至中间的放射区可以消失。 影响这三个区比例的主要因素是材料强度和试 验温度。
材料科学基础-第五章_金属及合金的塑性变形
{1120}
｛0001｝
<111> 体心立方结构(bcc)
<110> 面心立方结构(fcc)
密排六方结构(hcp)
三种典型金属结构的滑移系构成
第五章 金属及合金的塑性变形与断裂－§5.2 单晶体的塑性变形
为何滑移面和滑移方向是晶体的密排面和密排方向？
d2
d1
d3
晶体晶面间距示意图 晶面上的原子密度越大，晶面间距越大，面与面之间的原子结合力越 弱，滑移时的阻力越小。晶向上的原子密度越大，滑移的阻力越小。
第五章 金属及合金的塑性变形 Chapter 5 Plastic Deformation of Metals and Alloys 主要内容：
金属的变形特性 单晶体的塑性变形 多晶体的塑性变形 合金的塑性变形 塑性变形对金属组织和性能的影响
第五章 金属及合金的塑性变形与断裂
各种压力加工，如轧制、挤压、拉拔、锻压、冲压等，均能使金属发 生塑性变形，即金属的外形发生了改变。
G 2
结论：
Frank的滑移理论不正确，即滑移不是晶体原子作整体刚性滑动。
第五章 金属及合金的塑性变形与断裂－§5.2 单晶体的塑性变形
1934年，物理学家泰勒（G.I.Taylor）、波郎依（M.Polanyi）和奥罗
万（E.Orowan）几乎同时提出了晶体中位错的概念，Taylor还将位错与滑 移变形联系了起来，最终圆满解释了晶体滑移的机理。
A是晶体的横截面积， 是滑移面的面积。 A/cos
当F增加，使s = F/A，晶体发生塑性变 形，即开始滑移，则临界分切应力：
τ K σ s cos υ cos λ 或 σ s
τK cos υ cos λ
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
第五章 材料的断裂
切口敏感性 NSR = σ bN / σ b
NSR>1，对切口不敏感，切口韧性材料 NSR<1，对切口敏感，是切口脆性材料
33
切口强度
*应力集中与局部应力
*应变集中与局部应变
Hollomon方程
σ
=
Kε
n p
34
切口强度
切口强度实验测定
试件
实验设备 万能试验机（拉伸）
切口强度
σ bN
= 4Pmax
分析方法
宏观断口观察断裂类型 微观断口形貌分析确认断裂机理 成分与夹杂分析辅助
常见断口特征
11
裂纹形核与扩展
*裂纹形核
位错塞积理论 位错反应理论 脆性第二相开裂理论
裂纹扩展
12
2. 断裂强度
13
断裂强度
理论断裂强度
σm
=
Eγ
a0
1/ 2
实际材料的断裂强度仅 为理论的1/10~1/1000
裂纹
14
/
πd
2 n
*切口强度估算 切口强度只能பைடு நூலகம்性判定材料的切口敏感度
35
冲击韧性
冲击载荷的特点
作用时间短 冲击力F是一个变力
冲击韧性实验
试件
夏氏切口 梅氏切口
用能量变化来衡量
36
冲击韧性
冲击韧性实验
实验原理
实验设备 实验结果——冲击吸收功
Ak = GH1 − GH2 = Ai + Ap + Af + ∆E
断裂韧度的测定
试验方法与试样
紧凑拉伸试验 三点弯曲单边裂纹试验 四点弯曲单边裂纹试验
试验步骤 加工试样，预制裂纹 加载让裂纹扩展，测定载荷与裂纹张开位移 测量裂纹长度，求断裂韧度
NSR>1，对切口不敏感，切口韧性材料 NSR<1，对切口敏感，是切口脆性材料
33
切口强度
*应力集中与局部应力
*应变集中与局部应变
Hollomon方程
σ
=
Kε
n p
34
切口强度
切口强度实验测定
试件
实验设备 万能试验机（拉伸）
切口强度
σ bN
= 4Pmax
分析方法
宏观断口观察断裂类型 微观断口形貌分析确认断裂机理 成分与夹杂分析辅助
常见断口特征
11
裂纹形核与扩展
*裂纹形核
位错塞积理论 位错反应理论 脆性第二相开裂理论
裂纹扩展
12
2. 断裂强度
13
断裂强度
理论断裂强度
σm
=
Eγ
a0
1/ 2
实际材料的断裂强度仅 为理论的1/10~1/1000
裂纹
14
/
πd
2 n
*切口强度估算 切口强度只能பைடு நூலகம்性判定材料的切口敏感度
35
冲击韧性
冲击载荷的特点
作用时间短 冲击力F是一个变力
冲击韧性实验
试件
夏氏切口 梅氏切口
用能量变化来衡量
36
冲击韧性
冲击韧性实验
实验原理
实验设备 实验结果——冲击吸收功
Ak = GH1 − GH2 = Ai + Ap + Af + ∆E
断裂韧度的测定
试验方法与试样
紧凑拉伸试验 三点弯曲单边裂纹试验 四点弯曲单边裂纹试验
试验步骤 加工试样，预制裂纹 加载让裂纹扩展，测定载荷与裂纹张开位移 测量裂纹长度，求断裂韧度
第5章材料的断裂ppt课件
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
10
（二）穿晶断裂与沿晶断裂： 穿晶断裂：裂纹穿过晶内，可韧性断裂、也可脆性断裂。 沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多为脆断，断口呈冰糖状。 如应力腐蚀、氢脆、回火脆性、有些淬火裂纹、磨削裂纹等。
3）解理断裂
27
2）解理断裂：
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。
解理断裂常见于:体心立方（bcc）和密排六方（hcp)金属中。
解理面：一般是低指数面或表面能最低的晶面。
晶体结构 bcc（体心立方）
一、断裂的类型
2
一、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）按断裂机理分类：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。
3）撕裂韧窝： 在拉、弯应力联合作用下，微
孔在拉长、长大时同时被弯曲， 形成两匹配断口上方向相反的 撕裂韧窝。 （三点弯曲、冲击韧断试样）
26
韧窝的大小(直径和深度)决定于： 1）第二相质点的大小和密度。
第二相密度增大或其间距减小，则韧窝尺寸减小。 2）基体材料塑变能力和应变硬化指数。
18
（2）微孔成核的位错模型： a）位错运动遇到第二相时，将绕过并在其周围形成位错环。 b）位错环在外加应力作用下，于第二相质点处堆积。 c）位错环移向质点与基体界面，即沿滑移面分离而成微孔。
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
10
（二）穿晶断裂与沿晶断裂： 穿晶断裂：裂纹穿过晶内，可韧性断裂、也可脆性断裂。 沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多为脆断，断口呈冰糖状。 如应力腐蚀、氢脆、回火脆性、有些淬火裂纹、磨削裂纹等。
3）解理断裂
27
2）解理断裂：
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。
解理断裂常见于:体心立方（bcc）和密排六方（hcp)金属中。
解理面：一般是低指数面或表面能最低的晶面。
晶体结构 bcc（体心立方）
一、断裂的类型
2
一、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）按断裂机理分类：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。
3）撕裂韧窝： 在拉、弯应力联合作用下，微
孔在拉长、长大时同时被弯曲， 形成两匹配断口上方向相反的 撕裂韧窝。 （三点弯曲、冲击韧断试样）
26
韧窝的大小(直径和深度)决定于： 1）第二相质点的大小和密度。
第二相密度增大或其间距减小，则韧窝尺寸减小。 2）基体材料塑变能力和应变硬化指数。
18
（2）微孔成核的位错模型： a）位错运动遇到第二相时，将绕过并在其周围形成位错环。 b）位错环在外加应力作用下，于第二相质点处堆积。 c）位错环移向质点与基体界面，即沿滑移面分离而成微孔。
第五章固体材料的变形与断裂-PPT课件
塑性变形由一个晶粒过渡到相邻的另一个晶粒继续进行。
第 五 章 固 体 材 料 的 变 形 与 断 裂
5.3 多晶体的塑性变形
3、晶粒尺寸d对强度与塑性的影响
3.1、d对强度的影响
d小→L↓ →n↓ →应力集中↓ →要使相邻晶粒中硬位向的 滑移系开动，必须要加大工作应力，从而提高了强度。 d小→单位体积内的晶粒数目多，晶界数目也多，对位错 运动阻碍就大，提高了塑性变形抗力，从而提高了强度。 Hall—petch公式为：
固体材料的变形与断裂
主讲人：张立斌
第 五 章 固 体 材 料 的 变 形 与 断 裂
5.1 弹性变形 5.2 单晶体的塑性变形 5.3 多晶体的塑性变形
5.4 塑性变形对金属组织与性能的影响 5.5 金属及合金强化的位错解释 5.6 断裂
第 五 章 固 体 材 料 的 变 形 与 断 裂
5.1 弹性变形
第 五 章 固 体 材 料 的 变 形 与 断 裂
5.2
单晶体的塑性变形
晶体内部的一部分沿一定晶面（孪晶面）和晶向 9、孪生： （孪晶方向）相对另一部分发生均匀切变的过程。 10、孪生变形的特点
②.孪生后晶体变形部分的位向发生了改变，而后者则不变 ③.同一结构的孪生面与方向和滑移面与方向可以不同 ④.两者的应力－应变曲线不同； ⑤.前者的临界分切应力大于后者。
逐渐达到平衡值，即与时间有关：
2.3、内耗：
滞弹性时，应力应变曲线所包围的面积表示应力 循环一周所消耗的能量，叫内耗。
第 五 章 固 体 材 料 的 变 形 与、单晶体塑性变形的方式： 常温下有三种：滑移、孪生、扭折；
高温下还有扩散蠕变、晶界滑动。
2、滑移：
晶体的一部分相对另一部分 沿着一定晶面和晶向的运动。
第 五 章 固 体 材 料 的 变 形 与 断 裂
5.3 多晶体的塑性变形
3、晶粒尺寸d对强度与塑性的影响
3.1、d对强度的影响
d小→L↓ →n↓ →应力集中↓ →要使相邻晶粒中硬位向的 滑移系开动，必须要加大工作应力，从而提高了强度。 d小→单位体积内的晶粒数目多，晶界数目也多，对位错 运动阻碍就大，提高了塑性变形抗力，从而提高了强度。 Hall—petch公式为：
固体材料的变形与断裂
主讲人：张立斌
第 五 章 固 体 材 料 的 变 形 与 断 裂
5.1 弹性变形 5.2 单晶体的塑性变形 5.3 多晶体的塑性变形
5.4 塑性变形对金属组织与性能的影响 5.5 金属及合金强化的位错解释 5.6 断裂
第 五 章 固 体 材 料 的 变 形 与 断 裂
5.1 弹性变形
第 五 章 固 体 材 料 的 变 形 与 断 裂
5.2
单晶体的塑性变形
晶体内部的一部分沿一定晶面（孪晶面）和晶向 9、孪生： （孪晶方向）相对另一部分发生均匀切变的过程。 10、孪生变形的特点
②.孪生后晶体变形部分的位向发生了改变，而后者则不变 ③.同一结构的孪生面与方向和滑移面与方向可以不同 ④.两者的应力－应变曲线不同； ⑤.前者的临界分切应力大于后者。
逐渐达到平衡值，即与时间有关：
2.3、内耗：
滞弹性时，应力应变曲线所包围的面积表示应力 循环一周所消耗的能量，叫内耗。
第 五 章 固 体 材 料 的 变 形 与、单晶体塑性变形的方式： 常温下有三种：滑移、孪生、扭折；
高温下还有扩散蠕变、晶界滑动。
2、滑移：
晶体的一部分相对另一部分 沿着一定晶面和晶向的运动。
第五章断裂力学概述
Y c a K IC
式中， c 为断裂应力； a 是裂纹深度；Y 是裂纹现状系数，与试件几何现状、载荷条件和 裂纹位置有关； 常数 K IC 是材料的断裂韧性， 表示材料抵抗裂纹失稳扩展能力的一个物理量。 已知裂纹深度 a ，上式可写成
c K IC Y a
或已知工作应力 ，则有
一、 张开型裂纹尖端应力场和应力强度因子
设一无限大板，中心有一裂纹，长为 2a，受双轴拉应力作用，如图 5-3 所示。按弹性力 学平面问题求解，其裂纹尖端的应力场为
x KI
y KI
xy K I
2r cos 21 sin 2 sin 3 2
图 5-2
§ 5-2 能量释放率与 G 准则
一、脆性断裂的能量理论
大量的研究表明，固体材料的实际断裂强度只有它理论断裂强度的 1 10 ～ 1 1000 。葛 里菲斯认为，在如何固体材料中存在一定数量和一定大小的裂纹和缺陷。 设在无限大平板上出现了一条垂直于拉应力 方向长度为 2a 的贯穿裂纹， 切开裂纹后， 平板内储存的弹性应变能将有一部分被释放出来， 其释放量为 U； 由于裂纹出现后有新的表 面形成，要吸收能量，其值为 W，则其能量的总改变量 E 为 E=-U+W 裂纹释放的能量为
da dN 是材料的一个指标，表示材料抵抗裂纹扩展的能力。
初始裂纹深度 a i ，临界裂纹深度 a c 和裂纹扩展速率 da dN 已知，则剩余寿命可由以下 积分求得
N p da da aN
ac ai
其中
da dN C K
m
C 与 m 是材料常数， K K max K min 是循环载荷的最大和最小应力强度因子之差， 称为应力强度因子幅度。在断裂力学中，与疲劳极限相当的是循环载荷的门槛值 K th ，当 应力强度因子幅度小于门槛值时，裂纹不扩展。
固体材料的变形与断裂分解课件 (一)
固体材料的变形与断裂分解课件 (一)固体材料的变形与断裂分解课件是材料学中非常重要的一门课程。
它主要讲述了固体材料在外界作用下的变形行为，以及在超过其承受极限时的断裂分解过程。
以下是本课件的主要内容。
一、固体材料的变形1. 弹性变形弹性变形是指材料在受到外部力作用时，能够迅速恢复原状的现象。
在本课件中，我们会讲述弹性模量的概念及计算方法，并结合实例进行分析。
2. 塑性变形塑性变形是指材料在受到外部力作用时，产生塑性不可逆变形的现象。
本课件中，我们将深入探讨材料的屈服点、本构关系、应变硬化等概念及计算方法，以及应用于实际情况的案例分析。
3. 蠕变变形蠕变变形是指材料在长时间受持续应力作用下，产生缓慢但逐渐加重的塑性变形现象。
本课件将探讨蠕变现象的影响因素及计算方法，并分析蠕变材料的工程应用。
二、固体材料的断裂分解1. 断裂韧性断裂韧性是指材料在断裂过程中，所能承受的最大应力值，也是衡量材料抗断裂能力和脆性程度的重要指标。
本课件将介绍断裂韧性的概念和计算方法，并结合实例进行分析。
2. 断裂形式材料在断裂时，可能会出现拉伸、剪切、压缩等不同的断裂形式。
本课件将详细讲解不同断裂形式的特点和影响因素，并以实际案例进行分析比较。
3. 断裂方式材料的断裂方式有很多种，主要有韧性断裂和脆性断裂。
本课件将深入探讨这两种不同断裂方式的特征、影响因素及其应用。
总之，固体材料的变形与断裂分解课件是材料学中不可或缺的一门课程。
通过对本课件的学习，学生们将对于材料变形规律、断裂现象及应对措施等方面有更深刻的理解和认识。
同时，也为他们今后的材料科学研究和工程应用提供了有力的支持和帮助。
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裂
时，如果λ=Ф=45O时，cosλcosФ取得极大值，故
s
c coscos
取得极小值，
.
8
第
5.2 单晶体的塑性变形
五
章
7、晶体转动： 外力在滑移面上可以分解成正应力和切应
固
力，而该正应力和切应力均会产生力偶，
体
在该力偶的作用下，使晶体发生转动。
材 料 的
转动后，原容易滑移的位向转到不易滑移 位向上，而原来处于不容易滑移的位向则
变
形
晶体的滑 X晶 移体 系的 数密 目 M 每 排个 面面 数上 目目 的 N滑移
与
断
典型晶体 密排面及数量（M）密排方向及数量（N） 滑移系数目（X）
裂
体心立方 {110}
M=6
<111>
N=2
X=12
面心立方 {111}
M=4ห้องสมุดไป่ตู้
<110>
N=3
X=12
密排六方 {0001} M=1 <11 2 0> N=3
材
变形条件与方式相图（切应力）（滑移、孪生）；
料
的
1.2、不同点：
变 形
①、变形受晶界的阻碍；
与 断
②、变形受相邻晶粒位向的阻碍：
裂
③、各晶粒变形不同步；
④、各晶粒变形不均匀。
.
11
第
5.3 多晶体的塑性变形
五
章 2、多晶体塑性变形过程
固
滑移面
体
A2
材
3
料
P
L
位错源
的
变 形 与 断 裂
障碍物
csco csos
与 断
④.两者的应力－应变曲线不同；
裂 ⑤.前者的临界分切应力大于后者。
通常情况下，滑移先进行，当其受阻时，才有可能发生
孪生。孪生后，使晶体的位向发生改变，原来处于硬位
向的滑移系转到软位向，从而激发了晶体的进一步滑移
.
10
第
5.3 多晶体的塑性变形
五
章
1、单晶体与多晶体塑性变形的异同点：
固 体
1.1、相同点：
与
断 3、滑移带 试样表面出现的滑移变形的痕迹，它
裂
是由相互平行的滑移线组成；而滑移
线又是由微小的滑移台阶造成的。
.
5
第
5.2 单晶体的塑性变形
五
章
固 4、滑移系
体
位错运动所受的阻力即派纳力为
p
12G
2a
e b(1)
材
式中：G—切变模量，ν—泊桑比，a—晶面间距，b—原子间距。
料 的
晶体内一个滑移面和滑移面上的一个滑移方向组成了滑移系
5.2 单晶体的塑性变形
五
章
9、孪生：晶体内部的一部分沿一定晶面（孪晶面）和晶向
（孪晶方向）相对另一部分发生均匀切变的过程。
固
体
10、孪生变形的特点
材 料
①.孪生使晶体的一部分发生均匀的切变，而滑移只集中在一些滑移面上；
的 ②.孪生后晶体变形部分的位向发生了改变，而后者则不变
变
形 ③.同一结构的孪生面与方向和滑移面与方向可以不同
变
转到容易滑移的位向上而继续滑移。
形 与
8、多滑移与交滑移
断
有两组及以上的滑移系同时开始滑移叫多滑移
裂
位错从一个滑移面过渡到与之平行的另一个滑移面上沿着
同一个滑移方向继续滑移的现象叫交滑移。因为刃型位错
的滑移面是唯一的（位错线与柏氏矢量构成），故不能发
生交滑移；只有螺型位错才. 可能发生交滑移。
9
第
形
与 2.3、内耗： 滞弹性时，应力应变曲线所包围的面积表示应力
断
循环一周所消耗的能量，叫内耗。
裂
.
4
第
5.2 单晶体的塑性变形
五
章
固 体
1、单晶体塑性变形的方式： 常温下有三种：滑移、孪生、扭折；
材
高温下还有扩散蠕变、晶界滑动。
料
的 变
2、滑移：
形
晶体的一部分相对另一部分 沿着一定晶面和晶向的运动。
sco c csosn
k aL
Gb
产生应力集中： na
若晶粒大，则r↑→L↑ →n↑ →应力↑ →临近滑移系开动，
塑性变形由一个晶粒过渡到相邻的另一个晶粒继续进行。
.
12
第
5.3 多晶体的塑性变形
五
章
3、晶粒尺寸d对强度与塑性的影响
固 体
3.1、d对强度的影响
材 料 的
d小→L↓ →n↓ →应力集中↓ →要使相邻晶粒中硬位向的 滑移系开动，必须要加大工作应力，从而提高了强度。
变
形
d小→单位体积内的晶粒数目多，晶界数目也多，对位错
与
运动阻碍就大，提高了塑性变形抗力，从而提高了强度。
断
裂
Hall—petch公式为：
s
0
1
Kd 2
.
13
第
5.3 多晶体的塑性变形
五
章
3、晶粒尺寸d对强度与塑性的影响
固 体
3.2、d对塑性的影响
材
d小则单位体积内的晶粒数目就多，当总变形量一定
料
的
时，分摊到每个晶粒上的塑性变形量就小；当每个晶粒都
变 形
达到极限塑性变形量时，则总的塑性变形量就大，故d越
与
小塑性就越好。从公式看，在相同变形量的情况下，d越
则切应力为
P co sP co cs o sco cs os
SA
.
7
第
5.2 单晶体的塑性变形
五
章
固 6、临界分切应力 c
体 材
当 s 时，对应的切应力达到临界分切应力 c
料 的
s
c coscos
变 形
c 与材料的属性及温度等有关，当条件一定时， c 为定值。
与
断
当滑移方向、滑移面法线及外力轴共面时，有λ+Ф=90O；此
化无关，属于组织不敏感性质参数。E（G）共价键材料 >E（G）金属（离子）键材料>E（G）分子键材料
.
3
第
5.1 弹性变形
五
章
固 2、弹性变形：
体
材 2.1、完全弹性体：应变随着应力瞬时达到平衡值，而与时间无关；
料
的 变
2.2、滞弹性： 在弹性范围内，载荷变化时，应变随时间
逐渐达到平衡值，即与时间有关：
材 塑性变形和粘性变形。金属材料多为前两种变形，而有
料
的 些高分子材料可能发生第三种变形。
变
形 与 断 裂
2、弹性变形：
E(或 E G 或 ) E或 GG 表示使E 原 子（ 2 离1 开 平） 衡位G 置的难易程度，只取决
— 正— 应 切 于— 晶力 应 正 体的原子— 结力 应 切 合本性，— 而变 应 泊 与晶粒大E — 小变 桑 杨 以及组织G — 变比 氏 切
固体材料的变形与断裂
主讲人：张立斌
.
1
第 五
5.1 弹性变形
章
5.2 单晶体的塑性变形
固 体
5.3 多晶体的塑性变形
材
料
5.4 塑性变形对金属组织与性能的影响
的
变
5.5 金属及合金强化的位错解释
形
与
5.6 断裂
断
裂
.
2
第
5.1 弹性变形
五
章 1、材料的变形方式：
固 体
材料的变形方式主要由三种，分别为：弹性变形、
X=3
.
6
第
5.2 单晶体的塑性变形
五
章
固 5、滑移系与塑性的关系： 滑移系多，塑性好；
体 材
6、临界分切应力 c
nФ
P A
料 的
刚好使滑移开始进行的切应力叫临界分切应力
，
c
λ 滑移方向
变
P在滑移方向上的分力为Pcosλ， 滑移面为一个椭圆其面积为
形
与 断 裂
Sab a2 A 4 4cos cos