《工程材料力学性能》期末复习笔记(2)

5、★塑性：指金属材料断裂前发生塑性变形的能力。指标：断后伸长率和断面收缩率

塑性的工程意义？P20(考)

6、★韧性：是金属材料断裂前洗手塑性变形功和断裂功的能力，也指材料抵抗裂纹扩展的能力。

韧度是度量材料韧性的力学性能指标，分为：静力韧度、冲击韧度、和断裂韧度。

静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功叫做静力韧度。是一个强度与塑性的综合指标，是表示静载下材料强度与塑性的最佳配合。静力韧度 或 ( + ) 21 脆性：材料在外力作用下（如拉伸，冲击等）仅产生很小的变形及断裂破坏的性质。

韧脆转变：材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象（冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型

转变微穿晶断裂，断口特征由纤维状转变为结晶状）。

四、金属的断裂

机件三种失效形式：磨损、腐蚀、断裂。

大多数金属材料断裂过程都包括裂纹形成和扩展两个阶段。

1、断裂的类型

（1）、韧性断裂与脆性断裂：

韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，断口呈纤维状、灰暗色，其微观断裂机制主要是微孔聚集型和纯剪切的断裂。断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45度角。用肉眼或放大镜观察时，断口呈纤维状，灰暗色。纤维状是塑性变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成的，而灰暗色则是纤维断口便面对光反射能力很弱所致。其断口宏观呈杯锥形，由纤维区、放射区、和剪切唇区三个区域组成。

脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不产生宏观塑性变形，没有明显征兆，断口平齐、光亮，常呈放射状或结晶状。常有人字纹或放射花样，其微观机理是解理断裂。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。板状矩形拉伸试样断口呈人字形花样。人字形花样的放射方向也与裂纹扩展方向平行，但其尖端指向裂纹源。

韧、脆性断裂区别：韧性断裂产生前会有明显的塑性变形，过程比较缓慢；脆性断裂则不会有明显的塑性变形产生，突然发生，难以发现征兆

★拉伸断口三要素：（图1-17，P22）纤维区，放射区和剪切唇断面收缩率小于5％

为脆性断裂，大于5％为韧性断裂。

（2）、穿晶断裂和沿晶断裂：

穿晶断裂：裂纹穿过晶界，可以是韧性断裂，也可以是脆性断裂。

沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，断口呈冰糖状，一般为脆性断裂。

（3）、解理断裂和剪切断裂：

剪切断裂是金属材料在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，一类为纯剪切断裂，断口呈锋利的锲形或刀尖形；另一类为微孔聚集型，断口呈纤维状、灰暗色，微观断口上有大量的韧窝，这类断裂较常见。 解理断裂是金属材料在一定条件下如低温，当外加正应力达到一定的数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂。解理台阶、河流花样和舌状花样是解理断口的基本特征。解理面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面。解理断裂通常总是脆性断裂。

2、解理断裂

（1）形成与扩展：甄纳-斯特罗位错塞积理论、柯翠尔位错反应理论

（2）解理断裂的微观断口特征：穿晶断裂；由晶粒大小的解理面集合而成；有台阶或撕裂棱及河流花样；存在舌头花样。

（3）准解理：与解理区别是解理小刻面不是晶体学解理面

3、微孔聚集断裂

（1）微孔形核和长大

A、过程：微孔成核、长大、聚合、断裂；B、微孔是通过第二相或夹杂物质点本身破裂，或与基体界面脱离成核的；C、位错环在外力作用下于第二相质点处堆积起来。

由本人自己,基于机械工业出版社《工程材料力学性能》第2版(束德林主编),针对四川大学材料学院金属材料工程系期末复习整理。

（2）微孔聚集断裂的微观断口特征：电子显微镜下观察到大小不等的圆形或椭圆韧窝。

4、断裂强度：

（1）★理论断裂强度的计算P30

决定材料强度的最基本因素：原子间结合力，原子间结合力越高，其弹性模量、熔点就越高

推导过程：（图1-33，P31，需画图）原子间作用力与原子间位移关系曲线近似：

位移很小时： ，又根据胡克定律：

0 ，二者合并有：

0

又单位裂纹表面外力所做功U0等于表面能γs两倍，即： 0

消去 后有： (

2 ,则有

（2）★断裂强度的裂纹理论（格尔菲斯裂纹理论）P32

前提：A、裂纹已经存在；B、局部应力集中

推导过程：（图1=34，P32;图1-35，P33，需画图）

2板材每单位体积储存弹性能σ/2E，实际代表单位面积弹性能。若在板中心割开一个垂直应力为σ的长度为2a

的裂纹，则原来弹性拉紧的平板释放能量：

W=4aγs。整个系统总能量变化为Ue+W,求其对裂纹半长a的一阶偏导等于0，得到裂纹失稳扩展的临界应力，即： 格尔菲斯公式： (

图1-35 裂纹扩展尺寸与能量变化关系 局限性：只适用于脆性固体,也就是只适用于那些裂纹尖端塑性变形可以忽略的情况。

断裂发生的必要和充分条件之间的联系和区别。

格雷菲斯裂纹理论是根据热力学原理，用能量平衡

（弹性能的降低与表面能的增加相平衡）的方法推到出了裂纹失稳扩展的临界条件。该条件是是断裂发生的必要条件，但并不意味着一定会断裂。

该断裂判据为：

裂纹扩展的充分条件是其尖端应力要大于等于理论断裂强度。（是通过力学方法推到的断裂判据）

该应力断裂判据为：

对比这两个判据可知：当ρ＝3a0时，必要条件和充分条件相当

ρ<3a0时，满足必要条件就可行（同时也满足充分条件）

ρ> 3a0时，满足充分条件就可行（同时也满足必要条件）

Q:课后第25题

（1）材料成分：rs—有效表面能，主要是塑性变形功，与有效滑移系数目和可动位错有关；具有fcc结构的金属有效滑移系和可动位错的数目都比较多，易于塑性变形，不易脆断。凡加入合金元素引起滑移系减少、孪生、位

由本人自己,基于机械工业出版社《工程材料力学性能》第2版(束德林主编),针对四川大学材料学院金属材料工程系期末复习整理。

错钉扎的都增加脆性；若合金中形成粗大第二相也使脆性增加。

（2）杂质：聚集在晶界上的杂质会降低材料的塑性，发生脆断。

（3）温度：σi---位错运动摩擦阻力。其值高，材料易于脆断。bcc金属具有低温脆断现象，因为σi随着温度的减低而急剧增加，同时在低温下，塑性变形一孪生为主，也易于产生裂纹。故低温脆性大。

（4）晶粒大小：d值小位错塞积的数目少，而且晶界多。故裂纹不易产生，也不易扩展。所以细晶组织有抗脆断性能。

（5）应力状态：减小切应力与正应力比值的应力状态都将增加金属的脆性

（6）加载速度加载速度大，金属会发生韧脆转变。

第二章 材料在其它静载条件下的力学性能

一、★应力状态软性系数（α）：最大切应力（τmax）与最大正应力（σmax）的比值。α越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软，材料越易于产生塑性变形；α越小，表示应力状态越硬，则材料越容易产生脆性断裂。

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