第6章金属的断裂过程

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。

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。

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。

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。

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。

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。