最新金属塑性变形理论 第11讲 断裂类型及物理本质

4 固态塑性变形物理本质材料经过加工成形使其具有需要的形状和性能，才表达出它的价值。

材料加工的目的就是两个：一是改变材料的形状，另一个是改善其性能。

塑性变形是既改变材料的形状，又改变材料的组织构造及相应性能的有效方法。

通过塑性变形可以有效地改变材料的性能，材料的性能又直接影响到工艺的进展。

金属材料的性能〔包括使用性能和深加工性能〕在使用条件一定时，是决定于成分和组织构造的。

在材料的化学成分一定的情况下，其组织构造是由加工工艺决定的，既通过冷、热加工、热处理和形变热处理可以在很大范围内改变金属材料的组织构造，从而改变材料的性能。

我们掌握了形变、相变、形变和相变相结合的过程中金属材料组织构造的变化规律，就可以利用这些规律，设计和优化加工工艺来获得满足性能要求所需要的组织构造。

有时为了充分发挥冷、热加工、热处理和形变热处理改变金属材料的组织构造的作用，也经常适当地调整化学成分，从而获得更好的效果。

这些知识是制定各种金属材料生产工艺的理论依据，为了到达有效的控制材料性能目的，我们首先要认识塑性加工过程中材料的组织及性能变化。

4.1 固态塑性变形机理材料塑性变形包括晶内变形和晶间变形。

通过各种位错运动而实现的晶内一局部相对于另一局部的剪切运动，这就是晶内变形。

剪切运动有不同的机理，其中最根本的形式是：滑移、孪生、形变带和扭折带。

在r T T 5.0>〔r T 熔化温度〕时，可能出现晶间变形。

当变形温度比晶体熔点低很多时，起控制作用的变形机理是滑移和孪生。

在高温塑性变形时，扩散机理起重要作用。

在金属和合金的塑性变形过程中，常常同时有几种机理起作用。

各种机理作用的情况受许多因素影响，例如：晶体构造、化学成分、相状态等材料的内在因素，及变形温度、变形速度、应力状态等外部条件的影响。

因此要研究和控制材料的变形过程，掌握根本的塑性变形机理很有必要。

4.1.1 滑移〔1〕点阵阻力晶内变形是晶体的一局部相对于另一局部的剪切变形，都是通过位错运动来实现的，所以研究根本的塑性变形机理就应研究相应的各种位错运动形式。

金属材料塑性变形与断裂的关系摘要：金属的断裂是指金属材料在变形超过其塑性极限而呈现完全分开的状态。

材料受力时，原子相对位置发生了改变，当局部变形量超过一定限度时，原于间结合力遭受破坏，使其出现了裂纹，裂纹经过扩展而使金属断开。

任何断裂都是由裂纹形成和裂纹扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。

金属塑性的好坏表明了它抑制断裂能力的高低。

关键词：塑性变形解理断裂准解理断裂沿晶断裂冷脆疲劳应力腐蚀氢脆高温断裂一、解理断裂与塑变的关系解理断裂在主应力作用下，材料由于原子键的破断而产生的沿着某一晶面的快速破断过程。

解理断裂的的产生条件是位错滑移必须遇到阻力，且位错滑移聚集到一定程度。

断裂面沿一定的晶面发生，这个平面叫做解理面。

解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。

形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺型位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。

第一种，当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个台阶，裂纹继续向前扩展，与许多螺型位错相交便形成众多台阶，他们沿裂纹前端滑动而相互交汇，同号台阶相互汇合长大，异号台阶相互抵消，当汇合台阶足够大的时候便在电镜下观察为河流状花样。

第二种，二次解理是指在解理裂纹扩展的两个互相平行解理面间距较小时产生的，但若解理裂纹的上下两个面间距远大于一个原子间距时，两解理裂纹之间的金属会产生较大的塑性变形，结果由于塑性撕裂而形成台阶，称为撕裂棱晶界。

舌状花样是由于解理裂纹沿孪晶界扩散留下的舌头状凹坑或凸台。

从宏观上看，解理断裂没有塑性变形，但从微观上看解理裂纹是以塑性变形为先导的，尽管变形量很小。

解理断裂是塑性变形严重受阻，应力集中非常严重的一种断裂。

二、准解理断裂与塑变的关系准解理断裂介于解理断裂和韧窝断裂之间，它是两种机制的混合。

产生原因：（1）、从材料方面考虑，必为淬火加低温回火的马氏体组织，回火温度低，易产生此类断裂。

（2）、构件的工作温度与钢材的脆性转折温度基本相同。

金属材料的塑性变形与断裂机理金属材料是广泛应用于工业和制造领域的重要材料之一。

塑性变形和断裂机理是金属材料力学行为的基本特征，对于理解金属材料的性能和改善其工程应用具有重要意义。

本文将从塑性变形和断裂机理两个方面进行论述，以帮助读者更好地理解金属材料的性质和行为。

一、塑性变形机理1.1 密排层错结构金属材料中晶体的构造对其塑性变形性能具有重要影响。

密排层错结构是金属材料中晶体排列的一种常见结构。

该结构可以使晶体在受力时发生滑移，从而引发材料的塑性变形。

滑移过程中，晶体内的原子相互滑动，使材料发生变形，从而增加其塑性。

1.2 双曲面交错结构双曲面交错结构是另一种常见的金属材料晶体排列方式。

在受力作用下，晶体发生双曲面滑移，从而引起材料的塑性变形。

该结构可以增加晶体滑移的方向，提高材料的塑性。

1.3 变形机制金属材料的塑性变形机制主要包括滑移、孪晶形成和机械孪生等。

滑移是晶体中原子相互滑动引起的变形机制，主要通过滑移面和滑移方向来确定滑移产生的位置。

孪晶形成是在某些条件下晶体内部形成镜像结构，从而产生变形。

机械孪生是晶体中发生变形所产生的一种特殊形态。

二、断裂机理2.1 断裂类型金属材料的断裂类型包括韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂。

韧性断裂是材料发生延性断裂，即在承受一定载荷后，材料仍能继续变形；脆性断裂是材料在承受载荷后突然断裂，变形能力较差；疲劳断裂是材料在长时间重复加载的作用下产生的断裂现象。

2.2 断裂因素金属材料的断裂受到多种因素的影响，主要包括应力、环境和缺陷等。

应力是导致材料发生断裂的最主要因素，当应力超过材料的承受能力时，断裂就会发生。

环境因素如温度、湿度等也会对金属材料的断裂行为产生影响。

此外，材料内部的缺陷如裂纹、夹杂等也会加速材料的断裂。

2.3 断裂表征方法断裂行为的表征对于评估材料的性能具有重要意义。

常见的断裂表征方法包括断口形貌观察、断口分析和断裂韧性测试等。

通过观察断口形貌可以了解材料的断裂模式，进一步深入分析可以推测断裂的原因。

7.金属塑性变形的物理本质第一篇：7.金属塑性变形的物理本质7．金属塑性变形的物理本质1．塑性变形包括晶内变形和晶间变形。

通过各种位错运动而实现的晶内一部分相对于另一部分的剪切运动就是晶内变形，常温下有滑移和孪生，当T>0.5TR时，可能出现晶间变形，高温时扩散机理起重要作用。

2．派一纳模型。

假设：经典的弹性介质假设和滑移面上原子的相互作用为原子相对位移的正弦函数假设。

意义：ⅰ位错运动所需派一纳力比晶体产生整体、刚性滑移所需要的理论切屈服应力Tm=G/2π小许多倍。

ⅱb越小，a越大，则临界切应力越小ⅲ其他条件相同时，刃位错的活动性比螺位错的活动性大。

公式：3．滑移系统。

4．孪生。

孪生后结构没有变化，取向发生了变化，滑移取向不变，一般孪生比滑移困难，所以形变时首先发生滑移，当切变应力升高到一定数值时才发生孪生，密排六方金属由于滑移系统少，可能开始就形成孪晶。

5．扩散对变形的作用：一方面它对剪切塑性变形机理可以有很大影响，另一方面扩散可以独立产生塑性流动。

6．扩散变形机理包括：扩散-位错机理；溶质原子定向溶解机理；定向空位流机理。

7．扩散-位错机理：扩散对刃位错的攀移和螺位错的割阶运动产生影响；扩散对溶质气团对位错运动的限制作用随温度的变化而不同。

8．溶质原子定向溶解机理：晶体没有受力作用时，溶质原子在晶体中的分布是随机的，无序的，如碳原子在α-Fe,加上弹性应力σ（低于屈服应力的载荷）时，碳原子通过扩散优先聚集在受拉棱边，在晶体点阵的不同方向上产生了溶解碳原子能力的差别，称之为定向溶解，是可逆过程。

定向空位机理则是由扩散引起的不可逆的塑性流动机理。

9．金属的屈服强度是指金属抵抗塑性变形的抗力，定量来说是指金属发生塑性变形时的临界应力。

10．11．金属的实际屈服强度由开动位错源所需的应力和位错在运动过程中遇到的各种阻力。

实际晶体的切屈服强度=开动位错源所必须克服的阻力+点阵阻力+位错应力场对运动位错的阻力+位错切割穿过其滑移面的位错林所引起的阻力+割阶运动所引起的阻力。

金属断裂的概念金属断裂是指金属材料在外力作用下破裂、分离成两个或多个部分的现象。

金属材料的断裂是一种自发性的现象，通常发生在金属材料的应力达到其极限强度时。

金属断裂可以分为塑性断裂和脆性断裂两种类型。

在应力作用下，金属材料会发生形变。

如果金属材料发生较大的形变，伴随有高强度的外力，金属材料会发生塑性断裂；反之，如果金属材料发生较小的形变，伴随有较低的外力，金属材料会发生脆性断裂。

塑性断裂是指金属材料在应力作用下发生较大形变后破裂。

当金属材料受到外力的作用，应力会造成材料内部的原子、晶体发生移动和形变，这种形变称为塑性变形。

在材料受到的外力超过其强度极限时，塑性变形会加剧，形成裂纹。

当这些裂纹达到一定长度后，金属材料在该处发生断裂。

塑性断裂通常伴随有较大的能量吸收，因为塑性变形需要消耗较多的能量。

脆性断裂是指金属材料在应力作用下发生较小形变后破裂。

当金属材料受到外力的作用，应力会造成材料内部的原子、晶体发生微小的移动和形变，这种形变称为弹性变形。

在材料受到的外力超过其强度极限时，弹性变形无法继续，出现了局部的原子层位错和离子层位错，从而形成了裂纹。

当这些裂纹快速扩展并连接到材料的负载区域时，金属材料在该处发生断裂。

脆性断裂通常伴随有较少的能量吸收，因为形变较小，能量损失较小。

金属断裂的方式有很多种。

最常见的是拉伸断裂，即金属材料沿着外力的方向发生破裂。

此外，还有层理断裂，即金属材料沿着晶格面的层理面破裂；韧窝断裂，即金属材料表面产生韧窝状破裂；穿晶断裂，即金属材料沿着晶界和晶内形成裂纹并扩展；疲劳断裂，即金属材料在长时间重复加载下出现破裂。

金属断裂的研究对于工程材料的设计和使用具有重要意义。

通过研究金属断裂的机理和特性，可以确定金属材料的断裂强度和疲劳寿命，从而指导工程实践中金属材料的选择和设计。

此外，研究金属断裂还有助于提高材料的韧性，降低脆性，从而提高材料的安全性和可靠性。

总之，金属断裂是金属材料在外力作用下发生破裂和分离的现象。

金属断裂机理1 金属的断裂综述断裂类型根据断裂的分类方法不同而有很多种，它们是依据一些各不相同的特征来分类的。

根据金属材料断裂前所产生的宏观塑性变形的大小可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂。

韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，脆性断裂在断裂前基本上不发生塑性变形，是一种突然发生的断裂，没有明显征兆，因而危害性很大。

通常，脆断前也产生微量塑性变形，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％为脆性断裂；大于5％为韧性断裂。

可见，金属材料的韧性与脆性是依据一定条件下的塑性变形量来规定的，随着条件的改变，材料的韧性与脆性行为也将随之变化。

多晶体金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的。

沿晶断裂一般为脆性断裂，而穿晶断裂既可为脆性断裂（低温下的穿晶断裂），也可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂）。

沿晶断裂是晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成的，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。

应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹都是沿晶断裂。

有时沿晶断裂和穿晶断裂可以混合发生。

按断裂机制又可分为解理断裂与剪切断裂两类。

解理断裂是金属材料在一定条件下（如体心立方金属、密排六方金属、合金处于低温或冲击载荷作用），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的穿晶断裂。

解理面一般是低指数或表面能最低的晶面。

对于面心立方金属来说（比如铝），在一般情况下不发生解理断裂，但面心立方金属在非常苛刻的环境条件下也可能产生解理破坏。

通常，解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂，两者不是同义词，它们不是一回事。

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，它又分为滑断（又称切离或纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。

纯金属尤其是单晶体金属常发生滑断断裂；钢铁等工程材料多发生微孔聚集型断裂，如低碳钢拉伸所致的断裂即为这种断裂，是一种典型的韧性断裂。

根据断裂面取向又可将断裂分为正断型或切断型两类。