第五章 金属强韧化导论

第五章⾦属的疲劳..第五章⾦属的疲劳本章从材料学的⾓度研究⾦属疲劳的⼀般规律、疲劳破坏过程及机理、疲劳⼒学性能及其影响因素，以便为疲劳强度设计和选⽤材料，改进⼯艺提供基础知识。

第⼀节⾦属疲劳现象及特点⼀、变动载荷1. 变动载荷定义：变动载荷是引起疲劳破坏的外⼒，指载荷⼤⼩，甚⾄⽅向均随时间变化的载荷，在单位⾯积上的平均值为变动应⼒。

2. 循环应⼒⼆、疲劳现象及特点1. 分类疲劳定义：机件在变动应⼒和应变长期作⽤下，由于累积损伤⽽引起的断裂现象。

(1) 按应⼒状态不同，可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、挤压疲劳、复合疲劳(2) 按环境及接触情况不同，可分为：⼤⽓疲劳、腐蚀疲劳、⾼温疲劳、热疲劳、接触疲劳(3) 按断裂寿命和应⼒⾼低不同，可分为：⾼周疲劳、低周疲劳，这是最基本的分类⽅法2. 特点（1）疲劳是低应⼒循环延时断裂，即具有寿命的断裂断裂应⼒⽔平往往低于材料抗拉强度，甚⾄低于屈服强度。

断裂寿命随应⼒不同⽽变化，应⼒⾼寿命短，应⼒低寿命长。

当应⼒低于某⼀临界值时，寿命可达⽆限长。

（2）疲劳是脆性断裂由于⼀般疲劳的应⼒⽔平⽐屈服强度低，所以不论是韧性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前不会发⽣塑性变形及有形变预兆，它是在长期累积损伤过程中，经裂纹萌⽣和缓慢亚稳扩展到临界尺⼨a c时才突然发⽣的。

因此，疲劳是⼀种潜在的突发性断裂。

（3）疲劳对缺陷（缺⼝、裂纹及组织缺陷）⼗分敏感由于疲劳破坏是从局部开始的，所以它对缺陷具有⾼度的选择性。

缺⼝和裂纹因应⼒集中增⼤对材料的损伤作⽤，组织缺陷（夹杂、疏松、⽩点、脱碳等）降低材料的局部强度，三者都加快了疲劳破坏的开始和发展。

三、疲劳宏观断⼝特征（1）疲劳源:在断⼝上，疲劳源⼀般在机件表⾯，常与缺⼝、裂纹、⼑痕、蚀坑等缺陷相连，由于应⼒不集中会引发疲劳裂纹。

材料内部存在严重冶⾦缺陷时，因局部强度降低也会在机件内部产⽣疲劳源。

从断⼝形貌看，疲劳源区的光亮度最⼤，因为这⾥是整个裂纹亚稳扩展过程中断⾯不断摩擦挤压，所以显⽰光亮平滑。

形变和再结晶弹性变形时，出现的有别于理想弹性变形的现象，称之为弹性的不完整性包申格效应弹性的不完整性材料经预先加载产生少量塑性变形。

而后同向加载则屈服强度增加，反向加载则屈服强度降低。

弹性后效在弹性极限内，应变滞后于外加应力，并和时间有关的现象弹性滞后应变落后于应力，在应力-应变曲线上加载线与卸载线不重合而形成一封闭回线，称为弹性滞后滑移系数目：BCC﹥FCC﹥HCP滑移的临界分切应力（定值）反映单晶体受力起始屈服的物理量晶体中的多个滑移系并非同时参与滑移，只有当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值时，该滑移系方可首先进行滑移，该分切应力称为滑移的临界分切应力F／A ＝σs滑移面趋向于与轴向平行滑移方向趋向于最大分切应力方向取向因子（施密特因子）任一给定Φ角，若Φ+λ＝90°，滑移方向位于F与滑移面法线所组成的平面上，沿此方向，所需切应力较小，得到以下两个结论❶当Φ=45°时，取向因子具有最大值0.5。

以最小的拉应力达到发生滑移所需的分切应力，σs最小❷Φ=90°/λ=90°，取向因子为0，不能产生滑移Φ由45→0°或由45→90°，σs↑(变硬)取向因子大的为软取向取向因子小的为硬取向hcp晶体软/硬取向σs差距很大fcc晶体软/硬取向σs差距不大(2倍)——思考：为什么？•b——滑移方向上的原子间距• a ——滑移面的面间距•ν——泊松比•W=a/(1-ν)——位错宽度τP-N= 2G/(1-ν)exp(-2πW/b) 派一纳（P-N）力滑移的特点：滑移总是沿密排面上的密排方向进行（P-N）力小，则屈服应力低，反之亦然（3）滑移和孪生1.滑移和孪生均在切应力作用下，沿一定晶面的一定晶向进行，产生塑性变形。

——同2.孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生——异3.滑移→原子移动的相对位移是原子间距的整数值→不引起晶格位向的变化；孪生→原子移动的相对位移是原子间距的分数值→孪晶晶格位向改变→促进滑移——异4.孪生产生的塑性变形量小（≤滑移变形量的10％），但引起的晶格畸变大。

第五章金属及合金的形变（第五、六、七节）第五章金属及合金的形变U第一节应力与应变U第二节弹性形变U第三节范性形变的表象U第四节单晶体的滑移ª第五节孪生及扭折ª第六节多晶体的范性形变ª第七节范性形变后金属的结构、组织和性能第五节孪生及扭折滑移是形变的主要形式，孪生及扭折也是形变的不同形式。

一、孪生孪生━晶体受力后，以产生孪晶的方式而进行的切变过程，称为孪生。

孪晶━以共格界面相联结，晶体学取向成镜面对称关系的这样一对晶体（或晶粒）的合称。

孪生前后晶体的形变晶体受到切应力后，沿着一定的晶面(孪生面) 和一定的晶向(孪生方向) 在一个区域内发生连续的顺序的切变。

滑移≠孪生滑移时晶体两部分相对滑移面的(整体) 切变量是原子间距的整数倍。

孪生时各晶面相对于孪生面的切变量与该晶面和孪生面的距离成正比，是原子间距的分数值。

第五节孪生及扭折孪生也是通过位错运动来实现的。

产生孪生的位错的柏氏矢量必须小于一个原子间距━部分位错。

每层原子都有一个不相等的部分位错。

逐层横扫、形成孪晶。

孪生比滑移困难：n晶体学条件必须满足孪生后取向关系，只能沿确定的晶面和晶向进行切变；o孪生所需切应力往往比滑移大许多倍。

孪生核心大多产生于晶体内的局部高应力、高应变区，即在滑移已进行到相当程度、并受到严重阻碍的区域。

对于一些滑移系较多，而孪生与滑移的临界分切应力又相差很大的晶体来说，要使晶体不发生滑移而进行孪生，是相当困难的。

Z HCP金属(Mg、Zn) 是最常见出现孪晶的。

六方晶系的滑移系很少，滑移困难，容易出现孪晶。

FCC 金属很少进行孪生，只有很少金属(Cu、Ag)在极低温度下滑移很困难时才发生孪生。

BCC 金属(αFe)在室温时，只有在冲击载荷下，才进行孪生。

第五节孪生及扭折二、扭折扭折是在滑移受阻、孪生也不利的条件下，晶体所作的不均匀局部塑性变形来适应外力的作用，是位错汇集引起协调性的形变。

和孪生不同，扭折区晶体的取向发生了不对称的变化，扭折带大多是由折曲(ABCD)和弯曲（左右两侧）两部分组成。