固体材料的变形与断裂

22
0(2.8 61 08cm ) 8.5510
(3)1cm长的位错线上铁原子数为：
n 1cm
7
12.8 61 08cm4.0310 后退 下页
因位错线长为 10 8 cm，故位错线上总的铁原子数为
n8
78
15
2 1n 0 1 4 .0 1 3 0 10 4 .0 1 30
(4)偏聚于位错线下方的碳原子总数为：
其中 a— ， 原子间 b— 距 柏 ， 氏矢量
—泊松系数
1）a越大，即原子面间距大， P N 越小，
表示点阵阻力小，说明原子面间距越大， 位错运动阻力小，而a增大的面即原子最密 排面。
2） bPN ，即说明原子排列越
紧密，其位错运动阻力小。
后退 下页
3）fcc及沿基面{0001}滑移的hcp,其 P N 最低，沿 1100 及 1011 滑移
112
111
123
0001 1011
hcp下页
滑移系 12个
48个
3个
后退 下页
后退
下页
三、孪晶变形
后退 下页
孪晶变形特点：
1.孪晶变形有镜面对称的孪晶，孪晶也沿
一定的孪晶面及晶向方向，如：fcc中,孪晶
面（111），孪晶方向 [11 2 ] ;
2.孪晶中原子移动受严格限制，同一晶面
由于位错交割形成割阶，造成位错运动 增大，故强度提高。
问题 认真理解扭折与割阶的概念极其形 成过程。
二、位错反应
两个滑移面上的位错相遇，在一定条 件下可发生位错反应，形成一个不动位错。
后退 下页
在面心立方金属中，一个全位错可分 为两个不全 位错，中间夹一层错。
(111 )面 1[1： 1 0 ] 1[21 1 ]1[112 ]

1、强度：固体材料在外力的抵抗产生塑性变形和断裂的特性。

常用的强度指标有屈服点和抗拉强度等。

2、屈服点：金属材料承受载荷作用。

当载荷不再增加或缓慢增加时，金属材料仍继续发生明显的塑性变形。

这种现象称为屈服。

发生屈服现象时的应力，即开始出现塑性变形时的应力，称为屈服点用σ（）表示3、抗拉强度（σ）：金属材料在拉伸条件下，从开始加载到发生断裂所能承受的最大应力值4、工程上所用的金属材料，不仅希望具有高的σ值，而且还希望具有一定的屈强比（σ/σ）.屈强比越小，材料的塑性储备就越大，越不容易发生危险的脆性破坏，但是屈强比太小，材料的强度水平就不能充分发挥，反之，屈强比越大，材料的强度水平就越能得到充分发挥，但塑性储备越小，实际上，一般还是希望屈强比大一些。

5、塑性：金属材料在断裂发生不可逆永久变形的能力。

塑性指标：金属在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。

常用的塑性指标有延伸率（δ）和断面收缩率（ψ）6、硬度：金属材料表面上不大的体积内抵抗其他更硬物体压入表面发生变形或破裂的能力。

7、冲击韧性：衡量材料韧性的一个指标，是材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常以标准试样的冲击吸收功A表示韧性高的材料，一般都有较高的苏醒指标，但塑性较高的材料，却不一定都有高的韧性。

8、材料的性能包括力学性能、物理性能、化学性能、和加工工艺性能等9、弹性模量（E= ）、泊松比（μ=0.3）10、耐腐蚀性：金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解液侵蚀的抵抗能力11、金属和合金的加工工艺性能：在保证加工质量的前提下加工过程的难易程度12、工程上一般将金属材料分为黑色金属和有色金属两大类。

13、铬：是合金钢主加元素之一，他不仅能提高金属耐腐蚀性能，也能提高抗氧化性能。

铬能提高钢的淬透性，显著提高钢的强度、硬度、耐磨性，但它使钢的塑性和韧性降低。

14、钼：能提高钢的高温强度、硬度、细化晶粒，防止回火脆性，能抗氢腐蚀。

一、脆性断裂机理
脆性断裂的两种主要机理：解理断裂和沿晶断裂。 对解理断裂：实验结果表明，尽管解理断裂是典型的 脆性断裂，但解理裂纹的形成却与材料的塑性变形有 关，而塑性变形是位错运动的结果，因此，为了探讨 解理裂纹的产生，不少学者采用位错理论来解释解理 裂纹形成机理。
解理裂纹形成机理：
(1) 甄纳－斯特罗(Zener-Stroh)理论（位错塞积理论）
则ζm＝28.3 GPa。
目前强度最高的钢材为4500MPa左右，即实际材料 的断裂强度比其理论值低1~3个数量级。
实际的材料不是完整的晶体，即基本假设不正确。实 际的材料总会存在各种缺陷和裂纹等不连续的因素， 缺陷引起的应力集中对断裂的影响是不容忽视的。
晋代刘昼在《刘子· 慎隙》中作了这样的归纳:“墙之 崩隤，必因其隙；剑之毁折，皆由于璺（wen）。尺蚓 穿堤，能漂一邑”。 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。
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:
（Ue+W）/ a =4γs-2πζ2a/E =0 裂纹失稳扩展的临界应力为:
形成裂纹的有效切应力
i 必须满足以下关系式：
裂纹扩展并导致解理断裂的条件是外加正应力ζ达到临 界应力ζc ：
其中G为切变模量， Ky 是Hall − Petch关系式中的钉扎常数。
由上式可以看出，晶粒越小，断裂应力提高，材料脆性降低。
（2）柯垂尔(Cottrell)理论(位错反应理论)

损伤与大于某一门槛值的塑 性应变同时发生。
脆性试样断裂表面的照片 韧性试样断裂表面的照片 脆性试样断裂表面的电镜照片 韧性试样断裂表面的电镜照片
剪切屈服带
蠕变损伤
金属在高温下承载时， 1、断口的宏观特征
塑性应变中包含了粘性。
在断口附近产生塑性变形，
应变足够大时，产生沿
在变形区域附近有很多裂纹
过程：
选取物体内某点的代表性体积单元，需满足尺度的双重性 连续介质力学及热力学分析膝关节够的损伤演化、变形 通过细观尺度上的平均化方法将细观结果反映到宏观本构、损
伤演化、断裂等行为上
能量损伤理论：
以连续介质力学和热力学为基础 损伤过程视为不可逆能量转换过程 由体系的自由能和耗散势导出损伤演化方程和本构
SU
K
响应 i
C
奇异场
控制参量 T
σC
a
损伤力学的评定方法
均匀性和连续性假设均不成立
设选寿 计材命
σC
a
应用
SULeabharlann 损伤临界 ~ C 参量损伤力学
Damage Mechanics
损伤响应 与初边值
损伤参量i ,
~
d ~ f ,...
本构方程 dt ~
•
f , ~
演化方程:(2)类本构
在这些点处只在一些平 面上会产生穿晶微开裂 。
失效的循环数很高， NR>10000
复合材料拉伸断口
损伤的宏观测量
直接测量 间接测量
剩余寿命 密度 电阻率 疲劳极限 弹性模量 塑性特征 声速变化 粘塑性特征
损伤变量和结构寿命预报
损伤演变依赖于： 延性失效或疲劳失效中的应力 蠕变、腐蚀或辐照过程中的应力 疲劳损伤时载荷循环周数