材料力学性能教学课件PPT材料在单向拉伸下的力学性能 127页

'1主讲人:张宁 2材料力学性能的定义:材料在外加载荷（外力）作用下，或载荷与环境因素（如温度、介质和加载速率）联合作用下所表现的行为，又称为力学行为。宏观上一般表现为材料的变形或断裂。第一章材料在单向拉伸下的力学性能 3机器零件（简称机件）的承载条件一般用各种力学参数（如应力、断裂韧度等），所以就将表征材料的力学参数的临界值或规定值称为材料的力学性能指标或判据。材料力学性能指标具体数值的高低表示材料抵抗变形和断裂能力的大小，是评定材料质量的主要依据。第一章材料在单向拉伸下的力学性能 4一、拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线二、弹性变形三、塑性变形四、金属的断裂第一章材料在单向拉伸下的力学性能 51.1金属力学性能基本概念1.2单项静拉伸试验1.3拉伸力-伸长曲线1.4应力-应变曲线1.5拉伸力学性能指标第一节拉伸力-伸长曲线和应力-应变曲线 6力作用于材料弹性变形弹塑性变形断裂1.1金属力学性能基本概念 7拉伸屈服压缩弯曲剪切蠕变延伸率断面收缩率弯曲曲率模量弯曲模量冲击强度缺口敏感性磨损阻力疲劳强度金属的服役性能与力学性能相关拉伸测试冲击试验硬度试验1.1金属力学性能基本概念 81.1金属力学性能基本概念：应力及应力类型力变形方式应力类型单向应力剪切应力扭转力矩弯曲力矩拉伸伸长压缩压缩剪切剪切扭转扭转弯曲弯曲工程构件可能受到的应力类型有：拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲等 9单向静拉伸试验特点应力状态：单向拉应力，应力状态简单，最基本的、应用最广泛的力学性能。拉伸试验反映的信息：弹性变形、塑性变形和断裂（三种基本力学行为），能综合评定力学性能。通过拉伸试验可测材料的弹性、强度、延伸率、加工硬化和韧性等重要的力学性能指标，它是材料的基本力学性能。1.2单向静拉伸试验 10拉伸性能的作用、用途a.在工程应用中，拉伸性能是结构静强度设计的主要依据之一。b.提供预测材料的其它力学性能的参量，如抗疲劳、断裂性能。c.研究新材料，或合理使用现有材料和改善其力学性能时，都要测定材料的拉伸性能。注意：拉伸试验的应力状态、加载速率、温度、试样等都有严格规定（方法：GB/T228-2002；试样：GB/T6397-1986）。1.2单向静拉伸试验 111.2单向静拉伸试验 121.2单向静拉伸试验 13可移动横梁试样载荷与位移读数载荷和运动控制试验条件和样品要符合标准工程应力：σengstress=P/A0A0原始截面积真应力：σtruestress=P/AA=实时截面积1.2单向静拉伸试验 1.2单向静拉伸试验美特斯工业系统(中国)有限公司CMT5105系列微机控制电子万能试验机试验机的结构及零部件（外部） 15ABFA工程应力――载荷除以试件的原始截面积即得工程应力ss=F/A0式中F为载荷，A0为原始截面积。(单位:N/m2orPascal(Pa))1.2单向静拉伸试验：应力 16工程应变――伸长量除以原始标距长度即得工程应变e，应变用来描述塑性变形和弹性变形程度单位长度上的变化量：e=DL/L0式中DL为试样伸长量，DL=L-L0，L0为试样原始标长，L为与F相对应的标长部分的长度。无单位(m/m，mm/mm)1.2单向静拉伸试验：应变 171.3拉伸力-伸长曲线 181.3拉伸力-伸长曲线 191.3拉伸力-伸长曲线 20弹性变形阶段 21屈服点 22屈服发生后的卸载 23均匀塑性变形阶段 24颈缩阶段 25材料分类：按材料在拉伸断裂前是否发生塑性变形，将材料分为脆性材料和塑性材料两大类。（1）脆性材料：在拉伸断裂前不产生塑性变形,只发生弹性变形；（2）塑性材料：在拉伸断裂前会发生不可逆塑性变形。高塑性材料：在拉伸断裂前不仅产生均匀的伸长，而且发生颈缩现象，且塑性变形量大。低塑性材料：在拉伸断裂前只发生均匀伸长，不发生颈缩，且塑性变形量较小。1.3拉伸力-伸长曲线： 26原子间的距离发生伸长和缩短，但原子间的结合键并没有发生破坏卸载后变形迅速恢复加载卸载1.3拉伸力-伸长曲线：弹性变形 27相邻原子改变，改变后又会迅速产生新的平衡卸载后产生不可恢复的永久变形加载卸载1.3拉伸力-伸长曲线：塑性变形 28塑性变形一定导致断裂吗？一些材料可以承受一定的塑性变形而不破坏。一些材料承受一定塑性变形就会发生破坏，如桥梁混凝土，陶瓷等。wire 29基本设计准则施加的应力必须小于材料的强度强度就是材料变形和断裂的临界应力 301.4应力-应变曲线 31脆性材料的应力－应变曲线：典型材料：玻璃、多种陶瓷、岩石，低温下的金属材料、淬火状态的高碳钢和普通灰铸铁等。曲线特征：在拉伸断裂前，只发生弹性变形，不发生塑性变形，在最高载荷点处断裂。断口特征：平断口，断口平面与拉力轴线垂直。1.4应力-应变曲线 32塑性材料的应力－应变曲线：1.4应力-应变曲线 33（1）最常见的金属材料应力-应变曲线Oa为弹性变形阶段，ab为形变强化阶段，bk为缩颈阶段，在k点发生断裂，如图1.7(a)。典型材料有调质钢、黄铜和铝合金。1.4应力-应变曲线 34（2）具有明显屈服点的应力-应变曲线曲线有明显的屈服点aa′，屈服点呈屈服平台或呈齿状，相应的应变量在1%～3%范围，图1.7(b)。典型材料：退火低碳钢和某些有色金属。1.4应力-应变曲线 35（3）不出现颈缩的应力-应变曲线只有弹性变形oa和均匀塑性变形ak阶段，图1.7(c)。典型材料：铝青铜和高锰钢。1.4应力-应变曲线 36（4）不稳定型材料的应力-应变曲线在形变强化过程中出现多次局部失稳，原因是孪生变形机制的参与，当孪生应变速率超过试验机夹头运动速度时，导致局部应力松弛，从而出现齿形特征，如图1.7(d)。典型材料：低溶质固溶体铝合金和含杂质铁合金。1.4应力-应变曲线 37孪生变形除位错的滑移外，晶体的变形还可以借孪生（晶）来实现。孪生变形是晶体特定晶面（孪晶面）的原子沿一定方向（孪生方向）协同位移（称为切变）的结果，但是不同的层原子移动的距离也不同。图中带浅咖啡色的部分为原子移动后形成的孪晶。可以看出，孪晶与未变形的基体间以孪晶面为对称面成镜面对称关系。1.4应力-应变曲线 38真应力-应变曲线1.4应力-应变曲线 391.4应力-应变曲线工程应力-应变曲线不能真实反映变形过程中的应力和应变的变化 40真实应变与工程应变区别：1、工程应变往往不能真实反映或度量应变。2、真实应变可以叠加，可以不计中间的加载历史，只需要知道试样的初始长度和最终长度。3、工程应变总大于真应变，工程应变为0.1左右时，两者相差不多，随着应变量的增加，两者的相差越来越大。在弹-塑性变形阶段，只有真应力-真应变曲线才能描述材料的力学形为。1.4应力-应变曲线 41大多数的工程材料都可以看作弹性体，因此弹性模量具有普遍性弹性系数和弹性模量的区别1.5拉伸力学性能指标（1）弹性模量EF=kx 42弹性模量E:单纯弹性变形过程中应力与应变的比值，表示材料对弹性变形的抗力。（1）弹性模量E 43材料的弹性模量具有组织不敏感性！（1）弹性模量E 44悬臂梁挠度与弹性模量聚苯乙烯铝钢 45对于拉伸曲线上有明显的屈服平台的材料，塑性变形硬化不连续，屈服平台所对应的应力即为屈服强度，记为ss=Ps/A0对于拉伸曲线上没有屈服平台的材料，塑性变形硬化过程是连续的，此时将屈服强度定义为产生0.2%残余伸长时的应力，记为σ0.2s=σ0.2=P0.2/A0（2）屈服强度 46（2）屈服强度 47小塑性变形抗力指标（2）屈服强度 48抗拉强度b：定义为试件断裂前所能承受的最大工程应力，以前称为强度极限。取拉伸图上的最大载荷，即对应于b点的载荷除以试件的原始截面积，即得抗拉强度之值，记为σbσb=Pmax／A0（3）抗拉强度 49拉伸断裂时的真应力称为真实断裂强度，记为σf。试验时测出断裂点的截荷Pf，试件的最小截面积Af，则断裂时的平均真应力，即平均断裂强度值，σf表示如下σf=Pf/Af大塑性变形抗拉指标（4）真实断裂强度 50断裂前不发生明显塑性变形——脆性玻璃、陶瓷、硬塑料高强度钢断裂前发生明显塑性变形——韧性低强度钢、铜、铝、铅…脆性与韧性 51BrittlefractureDuctilefracture“脆性断裂”所需的能量：分开原子＋新表面的表面能“韧性断裂”所需的能量：分开原子＋新表面的表面能+塑性变形消耗的能量（远大于前两者之和）BrittlefractureDuctilefracture脆性断裂韧性断裂 52应变应变应力应力塑性材料脆性材料玻璃、陶瓷下面两种材料强度相近，谁的韧性大？脆性与韧性 532.1弹性变形及其实质2.2胡克定律2.3弹性模量2.4弹性比功2.5滞弹性2.6包申格（Bauschinger）效应第二节弹性变形 54金属弹性变形是一种可逆变形（卸载后可以恢复变形前形状的变形）；弹性变形微观解释：变形的实质——双原子模型2.1弹性变形及其实质 55图1-4中，在没有外加载荷作用时，金属中的原子N1、N2在其平衡位置附近产生振动。相邻两个原于之间的作用力(曲线3)由引力(曲线1)与斥力(曲线2)叠加而成。引力与斥力都是原子间距的函数。当两原子因受力而接近时，斥力开始缓慢增加，而后迅速增加；而引力则随原子间距减小增加缓慢。合力曲线3在原子平衡位置处为零。2.1弹性变形及其实质 56当原子间相互平衡力因受外力作用而受到破坏时，原子的位置必须作相应调整，即产生位移，以期外力、引力和斥力三者达到新的平衡。原子的位移总和在宏观上就表现为变形。外力去除后，原子依靠彼此之间的作用力又回到原来的平衡位置，位移消失，宏观上变形也就消失。这就是弹性变形的可逆性。金属弹性变形量比较小，一般不超过0.5％~1％。这是因为原子弹性位移量只相当于原子间距的几分之一，所以弹性变形量小于1％。2.1弹性变形及其实质 57单向拉伸σ=E·εE：弹性模量剪切和扭转τ=G·γτ：切应力G：切变模量Γ：切应变2.2胡克定律 58定义：当应变为一个单位时，弹性模量即为弹性应力，即产生100%弹性变形时所需要的应力。这个定义对金属来讲是没有任何意义的，这是因为金属材料所能产生的弹性变形量是很小的。2.3弹性模量 59工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值越大，则在相同应力下产生的弹性变形就越小。机器零件或构件的刚度与材料刚度不同，前者除与材料刚度有关外，尚与其截面形状和尺寸以及载荷作用的方式有关。刚度是金属材料重要的力学性能指标之一。一些机件或构件在选材或设计时常要用到它。合金化、热处理(显微组织)、冷塑性变形对弹性模量的影响较小，所以，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标。温度、加载速率等外在因素对其影响也不大。2.3弹性模量 60弹性比功又称弹性比能、应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。金属拉伸时的弹性比功用图1-2应力应变曲线上弹性变形阶段下的面积表示，即ae为弹性比功，σe为弹性极限（是材料由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力），εe为最大弹性应变。2.4弹性比功 61弹性极限表示材料对微量塑性变形的抗力，是对组织敏感的力学性能指标。金属材料的弹性比功决定于其弹性模量和弹性极限。由于弹件模量是组织不敏感性能，因此，对于一般金属材料，只有用提高弹性极限的方法才能提高弹性比功。2.4弹性比功 62完整的弹性应该是加载时立即变形，卸载时立即恢复原状，应力—应变曲线上加载线与卸载线完全重合，即应力与应变同相，变形值大小与时间无关，即变形的性质的确是完全弹性的。但实际上，如上所述，弹性变形时加载线与卸载线并不重合，应变落后于应力，存在着弹性后效、弹性滞后、包申格效应等。这些现象属于弹性变形中的非弹性问题，称为弹性的不完整性。2.5滞弹性 63把一定大小的应力骤然加到多晶体试样上，试样立即产生的弹性应变仅是该应力所应该引起的总应变(OH)中的一部分(Oa)，其余部分的应变(aH)是在保持该应力大小不变的条件下逐渐产生的，此现象称为正弹性后效。当外力骤然去除后，弹性应变消失，但也不是全部应变同时消失，而只先消失一部分(eH)，其余部分(Oe)也是逐渐消失的，此现象称为反弹性后效。工程上通常所说的弹性后效就是指的这种反弹性后效。2.5滞弹性 64总之，这种在应力作用下应变不断随时间而发展的行为，以及应力去除后应变逐渐恢复的现象都可统称为弹性后效。在弹性范围内快速加载或卸载后，随着时间延长产生的附加弹性应变的现象，称为滞弹性。2.5滞弹性 65金属的循环韧性定义：金属材料在交变载荷（或振动）下吸收不可逆变形功的能力，也称为金属的内耗或消振性。意义：循环韧性越高，机件依靠自身的消振能力越好，所以高循环韧性对于降低机器的噪声，抑制高速机械的振动，防止共振导致疲劳断裂意义重大。2.5滞弹性 66下图所示为退火态轧制黄铜在不同加载条件下弹性极限变化的情况。曲线1为初始拉伸，σe=240MPa；曲线2为初始压缩，σe=176MPa；如果将初始压缩后的试样卸载，再进行第二次压缩，则σe=287MPa（曲线3）；如果将初始压缩后的试样卸载，再进行第二次拉伸，则σe=85MPa（曲线4）。2.6包申格（Bauschinger）效应 67金属材料经过顶先加载产生少量塑性变形(残余应变约为1％—4％)。卸载后再同向加载，规定残余伸长应力(弹性极限或屈服强度，下同)增加；反向加载，规定残余伸长应力降低（特别是弹件极限在反向加载时几乎降低到零）的现象，称为包申格效应。几乎所有的退火或高温回火态金属或合金都有该效应。2.6包申格（Bauschinger）效应 68T10钢淬火350℃回火试样，拉伸时屈服强度为1130MPa，但如事先经过预压缩变形再拉伸时，其屈服强度就降至880MPa。2.6包申格（Bauschinger）效应 69工程上有些材料要通过成型工艺制造构件，要考虑包申格效应，加大型输油气管线工艺制造的管子，希望所用材料具有非常小的或几乎没有包申格效应。以免管子成型后强度损失。在有些情况下，人们也可以利用包申格效应，如薄板反向弯曲成形、拉拔的钢棒经过轧辊压制较直等。2.6包申格（Bauschinger）效应 70消除包申格效应的方法：（1）预先进行较大的塑性变形；（2）在第二次反向受力前先使金属材料于回复或再结晶温度下退火，如钢在400~500℃，铜合金在250~270℃退火。2.6包申格（Bauschinger）效应 713.1塑性变形方式及特点3.2屈服现象和屈服点（屈服强度）3.3影响屈服强度的因素3.4应变硬化（形变强化）3.5缩颈现象3.6塑性第三节塑性变形 72金属材料常见的变形方式：（1）滑移滑移是金属材料在切应力作用下沿滑移面和滑移方向进行的切变过程。通常，滑移面是原子最密排的晶面，而滑移方向是原子最密排的方向。滑移面和滑移方向的组合称为滑移系。（2）孪生孪生也是金属材料在切应力作用下的一种塑性变形方式。孪生变形可以调整滑移面的方向，使新的滑移系开动，间接对塑性变形有贡献。3.1塑性变形方式及特点 733.1塑性变形方式及特点多晶体金属中，每一晶粒滑移变形的规律与单晶体金属相同。但由于多晶体金属存在着晶界，各晶粒的取向也不相同，因而其塑性变形有如下特点：（1）各晶粒变形的不同时性和不均匀性（2）各晶粒变形的相互协调性 743.2屈服现象和屈服点（屈服强度）屈服现象是材料产生宏观塑性变形的一种标志。金属材料从弹性变形阶段向塑性变形阶段的过渡明显，表明外力保持恒定时试样仍继续伸长，或者外力增加到一定数值时突然下降，然后外力几乎不变时，试样仍继续伸长变形，这就是屈服现象。呈现屈服现象的金属材料在拉伸时，试样在外力保持恒定仍能继续伸长的应力称为屈服点，记为σs，又称屈服强度。 753.3影响屈服强度的因素（一）内在因素1.金属本身及晶格类型一般多相合金的塑性变形主要沿基体相进行，这表明位错主要分布在基体相中。如果不计合金成分的影响，那么一个基体相就相当于纯金属单晶体。纯金属单晶体的屈服强度从理论上来说是使位错开始运动的临界切应力，其值由位错运动所受的各种阻力决定。这些阻力有晶格阻力、位错间交互作用产生的阻力等。不同的金属及晶格类型，位错运动所受的各种阻力并不相同。 763.3影响屈服强度的因素2.晶粒大小和亚结构晶粒大小的影响是晶界影响的反映，因为晶界是位错运动的障碍，在一个晶粒内部，必须塞积足够数量的位错才能提供必要的应力，使相邻晶粒中的位错源开动并产生宏观可见的塑性变形。因而，减小晶粒尺寸将增加位错运动障碍的数目，减小晶粒内位错塞积群的长度，使屈服强度提高（细晶强化）。 773.3影响屈服强度的因素2.晶粒大小和亚结构亚结构：在实际金属晶体中，一个晶粒内部其晶格位向并不像理想晶体那样完全一致，而是存在许多尺寸更小、位向差也很小（一般为几十分到1-2度）的小晶块，它们相互镶嵌成一颗晶粒，这些小晶块称为亚结构，或称亚晶粒、镶嵌块。亚晶界的作用与晶界类似，也阻碍位错运动。 783.3影响屈服强度的因素3.溶质元素在纯金属中加入溶质原子（间隙型或置换型）形成固溶合金（或多相合金中的基体相），将显著提高屈服强度，称为固溶强化。通常，间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体。 793.3影响屈服强度的因素4.第二相第二相质点的强化效果与质点本身在屈服变形过程中能否变形有很大关系。据此可将第二相质点分为不可变形的（如钢中的碳化物与氮化物等）和可变形的（如时效铝合金中GP区的共格析出物θ〃相及粗大的碳化物等）两类。这些第二相质点都比较小，有的可用粉末冶金法获得（由此产生的强化叫弥散强化），有的则可用固溶处理和随后的沉淀析出获得（由此产生的强化叫沉淀强化）。表征金属微量塑性变形抗力的屈服强度是一个对成分、组织极为敏感的力学性能指标，受许多内在因素的影响，改变合金成分或热处理工艺都可使屈服强度产生明显变化。 803.3影响屈服强度的因素（二）外在因素1.温度一般，升高温度金属材料的屈服强度降低。2.应变速率因应变速率增加而产生的强度提高效应，称为应变速率硬化现象。3.应力状态应力状态也影响屈服强度，切应力分量越大，越有利于塑性变形，屈服强度则越低，所以扭转比拉伸的屈服强度低，拉伸要比弯曲的屈服强度低，但三向不等拉伸下的屈服强度为最高。扭转强度＜拉伸强度＜弯曲强度 813.4应变硬化（形变强化）定义：在金属整个变形过程中，当外力超过屈服强度之后，塑性变形并不是像屈服平台那样连续流变下去，而需要不断增加外力才能继续进行，这说明金属有一种阻止继续塑性变形的抗力，这种抗力就是应变硬化性能。塑性应变是硬化的原因，而硬化则是塑性应变的结果。应变硬化是位错增殖、运动受阻所致。 823.4应变硬化（形变强化）应变硬化的作用：（1）应变硬化可使金属机件具有一定的抗偶然过载能力，保证机件安全。（2）应变硬化和塑性变形适当配合可使金属均匀塑性变形，保证冷变形工艺顺利实施。（3）可降低塑性，改善低碳钢的切削加工性能。 833.5缩颈现象和抗拉强度（一）定义缩颈是韧性金属材料在拉伸试验时变形集中于局部区域的特殊现象，这是应变硬化（物理因素）与截面减小（几何因素）共同作用的结果。缩颈一旦产生，拉伸试样原来所受的单向应力状态就被破坏，而在缩颈区出现三向应力状态。 843.6塑性（一）塑性与塑性指标塑性定义：指金属材料断裂前发生塑性变形（不可逆永久变形）的能力。金属材料断裂前所产生的塑性变形由均匀塑性变形和集中塑性变形两部分构成。试样拉伸至缩颈前的塑性变形是均匀塑性变形，缩颈后缩颈区的塑性变形是集中塑性变形。 金属材料常用的塑性指标为断后伸长率和断面收缩率。断后伸长率是试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比，用δ表示式中：L0：试样原始标距长度；L1：试样断裂后的标距长度。853.6塑性 断面收缩率是试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号ψ表示式中：A0：试样原始横截面积；A1：缩颈处最小横截面积。863.6塑性 873.6塑性（二）塑性的意义与影响因素对机件来讲，都要求材料具有一定的塑性，以防止机件偶然过载时产生突然破坏。影响因素：（1）溶质元素会降低铁素体的塑性；（2）钢的塑性受碳化物体积比以及形状的影响；（3）细化颗粒可使材料的塑性增加。 884.1断裂的类型4.2解理断裂4.3微孔聚集断裂第四节金属的断裂 89第四节金属的断裂断裂是工程材料的主要失效形式之一。工程结构或机件的断裂会造成重大的经济损失，甚至人员伤亡。因此，如何提高材料的断裂抗力，防止断裂事故发生，一直是人们普遍关注的课题。在材料塑性变形过程中，也在产生微孔损伤。微孔的产生与发展，即损伤的累积，导致材料中微裂纹的形成与长大，即连续性的不断丧失，这种损伤达到临界状态时，裂纹失稳扩展，实现最终的断裂。可以说，任何断裂过程都是由裂纹形成和扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。对断裂的研究，主要关注的是断裂过程的机理及其影响因素，其目的在于根据对断裂过程的认识制订合理的措施，实现有效的断裂控制。 904.1断裂的类型磨损、腐蚀和断裂是机件的三种主要失效形式，其中以断裂的危害最大。在应力作用下（有时还兼有热及介质的共同作用），金属材料被分成两个或几个部分，称为完全断裂；内部存在裂纹，则为不完全断裂。 914.1断裂的类型按断裂前有无产生明显的宏观塑性变形分类：（一）韧性断裂与脆性断裂韧性断裂：指金属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消耗能量。韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45°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表面对光反射能力很弱所致。 924.1断裂的类型中、低强度钢的光滑圆柱试样在室温下的静拉伸断裂是典型的韧性断裂，其宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成（图1-17），即所谓的断口特征三要素。这种断口的形成过程如图1-18所示。 934.1断裂的类型这种断口的形成过程如图1-18所示。 944.1断裂的类型当光滑圆柱拉伸试样受拉伸力作用，在试验力达到拉伸力—伸长曲线最高点时，便在试样局部区域产生缩颈，同时试样的应力状态也由单向变为三向，且中心轴向应力最大。在中心三向拉应力作用下，塑性变形难于进行，致使试样中心部分的夹杂物或第二相质点本身碎裂、或使夹杂物质点与基体界面脱离而形成微孔。微孔不断长大和聚合就形成显微裂纹。早期形成的显微裂纹，其端部产生较大塑性变形，且集中于极窄的高变形带内。这些剪切变形带从宏观上看大致与径向呈50°~60°角。新的微孔就在变形带内成核、长大和聚合，当其与裂纹连接时，裂纹便向前扩展了一段距离。这样的过程重复进行就形成锯齿形的纤维区。纤维区所在平面（即裂纹扩展的宏观平面）垂直于拉伸应力方向。 954.1断裂的类型纤维区中裂纹扩展的速率是很慢的，当其达到临界尺寸后就快速扩展而形成放射区。放射区是裂纹作快速低能量撕裂形成的。放射区有放射线花样特征。放射线平行于裂纹扩展方向而垂直于裂纹前瑞（每一瞬间）的轮廓线，并逆指向裂纹源。撕裂时塑性变形量越大，则放射线越粗。对于几乎不产生塑性变形的极脆材料，放射线消失。温度降低或材料强度增加，由于塑性降低，放射线由粗交细乃至消失。试样拉伸断裂的最后阶段形成杯状或锥状的剪切唇。剪切唇表面光滑，与拉伸轴呈45°，是典型的切断型断裂。 964.1断裂的类型韧性断口的宏观断口同时具有上述三个区域，而脆性断口纤维区很小，剪切唇几乎没有。一般说来，材料强度提高，塑性降低，则放射区比例增大；试样尺寸加大，放射区增大明显，而纤维区变化不大。 974.1断裂的类型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。脆性断裂的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中的人字纹花样如图1-19所示。 984.1断裂的类型人字纹花样的放射方向也与裂纹扩展方向平行，但其尖顶指向裂纹源。实际多晶体金属断裂时主裂纹向前扩展，其前沿可能形成一些次生裂纹，这些裂纹向后扩展借低能量撕裂与主裂纹连接便形成人字纹。 994.1断裂的类型通常，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％者为脆性断裂；反之，大于5％者为韧性断裂。由此可见，金属材料的韧性与脆性是根据一定条件下的塑性变形量来规定的。条件改变，材料的韧性与脆性行为也将随之变化。 1004.1断裂的类型（二）穿晶断裂与沿晶断裂多晶体金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的。穿晶断裂的裂纹穿过晶内；沿晶断裂的裂纹沿晶界扩展。按裂纹扩展的途径分类： 1014.1断裂的类型从宏观上看，穿晶断裂可以是韧性断裂（如韧脆转变温度以上的穿晶断裂)，也可以是脆性断裂（低温下的穿晶解理断裂），而沿晶断裂则多数是脆性断裂。沿晶断裂是由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，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、磨削裂纹等大都是沿晶断裂。 1024.1断裂的类型沿晶断裂的断口形貌呈冰糖状（图1-20），但如晶粒很细小，则肉眼无法辨认出冰糖状形貌，此时断口一般呈晶粒状，颜色较纤维状断口明亮，但比纯脆性断口要灰暗些，因为它们没有反光能力很强的小平面。穿晶断裂和沿晶断裂有时可以混合发生。 1034.1断裂的类型当晶界的强度小于屈服强度时，晶界无塑性变形，产生冰糖状断口；当晶界的强度大于屈服强度时，晶界有塑性变形，产生石状断口。 1044.1断裂的类型根据断裂机理分类：（三）纯剪切断裂与微孔聚集型断裂、解理断裂（1）剪切断裂：金属材料在切应力的作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂；包括滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。 1054.1断裂的类型纯金属尤其是单晶体金属常产生纯剪切断裂，其断口呈锋利的楔形（单晶体金属）或刀尖型（多晶体金属的完全韧性断裂）。这是纯粹由滑移流变所造成的断裂。微孔聚集型断裂是通过微孔形核、长大聚合而导致材料分离的。由于实际材料中常同时形成许多微孔，通过微孔长大互相连接而最终导致断裂，故常用金属材料一般均产生这类性质的断裂，如低碳钢室温下的拉伸断裂。 1064.1断裂的类型（2）解理断裂：是指金属材料在一定条件下（如低温），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产生的穿晶断裂；因与大理石的断裂相似，所以称这种晶体学平面为解理面。通常，解理断裂总是脆性断裂，但有时在解理断裂前也显示一定的塑性变形，所以解理断裂与脆性断裂不是同义词，前者指断裂机理而言，后者则指断裂的宏观性态。 1074.1断裂的类型根据断裂面的取向分类：如果断裂面取向垂直于最大正应力，为正断型断裂；如果断裂面取向与最大切应力方向一致，而与最大正应力方向成45°，为切断型断裂。前者如解理断裂或塑性变形受较大约束下的断裂，后者如塑性变形不受约束或约束较小情况的断裂，如拉伸断口上的剪切唇。 1084.1断裂的类型 1094.1断裂的类型断口剪切试验后芯部包覆层断裂处 1104.1断裂的类型 1114.1断裂的类型 1124.2解理断裂（一）解理裂纹的形成和扩展裂纹的形成与塑性变形和位错运动有关；金属材料的断裂总是伴随有一定的塑性变形，有塑性变形就存在位错的运动（断裂前没有塑性变形的理想脆性断裂是不存在的）。 1134.2解理断裂（二）解理断裂的微观断口特征1.解理断裂解理断裂是沿特定界面发生的脆性穿晶断裂，其微观特征应该是极平坦的镜面。但是，实际的解理断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解理面集合而成的。这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。 1144.2解理断裂在解理刻面内部只从一个解理面发生解理破坏实际上是很少的。在多数情况下，裂纹要跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面，从而在同一刻面内部出现了解理台阶和河流花样，后者实际上是解理台阶的一种标志。解理台阶、河流花样，还有舌状花样是解理断裂的基本微观特征。图1-25是河流花样的电镜照片。 1154.2解理断裂 1164.2解理断裂解理裂纹与螺型位错相交是形成解理台阶的一种方式。设晶体内有一螺型位错，并设想解理裂纹为一刃型位错。当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个高度为b的台阶（图1-26）。 1174.2解理断裂它们沿裂纹前端滑动而相互汇合，同号台阶相互汇合长大。当汇合台阶高度足够大时，便成为河流花样（图1-27）。河流花样是判断是否为解理断裂的重要微观依据。“河流”的流向与裂纹扩展方向一致，所以可以根据“河流”流向确定在微观范围内解理裂纹的扩展方向，而按“河流”反方向去寻找断裂源。 1184.2解理断裂解理断裂的另一微观特征是存在舌状花样（图1-28），因其在电子显微镜下类似于人舌而得名。它是由于解理裂纹沿孪晶界扩展留下的舌头状凹坑或凸台，故在匹配断口上“舌头”为黑白对应的。 1194.2解理断裂2.准解理在许多淬火回火钢中，其回火产物中有弥散细小的碳化物质点，它们影响裂纹形成与扩展。当裂纹在晶粒内扩展时，难于严格地沿一定晶体学平面扩展。断裂路径不再与晶粒位向有关，而主要与细小碳化物质点有关。其微观形态特征，似解理河流但又非真正解理，故称准解理（图1-29）。 1204.2解理断裂 1214.3微孔聚集断裂（一）微孔形核和长大微孔聚集断裂过程包括微孔成核、长大、聚合，直至断裂。微孔是通过第二相（或夹杂物）质点本身破裂，或第二相（或夹杂物）与基休界面脱离而成核的，它们是金属材料在断裂前塑性变形进行到一定程度时产生的。在第二相质点处微孔成核的原因是：位错引起的应力集中；或在高应变条件下因第二相与基体塑性变形不协调而产生分离。 1224.3微孔聚集断裂（二）微孔聚集断裂的微观断口特征微孔形核长大和聚合在断口上留下的痕迹，就是在电子显微镜下观察到的大小不等的圆形或椭圆形韧窝。韧窝是微孔聚集断裂的基本特征。正像河流花样是解理断裂的基本特征一样。 1234.3微孔聚集断裂韧窝形状视应力状态不同而异，有下列三类：等轴韧窝、拉长韧窝和撕裂韧窝（图1-31），在电子显微镜下的形貌如图1-32所示。 1244.3微孔聚集断裂 1254.3微孔聚集断裂如果使微孔在垂直于正应力的平面上各方向长大倾向相同，则在正应力垂直于微孔的平面上便形成等轴韧窝。在扭转载荷或受双向不等拉伸条件下，因切应力作用形成拉长韧窝。如在微孔周围的应力状态为拉、弯联合作用，微孔在拉长、长大同时还要被弯曲，形成在两个相配断口上方向相同的撕裂韧窝。 1264.3微孔聚集断裂必须指出，微孔聚集断裂一定有韧窝存在，但在微观形态上出现韧窝，其宏观上不一定就是韧性断裂。因为如前所述，宏观上为脆性断裂，在局部区域内也可能有塑性变形，从而显示出韧窝形态。 '