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null研究生课程：金属成型过程的组织性能控制*研究生课程：金属成型过程的组织性能控制变形与断裂 李艳梅主讲null1、基本概念 2、拉伸曲线及应力应变曲线 3、强度、塑性及其指标 4、单晶体和多晶体的塑性变形 5、塑性变形后的组织与性能 6、断裂的类型及断口特征 7、脆性断裂 8、韧性断裂 9、韧性的评定 Chapter Outline1、基本概念1、基本概念变形： （体积不变）形状或尺寸发生改变。 弹性变形 塑性变形 断裂null*1.1 弹性变形（Elastic Deformation） 可逆性：材料尺寸只发生暂时性改变，外力撤除，变形消失。 单值性：拉伸:σ=Eε，E-杨氏模量 ；剪切:τ=Gγ，G-切变模量 。 全程性：持续至断裂前。 金属弹性变形的本质：金属原子自平衡位置产生可逆位移。 null1.2 塑性变形（Plastic Deformation） 变形先后顺序：弹性变形→塑性变形。 不可逆性：材料发生的不可逆的永久性变形。 应力与应变的关系偏离虎克定律。 塑性变形的主要机制:滑移和孪生。1.3 断裂（Fracture） 1)金属材料受载荷作用后发生的宏观破断. 2)金属材料在变形超过其塑性极限而呈现完全分开的状态. 3)材料在外力的作用下丧失连续性的过程. 金属塑性表明它抑制断裂的能力. 断裂过程分为两部分: 1)裂纹的萌生; 2)裂纹的扩展 1.3 断裂（Fracture） 1)金属材料受载荷作用后发生的宏观破断. 2)金属材料在变形超过其塑性极限而呈现完全分开的状态. 3)材料在外力的作用下丧失连续性的过程. 金属塑性表明它抑制断裂的能力. 断裂过程分为两部分: 1)裂纹的萌生; 2)裂纹的扩展 null 单向静拉伸试验是广泛应用的材料性能方法。 2.1.拉伸试样 GB6397-86规定《金属拉伸试样》有： 圆形、矩形、异型及全截面． 常用圆截面试样。 长试样：L0=10d0; 短试样：L0=5d0 null*Figure A unidirectional force is applied to a specimen in the tensile test by means of the moveable crosshead. The cross-head movement can be performed using screws or a hydraulic mechanism2.2拉伸试验机null拉伸曲线：负荷一伸长曲线。 整个拉伸过程中的变形可分为弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形及不均匀塑性变形四个阶段。 op段：比例弹性变形阶段； pe段：非比例弹性变形阶段； 平台或锯齿（s段）：屈服阶段； sb段：均匀塑性变形阶段，强化阶段。 b点：形成了“缩颈”。 bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。 断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。 ko g f2.3.拉伸曲线null退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢不同材料的拉伸曲线2.4.应力与应变曲线 (工程应力—应变曲线) 2.4.应力与应变曲线 (工程应力—应变曲线) 应力σ ：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积表示: F 载荷( N ) σ= —— ( M pa ) S 0 原始横截面积( mm2) 应变ε：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示: Δl 伸长量(mm ) ε = —— l 0 原始长度( mm) 应力－应变曲线（ σ- ε曲线）: 形状和拉伸曲线相同，单位不同 null2.5真实应力--应变曲线（ TRUE STRESS AND STRAIN）True stress The load divided by the actual cross-sectional area of the specimen at that load. True strain The strain calculated using actual and not original dimensions, given by εt ln(l/l0).3 强度与塑性 3 强度与塑性 强度: 材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。 强度指标：屈服强度、抗拉强度 塑性：材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。 塑性指标：断后伸长率、断面收缩率。 null屈服强度 产生明显塑性变形的最低应力值。 屈服强度σs 、 σ0.2是评定强度的重要指标之一。 null*Figure (a) Determining the 0.2% offset yield strength in gray cast ion, and (b) upper and lower yield point behavior in a low-carbon steel抗拉强度： 抗拉强度： 试样在断裂前所能承受的最大应力。 它表示材料抵抗断裂的能力。其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力。 塑性指标 (1)断面收缩率: 试样拉断处横截面积的收缩量Δ S与原始横截面积S0之比。(2)伸长率：试样拉断后的标距伸长量Δ L 与原始标距L 0之比。 S0 - S 1 ψ = ——-—× 100% S0 l 1 - l0 δ = ——-—× 100% l0断后伸长率大小与试样尺寸有关。长试样断后伸长率用δ10或δ表示，短试样断后伸长率用δ5表示，同一材料的δ10＜δ5，但二者不能直接比较大小。 null*4.1 单晶体塑性变形4.1 单晶体塑性变形特点 1)塑性变形是位错运动的结果。塑性变形不是整体滑移造成的，而是在远远低于整体滑移切应力的位错滑移阻力被克服、位错率先滑移来实现的，位错滑移是逐步滑移。 2）位错滑移的切应力极小； 3）切变强度由位错源开动四个阻力组成，即位错晶格阻力： 位错源开动的阻力，即 平行位错间的弹性互作用力 垂直交割作用 4）塑性变形中伴有弹性变形和加工硬化； 5）位错运动阻力对温度敏感 4.2多晶体塑性变形4.2多晶体塑性变形特点 1）不同时性：软取向先滑移 2）相互协调性 3）不均匀性 塑性变形过程：主要是滑移过程 滑移首先在取向有利的晶粒中发生→扩展→终止在晶界。 晶界和晶粒间取向差共同作用的结果：相邻晶粒取向差↑，晶界处原子排列紊乱↑，畸能↑，阻碍↑。滑移转入相邻晶粒时阻力↑。 null* 多晶体屈服的实质：滑移越过晶界。 多晶体屈服条件：滑移从一个晶粒传到另一晶粒。 根据位错塞积理论导出Hall－Petch关系式： －晶内变形阻力，相当于单晶体屈服应力； －晶界性质影响的阻力系数； d －晶粒直径大小。 细晶强化：晶粒越细，屈服强度越高。 5.1显微组织与性能的变化5.1显微组织与性能的变化 纤维组织. 冷变形增加位错密度,形成胞状亚结构--形变亚晶 形变量越大,形变金属的强度和硬度越高,而塑性韧性下降,即发生加工硬化.null5.2加工硬化 塑性变形由三个阶段组成： I阶段——易滑移阶段：当t达到晶体的tc后，应力增加不多，便能产生相当大的变形。此段接近于直线，其斜率q I（ 或 ）即加工硬化率低，一般q I为～10-4G数量级（G为材料的切变模量）。 Ⅱ阶段——线性硬化阶段：随着应变量增加，应力线性增长，此段也呈直线，且斜率较大，加工硬化十分显著，qⅡ ≈G/300，近乎常数。 Ⅲ阶段——抛物线型硬化阶段：随应变增加，应力上升缓慢，呈抛物线型，qⅢ逐渐下降。 各种晶体的实际曲线因其晶体结构类型、晶体位向、杂质含量，以及试验温度等因素的不同而有所变化，但总的说，其基本特征相同，只是各阶段的长短通过位错的运动、增殖和交互作用而受影响，甚至某一阶段可能就不再出现。 典型的面心立方、体心立方和密排六方金属单晶体的应力一应变曲线典型的面心立方、体心立方和密排六方金属单晶体的应力一应变曲线 面心立方和体心立方晶体显示出典型的三阶段，至于密排六方金属单晶体的第Ⅰ阶段通常很长，远远超过其他结构的晶体，以致于第Ⅱ阶段还未充分发展时试样就已经断裂了。 null 多晶体的塑性变形由于晶界的阻碍作用和晶粒之间的协调配合要求，各晶粒不可能以单一滑移系动作而必然有多组滑移系同时作用，因此多晶体的应力一应变曲线不会出现单晶曲线的第I阶段，而且其硬化曲线通常更陡，细晶粒多晶体在变形开始阶段尤为明显。 有关加工硬化的机制，即流变应力是位错密度的平方根的线性函数，这已被许多实验证实。因此，塑性变形过程中位错密度的增加及其所产生的钉扎作用是导致加工硬化的决定性因素。 单晶与多晶的应力一应变曲线比较（室温） （a）Al （b）Cu null5.3颈缩现象Figure Localized deformation of a ductile material during a tensile test produces a necked region. The micrograph shows necked region in a fractured samplenull颈缩是均匀塑性变形和不均匀塑性变形（集中塑性变形）二者取一的结果。加工硬化产生的强度增加不足以补偿截面积的减少,产生集中变形,出现细颈. 塑性变形产生两个变化，一是加工硬化，二是横截面积减小。金属在拉伸试验时塑性变形是由一段段变形实现的。每段变形由开始、变形、停止、转出完成的，如果某一段塑性变形停不了，转不出，这段就要发生集中塑性变形——颈缩。 均匀变形实际过程 ：塑性变形→加工硬化→停止塑性变形→塑性变形转移…，均匀变形发生； 颈缩实际过程：塑性变形→加工硬化→塑性变形不停→塑性变形转移不出去→塑性变形不停→颈缩发生 加工硬化导致承载力增加量小于由于横截面积减小导致承载力减小量，某段承载能力小于其他段，塑性变形停不下来，转移不出去，变形持续在某段进行，集中变形发生——颈缩。 颈缩现象与半径方向的加工硬化率有关； nullFIGURE A comparison of typical tensile engineering stress–strain and true stress–strain behaviors. Necking begins at point M on the engineering curve, which corresponds to M on the true curve. The ‘‘corrected’’ true stress–strain curve takes into account the complex stress state within the neck region.拉伸 塑性形变 颈缩 试样横截面减小5.4形变织构*5.4形变织构定义:金属在冷塑性变形时,晶体要发生转动,使金属晶体中原为任意取向的各晶粒逐渐调整到取向彼此趋于一致,形成晶体的择优取向. 变形量越大,择优取向程度越大. 由于织构的存在,引起各向异性,导致深冲时产生制耳.5.5残余应力*5.5残余应力残余应力：塑性变形完毕后保留在变形物体内的附加应力。 总位能＝释放位能＋约束位能 释放位能作用：确定平衡外力作用的内力的数值。 约束位能作用：确定由塑性变形引起的相互平衡内力的数值。也可以确定在每一变形瞬间附加应力的数值。 约束位能＝塑性变形中由于软化释放的位能＋残余应力的位能，残余应力的位能<约束位能 残余应力产生原因：塑性变形、不均匀加热、冷却、淬火、相变等过程中。 残余应力的分类*残余应力的分类按照残余应力平衡范围的不同，通常将其分为三类： 1．第一类内应力，又称宏观残余应力。 作用范围为整个工件，它是由金属材料（或零件）各个部分（如表面和心部）的宏观形变不均匀而引起的。此类应力使工件尺寸不稳定，严重时甚至使工件在受力之下变形产生断裂。 2．第二类内应力，属微观内应力。 作用尺度与晶粒尺寸为同一数量级，往往在晶粒内或晶粒之间保持平衡，是由于晶粒或亚晶粒之间变形不均匀而引起的。此类应力使金属更容易腐蚀，如：黄铜加工以后由于内应力，在春季或潮湿环境下发生应力腐蚀开裂。 3．第三类内应力，即晶格畸变应力，属微观内应力。 塑性变形时产生大量空位和位错，其周围产生了点阵畸变和应力场，此时的内应力是在几百或几千个原子范围内保持平衡，其中占主要的又是由于生成大量位错所形成的应力。此类应力是产生加工硬化的主要原因。 null*null* 残余应力所引起的后果* 残余应力所引起的后果 1)引起物体尺寸和形状的变化(影响加工精度) 残余应力引起弹性变形或晶格畸变。若残余应力由于某种原因消失或其平衡遭到破坏，相应的变形也将发生变化，引起尺寸和形状的改变。例:机械加工（见图）、时间延长(精密仪器的生产)、热处理等 2)零件的使用寿命缩短 对于有残余应力的物体，有的部分工作应力＝基本应力＋残余应力，有的部分工作应力＝基本应力－残余应力，造成应力分布不均。工作应力达到屈服强度，塑性变形，达到断裂强度时，断裂，缩短零件使用寿命。 3)降低金属的再塑性加工性能 物体内应力和变形的不均匀分布，使变形抗力提高，塑性降低 4)降低金属的耐蚀性以及冲击韧性的疲劳强度等 null*6 断裂的类型及断口特征 根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小，可分为韧性断裂和脆性断裂。 根据断裂面的取向可分为正断和切断。 根据晶体材料断裂时裂纹扩展的途径，分为穿晶断裂（解理与准解理）和沿晶(晶界)断裂； 根据微观断裂机理，分为解理断裂和剪切断裂等。   null韧性断裂和脆性断裂韧性断裂：断裂前产生较大的塑性变形，断口呈暗灰色的纤维状。 脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口平齐，呈光亮的结晶状。 韧性断裂与脆性断裂过程的显著区别是裂纹扩散的情况不同。null正断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向垂直，一般为脆断，也可能韧断。 切断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向呈45°，为韧断▲按裂纹扩展路径的不同分为: 1)穿晶断裂:裂纹穿过晶粒内部扩展.按断裂的微观过程分为解理断裂和微孔聚合断裂。可以是宏观韧性断裂也可是宏观脆性断裂。 2) 沿晶断裂:沿晶断裂又称晶间断裂,它是多晶体沿不同取向的晶粒所形成的沿晶粒界面分离,即沿晶界发生断裂。 ▲按裂纹扩展路径的不同分为: 1)穿晶断裂:裂纹穿过晶粒内部扩展.按断裂的微观过程分为解理断裂和微孔聚合断裂。可以是宏观韧性断裂也可是宏观脆性断裂。 2) 沿晶断裂:沿晶断裂又称晶间断裂,它是多晶体沿不同取向的晶粒所形成的沿晶粒界面分离,即沿晶界发生断裂。 沿晶断裂null 在通常情况下,晶界的键合力高于晶内,断裂扩展的路径不是沿晶而是穿晶，但如果热加工工艺不当,造成杂质元素在晶界富集或沿晶界析出脆性第二相、或因温度过高(加工温度与使用温度)使晶界弱化、或因环境介质沿晶界浸入金属基体等因素出现时,晶界的键合力被严重削弱,往往在低于正常断裂应力的情况下,被弱化的晶界成为断裂扩展的优先通道而发生沿晶断裂。沿晶断裂的路线一般沿着与局部拉应力垂直的晶界进行。null 按断面的微观形貌,通常可将沿晶断裂分为沿晶韧窝断裂和沿晶脆性断裂。 沿晶韧窝断裂是由晶界沉淀的分散颗粒作为裂纹核,然后以剪切方式形成空洞,最后空洞连接形成的细小韧窝而分离。这种沿晶断裂又称微孔聚合型沿晶断裂或沿晶韧断。 沿晶脆性断裂是指在断后的沿晶分离面平滑、干净及无微观塑性变形特征,往往呈现冰糖块形貌。这种沿晶断裂又叫沿晶光面断裂或非微孔聚合型沿晶断裂。沿晶韧性断裂   沿晶脆性断裂7.1脆性断裂 (Brittle fracture)7.1脆性断裂 (Brittle fracture)工程构件在很少或不出现宏观塑性变形(一般按光滑拉伸试样的ψ<5%)情况下发生的断裂称作脆性断裂,因其断裂应力低于材料的屈服强度,故又称作低应力断裂。 由于脆性断裂大都没有事先预兆,具有突发性,对工程构件与设备以及人身安全常常造成极其严重的后果。因此,脆性断裂是人们力图予以避免的一种断裂失效模式。 金属构件脆性断裂失效的表现形式主要有: (1)由材料性质改变而引起的脆性断裂,如兰脆、回火脆、过热与过烧致脆、不锈钢的475℃脆和σ相脆性等。 (2)由环境温度与介质引起的脆性断裂,如冷脆、氢脆、应力腐蚀致脆、液体金属致脆以及辐照致脆等。 (3)由加载速率与缺口效应引起的脆性断裂,如高速致脆、应力集中与三应力状态致脆等 脆性断裂 (Brittle fracture)脆性断裂 (Brittle fracture)断裂处很少或没有宏观塑性变形,碎块断口可以拼合复原。 断口平坦,无剪切唇,断口与应力方向垂直。 断裂起源于变截面,表面缺陷和内部缺陷等应力集中部位。 断面颜色有的较光亮,有的较灰暗。光亮断口是细瓷状,对着光线转动,可见到闪光的小刻面;灰暗断口有时呈粗糙状,有时呈现出粗大晶粒外形。 板材构件断口呈人字纹放射线,放射源为裂纹源,其放射方向为裂纹扩展方向,如图1所示。  脆性断裂的扩展速率极高,断裂过程在瞬间完成,有时伴有大响声。图1 板材构件脆性断口宏观特征null*Figure The Chevron pattern in a 0.5-in.-diameter quenched 4340 steel. The steel failed in a brittle manner by an impact blownull*Figure The Chevron pattern forms as the crack propagates from the origin at different levels. The pattern points back to the originnull7.2理论断裂强度(theoretical fracture strength) 将金属原子分离开所需的最大应力。null根据图所示的曲线  = m sin(2 x /) 式中x为原子平面拉开的距离（从原子平面间距a 0处开始计算，即原子间的位移），为正弦曲线的波长, a 0为原子间的平衡距离 理想晶体解理断裂的理论断裂强度：  m =(E.  s / a 0 )1/2 null——E= 10 2 GPa， s =1J /m 2 ，a 0 =310-10 m， m =18.3 GPa，其值大约为E/7。 ——如金属铁，E= 200GPa，，  s = 2 J /m 2 ，a 0 =2.510-10m， m =40GMPa，约为E/5。 高度取向，实际拉伸强度最大值为1.2GPa， 未取向，实际强度比理论值小1000倍左右。 E=f×d f=4×10-3 N/键 键长null7.3 Griffith理论A 脆性材料发生断裂所需的能量在材料中的分布是不均匀的. B 当名义应力还很低时，局部应力集中已经达到很高的数值，从而使裂纹快速扩展，并导致脆性断裂。 C 裂纹尖端局部区域的材料强度可以达到其理论强度值。 D 倘若应力集中超过材料的理论强度值，则裂纹扩展，引起材料的断裂。 null 0nullFIGURE 9.7 (a) The geometry of surface and internal cracks. (b) Schematic stress profile along the line X–X in (a), demonstrating stress amplification at crack tip positions.null现假定薄板的裂纹为一个扁平椭圆形，长度为 L或2a，宽度为b，则作用在微裂纹端处的最大应力 max为：  max = 0（1+2a/b） (4-32)  max / 0=1+2a/b 式中 max / 0称为应力集中系数。  max 是作用在裂纹尖端处的应力。又设这个尖端处曲率半径为=b2/a，  max = 0[1+2(a/)1/2] =2 0(a/)1/2  max / 0=2(a/)1/2  max =2 f (a/)1/2 =(E.  s / a 0 )1/2 (4-37) 式（4-37）中 f为断裂应力  f =[.E.  s / (4a.a 0 )]1/2 null从能量平衡来推导 f 由此得裂纹失稳状态的临界应力 c为：  c =[2E  s / (. a)]1/2 临界半裂纹长度a c 为： a c =2E  s / (. c 2 ) 格列菲斯公式（是在薄板条件下，应力仅存在于板面上，而板厚方向的应力可以忽略的情况下导出的）  f =[.E.  s / (4a.a 0 )]1/2 =  c = [2E  s / (. a)]1/2 则有：  =8a 0 /   3 a 0  c =[2.E.  s / (8a.a 0 )]1/2  [2E  s / (3. a. a 0)]1/2 它表明 =3 a 0，即相当于3倍原子间距的尺寸，是弹性裂纹有效曲率半径的下限 null7.4生成初生微裂纹的位错理论 Griffith理论基于实际晶体材料存在裂纹。 晶体原无裂纹，在应力作用下，材料发生解理断裂的的理论——位错理论。解理断裂的过程为：屈服→生成初生裂纹→断裂。 1）Stroh机制 2）Cottrell机制 3）Smith机制 Stroh机制 Stroh机制 位错群塞积在障碍物o前，在τ的作用下不断生成位错向O堆积，每堆积进去一个位错，就有一个键脱离作用。大量脱离作用的键便形成一个微裂纹。 产生终止于晶界的微裂纹的条件 生成此微裂纹所需塞积的位错数为 为裂纹生成时剪切力； 为金属的比表面能;b为位错的柏氏矢量。 Stroh机制中障碍物o可为第二相、夹杂晶界等。 Cottrell理论Cottrell理论可以解释体心立方金属的α－Fe常从（001)面发生解理断裂的原因：反应生成的位错a[001]为不可动位错，成为阻碍位错运动的一个障碍。 产生终止于晶界的微裂纹的条件 晶粒粗大， 降低，G、 为材料常数，其值增大时， 增加。Smith边界夹杂物开裂理论Smith边界夹杂物开裂理论 脆的夹杂物在位错塞积群前的应力集中作用下会开裂； 认为碳化物厚度是控制断裂的主要组织参数。晶粒越细，碳化物层片越薄。上述几种裂纹形成模型可以看出，裂纹一般均在有界面存在的地方，如晶界、相界、孪晶界等，因为这些地方容易造成位错塞积。实验结果也支持了这种观点，观察表明，裂纹经常都在晶界、相界、孪晶界、孪晶交叉处，以及夹杂物或第二相与基体界面等地方首先形成。而且这些模型的基本出发点，都是在切应力的作用下，先使位错运动，然后由于不同原因而造成位错运动受阻，由塞积位错的弹性应力场的拉应力而造成开裂。null 7.5解理断裂 在正应力作用下产生的一种穿晶断裂.属于脆性断裂。 解理断是把金属原子正向分离开。断裂面沿一定的晶面(解理面)分离.只要原子之间脱离作用区，断裂就发生了。原子间作用区的距离为点阵间距的一半。原子间的作用力很高，但作用距离却很低很低。故断开所做功非常低。这种断裂发生突然，造成严重后果。 解理面:面与面之间结合力小、晶面指数低、原子密排的晶面. 常见于bcc,hcp金属及合金。fcc金属通常不发生解理:滑移系多、塑性好。 低温冲击和应力集中促进解理断裂 宏观断口:较平坦的,发亮的结晶状晶面. 电镜下断口特征:河流状花样(由解理台阶形成),河流花的流向即裂纹的扩展方向.解理裂纹的萌生与扩展解理裂纹的萌生与扩展 解理裂纹形核的位置： 解理裂纹大都在有界面存在的地方及位错易于塞积的地方(例如晶界、亚晶界、孪晶界、杂质及第二界面)形核。 解理裂纹的萌生： 解理裂纹萌生的模型有位错单向塞积、位错双向塞积、位错交叉滑移和刃型位错合并等。它们都是建立在解理生核之前存在变形这一前提之下。如果位错塞积处不产生塑性变形,则由于应力集中加大而会导致裂纹的萌生。 除位错塞积机制外,还有位错反应机制。该机制认为,在适当的条件下,柏氏矢量较小的位错相互反应生成柏氏矢量较大的位错,大位错像楔子一样塞入解理面,将其劈开。 解理裂纹的扩展： 解理裂纹形成后能否扩展至临界长度,不仅取决于应力大小和应力状态,而且还取决于材料的性质和环境介质与温度等因素。解理裂纹的微观形貌特征解理裂纹的微观形貌特征 解理裂纹区通常呈典型的脆性状态,不产生宏观塑性变形。 解理小刻面是解理断裂的典型特征。解理断口上的小刻面即为结晶面,呈无规则取向。当断口在强光下转动时,可见到闪闪发光的特征。图2为解理断口上见到的小刻面特征。在多晶体中,由于每个晶粒的取向不同,尽管宏观断口表面与最大拉伸应力方向垂直,但在微观上每个解理小刻面并不都是与拉力方向垂直。 典型的解理小刻面上有以下微观特征:解理台阶、河流花样、舌状花样、鱼骨状花样、扇形花样及瓦纳线等。图3中A区域以及B区域所指的河流花样中的每条支流都是解理台阶。弄清解理台阶的特征及其形成过程,对于理解与解释解理断裂的主要微观特征———河流花样,是非常重要的。              图2 解理断口上的小刻面                               图3 解理小刻面的微观形貌                A———台阶 B———河流花样解理台阶解理台阶 解理裂纹与螺位错相交割而形成台阶。设晶体存在一个螺位错,当解理裂纹沿解理面扩展时,与螺位错交截,产生一个高度为柏氏矢量的解理台阶,如图4所示。(a) 裂纹AB向螺位错CD扩展  (b) 裂纹与螺位错CD交割,形成台阶 图4 解理台阶的形成过程示意图解理台阶形成的两种途径解理台阶形成的两种途径解理台阶在裂纹扩展过程中,要发生合并与消失或台阶高度减小等变化,如图5所示。其中图5a表示具有相反方向的解理台阶,合并后解理台阶消失;图5b表示具有相同方向的解理台阶,合并后解理台阶增加; 通过次生解理撕裂的方式形成台阶。两个相互平行但处于不同高度上的解理裂纹可通过次生解理或撕裂的方式互相连接而形成台阶,如图6所示。 (a) 异号台阶汇合        (b) 同号台阶汇合 图5 解理台阶相互汇合示意图(a) 通过次解理而形成台阶                        (b) 通过撕裂而形成台阶 图6 通过次生解理或撕裂而形成台阶河流花样河流花样解理裂纹扩展过程中,台阶不断地相互汇合,便形成了河流花样,如图3所示。河流花样是解理断裂的重要微观形貌特征。 在断裂过程中,台阶合并是一个逐步的过程。许多较小的台阶(即较小的支流)到下游又汇合成较大的台阶(即较大的支流),见图7所示。河流的流向恰好与裂纹扩展方向一致。所以根据河流花样的流向,判断解理裂纹在微区内的扩展方向。图7 河流花样形成示意图                             35CrMn低温冲击断口null                              图8 舌状花样舌状花样 解理舌是解理面上的典型特征之一,它的显微形貌为舌状,见图8。 解理舌的形成与解理裂纹沿变形孪晶与基体之间的界面扩展有关。此种变形孪晶是当解理裂纹以很高的速度向前扩展时,在裂纹前端形成的。 其它花样 ①扇形花样,在很多材料中,解理面并不是等轴的,而是沿着裂纹扩展方向伸长,形成椭圆形或狭长形的特征,其外观类似扇形或羽毛形状; ②鱼骨状花样,在解理面上,有时可以见到类似于鱼骨状花样。7.6准解理断裂7.6准解理断裂 介于解理断裂和韧窝断裂之间的一种过渡断裂形式。准解理的形成过程如图9所示。首先在不同部位(如回火钢的第二相粒子处),同时产生许多解理裂纹核,然后按解理方式扩展成解理小刻面,最后以塑性方式撕裂,与相邻的解理小刻面相连,形成撕裂棱。图9 准解理裂纹形成机理示意图  图10 准解理断面典型形貌准解理断口与解理断口的区别准解理断口与解理断口的区别 准解理断裂起源于晶粒内部的空洞、夹杂物和第二相粒子,而不像解理断裂那样,断裂起源于晶粒边界或相界面上,如图10所示。 裂纹传播的途径不同,准解理是由裂源向四周扩展,不连续,而且多是局部扩展。解理裂纹是由晶界向晶内扩展,表现河流走向。 准解理小平面的位向并不与基体(体心立方)的解理面{100}严格对应,相互并不存在确定的对应关系。 在调质钢中准解理小刻面的尺寸要大得多,它相当于淬火前的原始奥氏体晶粒尺度。准解理断口宏观形貌比较平整。基本上无宏观塑性或宏观塑性变形较小,呈脆性特征。其形貌有河流花样、舌状花样及韧窝与撕裂棱等。解理断口与准解理断口的区别解理断口与准解理断口的区别8 韧性断裂 两种类型：韧窝－微孔聚集型断裂、滑移分离断裂 1）韧窝－微孔聚集型断裂 韧窝断口的宏观形貌特征8 韧性断裂 两种类型：韧窝－微孔聚集型断裂、滑移分离断裂 1）韧窝－微孔聚集型断裂 韧窝断口的宏观形貌特征钢铁材料在外力作用下因强烈滑移位错堆积，在变形大的区域产生许多显微空洞。或因夹杂物破碎，夹杂物和基体金属界面的破碎而形成许多微小孔洞。孔洞在外力作用下不断长大、聚集形成裂纹直至最终分离，这种断裂方式称为微孔聚集型断裂，其断口称韧窝断口。 韧窝断口的宏观形貌特征是具有纤维状和剪切唇等标记。 光滑圆试样的拉伸断口中，纤维区一般位于断口的中央，粗糙不平。纤维区是由无数纤维状“小峰”组成， “小峰”的小斜面和拉伸轴线大约成45°角。单相金属、普通碳钢、珠光体钢拉伸断口一般都具有这种特征，高强度马氏体钢纤维区还具有圆环状花样特征。纵截面呈现比较规则的锯齿状，是一种环形的剪切脊。null8740钢拉伸断口纤维区null冲击断口上也存在纤维区。冲击断口示意图及冲击断口null塑性较高材料的冲击断口往往出现两个纤维区，纤维区表面颜色灰暗，无金属光泽。韧窝断口的微观形貌特征韧窝断口的微观形貌特征 韧窝断口的微观形貌特征是一些大小不等的圆形或椭圆形的凹坑-韧窝。在韧窝内常常可以夹杂物或第二相粒子。但并非每个韧窝都包含一个夹杂物或粒子，因为夹杂物或粒子分布在两个匹配断口上。另外在断裂、运输或超声波清洗时也可能脱落。韧窝的形状 韧窝的形状主要取决于所受的应力状态,最基本的韧窝形状有等轴韧窝、撕裂韧窝和剪切韧窝三种,如图6所示。 韧窝的形状 韧窝的形状主要取决于所受的应力状态,最基本的韧窝形状有等轴韧窝、撕裂韧窝和剪切韧窝三种,如图6所示。 (a) 等轴韧窝                                        (b) 剪切韧窝（拉长） (c) 撕裂韧窝（拉长）                                        图6 三种基本韧窝形态示意图 等轴韧窝是在正应力作用下形成的。应力在整个断口表面上分布均匀，显微空洞沿空间三个方向上均匀长大, 形成近似圆形的等轴韧窝。 剪切韧窝是在切应力作用下形成的,显微孔洞沿剪切方向被拉长。通常出现在拉伸或冲击断口的剪切唇上,其形状呈抛物线形,匹配断面上抛物线的凸向相反。 撕裂韧窝是在撕裂应力的作用下形成,材料受力矩作用，显微空洞各部分所受应力不同，沿着受力较大的方向韧窝被拉长。常见于尖锐裂纹的前端及平面应变条件下低能撕裂断口上,也呈抛物线形,但在匹配断口上,撕裂韧窝不但形状相似,而且抛物线的凸向也相同。 等轴韧窝是在正应力作用下形成的。应力在整个断口表面上分布均匀，显微空洞沿空间三个方向上均匀长大, 形成近似圆形的等轴韧窝。 剪切韧窝是在切应力作用下形成的,显微孔洞沿剪切方向被拉长。通常出现在拉伸或冲击断口的剪切唇上,其形状呈抛物线形,匹配断面上抛物线的凸向相反。 撕裂韧窝是在撕裂应力的作用下形成,材料受力矩作用，显微空洞各部分所受应力不同，沿着受力较大的方向韧窝被拉长。常见于尖锐裂纹的前端及平面应变条件下低能撕裂断口上,也呈抛物线形,但在匹配断口上,撕裂韧窝不但形状相似,而且抛物线的凸向也相同。 null 沿晶韧窝 是在断裂过程中沿晶界发生一定的塑性变形，在晶界上形成的韧窝，常出现在过热断裂的沿晶断口上。 韧窝形状与大小还受夹杂物形状的影响，例如长条、棒状或带状夹杂物生成长条状韧窝。 　　在实际断口上往往是等轴韧窝与拉长韧窝共存,或在拉长韧窝的周围有少量的等轴韧窝。 沿晶韧窝 是在断裂过程中沿晶界发生一定的塑性变形，在晶界上形成的韧窝，常出现在过热断裂的沿晶断口上。 韧窝形状与大小还受夹杂物形状的影响，例如长条、棒状或带状夹杂物生成长条状韧窝。 　　在实际断口上往往是等轴韧窝与拉长韧窝共存,或在拉长韧窝的周围有少量的等轴韧窝。null*Figure Scanning electron micrographs of an annealed 1018 steel exhibiting ductile fracture in a tensile test. (a) Equiaxed dimples at the flat center of the cup and cone, and (b) elongated dimples at the shear lip (x 1250)null韧窝的大小 韧窝的大小包括平均直径和深度,深度常以断面到韧窝底部的距离来衡量。 影响韧窝大小的主要因素 韧窝大小、深浅及数量取决于材料断裂时夹杂物或第二相粒子的大小、间距、数量及材料的塑性和试验温度。如果夹杂物或第二相粒子多，材料的塑性较差则断口上形成的韧窝尺寸较小也较浅。反之则韧窝较大较深。成核的密度大、间距小，则韧窝的尺寸小。在材料的塑性及其它试验条件相同的情况下，第二相粒子大，韧窝也大；粒子小、韧窝也小。韧窝的深度主要受材料塑性变形能力的影响。材料的塑性变形能力大，韧窝深度大，反之韧窝深度小。 温度与应变速率也影响韧窝的大小及深浅。温度低材料的塑性差，韧窝尺寸小，深度浅。应变速率大，韧窝大小及深浅均变小。 韧窝裂纹的萌生扩展 　　韧窝断裂包括三个阶段：裂纹的萌生－显微空洞的形核、显微空洞的长大和空洞的聚集、最终断裂。韧窝裂纹的萌生扩展 　　韧窝断裂包括三个阶段：裂纹的萌生－显微空洞的形核、显微空洞的长大和空洞的聚集、最终断裂。▲拉伸时的韧性断裂:颈缩为前导. ▲应变硬化产生的强度增加不足以补偿截面积的减少,产生集中变形,出现细颈. ▲细颈中心为三向拉应力状态,形成显微空洞,长大并聚合成裂纹,沿与拉伸垂直的方向扩展成中央裂纹,最后在细颈边缘处沿与拉伸轴成45°方向剪断,形成”杯锥断口”.nullnull▲夹杂物与第二相粒子的数量、几何形状、大小及其与基体结合的强度都是影响断裂的重要参数. ▲空洞长大方式受应力状态的影响.细颈处为三向拉,空洞易于横向长大,联结成裂纹. ▲韧性断裂的特点: 1)是一种高能量的吸收过程. 2)多裂纹源 3)裂纹扩展的临界应力大于裂纹形核的临界应力,因此是缓慢的撕裂过程. 4)裂纹不断生成、扩展和集聚,变形一旦停止,裂纹的扩展也随着停止. ▲微裂纹只是孕育着断裂,因为裂纹尖端的应力集中可通过塑性变形来松弛,减缓或终止裂纹扩展. ▲塑性变形伴随裂纹扩展和裂纹疗复,结果取决于进行速度. 原子扩散、原子吸附:破断面减少;增加静水压力:破断面贴合. 回复、再结晶、固态相变和强静水压力等有助于裂纹疗复.null               (a) 微孔聚集模型                                  (b) 在第二相粒子处形核模型 图5 韧窝形核及扩展模型韧窝形成的微观机理 D.Broek根据实验结果,建立了韧窝形核及生长模型, 这个韧窝模型,可以同时解释在拉应力作用下形成等轴韧窝或抛物线韧窝和夹杂物或第二相粒子在切应力作用下破碎而形成韧窝的现象。null*Figure When a ductile material is pulled in a tensile test, necking begins and voids form – starting near the center of the bar – by nucleation at grain boundaries or inclusions. As deformation continues a 45° shear lip may form, producing a final cup and cone fracturenull*Figure Dimples form during ductile fracture. Equiaxed dimples form in the center, where microvoids grow. Elongated dimples, pointing toward the origin of failure, form on the shear lipnull*Figure The stress-strain behavior of brittle materials compared with that of more ductile materialsnull2）滑移分离型韧性断裂 韧性断裂最显著的特征是伴有大量的塑性变形,而塑性变形的普遍机理是滑移,即在韧性断裂前晶体产生大量的滑移。过量的滑移变形会出现滑移分离。 其微观形貌有滑移台阶、蛇形花样和涟波等。滑移分离断口形貌 :断面呈45°角倾斜;断口附近有明显的塑性变形;滑移分离是在平面应力状态下进行的。 蛇形花样,多晶体材料受到较大的塑形变形产生交滑移,而导致滑移面分离,形成起伏弯曲的条纹,通常称为蛇形滑移花样。null若变形程度加剧,则蛇形滑移花样因变形而平滑化,形成“涟波”花样。 涟波花样也将进一步平坦化,在断口上留下了没有什么特殊形貌的平坦区,称为延伸区。 实际材料总是存在缺陷,如缺口、裂纹和显微空洞等。在应力作用下,这些缺陷附近的区域可能发生纯剪切过程,在其内表面上也会显示出蛇形滑移、涟波和延伸区等特征。 靠滑移分离而导致的断裂,即使在晶界处也能发生。这种断裂有两种可能,一种是在相邻的两个晶粒内部发生了滑移而导致晶界产生分离;另一种是由于晶界本身的滑移而产生分离。沿晶界滑移分离的断口显微形貌也具有蛇形滑移、涟波花样及无特征等。null引起脆性断裂的原因 1 ）引起解理断裂的原因 引起解理断裂的主要因素有环境温度、介质、加载速度、材料的晶体结构、显微组织和应力大小与状态等。 2）引起沿晶脆断的原因 null温度 温度降低，屈服极限升高，逐渐达到材料的强度极限；晶粒滑移困难，形成裂纹的表面能降低。造成塑性断裂向脆性断裂转变。当材料或结构带有缺口时其转变温度明显升高。最终造成在某一温度区间的冲击能急剧下降，该温度称为脆性转变温度。nullTkTk’屈服强度——σs； 断裂强度——σf 温度降低，σs上升速率大于σf上升速率，两线交点对应温度Tk称为韧脆转变温度，当T