金屬材料在靜拉伸載荷下的力學(xué)性能-閱讀頁(yè)
2025-05-20 22:31本頁(yè)面
【正文】 晶斷裂 微孔聚集型斷裂： 通過(guò)微孔形核、長(zhǎng)大聚合而導(dǎo)致斷裂。 二、拉伸試樣的宏觀斷口 韌性斷裂的宏觀斷口： 纖維狀 暗灰色 纖維區(qū) F 放射區(qū) R 剪切唇 S 光滑圓柱試樣的拉伸斷口： 杯錐狀 斷口特征三要素 三個(gè)區(qū)的形成： 纖維區(qū)：裂紋緩慢擴(kuò)展形成。 剪切唇：試樣拉伸斷裂的最后階段形成。 σ m=？ σ m a0 引力和位移的關(guān)系 σ = σ msin(2π X/λ ) X很小時(shí) : σ = σ m 2π X/λ （ 1） 根據(jù)虎克定律 : σ = EX/a0 （ 2） σ σ X a0 σ m 2π X/λ = EX/a0 σ m = Eλ /2π a0 (3) 能量守恒 :外力所作的功等于斷裂面的表面能 σ m a0 外力所作的功 U0為 σ X曲線所圍成的面積 = σ m λ /π 表面能 =2γ s σ m λ /π =2γ s λ =2π γ s /σ m 代入 (3)式 σ m = E 2π γ s /σ m 2π a0 σ m=(Eγ s /a0)1/2 U0= dxXm? 2/0 )/2s in (? ???σ m = Eλ /2π a0 (3) σ m理論斷裂強(qiáng)度 σ m =(2X105X106X2/)1/2 鐵 :E=2X105MPa, a0=, γ s =2J/m2 =4X1010Pa =4X104MPa 理論斷裂強(qiáng)度高于實(shí)際的斷裂強(qiáng)度？ (二 )斷裂強(qiáng)度的裂紋理論 (格雷菲斯裂紋理論 ) :實(shí)際材料中已經(jīng)存在裂紋 ,當(dāng)平均應(yīng)力很低時(shí) ,局部應(yīng)力集中已達(dá)到很高數(shù)值 (σ m ),從而使裂紋快速擴(kuò)展并導(dǎo)致脆性斷裂 . σ max= σ m 1921年格雷菲斯提出 σ max = σ (1+2(a/ρ )1/2) ≈ 2σ (a/ρ )1/2 σ = (Eρ γ s /4a a0) 1/2 σ max= σ m 2σ (a/ρ )1/2 =(Eγ s /a0) 1/2 σ C= (Eρ γ s /4a a0) 1/2 =σ m (ρ /4a) 1/2 (ρ /4a) 1/2 ρ ↓ 或 a↑ σ C ↓ 如果彈性能降低足以滿足表面能增加之需要時(shí) ,裂紋就會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展引起脆性破壞 . 從能量角度計(jì)算裂紋體的斷裂強(qiáng)度 : 系統(tǒng)彈性能的降低必與因存在裂紋而增加的表面能相平衡 . σ max σ 假設(shè)一單位厚度無(wú)限寬薄板 , 施加一拉應(yīng)力 與外界隔絕能源 σ z=0 平面應(yīng)力狀態(tài) 單位體積儲(chǔ)存的彈性能為 σ 2/2E 中心割一 2a長(zhǎng)的裂紋 釋放的彈性能 Ue Ue=πσ2a2/E 增加的表面能 W為 W=4aγ s 整個(gè)系統(tǒng)能量變化為 Ue+ W= πσ2a2/E+ 4aγ s =0 ? (πσ2a2/E+ 4aγ s) ? a σ c=(2Eγ s / π a)1/2 Ue+ W= πσ2a2/E+ 4aγ s W=4aγ s Ue=πσ2a2/E Ue+ W a W Ue 2aC 亞穩(wěn) 失穩(wěn) 2πσ2a/E+ 4γ s=0 a=2Eγ s / πσ2 ac=2Eγ s / πσ2 ac臨界裂紋長(zhǎng)度 裂紋體的斷裂強(qiáng)度 對(duì)于厚板 σc=(2Eγ s /（ 1 υ 2） π a)1/2 ac=2Eγ s /（ 1 υ 2） πσ2 如果裂紋尖端 ρ 很小 ,與 a0相近 (Eγ s /a) 1/2和 (Eγ s /a) 1/2 必要條件： 充分條件： σ c=(2Eγ s /π a)1/2 σ c= (Eρ γ s /4aa0) 1/2 如果 ρ 3a0時(shí)用 σ c=(2Eγ s /π a)1/2 如果 ρ 3a0時(shí)用 σ c= (Eρ γ s /4aa0) 1/2 注意 :格雷菲斯的斷裂強(qiáng)度公式只適用于脆性固體 對(duì)于金屬材料 : σ c=[E(2γ s + γ p)/π a]1/2 γ p—塑性變形所需的塑性變形功 2γ s γ p σ c=(Eγ p/π a)1/2 應(yīng)力松馳 : σ c= (Eρ γ s /4aa0) 1/2 裂紋尖端附近產(chǎn)生塑性變形 , 尖端發(fā)生鈍化使 ρ 增大 , σ max減少的現(xiàn)象 . 四、解理斷裂機(jī)理和微觀斷口特征 （一）解理裂紋的形成和擴(kuò)展 裂紋形成的位錯(cuò)理論 甄納 斯特羅位錯(cuò)塞積理論 事實(shí)：斷口附近仍然有少量的塑性變形 1948年甄納 當(dāng)切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí)，塞積頭處的位錯(cuò)互相擠緊聚合而成一高 nb，長(zhǎng) r的楔形裂紋。 裂紋多萌芽于晶粒內(nèi)部 。 五、斷裂理論的應(yīng)用 σ c= 2γ s G /kyd（ 1/2） σ s = σ i+ kyd（ 1/2） 脆性斷裂： σ i+ kyd（ 1/2） = 2γ s G /kyd（ 1/2） ky（ d（ 1/2） σ i+ ky） = 2 γ s G d（ 1/2） σ c σ s ef 脆性斷裂： ky（ d（ 1/2） σ i+ ky） = 2γ s G 降低脆斷傾向：提高 G、 γ s 、 q 、降低 ky 、 d、 σ i ky（ d（ 1/2） σ i+ ky） = 2 γ s G q G， G↑ 脆性 ↓ 。很難用強(qiáng)化方法改變 G而使金屬材料韌化 考慮應(yīng)力狀態(tài)的影響，加入應(yīng)力狀態(tài)系數(shù) q γ s， γ s ↑ 脆性 ↓ 。 有效滑移系多，可動(dòng)位錯(cuò)數(shù)目多，塑性變形功大，韌性好。 ky ↑ 脆性 ↑ 。 d， d ↑ 脆性 ↑ 。 σ i與 τ pn和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻礙有關(guān)。溫度的影響，低溫脆性。 σ i， σ i↑ 脆
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