最新金属塑性变形理论 第11讲 断裂类型及物理本质
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2.金属塑性变形的物理本质
③变形不均匀，产生附加应力，变形抗力增加。
推论：
晶粒细，晶界占的比重大，变形抗力大。 Hall-Petch公式：σ＝σ０＋K· d-1/2 晶粒细化，可获得强度和塑性都较高的材料。
二．多晶体变形机理
１．滑移、孪生机理
２．晶粒的转动和移动
３．溶解－沉积机理
４．空位－扩散机理
５．粘滞性流动机理 （非晶机构）
滑移面上沿滑移方向作用的分切应力，当
τ→τK时，才能发生滑移。
设试样的横断面积为 F0
作用力为 P
作用力与滑移面法线夹角为υ 作用力与滑移方向夹角为λ 外力P在滑移方向上的分力为： P·cosλ 滑移面面积为： F0 /cos υ
1
滑移方向上的分切应力为：
τ＝P/ F0·cosλ· cos υ＝σ· cosλ · cos υ
η ——发热率
纯金属： η＝0.85～0.90
合金： η＝0.75～0.85
温度效应——在塑性变形中，由于热效
应使工件温度升高的现象
以αt表示
αt＝（tg－t0）／t0 t0 ——变形前工件温度
tg ——变形后工件温度
三．影响热效应（温度效应）的因素
１．变形程度ε
ε↑，Am↑， αt↑ ２．变形速度
二．加工硬化曲线（应力－应变曲线）
１．单晶体的加工硬化曲线（以面心立方晶体为例）
曲线分三段
曲线的斜率：加工硬化程度
加工硬化率
Ⅰ 易滑移阶段
滑移沿最有利的滑面和滑向进行。
1
硬化由位错塞积引起。
Ⅱ 线性硬化阶段
形成了多滑移，随ε↑，位错不断增殖，
位错密度ρ↑，r↓， σ↑ Ⅲ 抛物线硬化阶ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 与位错的交滑移过程有关 通常称为“动态回复”现象。
推论：
晶粒细，晶界占的比重大，变形抗力大。 Hall-Petch公式：σ＝σ０＋K· d-1/2 晶粒细化，可获得强度和塑性都较高的材料。
二．多晶体变形机理
１．滑移、孪生机理
２．晶粒的转动和移动
３．溶解－沉积机理
４．空位－扩散机理
５．粘滞性流动机理 （非晶机构）
滑移面上沿滑移方向作用的分切应力，当
τ→τK时，才能发生滑移。
设试样的横断面积为 F0
作用力为 P
作用力与滑移面法线夹角为υ 作用力与滑移方向夹角为λ 外力P在滑移方向上的分力为： P·cosλ 滑移面面积为： F0 /cos υ
1
滑移方向上的分切应力为：
τ＝P/ F0·cosλ· cos υ＝σ· cosλ · cos υ
η ——发热率
纯金属： η＝0.85～0.90
合金： η＝0.75～0.85
温度效应——在塑性变形中，由于热效
应使工件温度升高的现象
以αt表示
αt＝（tg－t0）／t0 t0 ——变形前工件温度
tg ——变形后工件温度
三．影响热效应（温度效应）的因素
１．变形程度ε
ε↑，Am↑， αt↑ ２．变形速度
二．加工硬化曲线（应力－应变曲线）
１．单晶体的加工硬化曲线（以面心立方晶体为例）
曲线分三段
曲线的斜率：加工硬化程度
加工硬化率
Ⅰ 易滑移阶段
滑移沿最有利的滑面和滑向进行。
1
硬化由位错塞积引起。
Ⅱ 线性硬化阶段
形成了多滑移，随ε↑，位错不断增殖，
位错密度ρ↑，r↓， σ↑ Ⅲ 抛物线硬化阶ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 与位错的交滑移过程有关 通常称为“动态回复”现象。
金属塑性变形物理本质
4 固态塑性变形物理本质材料经过加工成形使其具有需要的形状和性能，才表达出它的价值。
材料加工的目的就是两个：一是改变材料的形状，另一个是改善其性能。
塑性变形是既改变材料的形状，又改变材料的组织构造及相应性能的有效方法。
通过塑性变形可以有效地改变材料的性能，材料的性能又直接影响到工艺的进展。
金属材料的性能〔包括使用性能和深加工性能〕在使用条件一定时，是决定于成分和组织构造的。
在材料的化学成分一定的情况下，其组织构造是由加工工艺决定的，既通过冷、热加工、热处理和形变热处理可以在很大范围内改变金属材料的组织构造，从而改变材料的性能。
我们掌握了形变、相变、形变和相变相结合的过程中金属材料组织构造的变化规律，就可以利用这些规律，设计和优化加工工艺来获得满足性能要求所需要的组织构造。
有时为了充分发挥冷、热加工、热处理和形变热处理改变金属材料的组织构造的作用，也经常适当地调整化学成分，从而获得更好的效果。
这些知识是制定各种金属材料生产工艺的理论依据，为了到达有效的控制材料性能目的，我们首先要认识塑性加工过程中材料的组织及性能变化。
4.1 固态塑性变形机理材料塑性变形包括晶内变形和晶间变形。
通过各种位错运动而实现的晶内一局部相对于另一局部的剪切运动，这就是晶内变形。
剪切运动有不同的机理，其中最根本的形式是：滑移、孪生、形变带和扭折带。
在r T T 5.0>〔r T 熔化温度〕时，可能出现晶间变形。
当变形温度比晶体熔点低很多时，起控制作用的变形机理是滑移和孪生。
在高温塑性变形时，扩散机理起重要作用。
在金属和合金的塑性变形过程中，常常同时有几种机理起作用。
各种机理作用的情况受许多因素影响，例如：晶体构造、化学成分、相状态等材料的内在因素，及变形温度、变形速度、应力状态等外部条件的影响。
因此要研究和控制材料的变形过程，掌握根本的塑性变形机理很有必要。
4.1.1 滑移〔1〕点阵阻力晶内变形是晶体的一局部相对于另一局部的剪切变形，都是通过位错运动来实现的，所以研究根本的塑性变形机理就应研究相应的各种位错运动形式。
金属及合金的塑性变形与断裂
第一章 金属的塑性变形与 断裂
塑性变形及随后的加热对金 属材料组织和性能有显著的 影响. 了解塑性变形的本质, 塑性变形及加热时组织的变 化，有助于发挥金属的性能 潜力，正确确定加工工艺.
5万吨水压机
第一节 金属的变形特性
金属在外力的作用下的变形过程可分为弹 性变形、弹塑性变形和断裂三个连续阶 段。
一、 滑移 （一）滑移及滑移带 滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶
向相对于另一部分发生滑动位移的现象。
滑移时，晶体两部分的相对位 移量是原子间距的整数倍.
滑移的结果在晶体表面形成台 阶，称滑移线，若干条滑移线 组成一个滑移带。
铜拉伸试样表面滑移带
1、滑移变形的特点 ： 正应力作
用.swf
上，在滑移面上产生的分切应力
F在滑移方向上的分切应力为
只有τ值大于和等于某一个 临界值，柱体的上下两部 分才会相对的滑移，产生 宏观的塑性变形。这个分 切应力就称为临界分切应 力τc。
（四）切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动
滑移的同时伴随着晶体的转动 转动有两种：滑移面向外力轴方向转动和滑移面上
二、真应力-真应变曲线
三、金属的弹性变形
1）.弹性:金属材料受外力作用时产生 变形,当外力去掉后能恢复到原来形状 及尺寸的性能。
弹性变形: 随载荷撤除而消失的变形。 2）.弹性极限:
Fe 弹性极限载荷( N )
σe =
( M pa )
(mm2 )
S0 试样原始横截面
E=σ / ε
2）刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。
( M Pa )
S0
试样原始横截面( mm2)
σ0.2：试样产生残余塑性变形0.2%时的应力
试样产生0.2%残余塑性变形
塑性变形及随后的加热对金 属材料组织和性能有显著的 影响. 了解塑性变形的本质, 塑性变形及加热时组织的变 化，有助于发挥金属的性能 潜力，正确确定加工工艺.
5万吨水压机
第一节 金属的变形特性
金属在外力的作用下的变形过程可分为弹 性变形、弹塑性变形和断裂三个连续阶 段。
一、 滑移 （一）滑移及滑移带 滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶
向相对于另一部分发生滑动位移的现象。
滑移时，晶体两部分的相对位 移量是原子间距的整数倍.
滑移的结果在晶体表面形成台 阶，称滑移线，若干条滑移线 组成一个滑移带。
铜拉伸试样表面滑移带
1、滑移变形的特点 ： 正应力作
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上，在滑移面上产生的分切应力
F在滑移方向上的分切应力为
只有τ值大于和等于某一个 临界值，柱体的上下两部 分才会相对的滑移，产生 宏观的塑性变形。这个分 切应力就称为临界分切应 力τc。
（四）切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动
滑移的同时伴随着晶体的转动 转动有两种：滑移面向外力轴方向转动和滑移面上
二、真应力-真应变曲线
三、金属的弹性变形
1）.弹性:金属材料受外力作用时产生 变形,当外力去掉后能恢复到原来形状 及尺寸的性能。
弹性变形: 随载荷撤除而消失的变形。 2）.弹性极限:
Fe 弹性极限载荷( N )
σe =
( M pa )
(mm2 )
S0 试样原始横截面
E=σ / ε
2）刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。
( M Pa )
S0
试样原始横截面( mm2)
σ0.2：试样产生残余塑性变形0.2%时的应力
试样产生0.2%残余塑性变形
金属的塑性变形
孪生机制
在某些特定条件下，金属晶体的一部分相对于另一部分沿一定轴进 行镜像对称的移动，形成孪晶。
扩散机制
金属在高温下，原子扩散能力增强，通过原子间的相互移动实现塑 性变形。
应力-应变关系与曲线分析
应力-应变关系
描述金属在塑性变形过程中所受应力 与产生的应变之间的关系。应力是单 位面积上的内力，应变是物体形状或 体积的改变程度。
热处理工艺改进
退火处理
通过退火处理可以消除金属材料内部的残余应力，改善其组织结 构和力学性能，从而提高其塑性变形能力。
正火处理
正火处理可以使金属材料获得细化的晶粒和均匀的组织，提高其 强度和塑性。
回火处理
回火处理可以消除淬火应力，稳定金属材料的组织和性能，进一 步提高其塑性变形能力。
微观组织调控手段
热处理工艺对塑性影响
01
退火处理
退火处理可以消除金属内部的残余应力，改善组织结构，提高其塑性。
例如，冷加工后的金属经过退火处理，可以恢复其塑性和韧性。
02
正火处理
正火处理可以使金属获得细化的晶粒和均匀的组织，从而提高其塑性和
韧性。正火处理常用于改善中碳钢的切削性能和力学性能。
03
淬火处理
淬火处理可以使金属获得马氏体组织，提高其硬度和强度，但会降低其
金属的塑性变形
目 录
• 塑性变形基本概念与原理 • 金属塑性变形过程中的组织结构演变 • 影响金属塑性变形能力因素探讨 • 金属塑性变形实验方法及技术应用 • 提高金属材料塑性变形能力策略探讨 • 总结：金属塑性变形研究意义与未来发展趋势
塑性变形基本概念与
01
原理
塑性变形定义及特点
塑性变形定义
利用电子显微镜的高分辨率和 高放大倍数，观察金属的微观 组织和结构缺陷，如位错、层 错、孪晶等。这些信息有助于 深入了解金属的塑性变形机制 和强化机制。
在某些特定条件下，金属晶体的一部分相对于另一部分沿一定轴进 行镜像对称的移动，形成孪晶。
扩散机制
金属在高温下，原子扩散能力增强，通过原子间的相互移动实现塑 性变形。
应力-应变关系与曲线分析
应力-应变关系
描述金属在塑性变形过程中所受应力 与产生的应变之间的关系。应力是单 位面积上的内力，应变是物体形状或 体积的改变程度。
热处理工艺改进
退火处理
通过退火处理可以消除金属材料内部的残余应力，改善其组织结 构和力学性能，从而提高其塑性变形能力。
正火处理
正火处理可以使金属材料获得细化的晶粒和均匀的组织，提高其 强度和塑性。
回火处理
回火处理可以消除淬火应力，稳定金属材料的组织和性能，进一 步提高其塑性变形能力。
微观组织调控手段
热处理工艺对塑性影响
01
退火处理
退火处理可以消除金属内部的残余应力，改善组织结构，提高其塑性。
例如，冷加工后的金属经过退火处理，可以恢复其塑性和韧性。
02
正火处理
正火处理可以使金属获得细化的晶粒和均匀的组织，从而提高其塑性和
韧性。正火处理常用于改善中碳钢的切削性能和力学性能。
03
淬火处理
淬火处理可以使金属获得马氏体组织，提高其硬度和强度，但会降低其
金属的塑性变形
目 录
• 塑性变形基本概念与原理 • 金属塑性变形过程中的组织结构演变 • 影响金属塑性变形能力因素探讨 • 金属塑性变形实验方法及技术应用 • 提高金属材料塑性变形能力策略探讨 • 总结：金属塑性变形研究意义与未来发展趋势
塑性变形基本概念与
01
原理
塑性变形定义及特点
塑性变形定义
利用电子显微镜的高分辨率和 高放大倍数，观察金属的微观 组织和结构缺陷，如位错、层 错、孪晶等。这些信息有助于 深入了解金属的塑性变形机制 和强化机制。
第一章 金属塑性变形的物理本质
• 材料的化学成分一定时，其组织结构是由加工工 材料的化学成分一定时， 组织结构是由加工工 化学成分一定时 冷加工、 艺决定的——冷加工、热加工、热处理和形变热 冷加工 热加工、 艺决定的 处理——改变性能。 改变性能。 处理 改变性能 • 掌握了形变、形变和相变相结合过程中组织结构 掌握了形变 形变和相变相结合过程中组织结构 形变、 的变化规律，设计和优化加工工艺来获得 来获得满足性 的变化规律，设计和优化加工工艺来获得满足性 能要求所需要的组织结构。 所需要的组织结构 能要求所需要的组织结构。 • 为了更充分发挥工艺改变组织结构的作用，可以 为了更充分发挥工艺改变组织结构的作用， 适当调整化学成分 获得更好的效果。 调整化学成分， 适当调整化学成分，获得更好的效果。 • 因此，阐明塑性变形的物理本质、变形机理、塑 因此，阐明塑性变形的物理本质 变形机理、 塑性变形的物理本质、 性变形时组织结构和性能变化的关系， 性变形时组织结构和性能变化的关系，为合理地 选择加工条件， 选择加工条件，保证塑性变形过程的进行提供理 论基础。 论基础。
• 扩散 位错机理 扩散-位错机理 • 当温度较高具有扩散条件时，扩散过程从几个方 当温度较高具有扩散条件时， 面影响位错运动。 面影响位错运动。 • 扩散对刃位错的攀移和螺位错的割阶运动产生影 特别是对刃为错攀移速度的影响， 响。特别是对刃为错攀移速度的影响，在变形温 度超过0.5Tm，变形物体承受中等或较高应力水 度超过 ， 平时，是扩散-位错机理控制着蠕变变形过程的机 平时，是扩散 位错机理控制着蠕变变形过程的机 也正是该机理的速度控制着蠕变速度—位错 理，也正是该机理的速度控制着蠕变速度 位错 蠕变机理。 蠕变机理。 • 材料蠕变性能的变化反映了应变硬化和软化之间 的相互作用的不断变化。 的相互作用的不断变化。
金属的塑性变形和断裂分析PPT教案
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第48页/共78页
原因：
➢ 多晶体先在取向最有利的晶粒中发生滑移， 产生位错塞积，位错塞积群应力：
n0 nL
晶粒越小→L越小→n越小 →τ越小
所以，在同样的外加应力下，小晶粒的应力集 中小，则需要在较大的外加应力下才能使相邻 的晶粒发生塑变，所以，d↓→ σs ↑
晶界强化：这种用细化晶粒增加晶界提高金属强 度的方法叫做晶界强化；
②同理，沿原子密度最大的晶向滑动时，阻力最 小；
第17页/共78页
•几种常见金属的滑移面与滑移方向如表6－2所示；
说明：滑移系越多，滑移时可供采用的空间位 向也越多，所以该金属的塑性也越好，而且滑移 方向的作用大于滑移面的作用； 所以，fcc的塑性最好，bcc次之，hcp最差；
第18页/共78页
2.3滑移的临界分切应力： 临界分切应力：使滑移系开动的最小分切应力； 如图所示；
第44页/共78页
1.4多晶体变形的不均匀性： •由于晶界及相邻晶粒位向的影响：①有的晶粒变 形大，有的晶粒变形小；②一个晶粒内部变形也 不均匀，呈现“竹节形”变形，如图6－22所示；
第45页/共78页
2、晶粒大小对塑性变形的影响： 2.1多晶体的变形抗力大于单晶体： 原因：晶界和相邻晶粒位向差阻碍了位错的运动，
第49页/共78页
2.3细晶粒在强度高的同时，塑、韧性也较好；
➢ 原因： ①晶粒细小，单位面积的晶粒数目多，有利于变
形的取向多； ②晶粒细小，晶内和晶界的变形差异小，变形均
匀，引起的应力集中小，不易开裂，在断裂 前可以承受较大的形变量； ③晶粒细小，晶界多，且曲折，不利于裂纹的传 播； ➢ 所以，细小的晶粒具有强度高，塑、韧性好 的综合机械性能；
第48页/共78页
原因：
➢ 多晶体先在取向最有利的晶粒中发生滑移， 产生位错塞积，位错塞积群应力：
n0 nL
晶粒越小→L越小→n越小 →τ越小
所以，在同样的外加应力下，小晶粒的应力集 中小，则需要在较大的外加应力下才能使相邻 的晶粒发生塑变，所以，d↓→ σs ↑
晶界强化：这种用细化晶粒增加晶界提高金属强 度的方法叫做晶界强化；
②同理，沿原子密度最大的晶向滑动时，阻力最 小；
第17页/共78页
•几种常见金属的滑移面与滑移方向如表6－2所示；
说明：滑移系越多，滑移时可供采用的空间位 向也越多，所以该金属的塑性也越好，而且滑移 方向的作用大于滑移面的作用； 所以，fcc的塑性最好，bcc次之，hcp最差；
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2.3滑移的临界分切应力： 临界分切应力：使滑移系开动的最小分切应力； 如图所示；
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1.4多晶体变形的不均匀性： •由于晶界及相邻晶粒位向的影响：①有的晶粒变 形大，有的晶粒变形小；②一个晶粒内部变形也 不均匀，呈现“竹节形”变形，如图6－22所示；
第45页/共78页
2、晶粒大小对塑性变形的影响： 2.1多晶体的变形抗力大于单晶体： 原因：晶界和相邻晶粒位向差阻碍了位错的运动，
第49页/共78页
2.3细晶粒在强度高的同时，塑、韧性也较好；
➢ 原因： ①晶粒细小，单位面积的晶粒数目多，有利于变
形的取向多； ②晶粒细小，晶内和晶界的变形差异小，变形均
匀，引起的应力集中小，不易开裂，在断裂 前可以承受较大的形变量； ③晶粒细小，晶界多，且曲折，不利于裂纹的传 播； ➢ 所以，细小的晶粒具有强度高，塑、韧性好 的综合机械性能；
金属塑性变形与断裂
金属材料塑性变形与断裂的关系摘要：金属的断裂是指金属材料在变形超过其塑性极限而呈现完全分开的状态。
材料受力时，原子相对位置发生了改变，当局部变形量超过一定限度时，原于间结合力遭受破坏，使其出现了裂纹，裂纹经过扩展而使金属断开。
任何断裂都是由裂纹形成和裂纹扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。
金属塑性的好坏表明了它抑制断裂能力的高低。
关键词：塑性变形解理断裂准解理断裂沿晶断裂冷脆疲劳应力腐蚀氢脆高温断裂一、解理断裂与塑变的关系解理断裂在主应力作用下，材料由于原子键的破断而产生的沿着某一晶面的快速破断过程。
解理断裂的的产生条件是位错滑移必须遇到阻力，且位错滑移聚集到一定程度。
断裂面沿一定的晶面发生，这个平面叫做解理面。
解理台阶是沿两个高度不同的平行解理面上扩展的解理裂纹相交时形成的。
形成过程有两种方式：通过解理裂纹与螺型位错相交形成；通过二次解理或撕裂形成。
第一种，当解理裂纹与螺型位错相遇时，便形成一个台阶，裂纹继续向前扩展，与许多螺型位错相交便形成众多台阶，他们沿裂纹前端滑动而相互交汇，同号台阶相互汇合长大，异号台阶相互抵消，当汇合台阶足够大的时候便在电镜下观察为河流状花样。
第二种，二次解理是指在解理裂纹扩展的两个互相平行解理面间距较小时产生的，但若解理裂纹的上下两个面间距远大于一个原子间距时，两解理裂纹之间的金属会产生较大的塑性变形，结果由于塑性撕裂而形成台阶，称为撕裂棱晶界。
舌状花样是由于解理裂纹沿孪晶界扩散留下的舌头状凹坑或凸台。
从宏观上看，解理断裂没有塑性变形，但从微观上看解理裂纹是以塑性变形为先导的，尽管变形量很小。
解理断裂是塑性变形严重受阻，应力集中非常严重的一种断裂。
二、准解理断裂与塑变的关系准解理断裂介于解理断裂和韧窝断裂之间，它是两种机制的混合。
产生原因：（1）、从材料方面考虑，必为淬火加低温回火的马氏体组织，回火温度低，易产生此类断裂。
（2）、构件的工作温度与钢材的脆性转折温度基本相同。
金属及合金的塑性变形与断裂PPT课件
03
02
延性断裂的断口呈纤维状，色泽灰暗，表面 有明显的塑性变形。
04Biblioteka 脆性断裂：材料在断裂前几乎没有塑性变 形，断裂突然发生。
脆性断裂的断口呈结晶状，色泽光亮，没 有明显的塑性变形。
05
06
脆性断裂多发生在脆性材料中，如玻璃、 陶瓷等。
疲劳断裂与环境断裂
疲劳断裂：材料在循环载荷作用下发 生的断裂现象。
THANKS.
塑性变形机制
滑移
金属晶体在切应力作用下，晶体的一 部分相对于另一部分沿一定的晶面和 一定的晶向相对移动的现象。
孪生
金属晶体在切应力作用下，沿一定的 晶面和一定的晶向发生切变的现象。
晶界滑移
在多晶体金属中，晶界在切应力作用 下发生相对移动的现象。
晶界滑移与位错交互作用
晶界滑移与位错运动之间的相互作用， 影响金属的塑性变形行为。
金属及合金的塑性变形与断裂 涉及到材料科学、物理学、力 学等多个学科领域，开展跨学 科研究有助于深入理解其内在 机制，推动相关领域的发展。
通过实验与计算模拟相结合的 方法，可以更全面地揭示金属 及合金的塑性变形与断裂行为 ，为实际应用提供更准确的指 导。
将智能化与自动化技术应用于 金属及合金的塑性变形与断裂 研究中，可以提高研究效率， 降低实验成本，为实际生产提 供有力支持。
屈服准则
描述材料开始进入塑性变形的应力条件 。例如，Tresca和Von Mises屈服准则。
VS
应力-应变关系
描述金属或合金在塑性变形过程中应力与 应变之间的关系，通常呈现非线性特征。
加工硬化与软化现象
加工硬化
随着塑性变形的增加，金属或合金的强度和 硬度提高，但延展性和韧性下降的现象。
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就有一个临界应力sc。当外加应力超过sc时，裂纹
才迅速扩大，导致断裂。
2021/1/27
21
Lesson Eleven
▪ Griffith从能量条件导出了临界应力sc值的大小。此
能量条件为：裂纹扩展所降低的弹性能恰好足以供
给表面能的增加。由此求得裂纹扩展的临界应力为：
此式即为Griffith公式，它表明了裂纹传播的临界
2021/1/27
14
Lesson Eleven
▪ 在单晶体试样中常表现为沿解理面的解理断裂。
▪ 在多晶体试样中则可能出现两种情况：
一是裂纹沿解理面横穿晶粒的穿晶断裂，断口 可以看到解理亮面；若晶粒较粗，则可以看到许多 强烈反光的小平面(或称刻面)，这些小平面就是解 理面或晶界面，可叫做晶状断口。
2021/1/27
19
Lesson Eleven
▪ 对于铁，可以估算理论断裂强度sm≈E/10。这个数
值是很高的，实际的断裂强度比这个值低很多，只 是它的1/100~1/1000。只有毫无缺陷的晶须才能近 似达到理论断裂强度。这一悬殊差别的存在，是因 为材料内部存在有各种缺陷的缘故。
2021/1/27
裂强度和理论断裂强度间的差异。
2021/1/27
23
Lesson Eleven
裂纹形核－脆性断裂的位错理论
▪ 金属发生断裂，先要形成微裂纹。这些微裂纹主要 来自两个方面： 一是材料内部原有的，如实际金属材料内部的 气孔、夹杂、微裂纹等缺陷； 二是在塑性变形过程中，由于位错的运动和塞 积等原因而使裂纹形核。
二是裂纹沿晶界的晶间断裂，断口呈颗粒状。
2021/1/27
资料： 所谓解理面，一般都
是晶面指数比较低的晶面， 如体心立方的（100）面。 15
解理断裂成因：原子间结合键遭 到破坏，沿表面能最小、低指数 的晶面（解理面）劈开而成。
解理断裂特点： （1）断口呈河流，扇形或羽毛 状花样，如图示
螺型位错穿过解理面，遇到第二个螺位 错，产生台阶。
13
6.1.3 脆性断裂
Lesson Eleven
▪ 根据断裂前金属是否呈现有明显的塑性变形，可将 断裂分为韧性断裂与脆性断裂两大类。通常以单向 拉伸时的断面收缩率大于5%者为韧性断裂，而小 于5%者为脆性断裂。
▪ 脆性断裂在断面外观上没有明显的塑性变形迹象， 直接由弹性变形状态过渡到断裂，断裂面和拉伸轴 接近正交，断口平齐。
▪ 按断口形貌分类
（2)解理断裂
（3)微孔聚集型断裂
▪ 按断裂路径分类
（4)准解理断裂
（1）沿晶断裂
（5)纯剪切断裂
（2）穿晶断裂
2021/1/27
9
Lesson Eleven
正断与剪断的宏观与微观形式
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10
2021/1/27
Lesson Eleven 11
Lesson Eleven
沿晶断裂成因：晶粒边界的结 合强度远比晶内要低，脆性裂 纹就会择优在晶界形核，并沿 晶界扩展。
①晶界存在连续分布的脆性第二相 ②微量有害杂质元素在晶界上偏聚 ③由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐
蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。
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理论断裂强度
Lesson Eleven
应力sc和裂纹长度C的平方根成反比。
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Lesson Eleven
▪ Griffith公式与理论断裂强度公式比较，可知
▪ Griffith公式的物理意义在于：裂纹两端所引起的应 力集中，相当将外力放大了(C/a)1/2倍，使局部区域
达 裂纹到两了端理的论应断力裂集强中度程sm度，是而外导力致应断力裂的。(或C/者a)1说/2倍，时当， 裂 致纹断两裂端 。的 由应 此力 可便见达，到G了rif理fit论h理断论裂可强以度说s明m ，实从际而断导
▪ 理论断裂强度是指完整晶体在正应力作用下沿其一 晶面拉断的强度。如图所示，此强度就是两相邻原
子面在拉应力s作用下克服原子间键合力作用，使
原子面分开的应力。
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Lesson Eleven
▪ 由外力抵抗原子间结合力所做的功等于产生断裂新 表面的表面能，可以求得理论断裂强度为：
式中 a——断裂面间的原子间距； g——表面能； E——弹性模量。
晶间断裂a）和穿晶断裂b）
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断裂机理
脆性断裂 韧性断裂
Lesson Eleven
1．脆性断口 2．理论断裂强度 3．Griffith裂纹生长理论 4．脆性断裂的位错理论
1．韧性断口 2．微孔成核、长大和聚合 3．影响韧性断裂扩展的因素
脆性-韧性转变
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1．变温引起的韧-脆转变 2．环境引起的韧-脆转变 3．影响韧脆转变的因素
Lesson Eleven
Lesson Eleven
Lesson Eleven
n Eleven
6.1.2 断裂的基本类型
▪ 按服役条件分类 ▪ 按断裂应变分类
（1）韧性断裂 （2）脆性断裂
（1）过载断裂 （2）疲劳断裂 （3）蠕变断裂 （4）环境断裂
▪ 按断裂面取向分类
（1）正断 （2）切断 （1)沿晶断裂
（2）舌状花样，如图示
解理裂纹与孪晶相遇时，便沿孪晶面发 生局部二次解理，二次解理面与主解理面 之间的连接部分断裂，形成舌状花样
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Lesson Eleven 16
沿晶断裂特点：在断面上可看到 晶粒轮廓线或多边体晶粒的截面 图，如图示。有时仍可看到河流 或扇形花样。
Lesson Eleven
金属塑性变形理论 第11讲 断裂 类型及物理本质
第六章 金属的断裂
Lesson Eleven
主要内容
Main Content
▪ 断裂的基本类型及物理本质 ▪ 影响断裂类型的因素 ▪ 塑性加工中的各种断裂现象分析
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Lesson Eleven
Lesson Eleven
Lesson Eleven
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Griffith裂纹生长理论
Lesson Eleven
▪ 为了解释实际断裂强度和理论断裂强度的差别，早 在1920年就提出了这样的设想：由于材料中已有现 成裂纹存在，在裂纹尖端会引起强大的应力集中。 在外加平均应力小于理论断裂强度时，裂纹尖端已 达到理论断裂强度，因而引起裂纹的急剧扩展，使 实际断裂强度大为降低。由于裂纹长度的不同，所 引起应力集中的程度也不同，对于一定尺寸的裂纹
才迅速扩大，导致断裂。
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Lesson Eleven
▪ Griffith从能量条件导出了临界应力sc值的大小。此
能量条件为：裂纹扩展所降低的弹性能恰好足以供
给表面能的增加。由此求得裂纹扩展的临界应力为：
此式即为Griffith公式，它表明了裂纹传播的临界
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Lesson Eleven
▪ 在单晶体试样中常表现为沿解理面的解理断裂。
▪ 在多晶体试样中则可能出现两种情况：
一是裂纹沿解理面横穿晶粒的穿晶断裂，断口 可以看到解理亮面；若晶粒较粗，则可以看到许多 强烈反光的小平面(或称刻面)，这些小平面就是解 理面或晶界面，可叫做晶状断口。
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Lesson Eleven
▪ 对于铁，可以估算理论断裂强度sm≈E/10。这个数
值是很高的，实际的断裂强度比这个值低很多，只 是它的1/100~1/1000。只有毫无缺陷的晶须才能近 似达到理论断裂强度。这一悬殊差别的存在，是因 为材料内部存在有各种缺陷的缘故。
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裂强度和理论断裂强度间的差异。
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Lesson Eleven
裂纹形核－脆性断裂的位错理论
▪ 金属发生断裂，先要形成微裂纹。这些微裂纹主要 来自两个方面： 一是材料内部原有的，如实际金属材料内部的 气孔、夹杂、微裂纹等缺陷； 二是在塑性变形过程中，由于位错的运动和塞 积等原因而使裂纹形核。
二是裂纹沿晶界的晶间断裂，断口呈颗粒状。
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资料： 所谓解理面，一般都
是晶面指数比较低的晶面， 如体心立方的（100）面。 15
解理断裂成因：原子间结合键遭 到破坏，沿表面能最小、低指数 的晶面（解理面）劈开而成。
解理断裂特点： （1）断口呈河流，扇形或羽毛 状花样，如图示
螺型位错穿过解理面，遇到第二个螺位 错，产生台阶。
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6.1.3 脆性断裂
Lesson Eleven
▪ 根据断裂前金属是否呈现有明显的塑性变形，可将 断裂分为韧性断裂与脆性断裂两大类。通常以单向 拉伸时的断面收缩率大于5%者为韧性断裂，而小 于5%者为脆性断裂。
▪ 脆性断裂在断面外观上没有明显的塑性变形迹象， 直接由弹性变形状态过渡到断裂，断裂面和拉伸轴 接近正交，断口平齐。
▪ 按断口形貌分类
（2)解理断裂
（3)微孔聚集型断裂
▪ 按断裂路径分类
（4)准解理断裂
（1）沿晶断裂
（5)纯剪切断裂
（2）穿晶断裂
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Lesson Eleven
正断与剪断的宏观与微观形式
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Lesson Eleven
沿晶断裂成因：晶粒边界的结 合强度远比晶内要低，脆性裂 纹就会择优在晶界形核，并沿 晶界扩展。
①晶界存在连续分布的脆性第二相 ②微量有害杂质元素在晶界上偏聚 ③由于环境介质的作用损害了晶界，如氢脆、应力腐
蚀、应力和高温的复合作用在晶界造成损伤。
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理论断裂强度
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应力sc和裂纹长度C的平方根成反比。
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▪ Griffith公式与理论断裂强度公式比较，可知
▪ Griffith公式的物理意义在于：裂纹两端所引起的应 力集中，相当将外力放大了(C/a)1/2倍，使局部区域
达 裂纹到两了端理的论应断力裂集强中度程sm度，是而外导力致应断力裂的。(或C/者a)1说/2倍，时当， 裂 致纹断两裂端 。的 由应 此力 可便见达，到G了rif理fit论h理断论裂可强以度说s明m ，实从际而断导
▪ 理论断裂强度是指完整晶体在正应力作用下沿其一 晶面拉断的强度。如图所示，此强度就是两相邻原
子面在拉应力s作用下克服原子间键合力作用，使
原子面分开的应力。
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▪ 由外力抵抗原子间结合力所做的功等于产生断裂新 表面的表面能，可以求得理论断裂强度为：
式中 a——断裂面间的原子间距； g——表面能； E——弹性模量。
晶间断裂a）和穿晶断裂b）
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断裂机理
脆性断裂 韧性断裂
Lesson Eleven
1．脆性断口 2．理论断裂强度 3．Griffith裂纹生长理论 4．脆性断裂的位错理论
1．韧性断口 2．微孔成核、长大和聚合 3．影响韧性断裂扩展的因素
脆性-韧性转变
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1．变温引起的韧-脆转变 2．环境引起的韧-脆转变 3．影响韧脆转变的因素
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6.1.2 断裂的基本类型
▪ 按服役条件分类 ▪ 按断裂应变分类
（1）韧性断裂 （2）脆性断裂
（1）过载断裂 （2）疲劳断裂 （3）蠕变断裂 （4）环境断裂
▪ 按断裂面取向分类
（1）正断 （2）切断 （1)沿晶断裂
（2）舌状花样，如图示
解理裂纹与孪晶相遇时，便沿孪晶面发 生局部二次解理，二次解理面与主解理面 之间的连接部分断裂，形成舌状花样
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沿晶断裂特点：在断面上可看到 晶粒轮廓线或多边体晶粒的截面 图，如图示。有时仍可看到河流 或扇形花样。
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金属塑性变形理论 第11讲 断裂 类型及物理本质
第六章 金属的断裂
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主要内容
Main Content
▪ 断裂的基本类型及物理本质 ▪ 影响断裂类型的因素 ▪ 塑性加工中的各种断裂现象分析
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Griffith裂纹生长理论
Lesson Eleven
▪ 为了解释实际断裂强度和理论断裂强度的差别，早 在1920年就提出了这样的设想：由于材料中已有现 成裂纹存在，在裂纹尖端会引起强大的应力集中。 在外加平均应力小于理论断裂强度时，裂纹尖端已 达到理论断裂强度，因而引起裂纹的急剧扩展，使 实际断裂强度大为降低。由于裂纹长度的不同，所 引起应力集中的程度也不同，对于一定尺寸的裂纹