材料强度与断裂第一章.ppt

序 断裂问题的研究从来Griffith时代算起至今已有90余年的历史，上世纪70年代初断裂力学传入我国，从国内外发展的趋势来看，以连续介质为基础来研究断裂是不够的，宏观与微观相结合的研究方法重新受到人们的关注。因此，本门课程的设置便应运而生。目的在于培养硕士生了解和掌握材料断裂微观过程，在断裂物理的思想基础上把它们系统化，促进宏观与微观断裂问题研究的结合，以加强从事材料宏观与微观力学性质研究的硕士生分析问题和解决问题能力的培养。 主要参考书 哈宽富.断裂物理基础. 科学出版社.2000 褚武扬，乔利杰，陈奇志，高克玮.断裂与环境断裂.科学出版社，2000 许金泉.材料强度学.上海交通大学出版社，2009 其它文献 早在二十世纪二十年代人们就利用简单立方晶体的模型进行近似计算，认为金属晶体的理论剪切强度约在μ/30-μ/10之间（μ为切变模量）。二十世纪五十年代制造出的铁晶须，它的屈服强度σY已接近α-Fe的理论屈服强度。细晶须中只含有一至数条位错线，受力时位错很容易逸出表面，此后变形过程中晶须内事实上不存在位错线，晶体必须通过均匀的形成位错圈才能变形，均匀形成位错圈的应力远高于位错的晶格阻力，使晶体的屈服强度接近理论屈服强度。晶须的直径变粗，内部位错不容易清除，屈服时只要克服位错的晶格阻力，使强度下降。位错的晶格阻力可以近似看作派-纳（Peierls-Nabarro）力。 一方面晶须的强度极不稳定，有一定数量的位错存在时，强度剧烈下降；另一方面晶须的成本高，工艺复杂。因此，在工程中采用第二种强化方法，即在晶体中引入大量缺陷及阻止位错运动来提高强度。采用各种强化手段使铁的强度提高，这些手段包括固溶强化、晶界强化、加工硬化、第二相沉淀、弥散强化以及相变强化、有序强化和Spinodal分解强化等。形变热处理和冷拔高碳钢丝的强度已接近晶须的强度。 金属晶体中的位错是由相变和塑性变形引入的，位错的密度愈高，金属抵抗塑性变形的能力就愈大。其他因素固定时，金属的流变应力 和位错密度 之间的关系服从Baily-Hirsch式： 所以 表示位错密度引起流变应力增量。 加工硬化的第Ⅰ阶段，只有一个分切应力最大的主滑移系开动，加工硬化斜率 比较小，位错滑移的距离很大，滑移阻力很小，因此第一阶段又称为易滑移阶段。 在第二阶段（滑移），两个滑移系同时开动，此时加工硬化进入直线硬化阶段，这个阶段的硬化曲线斜率 ，数值上接近常数，位错的强化作用最大。 1、根据Seeger理论，随着主滑移面上的平行位错密度增大，次滑移面上的位错密度也同时增加。在主滑移面和次滑移面上（fcc的主次滑移面都是{111}面），全位错扩展成两个不全位错。 主滑移面(111)： 次滑移面( ) ： 在主次滑移面交线 上有位错反应 所以， 、 、 组成了面角位错(Lomer-Cottrell位错)。 因为Lomer-Cottrell位错是一种不动位错，而主滑移面和次滑移面相交的方向有三个可以组成六角形的位错带，包围在位错源的周围，造成滑移面中位错塞积，塞积群的形成使硬化系数变大。 2.第Ⅱ阶段的强化还可用Hirsch等提出的位错林硬化理论来解释。这种理论认为：主滑移面中的位错源产生的位错和位错林（穿过主滑移面的位错，它们可以是由原来晶体中的位错网组成，也可以由次滑移系统产生的位错组成）交截产生割阶。 位错林在变形过程中被多次交截，形成割阶愈多，需要能量也愈大，因而阻力就大。两个相互垂直的螺型位错相截产生的割阶是一个刃型位错。 当螺型位错带着这个割阶一起运动时，割阶就进行非保守运动，从而在晶体中产生空位，割阶的非保守运动受到的阻力是非常大的。 3.Gilman提出了由于位错偶极（dipole）和小位错圈（debris）的形成而造成第二阶段硬化作用。割阶、位错偶极、小位错圈和空位都是位错线进一步移动的阻力。 加工硬化的第Ⅲ阶段又叫抛物线硬化阶段,第Ⅲ 阶段曲线的斜率小于第Ⅱ阶段斜率 ，这个阶段中位错进行多重交滑移。第Ⅱ阶段被面角位错（Lomer-Cottrell位错）塞积的螺位错可以通过交滑移绕过障碍使主要的滑移面上的位错线一部分转入其它滑移面，结果主要滑移面上位错密度增加的比例变小。因此，和第Ⅱ阶段相比，第Ⅲ阶段的硬化率变小。 硬化的三个阶段中，位错的引入和位错间的交互作用，在方式上可以是各不相同的，但是随着变形量增加，位错密度和缺陷在数量上总是增加的。工程上利用位错密度大小来决定金属晶体的强度，