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形变和断裂

[拼音]:xingbian he duanlie

[外文]:plastic deformation and frac-ture

金属在受力时,原子的相对位置发生改变,其宏观表现即为形变。当局部的形变量超过一定限度时,原子间的结合力受破坏,出现裂纹,裂纹经过扩展,使金属断开,称为断裂。强度是材料抵抗变形和断裂的能力。通常所谓材料的软、硬、韧、脆等都是对材料有关形变和断裂特性的描述(见金属力学性能的表征)。金属的断裂总是伴随着不同程度的范性形变。断口分析的结果表明,即使是典型的脆性断裂,在金属的断口层也有一定程度的范性形变。

一般把形变分为弹性形变与范性形变(或塑性变形)两类,把断裂分为脆性断裂和韧性断裂两种。但它们并不能截然分开。在同一试件上,可以有弹性和范性形变,或脆性和韧性断裂并存。例如当一块材料受力时,从整体看,它是弹性变形,而在缺陷或裂纹尖端却已发生明显的范性形变。一个断口,往往包含着脆性的和韧性的两种典型区域。这些主要决定于材料的微观结构和试件的宏观状态(如几何尺寸、有无缺口或缺陷),环境温度,介质条件以及加载情况等。

早在17世纪胡克(R. Hooke)就根据实验结果提出了胡克定律(见弹性和滞弹性)。随着数学、力学的进步,弹性理论已形成完整的体系。范性形变理论发展较晚,从力学角度出发,也有不少接近成熟的理论。但有关金属断裂问题的系统研究,则是20世纪以来的事,并随着现代实验技术的发展而不断深入。

研究方法

金属的形变和断裂已形成金属学中的一个重要分支。形变与断裂问题的研究,一般有三种方法。

宏观力学的研究

一般是从几个假设出发,根据一定的边界条件,分析物体在受力状态下的应力与应变行为。这就是已经很成熟的弹性理论和正在发展中的塑性力学与弹塑性力学等。这些理论在指导材料的使用和进行工程设计等方面起到很重要的作用。随着电子计算机技术的发展,有限元方法在力学分析中广泛应用,使形变与断裂的宏观力学处理有更强的生命力。

微观结构的研究

是指从金属的内部组织结构来研究材料的形变与断裂的机制。这种研究比宏观力学的研究晚得多。长期以来,主要以纯金属和金属单晶为研究对象,了解这些金属形变与断裂的某些规律,目前正逐渐向研究复杂多元和多晶体等现实金属材料过渡。

金属的组织结构一般可分为几个层次。有些肉眼就可以观察到,如大晶粒和宏观缺陷等。有些要借助于光学显微镜或电子显微镜,如钢的金相组织,合金中沉淀颗粒的析出等。还有一些只有借助于物理性能的变化才能间接地推论出来,如用内耗推论金属形变与断裂过程中原子与微观缺陷的交互作用;用声发射监听和研究形变与断裂过程中的位错运动,以及用正电子湮没效应研究金属在形变过程中点缺陷的形成和分布等等。通过组织结构的微观研究可以了解金属形变与断裂的本质,从而为改进现有材料、创造新材料和更有效地使用材料提供根据(见金属和合金的微观分析,金属物理性能分析)。

宏观与微观方法的结合

宏观力学方法的基础是假定把材料视为连续介质,而实际的金属材料并不是一种连续介质,而且环境介质和受力状态也往往对材料的宏观力学性能产生决定性的影响。在采用宏观力学方法进行工程设计时,往往只是简单地加大安全系数,使设计出来的产品过于笨重。另一方面,研究金属的形变与断裂的微观过程,可以了解材料形变和断裂的本质,但不能用来指导现代工程设计。近来十分强调把宏观力学方法和材料的微观结构的研究方法结合起来,把宏观力学性能与微观结构参量之间的关系用数学形式表达出来,找出金属材料形变与断裂的一些规律,用以指导实践。

主要的理论成果

近半个世纪以来,金属学工作者从金属与合金的组织结构出发,研究形变和断裂,主要取得了两方面的进展。

位错理论

从原子间结合力计算出来的金属的理论强度比其实际强度高几十倍甚至几个数量级。实际强度和理论强度的这种差别,长期以来得不到满意的解释。1920年格里菲思(A.A.Griffith)从表面能的观点提出了脆性材料强度的降低是由于材料中存在着微裂纹。通过对典型脆性材料(如玻璃)的试验,这个理论得到定量的证实。但对金属材料来说,这个理论并不适用。直到 1934年奥罗万(E.Orowan)、波拉尼(M.Polanyi)和泰勒(G.I.Taylor)分别提出晶体位错的概念,才使塑性材料的实际强度远比理论强度低的问题得到比较合理的解答(见晶体缺陷)。位错理论认为,范性形变的基本过程是位错的运动和增殖。位错在晶体中运动的阻力就表现为强度。位错移动时,只需位错中心附近少数原子移动很小的距离(甚至小于一个原子间距;而不含位错的完整晶体,必须通过晶体的一部分对另一部分作整体刚性滑移,才能实现形变,据此计算出来的阻力数值显然比前者高得多。位错在金属材料中是普遍存在的,而且即使是不含位错的材料,在受力时也会产生位错。用位错理论可以说明金属的强化、形变和断裂等现象。四十多年来,位错理论有很大发展,但在实践中,还不能根据位错理论来进行工程设计,因为金属的缺陷类型很多,运动很复杂,交互作用很强烈,在各种情况下都作定量描述还有很多困难。电子计算机的应用,将有助于这方面的发展。

断裂力学

20世纪60年代初,为了解决制造导弹壳体用的高强度钢的低应力破坏问题,美国物理学家、力学家和冶金学家组织起来,在格里菲斯理论的基础上,发展了线弹性断裂力学,提出了应力强度因子和材料的断裂韧度等新概念。断裂力学根据实际材料中存在的宏观缺陷,所受外力条件、材料性能以及介质条件,能够定量地描述缺陷附近的局部应力、应变场,进而能够决定脆断的临界条件和裂纹发展规律;可以定量地描述一种材料发生脆断的内在因素(如缺陷)与外界条件(如受力状态等)的关系。接着,又针对塑性较好的材料发展了弹塑性断裂力学,提出J积分和裂纹张开位移(COD)等判据。目前,断裂力学概念和一些判据,已经成功地用于工程设计、零件寿命估算和材料评价等方面。

研究动向

随着材料科学的进步,新型材料不断涌现,如复合材料、微晶和非晶态材料等,都将对形变与断裂提出新的问题。随着材料的生产与制造工艺的不断改进,机械制造工业对材料的要求日益提高,也会对材料的形变与断裂问题的研究提出新的要求。目前的主要发展动向有下列几个方面:

疲劳断裂是历来机械零件最常见的破坏形式。特别是超高强度金属材料,对裂纹具有特殊的敏感性,即使是非常细小的缺陷,也会造成灾害性的疲劳破坏。因此,这是发展高强度材料亟待解决的问题。

材料在腐蚀介质中的形变和断裂问题,包括应力腐蚀和腐蚀疲劳断裂等(见应力腐蚀断裂和氢脆)。随着材料使用寿命的延长、材料强度的不断提高,这方面的问题就更为突出。因此,结合材料的工作环境和受力条件,开展对材料的宏观力学性能和微观结构关系的研究是十分重要的。

高温蠕变一直是金属材料在高温条件下工作的关键问题之一。如果在高温长期静载荷下叠加疲劳载荷(振动或周期蠕变应力),材料的强度变化并不是简单的线性叠加,有可能加速断裂,也可能促进强化。因此,研究金属材料的蠕变和疲劳的交互作用成为当前的一个活跃领域。

不管断裂方式如何,最后都要产生两个相对应的断口,从断口往往可以得到材料在断裂过程中有益的信息,据此不但可以研究材料的断裂过程,也为部件的失效分析提供可靠的依据。所以断口分析在当前已引起人们的密切注意,成为形变和断裂的一个学科分支。

此外,冷塑性变形的金属和合金,在加热过程中会发生组织结构的明显变化,这就是回复和再结晶及晶粒长大。而经过冷变形或再结晶的多晶金属往往产生晶粒的择优取向,从而形成不同类型的结构。织构的存在有时是有利的(如对取向硅钢片),有时则有害(如对深冲钢)。这些都是形变引起的,也是这个学科的研究课题。

参考书目
  1. H.Liebowitz ed.,Fracture, Academic Press, NewYork,1968 & 1969.
  2. W.S.Pellini,Principles of Structural Integrity Technology,Office of Naval Research,USA, 1976.
  3. W.A.Wood,The Study of Metal Structures and their Mechanical Properties, Pergamon Press,Oxford,1971.

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