[拼音]：xingbian he duanlie

[外文]：plastic deformation and frac-ture

金屬在受力時(shí)，原子的相對(duì)位置發(fā)生改變，其宏觀表現(xiàn)即為形變。當(dāng)局部的形變量超過一定限度時(shí)，原子間的結(jié)合力受破壞，出現(xiàn)裂紋，裂紋經(jīng)過擴(kuò)展，使金屬斷開，稱為斷裂。強(qiáng)度是材料抵抗變形和斷裂的能力。通常所謂材料的軟、硬、韌、脆等都是對(duì)材料有關(guān)形變和斷裂特性的描述（見金屬力學(xué)性能的表征）。金屬的斷裂總是伴隨著不同程度的范性形變。斷口分析的結(jié)果表明，即使是典型的脆性斷裂，在金屬的斷口層也有一定程度的范性形變。

一般把形變分為彈性形變與范性形變(或塑性變形)兩類，把斷裂分為脆性斷裂和韌性斷裂兩種。但它們并不能截然分開。在同一試件上，可以有彈性和范性形變，或脆性和韌性斷裂并存。例如當(dāng)一塊材料受力時(shí)，從整體看，它是彈性變形，而在缺陷或裂紋尖端卻已發(fā)生明顯的范性形變。一個(gè)斷口，往往包含著脆性的和韌性的兩種典型區(qū)域。這些主要決定于材料的微觀結(jié)構(gòu)和試件的宏觀狀態(tài)（如幾何尺寸、有無缺口或缺陷），環(huán)境溫度，介質(zhì)條件以及加載情況等。

早在17世紀(jì)胡克（R. Hooke）就根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了胡克定律（見彈性和滯彈性）。隨著數(shù)學(xué)、力學(xué)的進(jìn)步，彈性理論已形成完整的體系。范性形變理論發(fā)展較晚，從力學(xué)角度出發(fā)，也有不少接近成熟的理論。但有關(guān)金屬斷裂問題的系統(tǒng)研究，則是20世紀(jì)以來的事，并隨著現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展而不斷深入。

研究方法

金屬的形變和斷裂已形成金屬學(xué)中的一個(gè)重要分支。形變與斷裂問題的研究，一般有三種方法。

宏觀力學(xué)的研究

一般是從幾個(gè)假設(shè)出發(fā)，根據(jù)一定的邊界條件，分析物體在受力狀態(tài)下的應(yīng)力與應(yīng)變行為。這就是已經(jīng)很成熟的彈性理論和正在發(fā)展中的塑性力學(xué)與彈塑性力學(xué)等。這些理論在指導(dǎo)材料的使用和進(jìn)行工程設(shè)計(jì)等方面起到很重要的作用。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元方法在力學(xué)分析中廣泛應(yīng)用，使形變與斷裂的宏觀力學(xué)處理有更強(qiáng)的生命力。

微觀結(jié)構(gòu)的研究

是指從金屬的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)來研究材料的形變與斷裂的機(jī)制。這種研究比宏觀力學(xué)的研究晚得多。長期以來，主要以純金屬和金屬單晶為研究對(duì)象，了解這些金屬形變與斷裂的某些規(guī)律，目前正逐漸向研究復(fù)雜多元和多晶體等現(xiàn)實(shí)金屬材料過渡。

金屬的組織結(jié)構(gòu)一般可分為幾個(gè)層次。有些肉眼就可以觀察到，如大晶粒和宏觀缺陷等。有些要借助于光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡，如鋼的金相組織，合金中沉淀顆粒的析出等。還有一些只有借助于物理性能的變化才能間接地推論出來，如用內(nèi)耗推論金屬形變與斷裂過程中原子與微觀缺陷的交互作用；用聲發(fā)射監(jiān)聽和研究形變與斷裂過程中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，以及用正電子湮沒效應(yīng)研究金屬在形變過程中點(diǎn)缺陷的形成和分布等等。通過組織結(jié)構(gòu)的微觀研究可以了解金屬形變與斷裂的本質(zhì)，從而為改進(jìn)現(xiàn)有材料、創(chuàng)造新材料和更有效地使用材料提供根據(jù)（見金屬和合金的微觀分析，金屬物理性能分析）。

宏觀與微觀方法的結(jié)合

宏觀力學(xué)方法的基礎(chǔ)是假定把材料視為連續(xù)介質(zhì)，而實(shí)際的金屬材料并不是一種連續(xù)介質(zhì)，而且環(huán)境介質(zhì)和受力狀態(tài)也往往對(duì)材料的宏觀力學(xué)性能產(chǎn)生決定性的影響。在采用宏觀力學(xué)方法進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，往往只是簡單地加大安全系數(shù)，使設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品過于笨重。另一方面，研究金屬的形變與斷裂的微觀過程，可以了解材料形變和斷裂的本質(zhì)，但不能用來指導(dǎo)現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)。近來十分強(qiáng)調(diào)把宏觀力學(xué)方法和材料的微觀結(jié)構(gòu)的研究方法結(jié)合起來，把宏觀力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)參量之間的關(guān)系用數(shù)學(xué)形式表達(dá)出來，找出金屬材料形變與斷裂的一些規(guī)律，用以指導(dǎo)實(shí)踐。

主要的理論成果

近半個(gè)世紀(jì)以來，金屬學(xué)工作者從金屬與合金的組織結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究形變和斷裂，主要取得了兩方面的進(jìn)展。

位錯(cuò)理論

從原子間結(jié)合力計(jì)算出來的金屬的理論強(qiáng)度比其實(shí)際強(qiáng)度高幾十倍甚至幾個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)際強(qiáng)度和理論強(qiáng)度的這種差別，長期以來得不到滿意的解釋。1920年格里菲思（A.A.Griffith）從表面能的觀點(diǎn)提出了脆性材料強(qiáng)度的降低是由于材料中存在著微裂紋。通過對(duì)典型脆性材料（如玻璃）的試驗(yàn)，這個(gè)理論得到定量的證實(shí)。但對(duì)金屬材料來說，這個(gè)理論并不適用。直到 1934年奧羅萬（E.Orowan）、波拉尼(M.Polanyi)和泰勒（G.I.Taylor）分別提出晶體位錯(cuò)的概念，才使塑性材料的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)比理論強(qiáng)度低的問題得到比較合理的解答（見晶體缺陷）。位錯(cuò)理論認(rèn)為，范性形變的基本過程是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和增殖。位錯(cuò)在晶體中運(yùn)動(dòng)的阻力就表現(xiàn)為強(qiáng)度。位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)，只需位錯(cuò)中心附近少數(shù)原子移動(dòng)很小的距離（甚至小于一個(gè)原子間距；而不含位錯(cuò)的完整晶體，必須通過晶體的一部分對(duì)另一部分作整體剛性滑移，才能實(shí)現(xiàn)形變，據(jù)此計(jì)算出來的阻力數(shù)值顯然比前者高得多。位錯(cuò)在金屬材料中是普遍存在的，而且即使是不含位錯(cuò)的材料，在受力時(shí)也會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)。用位錯(cuò)理論可以說明金屬的強(qiáng)化、形變和斷裂等現(xiàn)象。四十多年來，位錯(cuò)理論有很大發(fā)展，但在實(shí)踐中，還不能根據(jù)位錯(cuò)理論來進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，因?yàn)榻饘俚娜毕蓊愋秃芏?，運(yùn)動(dòng)很復(fù)雜，交互作用很強(qiáng)烈，在各種情況下都作定量描述還有很多困難。電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，將有助于這方面的發(fā)展。

斷裂力學(xué)

20世紀(jì)60年代初，為了解決制造導(dǎo)彈殼體用的高強(qiáng)度鋼的低應(yīng)力破壞問題，美國物理學(xué)家、力學(xué)家和冶金學(xué)家組織起來，在格里菲斯理論的基礎(chǔ)上，發(fā)展了線彈性斷裂力學(xué)，提出了應(yīng)力強(qiáng)度因子和材料的斷裂韌度等新概念。斷裂力學(xué)根據(jù)實(shí)際材料中存在的宏觀缺陷，所受外力條件、材料性能以及介質(zhì)條件，能夠定量地描述缺陷附近的局部應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)，進(jìn)而能夠決定脆斷的臨界條件和裂紋發(fā)展規(guī)律；可以定量地描述一種材料發(fā)生脆斷的內(nèi)在因素（如缺陷）與外界條件（如受力狀態(tài)等）的關(guān)系。接著，又針對(duì)塑性較好的材料發(fā)展了彈塑性斷裂力學(xué)，提出J積分和裂紋張開位移(COD)等判據(jù)。目前，斷裂力學(xué)概念和一些判據(jù)，已經(jīng)成功地用于工程設(shè)計(jì)、零件壽命估算和材料評(píng)價(jià)等方面。

研究動(dòng)向

隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，新型材料不斷涌現(xiàn)，如復(fù)合材料、微晶和非晶態(tài)材料等，都將對(duì)形變與斷裂提出新的問題。隨著材料的生產(chǎn)與制造工藝的不斷改進(jìn)，機(jī)械制造工業(yè)對(duì)材料的要求日益提高，也會(huì)對(duì)材料的形變與斷裂問題的研究提出新的要求。目前的主要發(fā)展動(dòng)向有下列幾個(gè)方面：

疲勞斷裂是歷來機(jī)械零件最常見的破壞形式。特別是超高強(qiáng)度金屬材料，對(duì)裂紋具有特殊的敏感性，即使是非常細(xì)小的缺陷，也會(huì)造成災(zāi)害性的疲勞破壞。因此，這是發(fā)展高強(qiáng)度材料亟待解決的問題。

材料在腐蝕介質(zhì)中的形變和斷裂問題，包括應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞斷裂等（見應(yīng)力腐蝕斷裂和氫脆）。隨著材料使用壽命的延長、材料強(qiáng)度的不斷提高，這方面的問題就更為突出。因此，結(jié)合材料的工作環(huán)境和受力條件，開展對(duì)材料的宏觀力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究是十分重要的。

高溫蠕變一直是金屬材料在高溫條件下工作的關(guān)鍵問題之一。如果在高溫長期靜載荷下疊加疲勞載荷（振動(dòng)或周期蠕變應(yīng)力），材料的強(qiáng)度變化并不是簡單的線性疊加，有可能加速斷裂，也可能促進(jìn)強(qiáng)化。因此，研究金屬材料的蠕變和疲勞的交互作用成為當(dāng)前的一個(gè)活躍領(lǐng)域。

不管斷裂方式如何，最后都要產(chǎn)生兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的斷口，從斷口往往可以得到材料在斷裂過程中有益的信息，據(jù)此不但可以研究材料的斷裂過程，也為部件的失效分析提供可靠的依據(jù)。所以斷口分析在當(dāng)前已引起人們的密切注意，成為形變和斷裂的一個(gè)學(xué)科分支。

此外，冷塑性變形的金屬和合金，在加熱過程中會(huì)發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的明顯變化，這就是回復(fù)和再結(jié)晶及晶粒長大。而經(jīng)過冷變形或再結(jié)晶的多晶金屬往往產(chǎn)生晶粒的擇優(yōu)取向，從而形成不同類型的結(jié)構(gòu)?？棙?gòu)的存在有時(shí)是有利的（如對(duì)取向硅鋼片），有時(shí)則有害（如對(duì)深沖鋼）。這些都是形變引起的，也是這個(gè)學(xué)科的研究課題。

參考書目

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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標(biāo)簽：xingbian he duanlie、形變和斷裂

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文章名稱：《形變和斷裂》

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