脆性材料與韌性材料的屈服與斷裂差別，及如何
來源：天氏庫力 發(fā)布日期
2025-12-27 瀏覽：
1. 什么是剪切帶？
剪切帶 是材料在塑性變形過程中，由于變形不穩(wěn)定而高度局域化形成的一個狹窄帶狀區(qū)域。你可以把它想象成材料內(nèi)部的一條“滑移線”或“剪切滑移面”。
本質(zhì)：是材料屈服后，塑性應(yīng)變集中發(fā)生的區(qū)域。
特征：
幾何上：一個非常薄的帶（寬度可達(dá)微米級），與主應(yīng)力方向呈特定角度（通常約45°）。
力學(xué)上：帶內(nèi)的材料發(fā)生劇烈的剪切變形，而帶外的材料幾乎保持原狀或僅有均勻變形。
物理上：通常伴隨材料微觀結(jié)構(gòu)的劇烈變化，如晶粒破碎、位錯密度的急劇升高、溫度上升（熱軟化）。
意義：
韌性材料的典型變形模式：標(biāo)志著材料從均勻塑性變形轉(zhuǎn)向局域化變形，是宏觀斷裂（韌性斷裂）的前兆。
失穩(wěn)的開始：剪切帶的形成意味著材料承載能力下降，是頸縮等現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)理。簡單比喻：當(dāng)你緩慢彎曲一根軟金屬條（如回形針），在最終折斷前，彎曲處會變薄、變亮，出現(xiàn)一條明顯的折痕線——這條線就是宏觀可見的剪切帶。
對脆性高聚物（比如硬脆的PLA）來說，斷裂前幾乎沒明顯變形，斷面平整光滑，還和拉伸方向垂直。不是它不想“變形”，而是正應(yīng)力先一步超過了材料的拉伸強(qiáng)度，沒等切應(yīng)力發(fā)揮作用，材料就直接脆斷了，自然不會形成剪切帶。
對韌性聚合物（比如PBAT、PBS）來說，拉伸到“屈服點(diǎn)”時，試樣表面會出現(xiàn)一道和拉伸方向成45°角的傾斜變形帶，這就是剪切帶。因為它的剪切強(qiáng)度比斷裂強(qiáng)度低，切應(yīng)力先達(dá)到“臨界值”，材料先發(fā)生剪切滑移（形成剪切帶），相當(dāng)于“先屈服再扛力”，而不是直接斷裂。
2.脆性材料與韌性材料的屈服與斷裂差別
這里的核心在于理解 “屈服” 和 “斷裂” 這兩個事件在材料變形過程中的順序和表現(xiàn)形式。
詳細(xì)對比分析：
1. 脆性材料
微觀結(jié)合鍵：離子鍵、共價鍵為主（如陶瓷、玻璃）。鍵合強(qiáng)而方向性強(qiáng)，位錯難以運(yùn)動。
屈服行為：
無宏觀屈服點(diǎn)：在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，幾乎看不到明顯的屈服平臺。
屈服即斷裂：其“屈服”在微觀上可能表現(xiàn)為微裂紋的萌生和擴(kuò)展，一旦開始就迅速失穩(wěn)，宏觀上表現(xiàn)為直接斷裂。
斷裂行為：
斷裂先于塑性變形：在發(fā)生任何顯著的宏觀塑性變形之前就發(fā)生斷裂。
斷裂機(jī)制：通常是解理斷裂（沿特定的晶體學(xué)平面劈開）或沿晶斷裂。
斷口形貌：平整、光亮，呈結(jié)晶狀或放射狀，如破碎的玻璃。
能量吸收：很低，斷裂過程突然，吸收能量少。
2. 韌性材料
微觀結(jié)合鍵：金屬鍵為主（如低碳鋼、鋁、銅）。鍵合無方向性，位錯容易滑移。
屈服行為：
有明顯的屈服點(diǎn)：應(yīng)力-應(yīng)變曲線上有清晰的屈服強(qiáng)度（上、下屈服點(diǎn)），標(biāo)志著宏觀塑性變形的開始。
屈服后經(jīng)歷均勻塑性變形：材料整體發(fā)生穩(wěn)定的、可預(yù)測的變形（應(yīng)變硬化階段）。
斷裂行為：
塑性變形先于斷裂：在最終斷裂前，經(jīng)歷了大量的塑性變形。
斷裂機(jī)制：微孔聚集型斷裂。先是在雜質(zhì)或第二相處形成微小孔洞，孔洞長大、連接，最終導(dǎo)致斷裂。
關(guān)鍵橋梁——剪切帶：在斷裂前，均勻塑性變形失穩(wěn)，變形集中于剪切帶。剪切帶內(nèi)孔洞更易形核和連接，最終沿著剪切帶發(fā)生斷裂。
斷口形貌：灰暗、纖維狀，有明顯的韌窩（微孔洞的痕跡）。
能量吸收：很高，斷裂過程緩慢，需要消耗大量能量用于塑性變形。
總結(jié)對比表
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特征 |
脆性材料 |
韌性材料 |
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典型材料 |
玻璃、陶瓷、鑄鐵、石頭 |
低碳鋼、鋁、銅、聚合物 |
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應(yīng)力-應(yīng)變曲線 |
直線上升到斷裂，無屈服平臺 |
有明顯彈性段、屈服點(diǎn)、塑性平臺和頸縮段 |
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屈服 |
不明顯或不存在宏觀屈服。微觀損傷（微裂紋）萌生即迅速導(dǎo)致斷裂。 |
有明顯屈服點(diǎn)，標(biāo)志著均勻塑性變形的開始。 |
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斷裂 |
先于塑性變形。突發(fā)性、災(zāi)難性斷裂。 |
后于大量塑性變形。漸進(jìn)式、有預(yù)兆的斷裂。 |
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剪切帶 |
通常不形成。斷裂由主裂紋快速擴(kuò)展控制。 |
斷裂前必經(jīng)階段。是塑性變形局域化和微孔洞聚集的場所。 |
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斷口 |
平整、光亮（解理面或晶界） |
灰暗、纖維狀，有韌窩 |
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能量吸收 |
低 |
高 |
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變形能力 |
幾乎無塑性變形 |
塑性變形能力大 |
核心差別：
脆性材料的“屈服”和“斷裂”幾乎是同一瞬間的事件；而韌性材料則清晰地經(jīng)歷了“彈性變形 → 屈服 → 均勻塑性變形 → 局域化變形（剪切帶） → 斷裂”這一完整過程。剪切帶，正是連接韌性材料屈服后塑性變形與最終斷裂的關(guān)鍵橋梁。
在日常使用中我們?nèi)绾斡美υ囼灆C(jī)進(jìn)行脆性材料和韌性材料的拉伸測試，以及觀測屈服、斷裂和剪切帶的測試需求？
第一步：樣品制備（這是基礎(chǔ)，至關(guān)重要）
標(biāo)準(zhǔn)試樣：必須嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T 228.1）或國際標(biāo)準(zhǔn)（如ASTM E8）加工試樣。常見的形狀有：
圓棒試樣：用于金屬，標(biāo)距段直徑d， 標(biāo)距長度通常為5d或10d。
平板試樣：用于板材、聚合物或復(fù)合材料。
表面質(zhì)量：試樣表面需光滑，無劃痕、刀痕等應(yīng)力集中點(diǎn)，否則會提前斷裂，影響結(jié)果。
脆/韌材料差異：
脆性材料：加工更困難，需使用金剛石刀具或慢走絲線切割，防止微裂紋產(chǎn)生。
韌性材料：相對容易加工，但需保證尺寸精度。
第二步：拉力機(jī)設(shè)備配置
選擇合適的載荷傳感器：預(yù)計最大載荷應(yīng)在傳感器量程的20%-80%之間，以保證精度。
安裝夾具：根據(jù)試樣形狀選擇并安裝對應(yīng)的夾具（如楔形夾具、螺紋夾具）。確保試樣與夾具對中，避免產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。
安裝關(guān)鍵測量工具——引伸計：
作用：直接、高精度地測量試樣標(biāo)距段的真實應(yīng)變，是獲得準(zhǔn)確應(yīng)力-應(yīng)變曲線的必需品。
使用：在屈服點(diǎn)附近或頸縮發(fā)生前，引伸計需一直附著在試樣上。對于韌性材料，在發(fā)生明顯頸縮（截面急劇縮小）前需取下引伸計，防止損壞。
第三步：執(zhí)行測試與關(guān)鍵設(shè)置
控制模式：通常采用 “位移控制” （十字頭移動速度恒定）。對于研究，也可用更精確的 “應(yīng)變控制” （通過引伸計反饋控制）。
加載速率（速度）：
韌性材料：采用較慢的速率（如1-5 mm/min），以便清晰記錄屈服平臺和塑性流動過程。
脆性材料：可采用較快速率，但也需避免沖擊載荷。有時需要用更慢的速率來獲得完整的彈性段。
數(shù)據(jù)采集頻率：設(shè)置足夠高的采集頻率，以確保能捕捉到脆性材料的突然斷裂點(diǎn)，以及韌性材料屈服點(diǎn)的細(xì)節(jié)。
第四步：數(shù)據(jù)分析與現(xiàn)象觀察（核心區(qū)別所在）
這是區(qū)分脆性與韌性行為的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
A. 對于脆性材料（如鑄鐵、陶瓷）
應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征：
幾乎是一條直線，直到突然斷裂。
沒有明顯的屈服點(diǎn)。
可以計算出彈性模量（E） 和 斷裂強(qiáng)度。
宏觀現(xiàn)象觀察：
無塑性變形：試樣斷裂后，拼合起來幾乎能嚴(yán)絲合縫，長度和形狀幾乎不變。
斷裂聲音：尖銳、突然。
斷口分析（事后）：
肉眼觀察：斷口平整、有光澤。
電子顯微鏡觀察：典型的解理臺階或沿晶界分離的形貌。
B. 對于韌性材料（如低碳鋼、鋁）
應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征：
有明顯屈服點(diǎn)：曲線出現(xiàn)應(yīng)力不增加而應(yīng)變增加的平臺（上下屈服點(diǎn)）。
應(yīng)變硬化階段：屈服后，應(yīng)力繼續(xù)隨應(yīng)變上升。
頸縮與斷裂：達(dá)到最大應(yīng)力（抗拉強(qiáng)度）后，曲線開始下降，試樣出現(xiàn)局部頸縮，最終斷裂。
宏觀現(xiàn)象觀察（可配合高速相機(jī)）：
均勻塑性變形：整個標(biāo)距段均勻變細(xì)、變長。
頸縮：變形局域化，在某一處急劇變細(xì)。
“剪切唇”：斷口邊緣通常有約45°的斜面，這是宏觀剪切帶的最終表現(xiàn)。
如何觀測“剪切帶”：
宏觀上：在試樣表面拋光或繪制網(wǎng)格。在頸縮區(qū)域，可以看到網(wǎng)格線在約45°方向發(fā)生明顯的集中剪切畸變，這個狹窄的畸變帶就是剪切帶。
微觀上（測試后破壞性分析）：
將斷口附近區(qū)域切割下來，制備金相樣品。
在光學(xué)顯微鏡或掃描電鏡下觀察，可以看到一個微觀組織顯著變化的帶狀區(qū)域（如晶粒被劇烈拉長），這就是剪切帶。
紅外熱像儀（進(jìn)階）：由于剪切帶內(nèi)塑性功大量轉(zhuǎn)化為熱能，其溫度會明顯高于周圍區(qū)域，可用熱像儀觀測到一條亮帶。
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