1. 什么是剪切带？

剪切带 是材料在塑性变形过程中，由于变形不稳定而高度局域化形成的一个狭窄带状区域。你可以把它想象成材料内部的一条“滑移线”或“剪切滑移面”。
本质：是材料屈服后，塑性应变集中发生的区域。
特征：
几何上：一个非常薄的带（宽度可达微米级），与主应力方向呈特定角度（通常约45°）。
力学上：带内的材料发生剧烈的剪切变形，而带外的材料几乎保持原状或仅有均匀变形。
物理上：通常伴随材料微观结构的剧烈变化，如晶粒破碎、位错密度的急剧升高、温度上升（热软化）。
意义：
韧性材料的典型变形模式：标志着材料从均匀塑性变形转向局域化变形，是宏观断裂（韧性断裂）的前兆。
失稳的开始：剪切带的形成意味着材料承载能力下降，是颈缩等现象的内在机理。简单比喻：当你缓慢弯曲一根软金属条（如回形针），在最终折断前，弯曲处会变薄、变亮，出现一条明显的折痕线——这条线就是宏观可见的剪切带。

对脆性高聚物（比如硬脆的PLA）来说，断裂前几乎没明显变形，断面平整光滑，还和拉伸方向垂直。不是它不想“变形”，而是正应力先一步超过了材料的拉伸强度，没等切应力发挥作用，材料就直接脆断了，自然不会形成剪切带。
                                                                                                    
                                                                                 

对韧性聚合物（比如PBAT、PBS）来说，拉伸到“屈服点”时，试样表面会出现一道和拉伸方向成45°角的倾斜变形带，这就是剪切带。因为它的剪切强度比断裂强度低，切应力先达到“临界值”，材料先发生剪切滑移（形成剪切带），相当于“先屈服再扛力”，而不是直接断裂。
                                                                                                                                          
                                                                                                                                                                                     

                              

2.脆性材料与韧性材料的屈服与断裂差别

这里的核心在于理解 “屈服” 和 “断裂” 这两个事件在材料变形过程中的顺序和表现形式。

详细对比分析：

1. 脆性材料
微观结合键：离子键、共价键为主（如陶瓷、玻璃）。键合强而方向性强，位错难以运动。
 
屈服行为：
无宏观屈服点：在应力-应变曲线上，几乎看不到明显的屈服平台。
屈服即断裂：其“屈服”在微观上可能表现为微裂纹的萌生和扩展，一旦开始就迅速失稳，宏观上表现为直接断裂。
 
断裂行为：
断裂先于塑性变形：在发生任何显著的宏观塑性变形之前就发生断裂。
断裂机制：通常是解理断裂（沿特定的晶体学平面劈开）或沿晶断裂。
断口形貌：平整、光亮，呈结晶状或放射状，如破碎的玻璃。
能量吸收：很低，断裂过程突然，吸收能量少。

2. 韧性材料
微观结合键：金属键为主（如低碳钢、铝、铜）。键合无方向性，位错容易滑移。

屈服行为：
有明显的屈服点：应力-应变曲线上有清晰的屈服强度（上、下屈服点），标志着宏观塑性变形的开始。
屈服后经历均匀塑性变形：材料整体发生稳定的、可预测的变形（应变硬化阶段）。

断裂行为：
塑性变形先于断裂：在最终断裂前，经历了大量的塑性变形。
断裂机制：微孔聚集型断裂。先是在杂质或第二相处形成微小孔洞，孔洞长大、连接，最终导致断裂。
关键桥梁——剪切带：在断裂前，均匀塑性变形失稳，变形集中于剪切带。剪切带内孔洞更易形核和连接，最终沿着剪切带发生断裂。
断口形貌：灰暗、纤维状，有明显的韧窝（微孔洞的痕迹）。
能量吸收：很高，断裂过程缓慢，需要消耗大量能量用于塑性变形。
 

总结对比表

特征	脆性材料	韧性材料
典型材料	玻璃、陶瓷、铸铁、石头	低碳钢、铝、铜、聚合物
应力-应变曲线	直线上升到断裂，无屈服平台	有明显弹性段、屈服点、塑性平台和颈缩段
屈服	不明显或不存在宏观屈服。微观损伤（微裂纹）萌生即迅速导致断裂。	有明显屈服点，标志着均匀塑性变形的开始。
断裂	先于塑性变形。突发性、灾难性断裂。	后于大量塑性变形。渐进式、有预兆的断裂。
剪切带	通常不形成。断裂由主裂纹快速扩展控制。	断裂前必经阶段。是塑性变形局域化和微孔洞聚集的场所。
断口	平整、光亮（解理面或晶界）	灰暗、纤维状，有韧窝
能量吸收	低	高
变形能力	几乎无塑性变形	塑性变形能力大

核心差别：
脆性材料的“屈服”和“断裂”几乎是同一瞬间的事件；而韧性材料则清晰地经历了“弹性变形 → 屈服 → 均匀塑性变形 → 局域化变形（剪切带） → 断裂”这一完整过程。剪切带，正是连接韧性材料屈服后塑性变形与最终断裂的关键桥梁。

在日常使用中我们如何用拉力试验机进行脆性材料和韧性材料的拉伸测试，以及观测屈服、断裂和剪切带的测试需求？

第一步：样品制备（这是基础，至关重要）

标准试样：必须严格按照国家标准（如GB/T 228.1）或国际标准（如ASTM E8）加工试样。常见的形状有：
圆棒试样：用于金属，标距段直径d， 标距长度通常为5d或10d。
平板试样：用于板材、聚合物或复合材料。
表面质量：试样表面需光滑，无划痕、刀痕等应力集中点，否则会提前断裂，影响结果。
 
脆/韧材料差异：
脆性材料：加工更困难，需使用金刚石刀具或慢走丝线切割，防止微裂纹产生。
韧性材料：相对容易加工，但需保证尺寸精度。

第二步：拉力机设备配置

选择合适的载荷传感器：预计最大载荷应在传感器量程的20%-80%之间，以保证精度。
安装夹具：根据试样形状选择并安装对应的夹具（如楔形夹具、螺纹夹具）。确保试样与夹具对中，避免产生弯曲应力。
 
安装关键测量工具——引伸计：
作用：直接、高精度地测量试样标距段的真实应变，是获得准确应力-应变曲线的必需品。
使用：在屈服点附近或颈缩发生前，引伸计需一直附着在试样上。对于韧性材料，在发生明显颈缩（截面急剧缩小）前需取下引伸计，防止损坏。

 

 

第三步：执行测试与关键设置

控制模式：通常采用 “位移控制” （十字头移动速度恒定）。对于研究，也可用更精确的 “应变控制” （通过引伸计反馈控制）。
加载速率（速度）：
韧性材料：采用较慢的速率（如1-5 mm/min），以便清晰记录屈服平台和塑性流动过程。
脆性材料：可采用较快速率，但也需避免冲击载荷。有时需要用更慢的速率来获得完整的弹性段。
数据采集频率：设置足够高的采集频率，以确保能捕捉到脆性材料的突然断裂点，以及韧性材料屈服点的细节。
 

第四步：数据分析与现象观察（核心区别所在）

这是区分脆性与韧性行为的关键环节。

A. 对于脆性材料（如铸铁、陶瓷）

应力-应变曲线特征：
几乎是一条直线，直到突然断裂。
没有明显的屈服点。
可以计算出弹性模量（E） 和 断裂强度。
 
宏观现象观察：
无塑性变形：试样断裂后，拼合起来几乎能严丝合缝，长度和形状几乎不变。
断裂声音：尖锐、突然。
断口分析（事后）：
肉眼观察：断口平整、有光泽。
电子显微镜观察：典型的解理台阶或沿晶界分离的形貌。
 
 

B. 对于韧性材料（如低碳钢、铝）

应力-应变曲线特征：

有明显屈服点：曲线出现应力不增加而应变增加的平台（上下屈服点）。
应变硬化阶段：屈服后，应力继续随应变上升。
颈缩与断裂：达到最大应力（抗拉强度）后，曲线开始下降，试样出现局部颈缩，最终断裂。
 
 
宏观现象观察（可配合高速相机）：
均匀塑性变形：整个标距段均匀变细、变长。
颈缩：变形局域化，在某一处急剧变细。
 
“剪切唇”：断口边缘通常有约45°的斜面，这是宏观剪切带的最终表现。
如何观测“剪切带”：
宏观上：在试样表面抛光或绘制网格。在颈缩区域，可以看到网格线在约45°方向发生明显的集中剪切畸变，这个狭窄的畸变带就是剪切带。
 
微观上（测试后破坏性分析）：
将断口附近区域切割下来，制备金相样品。
在光学显微镜或扫描电镜下观察，可以看到一个微观组织显著变化的带状区域（如晶粒被剧烈拉长），这就是剪切带。
 红外热像仪（进阶）：由于剪切带内塑性功大量转化为热能，其温度会明显高于周围区域，可用热像仪观测到一条亮带。