强度断裂及断裂韧性.docx

1、强度断裂及断裂韧性第十讲4-1-5 强度、断裂及断裂韧性Strength, Fracture and Fracture Toughness of MaterialsStrengthstress（te nsile,compressi on and shear） flexural, tors ional and impactFractureBrittle Fracture,Theoretical fracture stre ngthDuctile Fracture with a plastic deformati onTran siti on of Brittle and DuctiltyFrac

2、ture Tough ness1.基本概念Con cept强度Strength材料抵抗形变和断裂的能力。材料的内部应力分为：拉伸、压缩、剪切强度分为：拉伸强度、压缩强度、剪切强度加载特征分为：弯曲、扭曲、冲击、疲劳压缩时，未到破坏强度，产生屈曲而失去承载能力（断裂、屈服、屈曲）断裂和韧性 Fracture and tough ness断裂是主要破坏形式，韧性是材料抵抗断裂的能力。延性断裂（韧性）：明显塑性变形脆性断裂（脆断）：突然韧性又分断裂韧性和冲击韧性两大类。断裂韧性表征材料抵抗其内部裂纹扩展能力的性能指标；冲击韧性对材料在冋速冲击负荷卜韧性的度里。 者间存在着某种内在联系。实际应用中，材

3、料的屈服和断裂是最值得引起注意的两个问题，通常用拉应力下获得的应力-应变实验曲线了解材料受力后变形、屈服直至断裂的全貌。从而评价材料的弹性、塑性、韧性、强度2.屈服强度 Yield strengthChapter 7断裂及强 度的定义，英文概念应掌握理解并掌 握基本概 念Figure 7.10屈服强度、断裂强度概念；为重点掌握Figure 7.13表4-3表4-4了解内容3.断裂强度 Fracture strength抗张强度 Tensile strength抗张强度亦称拉伸强度。规定的温度、湿度和加载速度条件，标准试样上沿轴向施加拉伸力直到试样被拉断为止，计算断裂前试样所承受的最大载荷 Fm

4、ax与试样截面积之比。金属一一关心抵抗塑性变形的屈服强度，而不是断裂强度。压缩强度向试样施加单向压缩载荷。高分子材料的拉伸强度一般低于金属材料，但树脂基复合材料由于树脂与纤维的共同作用拉伸强度高于钢等金属材料。-尤其突出的是树脂基复合材料的比强度和比模量很高。 碳纤维增强环氧树脂的比强度是钢的七倍，比模量比钢大三倍。(2)抗弯强度 Flexural strength抗弯强度亦称挠曲强度，2匚t =15 F max弯曲试验的加载方式有两种 三点弯曲四点弯曲，可较好地反映材料全面的品质。这种试验的特点有：第一，适用于A测定加工不方便的脆性材料， 如铸铁、工具钢、硬质合金乃至陶瓷材料的断裂强度和塑性

5、。B对于高分子材料，常用于筛选配方或控制产品质量。第二，可较灵敏地反映材料的缺陷，以鉴别诸如渗钢、表面淬火等热处理零件的质量。一般而言，抗张强度大，则抗弯强度也大。(3)抗冲强度 Impact strength材料的抗冲强度是A材料在高速冲击状态下的韧性或对断裂抵抗能力的量度。B指某一标准试样在断裂时单位面积上所需要的能量， 而不是通常所指的“断裂应力”。C其值与高速拉伸应力-应变曲线下的面积成正比。D不是材料的基本参数，而是一定几何形状的试样 在特定试验条件下韧性的一个指标。最重要的冲击实验仪是摆锤式试验仪,图 4-22按照矩形试条固定的方法分成 卡毕(Charpy)型伊佐德(Izod )型

6、 原理：摆锤损失的能量就是材料冲击强度(IS )的度量。通常把抗试样冲强度引述为断裂能量 /断裂面积，单位为 KJ /m2。冲击破坏是塑料构件一种常见的破坏形式。表4-5高分子材料的冲击韧性存在一定规律。1拉伸时呈脆性高聚物，如聚苯乙烯、有机玻璃等，它们的冲击值小于0.03 KJ /m。2既强又韧的高聚物、如聚碳酸酯等，冲击值一般都大于 0.10KJ /m。3可通过以下途径改善脆性高聚物的冲击强度：增大材料的断裂伸长而增大 匚一；曲线下的面积；共混可将橡胶机械分散在脆性高聚物中，组成软、硬相间两相体系；提高材料的抗张强度、增加 c ；曲线下的面积，如将高强度纤维和高聚物组成两相体系的复合材料。

7、在提高抗冲强度方面，聚合物共混具有特别重要的实际意义。金属，摆锤式冲击试验测定试样冲断的冲击吸收功，试样 夏比(Charpy)V型缺口夏比U型缺口。冲击韧性值，冲击吸收功除以缺口底部横截面积得到的商值。金属一一韧脆转变一一冲击韧性随温度的下降、显著降低。冷脆转变曲线，韧脆转变温度。(4)了解图 4-23抗扭强度 Torsional strength抗扭强度表征材料抵抗扭曲的能力。扭转试验机上测定。A在一定的扭矩M作用下，产生扭转角;：，B扭矩M和扭转角：之间的关系曲线。C材料的抗扭强度.b =M b /W 式4-23Example problem 7.3例题From the ten sile

8、stress train behavior for the brass specime n show n in Figure7.12, determ ine the followi ng:(a)The modulus of elasticity.(b)The yield strength at a strain offset of 0.002.(c)例题类型 的计算是The maximum load that can be sustained by a cylindrical specimen having an origi nal diameter of 12.8 mm(d)The chan

9、ge in length of a specime n origi nally 250mm long that issubjected to a ten sile stress of 345 MPa.OLUTION(a)The modulus of elasticity is the slope of the elastic or in itial li near portion of the stress-strain curve.In as much as the line segme nt passes through the origi n, it is convenient to t

10、ake both 5 and 勺.as zero. If 归 is arbitrarily taken as 150 MPa, then - will have a value of 0.0016. Therefore,r,- (15U 0) MPa mo 厂八 / n t? inr.心 0,0016-U = 918 GPa (*3-6 * I炉 P5】)6Figure 7.13which is very close to the value of 97 GPa (14 10 psi) given for brass in Table 7.1.(b)The 0.002 strain offse

11、t li ne is con structed as show n in the in set; its in tersectio n with the stress -strain curve is at approximately 250 MPa , which is the yieldstre ngth of the brass.(c)The maximum load is calculated by using Equati on 7.1 , in which is take n to be the tensile strength, from Figure 7.12, 450 MPa

12、. Solving for F, the maximum load, yields(d) I n Equation 7.2, it is first necessary to determine the strain that is produced by a stress of345 MPa. This is accomplished by locating the stress point on the stress-stra in curve, point A, and read ing the corresp onding stra in which is approximately

13、0.06. Inasmuch as I0 =250 mm, we haveA/ = e/q = (0.06) (250 mm) = 15 mtn (0.G in.)4.断裂 FractureChapter 7,and 9断裂是构件失效(Failure)的主要形式之一，比塑性失稳、磨损和腐蚀等，更具有危险性。Figure7-13It is a measure of the degree of plastic deformati on that has bee n susta ined at fracture. A material that experie nee very little or

14、no plastic deformati on upon fracture is termed brittle断裂常根据断裂前是否发生明显的宏观塑性变形， 或断裂前是否明显地吸收能量，把断裂分成：脆性断裂 brittle fracture，和韧性断裂(或延性断裂)。按照断裂机制分类：解离断裂、沿晶断裂微孔聚合型的延性断裂。按裂纹的走向分，穿晶断裂沿晶断裂。按裂纹的取向分，正断，正断时断裂面与最大主应力方向垂直切断。切断时断裂面与最大切应力方向一致， 而与最大 主应力方向成 45度角。脆性断裂危害大，充分理解脆性断裂Brittle fracture脆性断裂的宏观特征是A断裂前无明显的塑性变形（永

15、久变形） ，吸收的能量很少，B裂纹的扩展速度往往很快，几近音速。C脆性断裂无明显的征兆可寻，断裂是突然发生的。D脆性断裂的宏观断口往往呈结晶状或颗粒状常见的脆性断裂有解理断裂、晶间断裂A大多数情况下，解理断裂、晶间断裂是脆性断裂；个别情况下，它们也可能是韧性断裂，即断裂前有一定量的塑性变形。几种类型应了解B脆性断裂与解理断裂、晶间断裂并不是同义词，前者是指宏观状态，后 者是指断裂的微观机制。1解理断裂解理断裂是A拉应力作用，B原子间结合键遭到破坏，C严格地沿一定的结晶学平面（即所谓“理解面” ）劈开。解理面：表面能最小的晶面，低指数晶面。解理断裂沿一族相互平行的的晶面（均为解理面）解理。平行解

16、理面之间形成解理图 4-24，4-25台阶，汇合形成河流状花样。另一特征是舌状花样一一解理裂纹沿孪晶界扩展而留下的舌状凸台或凹坑面心立方金属不出现解理断裂一一滑移系较多和塑性好2准解理断裂马氏体回火中细小的碳化物质点影响裂纹的产生和扩展。有明显的撕裂棱，河流花样不十分明显。3晶间断裂晶间断裂图 4-26裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。裂纹扩展沿着消耗能量最小，即原子结合力最弱的区域进行。晶界不会开裂。发生晶间断裂势必由于某种原因降低了晶界结合强度。(2)理论断裂强度和脆断强度理论1难点公式的推 导理解图 4-27理论断裂强度 (Theoretical fracture strength)正应力作

17、用一一故称拉断。根据原子键合的能量关系，估算理论解理强度。具体推导(4-1-2430)E= 10 2 GPa, s =1J /m 2 ,a o =3 10-1 m，m =18.3 GPa，其值大约为E/7。 如金属铁，E= 200GPa， s = 2 J /m 2，a o =2.5 10-1m，二 m =40GMPa，约为E/5。脆性材料用弯曲试验，以表面上的最大应力来评价实际解理强度。约为E/1000，可见它要比理论解理强度(E/7 )小得多。因为实际材料中存在着缺陷。高聚物的强度(断裂强度)。理论强度假定材料完全规整，根据原子间和分子间的内聚力以及单位面积的分子链数目求得的。聚乙烯理论拉伸

18、强度为 2030GPa。高度取向，实际拉伸强度最大值为 1.2GPa,未取向，实际强度比理论值小 100倍以上。了解并理 解Griffith (格列菲斯理论)解释玻璃、陶瓷等脆性材料的 实际断裂强度和理论断裂强度之间的巨大差异。理论:A脆性材料发生断裂所需的能量在材料中的分布是不均匀的；B当名义应力还很低时，局部应力集中已经达到很高的数值，从而使裂纹快速扩展，并导致脆性断裂。C裂纹尖端局部区域的材料强度可以达到其理论强度值。D倘若应力集中超过材料的理论强度值，则裂纹扩展，引起材料的断裂。具体推导见(公式 4-1-32 公式4-1-47 )d f = P E. Y s/(4a.ao)1/21/2

19、d c =2E Y s / ( n a)需要强调：Griffith理论的前提是材料中存在着裂纹， 但不涉及裂纹的来源。3脆性断裂的位错理论Griffith理论基于实际晶体材料存在裂纹。晶体原无裂纹，在应力作用下，材料发生解理断裂的的理论 位错理论。著名的理论有：Zener-Stroh位错塞积理论、Cottrell位错反应理论Smith碳化物开裂理论等等。这些理论都解释了脆性裂纹的成核和长大问题。例题：EXAMPLE PROBLEM 9.1A relatively large plate of a glass is subjected to a ten sile stress of 40 MPa

20、. If the2specific surface en ergy and modulus of elasticity for this glass are 0.3 J/m and 69 GPa, respectively, determine the maximum length of a surface flaw that is possible without fracture.SOLUTIONTo solve this problem it is n ecessary to employ Equati on 9.3. Rearra ngeme nt of this expression

21、 such that a is the dependent variable, and realizing that =40 MPa, 丫 d S=0.3 J/m , an E=69Gpa leads toI 2环吕 2_ (2)仍9 X= 77(40 X 106 N/in2)3=8.2 x 10-6im = 0.0082 mm = 8.2 jum4永久变形的影响计算值显著低于实验值。其原因是裂纹前沿扩展所需的永久变形功上。 d c = 2E1/2(y s + y p ) / ( n a)公式的具 体推导理 解，但公式 的应用是 重点Figure 9.7图 4-29英文书Example pro

22、blem 9.1公式4-48 ,49,理解(3)延性断裂(Ductile fracture)延性断裂：断裂前产生明显的永久变形，并且经常有缩颈现象发生。脆性断裂：断裂前没有或只有微量的永久变形，也没有缩颈现象，断裂是突然发 生的。-低碳钢延性断裂；-铸铁脆性断裂。多数金属和合金通常是延性材料，大多数陶瓷、玻璃、云母和灰口铁，在室温下一般表现为脆性断裂。1延性断裂的特征及过程微观特征是韧窝形貌。过程可以概括为“微孔成核、微孔长大和微孔聚合” 。在拉伸过程中，先有明显的塑性变形， 然后经历下列所示的 各阶段，再发生断裂。a.形成缩颈。b.微孔成核。C微孔逐渐长大。d.裂纹沿垂直于拉力作用的方向往外

23、扩展。e.微孔聚合，直到最后断裂。2微孔成核、长大和聚合的机理微孔成核长大的机理： 位错；变形的不协调两种聚合模式。正常的聚合一一“几何软化”。裂纹尖端与微孔、或微孔与微孔之间局部滑移，应变量大，快速剪切 裂开。3影响延性断裂扩展的因素第二相粒子。第二相粒子的存在、体积分数、种类、形状基体的形变强化。4材料延性大小的表征(拉伸)Figure 7.25Figure 7.11Figure 9.1理解内容图 4-30理解图 4-31Figure 9.3断裂延伸率 perce nt elon gati on计算公式掌 握(perce ntage of plastic stra in at fractu

24、re)%EL=(lf - lo )/lo 100If -the fracture len gthlo -the original gauge length横截面积减少率 Perce nt reduction in area%EL=(Ao - Af ) / Ao 100Ao - orig inal cross-sectio nal areaAf - cross-sect ional area at the point of fracture难点Figure 7.16Figure 7.17 理解 真实应力-应变曲线 TRUE STRESS AND STRAIN拉伸 塑性形变 颈缩 试样横截面减小例

25、题:128.7x 100 = 30%(b) True stress is defined by Equation 7.15, where in this case the area is taken as the fracture area Af . However, the load at fracture must first be computed from the fracture stre ngth asF= = 060 x 10sN/mz)(128.7mm2) = 59,200N 10 mnr/Thus, the true stress is calculated as=6.6 X

26、 10s N/mz = 660 MPa (95 JOO psi)难点了解并理解图 4-32Figure 9.20(4)脆性一韧性转变 ductile-to-brittle transition材料的断裂属延性还是脆性还与材料或构件的工作环境和受载方式等外部因素有关，如应力状态、温度、加载速率等。脆性状态或韧性状态。1温度和加载速率的影响温度对韧脆性转变影响显著对正断强度影响不大，对屈服强度影响很大。脆性转折温度急剧脆化。与材料的成分、纯度、晶粒大小、组织状态晶体结构 等因素有关。加载速率提高，形成裂纹，增加了脆性倾向。2了解并充分 理解影响脆性一韧性转变的微观结构因素第一、 晶格类型的影响A面

27、心立方晶格金属的塑性、韧性好，如铜、铝、奥氏体钢，一般不出现解理断裂，也没有韧-脆性转变温度。B体心立方和密排六方金属的塑性、韧性较差，如体心立方晶格的铁、铬、 钨和普通钢材，韧脆转变受温度及加载速率的影响较大。Figure 9.22C微量的氧、氮及间隙原子溶于体心立方晶格中会阻碍滑移，促进其脆性。 第二、 成分的影响A钢中含碳量增加，塑性抗力增加，韧脆性转变温度明显提高，转变的温度范围也加宽。B钢中的氧、氮、磷、硫、砷、锑和锡等杂质对钢的韧性也是不利的。C镍、锰以固溶状态存在，降低韧脆转变温度。D钢中形成化合物的合金元素，如铬、钼、钛等，是通过细化晶粒和形成第二相质点来影响韧脆性转变温度的。

28、第三、 晶粒大小的影响A晶粒细，屈服应力低于断裂抗力，是先屈服后断裂，断裂前有较大的塑 性应变，是韧性断裂。B当晶粒尺寸大于某一数值时，断裂前不再有屈服，是脆性断裂。第四、第二相粒子的影响 细小的第二相粒子有利于降低韧-脆性转变温度。3了解内容应力状态及其柔度系数 切应力促进塑性变形，对韧性有利； 拉应力促进断裂，不利于韧性。柔度系数（也叫软性系数）、一 .max / S max a值愈大，愈易处于韧性状态。值愈小，相反，愈易倾向脆性断裂。单向拉伸，:-=0.5 ； 三向不等拉伸，:2。例如，灰口铸铁在单向拉伸（:-=0.5）时表现为脆性，而在测布氏硬度 （侧压，:2 ）时，可以压出一个很大的

29、坑而不开裂。难点图 4-334.断裂韧性 Fracture toughness提出实际裂纹考虑 强度、脆性断裂二者均表示一一断裂韧性（1） 裂纹体的三种变形模式含有裂纹的构件在外力作用下，裂纹扩展一般有三种。表4-6（2） 应力强度因子（Ki）和断裂韧性指标（Kic） 临界应力强度因子 Kc = Y ；（二.a）2改为外加应力 则Ker KiKi的临界值）Kic （断裂韧性）Questi ons and problems 9.16该类型题目 的计算为重 点掌握内容例题：9,16 A specimen of a 4341) steel alloy having a plan? strain fr

30、actal re toughness of 45 MPa X m (41 ksi In J is exposed to a stress of 1000 MPa (145,000 psi). Will ibis specimen experience fracture if it is knoMi that the largest surface crack is 0.75 mm (0.03 in.) long? Why ir vvhy not? Aiirne (hat the parameter Y has a value of .0.Solutio n:Kic =Y.二 c . ( na) 1/23 1/2=1.0X 1000X (3.14X 0.75X 10-)1/2=27.4 Mpa m(3)影响因素组织结构：晶粒尺寸