1、4-1-5 强度、断裂及断裂韧性Strength, Fracture and Fracture Toughness of Materials,Strength stress(tensile,compression and shear) flexural, torsional and impactFracture Brittle Fracture, Theoretical fracture strength Ductile Fracture with a plastic deformation Transition of Brittle and Ductilty Fracture Toughne
2、ss,4-1-5 强度(strength)、断裂及断裂韧性1、基本概念 Concept（1）强度：材料抵抗形变和断裂的能力。 材料的内部应力：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 未到破坏强度，形变而失去承载能力（屈服、屈曲）（2）断裂和韧性( fracture and toughness) 断裂是主要破坏形式，韧性是材料抵抗断裂的能力。断裂韧性 材料抵抗其内部裂纹扩展能力的性能指标；冲击韧性 材料在高速冲击负荷下韧性的度量。二者间存在着某种内在联系。 实际应用中，材料的屈服、断裂 是最值得引起注意的两个问题，,2、屈服强度 (Yiel
3、d Strength),3、断裂强度 (Fracture Strength),（1）抗张强度(tensile strength) 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F max 与试样截面积之比。 量纲 MN/m2, MPa 高分子材料低于金属材料， 树脂基复合材料钢等金属材料。,表4-1-2 一些材料的屈服强度或抗张强度数据,材 料,屈服强度（MPa）,材 料,表4-1-3 几种常见金属材料与复合材料性能比较,（2）抗弯强度(flexural strength) 量纲 MN/m2, MPa t =1.5 F max l0
4、 / (b.d2) l0，b及d分别为试样的长、宽、厚 加载方式: 三点弯曲, 四点弯曲。 特点： 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。 B 高分子材料，常用于筛选配方或控制产品质量。 可较灵敏地反映材料的缺陷， 抗张强度大，则抗弯强度也大,表4-1-4常见聚合物的力学强度,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。,（3
5、）抗冲强度(impact strength),试验方法：卡毕（Charpy）型伊佐德（Izod）型原理：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，量纲 KJ /m2。,l,W0,W=W0l(1-cos )- W0l(1-cos ),E=mgh1-mgh2,表4-1-5 一些常见聚合物缺口Izod冲击强度（24C）,材料名称,材料名称,冲击强度,（4）抗扭强度(torsional strength)材料抵抗扭曲的能力。 b =M b /W,EXAMPLE PROBLEM 7.3,From the tensile stressstrain beha
6、vior for the brass specimen shown in Figure7.12, determine the following:(a) The modulus of elasticity.(b) The yield strength at a strain offset of 0.002.(c) The maximum load that can be sustained by a cylindrical specimen having an original diameter of 12.8 mm (d) The change in length of a specimen
7、 originally 250 mm long that issubjected to a tensile stress of 345 MPa.,SOLUTION(a) The modulus of elasticity is the slope of the elastic or initial linear portion of the stressstrain curve.,In as much as the line segment passes through the origin, it is convenient to take both 1 and 1 as zero. If
8、2 is arbitrarily taken as 150 MPa, then 2 will have a value of 0.0016. Therefore,(b) The 0.002 strain offset line is constructed as shown in the inset; its intersection with the stressstrain curve is at approximately 250 MPa, which is the yield strength of the brass.(c) The maximum load is calculate
9、d by using Equation 7.1, in which is taken to be the tensile strength, from Figure 7.12, 450 MPa. Solving for F, the maximum load, yields,(d) in Equation 7.2, it is first necessary to determine the strain that is produced by a stress of 345 MPa. This is accomplished by locating the stress point on t
10、he stressstrain curve, point A, and reading the corresponding strain which is approximately 0.06.,(d),3、断裂构件失效(failure)的主要形式之一,（1）脆性断裂 (Brittle fracture)宏观特征； A 断裂前无明显的塑性变形（永久变形）， 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,It is a measure of the degree of plastic def
11、ormation that has been sustained at fracture.A material that experience very little or no plastic deformation upon fracture is termed brittle, 解理断裂 A 拉应力 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“解理面”）劈开。解理面：表面能最小的晶面，低指数晶面。, 准解理断裂 马氏体回火 晶间断裂 裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。,（2）理论断裂强度和脆断强度理论 理论断裂强度(theoretical fracture strengt
12、h) 正应力作用故称拉断,根据图所示的曲线 = m sin(2 x /) 式中x为原子平面拉开的距离（从原子平面间距a 0处开始计算，即原子间的位移），为正弦曲线的波长, a 0为原子间的平衡距离 理想晶体解理断裂的理论断裂强度： m =(E. s / a 0 )1/2,E= 10 2 GPa， s =1J /m 2 ，a 0 =310-10 m， m =18.3 GPa，其值大约为E/7。如金属铁，E= 200GPa， s = 2 J /m 2 ，a 0 =2.510-10m， m =40GMPa，约为E/5。-聚乙烯理论拉伸强度为2030GPa 。 高度取向，实际拉伸强度最大值为1.2GP
13、a， 未取向，实际强度比理论值小1000倍左右。,E=fd f=410-3 N/键 键长, Griffith（格列菲斯理论）,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。, 0,FIGURE 9.7,现假定薄板的裂纹为一个扁平椭圆形，长度为 L或2a，宽度为b，则作用在微裂纹端处的最大应力 max为： max = 0（1+2a/b） (4-32) max / 0=1+2a/b
14、 式中 max / 0称为应力集中系数。 max 是作用在裂纹尖端处的应力。又设这个尖端处曲率半径为=b2/a， max = 01+2(a/)1/2 =2 0(a/)1/2 max / 0=2(a/)1/2 max =2 f (a/)1/2 =(E. s / a 0 )1/2 (4-37)式（4-37）中 f为断裂应力 f =.E. s / (4a.a 0 )1/2,从能量平衡来推导 f 由此得裂纹失稳状态的临界应力 c为： c =2E s / (. a)1/2临界半裂纹长度a c 为： a c =2E s / (. c 2 ) 格列菲斯公式（是在薄板条件下，应力仅存在于板面上，而板厚方向的应
15、力可以忽略的情况下导出的） f =.E. s / (4a.a 0 )1/2 = c = 2E s / (. a)1/2 则有： =8a 0 / 3 a 0 c =2.E. s / (8a.a 0 )1/2 2E s / (3. a. a 0)1/2 它表明 =3 a 0，即相当于3倍原子间距的尺寸，是弹性裂纹有效曲率半径的下限, 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。, 永久变形的影响 Griffith公式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 c = 2E ( s + p ) /
16、 (. a)1/2 p 为塑性变形功， p s c = 2E p / (. a)1/2,（3）延性断裂 (Ductile Fracture ) 明显的永久变形，并且经常有缩颈现象 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, 延性断裂的特征及过程 韧窝形貌,形成缩颈。 微孔成核。 微孔逐渐长大,裂纹沿垂直于拉力作用的 方向往外扩展。 微孔聚合，直到最后断裂, 微孔成核、长大和聚合的机理,位错； 变形的不协调 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。,断裂延伸率 percent elongat
17、ion （percentage of plastic strain at fracture）,横截面积减少率 Percent reduction in area, 材料延性大小的表征（拉伸）,lf -the fracture length lo -the original gauge length,Ao - original cross-sectional area Af - cross-sectional area at the point of fracture,尺度,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,（4）韧性脆性转变d
18、uctile-to-brittle transition 温度和加载速率的影响, 影响脆性韧性转变的微观结构因素,晶格类型的影响 A 面心立方晶格金属的塑性、韧性好，如铜、铝、奥氏体钢，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。 C 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。,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、锑和锡等杂质对韧性不利。 C 镍、锰以固溶状态存在，降低韧脆转变温度。 D
19、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。晶粒大小的影响 A 晶粒细，屈服应力低于断裂抗力，韧性断裂。 B 晶粒尺寸大于某一值时，断裂前不再有屈服，脆性断裂第二相粒子的影响 细小的第二相粒子有利于降低韧-脆性转变温度。, 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） = max / S max 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）
20、时，可以压出一个很大的坑而不开裂。,4. 断裂韧性(fracture toughness) -既能表示强度又能表示脆性断裂的指标（1）裂纹体的三种变形模式,I 型-张开型断裂 型-滑开型断裂 型-撕开型断裂,（2）应力强度因子（KI）和断裂韧性指标（KIC） 由 c = 2E p / (. a)1/2 （4-49） 临界应力强度因子 K c = c (. a)1/2= (2E p )1/2 表示材料阻止裂纹扩展的能力，是材料抵抗脆性断裂的韧性指标。KC的单位是Nm 3/2 应力强度因子 K= (. a)1/2 ( c ) I 型断裂： K K Kc KIC 无限宽薄板 KIC = c (. a)1/2 一般情况 KIC =Y. c .（ a）1/2 Y-无量纲系数，裂纹形状因子 KIC-Mpa . m1/2 裂纹失稳而扩展的判据 K KIC,KIC =Y. c .（ a）1/2 =1.01000(0.7510-3)1/2 =27.4 Mpa m1/2,影响因素组织结构：晶粒尺寸、 夹杂的第二相、 组织构成马氏体、奥氏贝氏体、温度加载速度（5）材料的强化（断裂） 消除（表面）微裂纹 形变 （取向） 复合化 细晶化,
