4-断裂韧度
脆性材料的力学性能与应用研究
脆性材料的力学性能与应用研究脆性材料是指在受到应力作用时会发生不可逆性断裂的材料。
与韧性材料相比，脆性材料的断裂过程没有明显的塑性变形，即材料极易发生断裂。
在工程领域中，对脆性材料的力学性能和应用进行深入的研究与探索具有重要意义。
一、脆性材料的力学性能分析脆性材料的力学性能主要包括强度、硬度、韧性和断裂韧度等方面的指标。
1. 强度：脆性材料的强度指标主要包括抗拉强度、抗压强度和抗剪强度等。
由于脆性材料的断裂本质上是由于局部破坏引起的，因此其抗拉强度和抗压强度相对较高。
2.硬度：硬度是衡量材料抵抗局部破坏的能力。
脆性材料通常具有较高的硬度，即对外界施加的压力具有较高的抵抗能力。
3. 韧性：与韧性材料相比，脆性材料的韧性较低。
脆性材料在受到应力作用时，往往很快就发生断裂，表现出脆性断裂的特征。
4. 断裂韧度：断裂韧度是指材料在断裂时吸收的能量。
脆性材料的断裂韧度较低，即在断裂前很少能量被吸收。
二、脆性材料的应用研究与发展脆性材料在工程实践中有着广泛的应用，其中一些常见的脆性材料包括陶瓷材料、玻璃和岩石等。
1. 陶瓷材料：陶瓷材料是一类典型的脆性材料，具有优异的耐高温、耐磨损和绝缘性能，因此广泛应用于航空航天、机械制造和电子等领域。
2. 玻璃：玻璃是一种无晶态的非晶态材料，具有高硬度、透明性和化学稳定性等特点，被广泛应用于建筑、光学和电子等领域。
3. 岩石：岩石是地质构造中的主要组成部分，也是一种常见的脆性材料。
岩石在地质勘探、矿山开采和土木工程中发挥着重要作用。
三、脆性材料的研究挑战与发展趋势尽管脆性材料在各个领域有着广泛的应用，但其研究仍然面临许多挑战和问题。
1. 增强韧性：目前，增强脆性材料的韧性是一个研究的热点。
通过添加增韧相或设计多层复合结构等方式来提高脆性材料的韧性，是当前的研究重点。
2. 断裂力学理论：对于脆性材料的断裂行为的理解仍然不够深入。
进一步深入研究脆性材料的断裂力学理论，有助于揭示脆性材料的破裂机制。
第4章 金属的断裂韧度
2 (
x y
2
) 2 2 xy ) 2 2 xy
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x y
2
(
x y
2
3 ( 1 2 )
19
第四章 金属的断裂韧性
裂纹尖端附近任一点P(r,θ)的主应力：
KI 1 cos (1 sin ) 2 2 2 r KI 2 cos (1 sin ) 2 2 2 r 3 0(平面应力) 2 K I 3 cos (平面应变) 2 2 r
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3
第四章 金属的断裂韧性
第一节 线弹性条件下金属断裂韧度
大量断口分析表明，金属机件的低应力脆断 断口没有宏观塑性变形痕迹，所以可以认为 裂纹在断裂扩展时，尖端总处于弹性状态， 应力-应变应呈线性关系。 因此，研究低应力脆断的裂纹扩展问题时， 可以用弹性力学理论，从而构成了线弹性断 裂力学。
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第四章 金属的断裂韧性
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第四章 金属的断裂韧性
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第四章 金属的断裂韧性
（三）断裂韧度KIc和断裂K判据
KI是决定应力场强弱的一个复合力学参量，就可将它 看作是推动裂纹扩展的动力，以建立裂纹失稳扩展的 力学判据与断裂韧度。 当σ和a单独或共同增大时，KI和裂纹尖端的各应力分 量随之增大。 当KI增大到临界值时，也就是说裂纹尖端足够大的范 围内应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展而 导致断裂。 这个临界或失稳状态的KI值就记作KIC或KC，称为断 裂韧度。
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第四章 金属的断裂韧性
应力分量：
材料性能与测试课件-第四章材料的断裂韧性
等效裂纹塑性区修正： 等效裂纹塑性区修正：
K ＝Yσ a + r
Ⅰ
y
K =
Ⅰ
Yσ πa 1 − 0.16Y (σ / σ )
2 s 2
2
K =
Ⅰ
Yσ a 1 − 0.056Y (σ / σ )
等效裂纹修正K 图4-4 等效裂纹修正 Ⅰ
2
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裂纹扩展能量释放率G 五、裂纹扩展能量释放率 Ⅰ及判据 1、GⅠ：
定义：驱使裂纹扩展的动力假设为弹性能的释放， 定义：驱使裂纹扩展的动力假设为弹性能的释放，令
∂U σ πa = G =− ∂a E ∂U (1 −ν )σ πa G =− = ∂a E
2 Ⅰ 2 2 Ⅰ
平面应力
平面应变
判据： 2、判据：
相似，是应力和裂纹尺寸相关的力学参量。 和KI相似，是应力和裂纹尺寸相关的力学参量。当GⅠ增大到临界值GⅠ C， 失稳断裂， 失稳断裂， GⅠC也称为断裂韧度。表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面 也称为断裂韧度。 积所消耗的能量。 积所消耗的能量。 裂纹失稳扩展断裂G 裂纹失稳扩展断裂G判据
8
图4-2 裂纹尖端的应力分析
应力分量
Ⅰ x
应变分量
Ⅰ x
θ θ (1 + ν ) K 3θ K θ θ 3θ ε = cos (1 − 2ν − sin sin ) σ = cos (1 − sin sin ) E 2πr 2 2 2 2πr 2 2 2 θ θ (1 + ν ) K 3θ K θ θ 3θ ε = cos (1 − 2ν + sin sin ) σ = cos (1 + sin sin ) E 2πr 2 2 2 2πr 2 2 2 2(1 + ν ) K θ θ 3θ K θ θ 3θ sin cos cos ) γ = τ = sin cos cos E 2πr 2 2 2 2πr 2 2 2
第四章 材料的断裂性能
第四章 材料的断裂韧性
➢对于陶瓷材料和复合材料，目前常利用适当的 第二相提高其断裂韧度，第二相可以是添加的， 也可以是在成型时自蔓延生成的。 ➢如在SiC、SiN陶瓷中添加碳纤维，或加入非晶 碳，烧结时自蔓延生成碳晶须，可以使断裂韧度 提高。
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第四章 材料的断裂韧性
4．显微组织的影响 ✓显微组织的类型和亚结构将影响材料的断裂韧度。如钢 铁材料中，相同强度条件下，低碳钢中的回火马氏体的断 裂韧度高于贝氏体，而在高碳钢中，回火马氏体的断裂韧 度高于上贝氏体，但低于下贝氏体。 ✓这是由于低碳钢中，回火马氏体呈板条状，而高碳钢中， 回火马氏体呈针状，上贝氏体由贝氏体铁素体和片层间断 续分布的碳化物组成，下贝氏体由贝氏体铁素体和其中弥 散分布的碳化物组成。
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第四章 材料的断裂韧性
经典的强度理论是在不考虑裂纹的萌生和扩展的条 件下进行强度计算的，认为断裂是瞬时发生的。 实际上无论哪种断裂都有裂纹萌生、扩展直至断裂 的过程，因此，断裂在很大程度上决定于裂纹萌生抗 力和扩展抗力，而不是总决定于用断面尺寸计算的名 义断裂应力和断裂应变。 显然，需要发展新的强度理论，解决低应力脆断的 问题。 断裂力学正是在这种背景下发展起来的一门新兴断 裂强度科学。
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第四章 材料的断裂韧性
2. 超高温淬火 对于中碳合金结构钢，采用超高温淬火，虽然奥氏
体晶粒显著粗化，塑性和冲击吸收功降低，但断裂韧 度提高。
第四章 材料的断裂韧性
根据应力场强度因子KⅠ和断裂韧度KⅠc的相对大 小，可以建立裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据，即
KI≥K1c 裂纹体在受力时，只要满足上述条件，就会发生脆 性断裂。反之，即使存在裂纹，也不会发生断裂，这 种情况称为破损安全。
断裂韧度测试方法
断裂韧度测试方法
断裂韧度测试是材料力学中一种重要的测试，可用于评估材料的强度和韧性。
以下是一个常用的断裂韧度测试方法：
1. 准备标准样品：根据材料的尺寸要求和相关标准，制备标准样品。
2. 放置试样：将标准样品安置于测试设备中，保证样品充分高度对齐和紧固。
3. 施加载荷：对样品施加基于测试要求的标准载荷。
4. 测量应变：在施加载荷的同时，用适当的传感器或应变计测量样品的应变。
5. 记录数据：在载荷不断增加的过程中，记录样品断裂前的载荷-应变曲线。
按照曲线的斜率和性质对样品进行定量分析，获得断裂韧度值。
需要注意的是，断裂韧度测试方法可能因不同材料或测试要求而有所差异。
在具体的实验操作中，应遵循相关测试标准和安全规范，保障实验者和设备的安全。
金属断裂韧度测试
金属断裂韧度测试引言：金属断裂韧度测试是一种用来评估金属材料抵抗断裂的能力的方法。
金属的断裂韧度是指在金属受到外力作用下，在断裂前能够吸收的能量大小。
了解金属的断裂韧度对于工程设计和材料选择具有重要意义。
本文将介绍金属断裂韧度测试的原理、常用的测试方法以及测试结果的分析和应用。
一、原理金属断裂韧度是指金属材料在断裂前能够吸收的能量大小。
金属的断裂韧度与材料的力学性能密切相关，可以通过材料的拉伸试验来评估。
拉伸试验是一种常见的金属力学性能测试方法，通过对试样施加拉力，观察试样在外力作用下的变形和断裂行为，从而得到材料的拉伸性能参数。
拉伸试验的结果可以用来计算金属的断裂韧度。
二、测试方法1. 常规拉伸试验常规拉伸试验是最常用的金属断裂韧度测试方法之一。
该方法需要制备符合标准要求的试样，在拉伸试验机上施加均匀的拉力，观察试样的断裂行为。
通过测量试样的断裂前后长度变化和应力-应变曲线，可以计算出金属的断裂韧度。
2. 冲击试验冲击试验也是一种常用的金属断裂韧度测试方法。
该方法利用冲击试验机对试样施加冲击载荷，观察试样在冲击载荷下的断裂行为。
冲击试验的结果可以通过试样的冲击功吸收能力来评估金属的断裂韧度。
3. 复合试验复合试验是一种结合多种测试方法的金属断裂韧度测试方法。
通过对试样进行拉伸、冲击等多种试验，综合评估金属的断裂韧度。
这种方法可以更全面地了解金属材料的断裂行为，提供更准确的韧度评估。
三、测试结果分析和应用根据金属断裂韧度测试的结果，可以评估金属材料的断裂性能，并为工程设计和材料选择提供依据。
1. 工程设计金属的断裂韧度是衡量金属材料抵抗断裂的能力的重要指标。
对于需要承受大量外力的工程结构，如桥梁、飞机等，需要选择具有较高断裂韧度的金属材料，以确保结构的安全可靠性。
2. 材料选择不同金属材料的断裂韧度不同，根据具体应用需求选择合适的金属材料非常重要。
通过金属断裂韧度测试，可以评估不同材料的断裂韧度，并选择适合的材料。
材料力学中的断裂力学
材料力学中的断裂力学材料力学是研究物质在外力作用下变形、损伤和破坏行为的一门学科。
断裂力学是材料力学中的一个重要分支，研究的是材料在受到外力作用时出现破坏的现象及其规律。
断裂力学对于理解和预测材料破坏行为，具有重要的理论和实践意义，本文将就此展开讨论。
一、破坏的基本形式材料的破坏可分为两种基本形式：拉伸断裂和压缩断裂。
拉伸断裂是指在材料受到拉伸作用时，断口发生的破坏行为；压缩断裂是指在材料受到压缩作用时，断口发生的破坏行为。
除此之外，还有剪切断裂、扭转断裂、弯曲断裂等不同的破坏形式。
二、断裂力学的基本概念1.断裂应力材料在破坏前，能够承受的最大应力称为断裂应力。
断裂应力的大小与材料的强度、形状、尺寸、载荷方向等因素有关。
2.断裂韧性材料在破坏前能够吸收的最大能量称为断裂韧性。
断裂韧性的大小与材料的抗裂性能有关。
3.断裂强度材料在破坏前实际承受的最大应力称为断裂强度。
断裂强度与断裂应力的概念相似，但断裂强度是在材料实际破坏后测定得出的。
4.断裂韧度材料在破坏前能够吸收的最大能量密度称为断裂韧度。
断裂韧度与断裂韧性的概念类似。
三、断裂表征参数1.伸长率材料在破坏前拉伸变形的程度，也称为材料的变形量。
伸长率是指材料在拉伸断裂前的额定延长量比上原长度所得的比值。
2.缩颈率在材料拉伸断裂时，当材料的横截面积开始缩小，称为缩颈。
缩颈率是指材料在拉断时的截面积缩小量比上原截面积所得的比值。
3.断口形貌材料断口的形态与破坏机理有密切关系，通过观察断口形貌，可以较为直观地判断破坏机制。
四、断裂损伤机理材料的断裂破坏是一个复杂和多层次的过程，其损伤机理可以分为微观和宏观两个层次。
1.微观层次在微观层次上，材料的破坏主要是由裂纹的扩展和材料局部的塑性变形共同作用导致的。
材料的破坏前，裂纹的长度会随着载荷的增加而逐渐增加，当裂纹的长度达到一定程度时，就会出现快速扩展和破坏。
2.宏观层次在宏观层次上，材料的破坏主要是由断面剪切和拉伸引起的。
材料的韧性名词解释
材料的韧性名词解释材料的韧性是指材料在外力作用下产生形变和断裂时吸收能量的性能。
表征金属或高分子材料在静态载荷作用下抵抗变形和断裂的能力，以韧性指标（σ）衡量。
σ表示材料的韧性越大，则其抵抗塑性变形和断裂的能力也越大。
1基本概念—韧性：是指金属材料或高分子材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的性能。
表征金属或高分子材料在静态载荷作用下抵抗变形和断裂的能力，以韧性指标（σ）衡量。
σ表示材料的韧性越大，则其抵抗塑性变形和断裂的能力也越大。
2种类：脆性、延性、持久断裂3试验方法：冲击韧度、断裂韧性4参数计算：拉伸强度σb、弯曲强度σc、冲击韧度σs、断裂韧性k研究方法：从以上内容可知，材料的韧性与其原子结构有关，所以材料的晶体结构直接影响其韧性。
但不同的结构具有不同的特性。
根据原子半径和原子间结合力对其性能影响，将材料的结构分为：低密度状态结构，中密度状态结构，高密度状态结构。
材料的韧性是指材料在外力作用下产生形变和断裂时吸收能量的性能。
材料的塑性指标为：屈服点、强度极限、抗拉强度。
材料的韧性越大，其承受断裂的能力也越大。
5应用：金属材料、高分子材料、复合材料。
6韧性表示方法： A)能量吸收法，单位： J/m， B)功率法，单位： J/m （公斤力/平方厘米）。
随着近年来科学技术的发展，人们对材料的韧性问题十分重视，通过各种途径寻找提高材料韧性的方法。
韧性是工程材料的重要指标之一。
20世纪初， D．F．贝蒂首先用断裂韧性代替了韧性。
二战后， T．W．泰勒和J．C．E．霍尔斯特兰用冲击韧性的概念代替了原来的断裂韧性。
我国国家标准采用了这一方法。
表示力学性能的好坏。
韧性高，机械强度好；韧性低，机械强度差。
10世纪前，人们就注意到金属韧性与强度的关系。
1852年法国人卡麦戎曾根据金属机械强度与韧性的关系，提出“贝努里悖论”。
这个问题的实质是：同一块金属材料，制成的型材，一部分断裂时会引起严重损失，而另一部分却毫无损失。
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0.275W±0.005W 0.6W±0.005W
C
0.8
an a W±0.005W 1.25W±0.01W
B 0.002W A 0.002W A
0.002W A
疲劳试验
预制裂纹： 满足线弹性： R ≤ 0.1且 Kfmax≤ 0.6 ～0.7 KIc 裂纹长度： af≥1.3mm 且 af≥0.025W
金
K q ( Pq / BW ) f (a / W )
a (2 a / W )(0.886 4.64a / W 13.32a 2 / W 2 14.72a 3 / W 3 5.6a 4 / W 4 ) f( ) W (1 a / W )3 / 2
1 2
a/W = 0.450~0.550所对应的f(a/W)值可查表
疲劳试验
为了测量金属材料的断裂韧度KIC，需 要满足三个条件： 1）I型裂纹 2）平面应变状态 3）线弹性 常用的试件形式有C(T)试样（紧凑拉 伸）、TPB试样(三点弯)
疲劳试验
基础知识
2-0.25W +0.05 0 0.8 0.002W A 0.002W A 0.002W A
0.6W±0.005W 0.275W±0.005W A
静态拉伸： 载荷控制，0.Biblioteka 1 ～1.59KN/s疲劳试验
裂纹测量：
裂纹长度：a=(a2+a3+a4)/3
疲劳试验
试验介绍
了解断裂韧度测试的基本原理 掌握金属材料断裂韧度测试方法 掌握断裂韧度试验测试装置的使用方法 掌握断裂韧度测试试验数据处理方法
试验目的：
疲劳试验
试样
疲劳试验
试验设备
裂纹预制： R=0.06 Pmax=20MPa
静态拉伸：采用载荷控制，拉伸速率为0.5kN/S, 记录载荷位移曲线（P-v线）。 裂纹长度测量： a= a0+af = 0.45W ～0.55W
疲劳试验
试验数据处理
由P-V线确定Pq:
疲劳试验
试验数据处理
由P-V线确定Pq:
疲劳试验
计算Kq:
试验四 金属材料断裂韧度试验
基础知识 试验介绍
1．试验目的
2．试验设备及试件 3．试验方法 4．试验数据处理
疲劳试验
基础知识
金属材料的裂纹扩展性能:
△Kc=Kmax-Kmin
=Kc(1-R)
Kc : 材料的断裂韧度
疲劳试验
基础知识
对于I型裂纹，Kc随着试样厚度而变化。
当B≥B0，断裂韧度不再随厚度变化，裂纹尖端附近 的材料处于平面应变状态，此时KIc 为平面应变断裂 韧度。显然，KIc为材料常数。
疲劳试验
裂纹测量设备
JX13C 万能工具显微镜
疲劳试验
试验过程
尺寸测量 厚度：从疲劳裂纹顶端至试样的无缺口边，沿 着预期的裂纹扩展线，在三个等间隔位置处 进行测量，取均值。 宽度：从缺口外边缘到相对的试件侧面，在缺 口附近三个位置上进行测量，然后减去缺口 边至加载孔中心线的距离，取均值。
疲劳试验
疲劳试验
相关研究