材料力学性能-单智伟讲义-第6讲上 材料的断裂及其形貌
材料的断裂和韧性PPT课件
状态有关。其下标表示I型扩展类型，单位为Pa·m1/2。r
为半径向量， 为角坐标。
第30页/共59页
对于裂纹尖端处的一点，即r C，0，于是：
xx yy
KI
2 r
xy 0
（2.12）
在x轴上裂纹尖端的切应力分量为零，拉应力分量最 大，裂纹最易沿x轴方向扩展。
KI Y c KIc （2.14）
当 KI KIc 时，有裂纹，但不会扩展 破损安全
［］
许用应力: ［］＝ f / n 或 ys / n f 为断裂强度，ys 为屈服强度，n为安全系数。
缺点
没有抓住断裂的本质，不能防止低应力下的脆性断裂。
第35页/共59页
提出新的设计思想和选材原则，采用一个新的表征材料特征 的临界值：平面应变断裂韧性KIc，它也是一个材料常数，表示 材料抵抗断裂的能力，KIc越高，则断裂应力σc或临界裂纹尺寸 C越大。 根据应力场强度因子K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
一、断裂的类型
材料的断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶 段。随着材料温度、应力状态、加载速度的不同，材 料的断裂表现出多种类型。 按照不同的分类方法，将 断裂分为以下几种： ➢ 根据断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度
脆性断裂；韧性断裂； ➢ 按照晶体材料断裂时裂纹扩展的途径
穿晶断裂；沿晶断裂； ➢ 根据断裂机理分类
2 r
cos
2
1
sin
2
sin
3
2
xy
KI cos sin cos 3 2 r 2 2 2
ij
KI
2r
材料的力学性能第四章-断裂与断口分析
材料的力学性能－断裂与断口分析材料的断裂断裂是工程材料的主要失效形式之一。
工程结构或机件的断裂会造成重大的经济损失，甚至人员伤亡。
如何提高材料的断裂抗力，防止断裂事故发生，一直是人们普遍关注的课题。
任何断裂过程都是由裂纹形成和扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。
对断裂的研究，主要关注的是断裂过程的机理及其影响因素，其目的在于根据对断裂过程的认识制定合理的措施，实现有效的断裂控制。
✓材料在塑性变形过程中，会产生微孔损伤。
✓产生的微孔会发展，即损伤形成累积，导致材料中微裂纹的形成与加大，即连续性的不断丧失。
✓损伤达到临界状态时，裂纹失稳扩展，实现最终的断裂。
按断裂前有无宏观塑性变形，工程上将断裂分为韧性断裂和脆性断裂两大类。
断裂前表现有宏观塑性变形者称为韧性断裂。
断裂前发生的宏观塑性变形，必然导致结构或零件的形状、尺寸及相对位置改变，工作出现异常，即表现有断裂的预兆，可能被及时发现，一般不会造成严重的后果。
脆性断裂断裂前，没有宏观塑性变形的断裂方式。
脆性断裂特别受到人们关注的原因：脆性断裂往往是突然的，因此很容易造成严重后果。
脆性断裂断裂前不发生宏观塑性变形的脆性断裂，意味着断裂应力低于材料屈服强度。
对脆性断裂的广义理解，包括低应力脆断、环境脆断和疲劳断裂等。
脆性断裂一般所谓脆性断裂仅指低应力脆断，即在弹性应力范围内一次加载引起的脆断。
主要包括：与材料冶金质量有关的低温脆性、回火脆性和蓝脆等；与结构特点有关的如缺口敏感性；与加载速率有关的动载脆性等。
材料的断裂比较合理的分类方法是按照断裂机理对断裂进行分类。
微孔聚集型断裂、解理断裂、准解理断裂和沿晶断裂。
有助于→揭示断裂过程的本质→理解断裂过程的影响因素→寻找提高断裂抗力的方法。
材料的断裂将环境介质作用下的断裂和循环载荷作用下的疲劳断裂按其断裂过程特点单独讨论。
金属材料的断裂－静拉伸断口材料在静拉伸时的断口可呈现3种情况：(a)(b)：平断口；(c)(d)：杯锥状断口；(e)尖刃断口平断口：材料塑性很低、或者只有少量的均匀变形，断口齐平，垂直于最大拉应力方向。
《材料的断裂》PPT课件
3 Griffith微裂纹理论（1920年）
从玻璃工业的实际经验中，Griffith认识到微小裂 纹对玻璃强度有很大的影响，并从中得到启发，材料 的实际强度比理论强度低得多的原因可能是由于材料 中微裂纹的存在。1920年，Griffith提出：
1）脆性材料中存在微裂纹，在外力作用下裂纹尖 端引起的应力集中会大大降低材料的断裂强度；
2）对应于一定尺寸的裂纹C有一临界应力值σc，当 外加应力大于σc时裂纹便迅速扩展而导致材料断裂；
3）裂纹扩展的条件是裂纹扩展所需要的表面功能由 系统所释放的弹性应变能所提供。
Griffith分析了物体中存在的裂纹长度对开裂应力 的影响并首次得出了脆性材料中的这种定量关系。
69
经推导，临界应力为：
55
以应用力学为基础，从宏观现象研究材料应力
-应变状况，进行力学分析，总结出经验规律， 作为设计、使用材料的依据，这是力学工作者的 任务。
从材料的微观结构来研究材料的力学性状，也
就是研究材料宏观力学性能的微观机理，从而找 出改善材料性能的途径，为工程设计提供理论依 据，这是材料科学的研究范围。
56
a
对比式（1）和（2），得
即
59
下面求解λ。脆性物体发生断裂时不发生 塑性变形，所以没有塑性变形功。外力拉伸 物体时，物体中储存弹性应变能，断裂时， 弹性应变能释放，转变为表面能，只有当弹 性应变能等于物体断裂后产生新的表面的表 面能时，断裂才可以发生。拉伸时两原子之 间弹性应变能为应力曲线以下的面积（图中 阴影部分）。
1 理论断裂强度
在分析材料的断裂强度时，人们希望了解 在断裂前材料所能承受的最大应力，即从理论上 来说材料的强度应有多高。
有几种推算晶体材料理论强度的方法，其 中以双原子作用力模型应用的较为普遍。
断口学课件
42
43
44
6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.3 韧性断口的诊断 韧性断口形成原因的诊断
（1）韧性断裂的分析思路
45
连续性 长度
数量
与轧件表面角度
脱碳情况
单条、一组平行
折叠缺陷、 折叠缺陷与轧件表
轧制折 叠
连续
相对较 长
180°对称出现 面呈现一定角度， 两组平行折叠缺 越是靠近前面机架 陷、互成120° 产生的缺陷，其角
折叠缺陷两侧脱碳不 明显或存在少量不均
匀脱碳
对称出现三组平 度越小，缺陷越潜
行折叠缺陷
缺陷两侧存在明显的
23
6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.1 韧性断口的宏观特征
24
25
6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.2 韧性断口的微观特征 滑移分离
26
6.2 韧性断口的特征和诊断
6.2.2 韧性断口的微观特征 韧窝
27
6.2 韧性断口的特征和诊断 6.2.2 韧性断口的微观特征 韧窝形成机理 空洞聚集, 即显微空洞生核、长大、集聚
12
5.1 断裂失效分析思路的思想方法
5.1.2 五个具体方法 系统方法 抓主要矛盾法 比较方法 历史方法 逻辑方法
13
5.2 断裂失效分析思路
5.2.1 相关性思路 根据断裂分类的分析思路
14
5.2 断裂失效分析思路
5.2.2 系统工程的分析思路
15
16
17
18
材料力学性能教学课件PPT材料的断裂韧性
❖ 对于某一确定的点，其应力分量由KI决定，所以对于 确定的位置，KI直接影响应力场的大小，KI增加，则 应力场各应力分量也越大。
❖ 因此，KI就可以表示应力场的强弱程度，称为应力场 强度因子。
h
❖ 平面应力：指所有的应力都在一个平面内，
❖ 平面应力问题主要讨论的弹性体是薄板，薄壁厚度远远 小于结构另外两个方向的尺度。薄板的中面为平面，所 受外力均平行于中面面内，并沿厚度方向不变，而且薄 板的两个表面不受外力作用。
❖ 平面应变：指所有的应变都在一个平面内。
❖ 平面应变问题比如压力管道、水坝等，这类弹性体是具
❖ 最简单的方法是采用虚拟有效裂纹 代替实际裂纹。
❖ 如果将裂纹延长为a+ry，即裂纹顶 点由O点虚移至O′，则称a+ry为有 效裂纹长度，则在尖端O′外的弹性 应力σs分布为GEH，基本上与因塑 性区存在的实际应力曲线CDEF中 的弹性应力部分EF相重合。
❖ 这就是用有效裂纹代替原有裂纹和
塑性区松弛联合作用的原理。
❖ 1. 材料较脆、试样尺寸足 够大时，F-V曲线为III型
❖ 2. 材料韧性较好或试样尺 寸较小时，F-V曲线为I型
❖ 3. 材料韧性或试样尺寸居 中时，F-V曲线为II型
从F-V曲线确定FQ的方法：
h
34
第三节 影响断裂韧度KIC的因素
❖ 一、KIC与常规力学性能指标之间的关系 ❖（一） KIC与强度、塑性间的关系
❖ 试验表明：如果塑性区尺寸较裂纹尺寸a和静截面尺 寸很小时，小一个数量级以上，在小范围屈服下，只 要对KI进行适当修正，裂纹尖端附近的应力应变场的 强弱程度仍可用修正的KI来描述。
2015年材料力学性能课件-第6章
• 腐蚀的延伸率指标：指材料腐蚀前后延 伸率的变化。
• Kδ=[(δ-δ’)/ δ] ×100%(腐蚀时间t后) • （2）局部腐蚀耐蚀性评定
• 局部腐蚀的种类和测试方法很多，评 定标准也不尽相同，所以应根据局部腐 蚀的类型选择表示腐蚀程度的指标，按 其使用条件与要求选用评定标准。
• 第二节 金属材料的应力腐蚀断裂
• （3）局部一旦遭到破坏；常常造成突发事件； • （4）金属材料的表面状态对金属的腐蚀过程的进行
有显著的影响。
• 第一节 材料腐蚀的基本概念
• 一.腐蚀的基本概念
• 腐蚀：物质的表面因发生化学或电化学反 应而受到破坏的现象。
• 材料的腐蚀是一种自发进行的过程，是物 质由高能态向低能态的转变形式。
3、改善化学介质
• 一方面设法减少和消除促进应力腐蚀开裂 的有害化学离子；另一方面可在化学介质 中添加缓蚀剂。
（2）化学介质：只有在特定的化学介质中，某 种金属材料才能产生应力腐蚀。
（3）金属材料：一般纯金属不会产生应力腐蚀， 所有合金对应力腐蚀均有不同程度的敏感性。 在每一种合金系列中，都有对应力腐蚀不敏 感的合金成分（如镁铝合金）。
表6－1 常用金属材料发生应力腐蚀的敏感介质
金属 材料
化学介质
金属 材料
• 记录各种KI初作用下的断 裂时间tf，以KI初与lgtf为坐 标作图，曲线水平部分所 对应KI初的即为KISCC。
图6-9悬臂梁弯曲试验装置简图 1.砝码，2.溶液槽，3.试样
3.应力腐蚀裂纹扩展速率
• 单位时间内应力腐蚀 裂纹的扩展量称应力腐蚀 裂纹扩展速率即da/dt， 实验证明：
•
da/dt = f(KI)
表面为泥状花样，被一层腐 蚀产物覆盖，有泥状裂纹
材料力学性能教学课件材料的断裂韧性
目 录
• 引言 • 材料断裂韧性基础知识 • 材料断裂韧性分析 • 断裂韧性在工程中的应用 • 案例分析 • 结论与展望
01
引言
课程背景
材料力学性能是工程学科中的重要基础课程，而材料的断裂 韧性是其中的一个关键概念。通过学习本课程，学生将了解 材料的力学性能及其在工程实践中的应用。
应力状态
断裂韧性测试中，试样处于平 面应变状态，即应变在试样宽 度和厚度方向均匀分布。
断裂准则
当试样在断裂前达到最大载荷 时，根据应力强度因子或能量 释放率等参数确定材料的断裂
韧性值。
断裂韧性影响因素
01
02
03
04
温度
温度对材料的断裂韧性有显著 影响。随着温度的降低，材料
的断裂韧性通常提高。
应变速率
03
复合材料的断裂韧性通常通过实验测试获得，如弯曲试验、拉伸试验和落锤冲 击试验等。这些测试可以提供关于复合材料韧性和脆性的详细信息，有助于优 化复合材料的设计和应用性能。
04
断裂韧性在工程中的应用
结构安全设计
结构安全是工程设计中的重要考虑因素，而材料的断裂韧 性直接影响到结构的承载能力和安全性。在结构设计中， 需要考虑材料的断裂韧性，以确保结构在受到外力作用时 能够承受足够的应力而不会发生断裂。
04
加强断裂韧性与其他材料性能指标之间的关联研究，深入理解材料的 多性能耦合效应，为材料的多功能优化提供理论支持。
感谢观看
THANKS
层合板复合材料案例
03
层合板复合材料的断裂韧性受层间粘结强度、层数和铺层角度
等因素影响。
06
结论与展望
断裂韧性的重要性
断裂韧性基础资料讲解
裂纹体在受力时，只要满足上式条件，就会发生脆性断裂。
反之，即使存在裂纹，若11C K K <，也不会断裂，这种情况称为破损安全。
应用这个关系，可解决以下几个问题：① 确定构件临界断裂尺寸：由材料的1C K 急构件的平均工作应力去估算其中允许的最大裂纹尺寸（即已知K A ，σ求c a ）为制定裂纹探伤标准提供依据② 确定构件承载能力：由材料的1C K 及构件中的裂纹尺寸a,去估算其最大承载能力c σ，（已知1C K ，a 求c σ）为载荷设计提供依据。
③ 确定构件安全性：据工作应力σ及裂纹尺寸a ，确定材料的断裂韧性（已知σ，a 求1C K ）为正确选用材料提供理论依据3．1C K 和K α的区别在于：① 相对于1C K 裂纹试样来说，CVN 或K α试样缺口根部都是相当钝的，应力集中数要小得多。
② K A 中包括了裂纹形成功和扩散功部分，而1C K 试样已预制了裂纹，不再需要裂纹形成功。
③ 1C K 试样必须满足平面应变条件，而一次冲击试样则不一定满足平面应变条件。
④ K α是在应变速率高的冲击载荷下得到，而1C K 试验是在静载下进行的。
1K 与1G ，1C K 与1C G 的异同1K 描述了裂纹前端内应力场的强弱，1G 是裂纹扩展单位长度或单位面积时，裂纹扩展力或系统能量释放率，它们与裂纹及物体的大小形状，外加应力等参数有关。
1C K 和1C G 都是裂纹失稳扩展时1K 和1G 的临界值。
表示材料阻止裂纹失稳扩展的能力，是材料的力学性能，称为断裂韧性。
并与材料的成分，组织结构有关。
尽管两种分析方法不同，但其结论是完全一至的弹塑性条件下，大量实验表明。
如果裂纹开始扩展点如临界点，则当试样尺寸满足一定要求后。
所测的1c T 是稳定的。
是一个材料常数。
因此，1c T 指的是裂纹开始扩展的开裂点。
而不是裂纹失稳扩展点。
因此只要满足1T ≥1c T ，构件就会开裂。
二．裂纹尖端张开位移COD对于中低强度钢。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
某一材料的力学状态
材料的力学状态图
三向不等压缩 材料A:抗剪能力强，抗拉能力弱 单向压缩 材料Ｂ：居中 材料Ｃ：抗剪能力弱，抗拉能力强 扭转
硬性材料：易于拉断， 软性材料：易于剪断，
Ａ Ｃ
单向拉伸 定性的，其它影响因素包括： 温度： 应变速率： 详见：Ｐ２６页。 三种典型材料的力学状态 本章完
特征： 有明显方向性，且反向，大
特征：
有明显方向性，且同向， 小而浅，裂纹扩展快，脆断。
韧窝、穿晶和沿晶断裂
/content/image/1-s2.0S0890695511000174-gr2.jpg
穿晶或沿晶断裂
Sulfur Embrittlement Simulation in Nickel
河流状花样，裂纹走向，源于晶界或亚晶界， 多个滑移面。
准解理断裂
淬火，回火的高强钢或贝氏体钢， 类似于解理断裂。
区别在于： 主裂纹走向不清晰 晶粒内部多见撕裂棱 裂纹多萌生于晶内 有一定塑性
可以从应力状态来预测断 裂类型吗？
材料的力学状态图
材料的力学状态图
材料的力学状态图
主应力状态 单向拉伸 单向压缩 扭转
/scidac/research_sulfurnickel.php 微量元素可剧烈影响材料的塑性与变形机制
解理断裂
/sme 常见于： BCC，HCP /Interactive_Resources/tutorials/Failu 条件：低温，高应变速率，三向应力状态 reAnalysis/Images/Fractography/Frac 宏观脆断 ture_ridges.JPG
温故而知新：
• 绪论 • 材料力学性能的基本知识
杨氏模量，剪切模量，体弹性模量，弹性的定义，各种弹性
•
材料的拉伸，压缩性能， 包辛格效应
• 材料的扭转，弯曲，剪切等性能 • 补充知识：塑性的载体-位错的脸谱 • 科研进展：孪晶的强尺寸效应 • 硬度测试方法简史及其最新发展：
布பைடு நூலகம்硬度， 洛氏硬度， 显微硬度， 维氏硬度， 纳米硬度
一些样品断裂案例
断裂的分类
前
脆性断裂的宏观特征： •断裂前不发生塑性变形， •裂纹的扩展速度往往很快，接近音速； •断裂前无明显的征兆可寻，且断裂是突然发生的，因 而往往引起严重的后果。 因此，要特别注意防止脆断。
典型金属材料的拉伸 韧断断口特征
典型金属材料的拉伸 脆断断口特征
金属材料的断裂机制
理解其优缺点和应用范围。
MATL3017: 材料力学性能
第五章:
材料的断裂及断口分析
主讲： 单智伟
2
本章要点：
• 掌握断裂的宏观分类方法 • 了解典型金属材料的断口形貌 • 掌握金属的力学状态图 • 其它关于断裂的内容并入材料的断裂韧性一章。
温故而知新：
断裂及其研究意义
•断裂是指材料在外力的作用下分裂成两片或 更多片的行为，它是机械和工程构件发生失 效的主要形式之一。 失效形式：如弹塑性失稳、磨损、腐蚀等。 •断裂是材料的一种十分复杂的行为，在不同 的力学、物理和化学环境下，会有不同 的断 裂形式。 •研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构 件在服役过程中的安全。
微孔聚合型：
常与宏观上的韧断相对应，呈 锯齿状。 在拉伸实验中，可能的发展趋势 为 颈缩—三向应力—微孔产生—长 大聚合—形成裂纹—发生断裂。 扫描电镜下：韧窝（夹杂物，第 二相，晶界，孪晶）。
钢中板条状珠光体的断裂示意图
不同加载条件下的微孔聚合型断裂
特征：
等轴，均匀，无方向性， 出现在试样中心
泊松比 0.25 0.25 0.25
应力状态系数 0.5 2 0.8
大——软应力状态，易于变形 小——硬应力状态，脆断
材料的力学状态图
• 剪切屈服强度
• 切断屈服强度 可由扭转实验测得 • 抗断强度， 要求材料不发生变形， 故这一指标只能用缺口试样在低温 下用静弯实验求得。
断裂真应力
正断+切断
脆断