强度、断裂及断裂韧性(1)
强度、断裂及断裂韧性 (1)
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，
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）
3 70 280 28 170 350 310 240~280 铍丝
材
钨晶须 石墨晶须
料
混凝土 无氧99.95%退火铜 无氧99.95%冷拉铜 99.45%退火铝 99.45%冷拉铝 经热处理铝合金 可锻铸铁 低碳钢
抗 张 强 度 （ MPa） 1400 3700 20000 6000~5000 3500 3500 2100 140
表4-1-3 几种常见金属材料与复合材料性能比较 比重 拉伸强度 弹性模量 比强度（ (103kg/ 4m） （ GPa ） （ GPa ） 10 m 3) 7.8 1.01 205.8 0.13 2.8 0.46
玻璃钢 碳纤维II/ 环氧 碳纤维I/ 环氧 有机玻璃 PRD/环氧 硼纤维/环 氧
1130~1380
2450~4120 3140~3240 2550 1570 2710 2160~2360 2450~2750 ~ 2450~2750 4080
复合材料的断裂和韧性
复合材料性能测试
三点弯曲
复合材料性能测试
三点弯曲破坏
复合材料性能测试
四点弯曲
复合材料性能测试
扭转实验
复合材料性能测试
压缩测试
复合材料性能测试
压缩测试
复合材料性能测试
DCB
a=12.7~50mm, NASA\ASTM 50mm L=80~200mm, B=20~30mm,h=3~10mm
DCB实验结果
• 估计构件的疲劳寿命； • 估计构件的剩余强度和检修周期等
，从而保证构件的安全使用。
0
断裂韧性的解释：
0 临界应力（试件拉断时的名义应
力）
构件断裂时的临界应力 0 与裂纹深
度（或长度）a的平方根的乘机为 一常数K。
玻璃上的表面裂 纹
0 a K
a
断裂韧性
K是对同一材料是一常数，它表示材料本身所固有的物理性质。
从上式可看出，KI是所有应力分量和位移分量一个公有的关键因子，其它参量
r, , E, 和 对已知材料已知点来说都是定值。
因此，在裂纹尖端附近区域的整个应力应力应变场的强度程度，仅仅取决于和
各应应力力场分强量弱、程位度移的分度量量呈，线成性为关应系力的强单度一因参子量。它KI，是所名以义K应I是力裂纹尖和端裂附纹近几区何域参
3、若作用在纤维/基体界面的局部剪应力足够高而使纤维局部脱粘，裂纹会进一 步开裂；
4、脱粘后，纤维弹性延伸，随后基体相对于纤维发生滑移的过程中裂纹进一步 张开（如3），所有这些过程都需要能量；裂纹可能绕过大量纤维而不使纤维断 裂，对于给定的纤维/基体/界面体系可以达到一种平衡状态，其中稳定数量的桥 联纤维继续承受部分载荷，这种桥联是一种更进步的增韧机制；
材料性能断裂力学与断裂韧性
讨论：KIC的意义，测试原理，影响因素及应 用。
3.2 Griffith断裂理论
3.2.1 理论断裂强度
理论断裂强度σC, 即相当于克服最 大引力σC
原子间结合力随距离变化示意图
力与位移的关系：
• 外因：板材或构件截面的尺 寸，服役条件下的T，应变速 率等。
• 内因：强度，合金成分和内 部组织。
3.8 金属材料的断裂韧性的测定
3.8.1 试样制备
测两种：三点弯曲试样和紧凑拉伸试样 裂纹缺口——钼丝线切割加工 0.12mm 疲劳裂纹——高频拉伸疲劳试验机上预制 为了测得稳定的值，所规定的尺寸必须满足： （1）小范围屈服（线弹性断裂力学,对裂纹长度c 应有规定 ，＜ 8 a ）
E
3.2.2 Griffith理论
实际断裂强度＜＜理论计算的断裂强度
f
1 E （金属材料） 100
σf＜1010 E （陶瓷，玻璃）
原因：内部存在有裂纹
材料内部含有裂纹对材料强度有多大影响？
20年代，Griffith首先研究了含有裂纹的玻 璃强度。
无限宽板中Griffith裂纹的能量平衡
断裂应力和裂纹尺寸的关系：
• 试样种类两种： 三点弯曲 紧凑拉伸试样
• 特点： 预制裂纹
B
2.5
K1C
0.2
2
• 记录P V 曲线 V －裂纹尖端张开位
移
2.确定Pa
P-V曲线
Pa是裂纹失稳扩展时临界载荷
3.计算: KQ
S 4W KQ
PQ S BW 3/ 2
f
a W
材料强度和断裂特性测试方法概述
材料强度和断裂特性测试方法概述材料强度和断裂特性是评估材料性能和可靠性的重要指标。
在工程领域中，如果材料无法经受住所需的力量或无法在适当的载荷条件下延展，可能导致结构和功能的失败。
因此，了解材料的强度和断裂特性对于设计和制造过程至关重要。
本文将概述几种常见的材料强度和断裂特性测试方法。
一、材料强度测试方法1. 拉伸测试：拉伸测试是最常见和基础的材料强度测试方法之一。
这种测试方法通过将材料置于拉伸设备中，施加一个持续增加的拉伸载荷，直到材料发生断裂。
拉伸测试可以确定材料的拉伸强度、屈服强度、断裂强度等力学性能。
2. 压缩测试：压缩测试是另一种常见的材料强度测试方法，它与拉伸测试相反。
在压缩测试中，材料被放置在压缩设备中，施加一个持续增加的压缩载荷，直到材料发生压缩变形或破坏。
压缩测试可以评估材料的压缩强度、屈服强度以及抗压性能。
3. 弯曲测试：弯曲测试常用于评估材料在受弯曲载荷下的性能。
在弯曲测试中，材料被放置在一个弯曲设备中，施加一个持续增加的弯曲载荷，直到材料产生弯曲或破坏。
弯曲测试可以测量材料的弯曲强度、弯曲刚度以及抗弯刚性。
二、材料断裂特性测试方法1. 断裂韧性测试：断裂韧性是评估材料在受到撞击或快速载荷下承载能力的能力。
常见的断裂韧性测试方法包括冲击试验和拉伸试验。
- 冲击试验：冲击试验通过施加一个快速、高能量的外力来模拟撞击条件。
常用的冲击试验方法有冲击强度试验和冲击韧性试验。
这些试验可以评估材料在受到冲击载荷时的断裂特性。
- 拉伸试验：拉伸试验用于评估材料在肯尼迪构面的韧性。
这种试验方法会施加一个快速增加的拉伸载荷，以模拟材料在快速载荷下的响应。
拉伸试验可以通过测量材料断口面积的增加和断口延伸来评估材料的断裂韧性。
2. 断裂韧性测试：断裂韧性是评估材料在受到撞击或快速载荷下承载能力的能力。
常见的断裂韧性测试方法包括冲击试验和拉伸试验。
- 冲击试验：冲击试验通过施加一个快速、高能量的外力来模拟撞击条件。
(完整版)断裂力学与断裂韧性.
断裂力学与断裂韧性3.1 概述断裂是工程构件最危险的一种失效方式，尤其是脆性断裂，它是突然发生的破坏，断裂前没有明显的征兆，这就常常引起灾难性的破坏事故。
自从四五十年代之后，脆性断裂的事故明显地增加。
例如，大家非常熟悉的巨型豪华客轮－泰坦尼克号，就是在航行中遭遇到冰山撞击，船体发生突然断裂造成了旷世悲剧！按照传统力学设计，只要求工作应力σ小于许用应力[σ]，即σ<[σ],就被认为是安全的了。
而[σ]，对塑性材料[σ]=σs /n，对脆性材料[σ]=σb/n，其中n为安全系数。
经典的强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料屈服强度时会发生所谓低应力脆断的现象。
原来，传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体，但是实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹。
人们在随后的研究中发现低应力脆断总是和材料内部含有一定尺寸的裂纹相联系的，当裂纹在给定的作用应力下扩展到一临界尺寸时，就会突然破裂。
因为传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件的断裂问题，断裂力学就应运而生。
可以说断裂力学就是研究带裂纹体的力学，它给出了含裂纹体的断裂判据，并提出一个材料固有性能的指标——断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能力。
3.2 格里菲斯(Griffith)断裂理论3.2.1 理论断裂强度金属的理论断裂强度可由原子间结合力的图形算出，如图3-1。
图中纵坐标表示原子间结合力，纵轴上方为吸引力下方为斥力，当两原子间距为a即点阵常数时，原子处于平衡位置，原子间的作用力为零。
如金属受拉伸离开平衡位置，位移越大需克服的引力越大，引力和位移的关系如以正弦函数关系表示，当位移达到Xm 时吸力最大以σc表示，拉力超过此值以后，引力逐渐减小，在位移达到正弦周期之半时，原子间的作用力为零，即原子的键合已完全破坏，达到完全分离的程度。
可见理论断裂强度即相当于克服最大引力σc。
该力和位移的关系为图中正弦曲线下所包围的面积代表使金属原子完全分离所需的能量。
付华-材料性能学-部分习题答案1
第一章材料的弹性变形一、填空题：1.金属材料的力学性能是指在载荷作用下其抵抗变形或断裂的能力。
2. 低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。
3. 线性无定形高聚物的三种力学状态是玻璃态、高弹态、粘流态，它们的基本运动单元相应是链节或侧基、链段、大分子链，它们相应是塑料、橡胶、流动树脂（胶粘剂的使用状态。
二、名词解释1.弹性变形：去除外力，物体恢复原形状。
弹性变形是可逆的2.弹性模量：拉伸时σ=EεE：弹性模量（杨氏模数）切变时τ=GγG：切变模量3.虎克定律：在弹性变形阶段，应力和应变间的关系为线性关系。
4.弹性比功定义：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力，又称为弹性比能或应变比能，表示材料的弹性好坏。
三、简答：1．金属材料、陶瓷、高分子弹性变形的本质。
答：金属和陶瓷材料的弹性变形主要是指其中的原子偏离平衡位置所作的微小的位移，这部分位移在撤除外力后可以恢复为0。
对高分子材料弹性变形在玻璃态时主要是指键角键长的微小变化，而在高弹态则是由于分子链的构型发生变化，由链段移动引起，这时弹性变形可以很大。
2．非理想弹性的概念及种类。
答：非理想弹性是应力、应变不同时响应的弹性变形，是与时间有关的弹性变形。
表现为应力应变不同步，应力和应变的关系不是单值关系。
种类主要包括滞弹性，粘弹性，伪弹性和包申格效应。
3．什么是高分子材料强度和模数的时-温等效原理?答：高分子材料的强度和模数强烈的依赖于温度和加载速率。
加载速率一定时，随温度的升高，高分子材料的会从玻璃态到高弹态再到粘流态变化，其强度和模数降低；而在温度一定时，玻璃态的高聚物又会随着加载速率的降低，加载时间的加长，同样出现从玻璃态到高弹态再到粘流态的变化，其强度和模数降低。
时间和温度对材料的强度和模数起着相同作用称为时=温等效原理。
四、计算题：气孔率对陶瓷弹性模量的影响用下式表示：E=E0 (1—1.9P+0.9P2)E0为无气孔时的弹性模量；P为气孔率，适用于P≤50 %。
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。
断裂力学和断裂韧性
断裂力学与断裂韧性3.1 概述断裂是工程构件最危险的一种失效方式，尤其是脆性断裂，它是突然发生的破坏，断裂前没有明显的征兆，这就常常引起灾难性的破坏事故。
自从四五十年代之后，脆性断裂的事故明显地增加。
例如，大家非常熟悉的巨型豪华客轮－泰坦尼克号，就是在航行中遭遇到冰山撞击，船体发生突然断裂造成了旷世悲剧！按照传统力学设计，只要求工作应力σ小于许用应力[σ]，即σ<[σ],就被认为是安全的了。
而[σ]，对塑性材料[σ]=σs /n，对脆性材料[σ]=σb/n，其中n为安全系数。
经典的强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料屈服强度时会发生所谓低应力脆断的现象。
原来，传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体，但是实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹。
人们在随后的研究中发现低应力脆断总是和材料内部含有一定尺寸的裂纹相联系的，当裂纹在给定的作用应力下扩展到一临界尺寸时，就会突然破裂。
因为传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件的断裂问题，断裂力学就应运而生。
可以说断裂力学就是研究带裂纹体的力学，它给出了含裂纹体的断裂判据，并提出一个材料固有性能的指标——断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能力。
3.2 格里菲斯(Griffith)断裂理论3.2.1 理论断裂强度金属的理论断裂强度可由原子间结合力的图形算出，如图3-1。
图中纵坐标表示原子间结合力，纵轴上方为吸引力下方为斥力，当两原子间距为a即点阵常数时，原子处于平衡位置，原子间的作用力为零。
如金属受拉伸离开平衡位置，位移越大需克服的引力越大，引力和位移的关系如以正弦函数关系表示，当位移达到Xm 时吸力最大以σc表示，拉力超过此值以后，引力逐渐减小，在位移达到正弦周期之半时，原子间的作用力为零，即原子的键合已完全破坏，达到完全分离的程度。
可见理论断裂强度即相当于克服最大引力σc。
该力和位移的关系为图中正弦曲线下所包围的面积代表使金属原子完全分离所需的能量。