金属材料的断裂韧性-材料力学性能
材料力学性能-4-断裂韧性

4.3.1 裂纹尖端塑性区的形状与尺寸
• 依据屈服判据建立符合塑性变形临界条件的方 程,方程式对应的图形即代表塑形区边界的形 状,其边界值则为塑形区的大小。 • Von Mises屈服判据
(σ 1 − σ 2 ) + (σ 2 − σ 3 ) + (σ 3 − σ 1 ) = 2σ s
2 2 2
2
4.3 裂纹尖端塑性区及其修正
如前所述,对裂尖应力场,当 r→0 时, σ y →∞ 。这在实际金属中是难以实 现的。 ∵对金属材料,当应力超过材料的屈服 极限时,将屈服而发生塑性变形,塑性 变形会使裂纹尖端区的应力得以松弛, 此塑性变形的区域称为塑性区。
※由于塑性区的存在,其内应力-应变关系 已不再遵循线弹性力学规律。 ◆线弹性力学分析的有效性??◆ ※若塑性区很小,经适当修正后,线弹性力 学的分析仍然有效。否则,结果将失真! ※首先应确定塑性区的范围,然后提出相应 的修正办法。
• 断裂韧性 KIC 是表征材料抗断裂能力的材料常数。 • 在一定条件(温度、加载速度)下,各种材料的 断裂韧性 KIC 值是确定的,与裂纹尺寸、形状、 外应力大小无关。 • 当 KI 达到了材料的 KIC 时,裂纹就可能发生失稳 扩展而使构件破坏,而不是一定要失稳断裂。因 为,KIC 是 KC 的最低值。 ∴ 断裂判据KI ≥ KIC只是裂纹体失稳断裂的必要 条件,而非充分条件。
不断增多的脆性断裂事故,使人们逐渐有新认识:
• 传统力学是把材料一律看成了理想完整的、均匀的、 无缺陷的连续体。 • 实际的工程材料,在制备、加工及使用过程中,材 料的内部难免存在或多或少的气孔、夹渣、切口或 裂纹等缺陷。
• 传统的强度设计准则不能保证工程构件的安全服役。
• 断裂力学以材料中存在裂纹或类裂纹初始缺陷为前 提,运用连续介质力学的弹塑性理论,考虑材料的 不连续性,研究存在宏观裂纹的裂纹体的断裂问题, 给出了新的材料断裂抗力指标——断裂韧性。
金属材料的力学性能及其测试方法

金属材料的力学性能及其测试方法金属材料是广泛应用于各种机械、电子、汽车等领域中的材料。
其作为一种材料,具有许多优点,如高强度、高可塑性、热稳定性和化学稳定性等。
在应用中,金属材料的力学性能是十分重要的参数。
因此,本文主要介绍金属材料的力学性能及其测试方法,以期对相关领域的工作者有所帮助。
第一节:金属材料的力学性能金属材料的力学性能通常包括弹性模量、屈服强度、延伸率、断裂韧性和硬度等。
这里从简单到复杂介绍这些性能参数。
1. 弹性模量弹性模量是金属材料在弹性变形范围内受到应力作用时所表现的一种机械性质。
它的表达式为:E = σ / ε其中E为杨氏模量,单位为MPa;σ为所受应力,单位为MPa;ε为所受弹性应变,无量纲。
弹性模量是金属材料的一个重要指标,它可以衡量金属材料抵抗形变能力的大小。
对于不同的金属材料而言,其弹性模量不同。
2. 屈服强度屈服强度是金属材料在单向轴向拉伸状态下特定应变量时所表现出来的应力大小。
它是指材料能承受的最大应力,以使材料不发生塑性变形。
对于各种金属材料而言,其屈服强度不同。
3. 延伸率延伸率是一个指标,它可以衡量金属材料在受到拉伸应力时,其在一定程度内能够进行延伸的能力。
延伸率的计算公式如下:%EL = (L2 - L1) / L1 × 100%其中%EL表示材料的延伸率,L1和L2分别表示金属材料在断裂前和断裂后的长度,单位为毫米。
4. 断裂韧性断裂韧性是指金属材料在受到极限应力作用下未能抗下,而在断裂破裂时所表现出来的承受能力。
这个承受能力在物质的许多特性中是最为重要的指标之一。
金属材料的断裂韧性通常使用KIC值(裂纹扩展韧性指数)来表达。
5. 硬度硬度是材料抵抗硬物的能力。
一般来说,硬度越高的材料,则可以抵御更大的压力,并且更耐磨。
对于金属材料而言,其硬度主要有三种测试方法,分别是洛氏硬度试验、布氏硬度试验和维氏硬度试验。
第二节:金属材料的测试方法要测试金属材料的一些力学性能参数,需要运用不同的测试方法。
金属材料的力学性能指标

金属材料的力学性能指标金属材料是工程中常用的材料之一,其力学性能指标对于材料的选择和设计具有重要意义。
力学性能指标是评价金属材料力学性能的重要依据,主要包括强度、韧性、塑性、硬度等指标。
下面将对金属材料的力学性能指标进行详细介绍。
首先,强度是评价金属材料抵抗外部力量破坏能力的指标。
强度可以分为屈服强度、抗拉强度、抗压强度等。
其中,屈服强度是材料在受到外部力作用下开始产生塑性变形的应力值,抗拉强度是材料在拉伸状态下抵抗破坏的能力,抗压强度是材料在受到压缩力作用下抵抗破坏的能力。
强度指标直接影响着材料的承载能力和使用寿命。
其次,韧性是材料抵抗断裂的能力。
韧性指标包括冲击韧性、断裂韧性等。
冲击韧性是材料在受到冲击载荷作用下抵抗破坏的能力,断裂韧性是材料在受到静态载荷作用下抵抗破坏的能力。
韧性指标反映了材料在受到外部冲击或载荷作用下的抗破坏能力,对于金属材料的使用安全性具有重要意义。
再次,塑性是材料在受力作用下产生塑性变形的能力。
塑性指标包括伸长率、收缩率等。
伸长率是材料在拉伸破坏前的延展性能指标,收缩率是材料在受力破坏后的收缩性能指标。
塑性指标直接影响着金属材料的加工性能和成形性能,对于金属材料的加工工艺和成形工艺具有重要影响。
最后,硬度是材料抵抗划伤、压痕等表面破坏的能力。
硬度指标包括洛氏硬度、巴氏硬度等。
硬度指标反映了材料表面的硬度和耐磨性能,对于金属材料的耐磨性和使用寿命具有重要意义。
综上所述,金属材料的力学性能指标是评价材料性能的重要依据,强度、韧性、塑性、硬度等指标直接影响着材料的使用性能和工程应用。
在工程设计和材料选择中,需要根据具体的工程要求和使用环境,综合考虑各项力学性能指标,选择合适的金属材料,以确保工程的安全可靠性和经济性。
金属材料的力学性能

金属材料的力学性能
金属材料的力学性能是指材料在受到力的作用下的行为和性能。
常见的金属材料(如钢、铝、铜等)具有较高的强度和刚性,具有良好的塑性和延展性。
其主要的力学性能包括以下几个方面:
1. 强度:金属材料的强度是指材料在受到外力作用下抵抗变形和破坏的能力。
常见的强度指标有屈服强度、抗拉强度、抗压强度等。
2. 延展性:金属材料具有较好的延展性,即在受到外力作用下能够发生塑性变形。
延展性可以通过材料的延伸率、断面收缩率等指标来描述。
3. 韧性:金属材料的韧性是指材料能够在承受外力作用下吸收较大的能量而不发生断裂或破坏的能力。
韧性也可以通过断裂韧性、冲击韧性等指标来描述。
4. 硬度:金属材料的硬度是指材料抵抗局部变形和外界划
痕的能力。
硬度可以通过洛氏硬度、布氏硬度等进行测量。
5. 弹性模量:金属材料的弹性模量是指材料在受到外力后,能够恢复到原来形状的能力。
弹性模量可以描述材料的刚
度和变形的程度。
6. 疲劳性能:金属材料的疲劳性能是指材料在受到交替或
重复载荷下的疲劳寿命和抗疲劳性能。
疲劳性能可以通过
疲劳寿命、疲劳极限等指标来描述。
以上是金属材料的一些常见力学性能参数,不同的金属材
料在这些性能方面有所差异。
这些性能参数的好坏直接决
定了金属材料在工程实践中的应用范围和性能优势。
金属力学性能总结

金属力学性能总结引言金属是一类常见的材料,具备优异的力学性能,包括强度、韧性、塑性等。
本文将从这些方面对金属的力学性能进行总结和分析。
强度抗拉强度抗拉强度是衡量金属材料抵抗拉力的能力。
常见的金属材料如钢、铝等都具有较高的抗拉强度,这使得它们能够承受外部拉力而不或较少发生破坏。
通过拉伸试验可以获得金属材料的抗拉强度,该试验会在材料上施加一个逐渐增大的拉力,直到发生断裂。
抗压强度抗压强度是衡量金属材料抵抗压缩力的能力。
金属材料在某些应用中需要能够承受压缩力,例如桥梁的支撑柱等。
抗压强度一般低于抗拉强度,但仍然是关键的力学性能指标之一。
屈服强度屈服强度是指金属材料在受到一定应力作用后开始发生可观察到的形变所需要的应力值。
常见的金属材料会在屈服点处开始变形,接着进入塑性变形阶段。
屈服强度可以用来衡量材料的可塑性,即其允许的形变程度。
韧性韧性是指金属材料抵抗断裂的能力。
在金属力学中,韧性是一个重要的参数,特别是在应对冲击载荷时。
韧性取决于金属材料的断裂韧性和延展性。
断裂韧性是指材料在发生断裂前能够吸收的冲击能量的能力。
而延展性则是指材料的塑性变形能力。
塑性塑性是金属材料特有的力学性能,指的是材料在受到外力作用时能够发生可逆性变形的能力。
金属材料在塑性变形时会以晶粒滑移和晶格变形为主要方式,这使得金属能够在应力下承受较大的形变而不断裂。
塑性是金属工程中的重要性能参数,能够导致材料的加工性能和使用寿命的改变。
总结金属材料具备较高的强度、韧性和塑性。
强度方面,金属能够承受拉力和压力的能力很强,具备较高的抗拉强度和抗压强度。
韧性方面,金属能够抵抗断裂,具备较高的断裂韧性和延展性。
塑性方面,金属能够发生可逆性变形,具备较高的塑性能力。
这些力学性能使得金属在工程应用中得以广泛应用,如建筑、机械制造、航空航天等。
以上是对金属力学性能的简要总结,希望能够对读者对金属材料有较为全面的了解。
参考文献:1.Callister, William D., and David G. Rethwisch. MaterialsScience and Engineering: An Introduction. Wiley, 2014.2.Meyers, Marc A., Krishan K. Chawla, and Manoj K. Chawla.Mechanical Metallurgy: Principles and Applications. CambridgeUniversity Press, 2012.。
金属材料的力学性能

金属材料的力学性能
金属材料的力学性能主要包括以下几个方面:
1. 强度:金属材料的强度是指它抵抗外力的能力。
通常用屈服强度、抗拉强度或抗压强度来表示材料的强度。
2. 延展性:金属材料的延展性是指其在受力下能够发生塑性变形的
能力。
常用的评价指标有伸长率、断面收缩率和断裂延伸率。
3. 硬度:金属材料的硬度是指其抵抗局部划痕或压痕的能力。
常用
的硬度测试方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。
4. 韧性:金属材料的韧性是指其抵抗断裂的能力。
韧性与强度和延
展性密切相关,一般用冲击韧性和断裂韧性来评价材料的韧性。
5. 塑性:金属材料的塑性是指其在受力作用下发生可逆形变的能力。
塑性是金属材料特有的力学性能,它使得金属材料可以制成各种形状。
6. 疲劳性能:金属材料的疲劳性能是指其在交变或周期性载荷下抵抗疲劳损伤的能力。
疲劳性能的评价指标包括疲劳寿命和疲劳极限等。
不同的金属材料具有不同的力学性能,这些性能会受到材料的化学成分、晶体结构、热处理和加工工艺等因素的影响。
因此,在选择和使用金属材料时,需要根据具体的工程要求和环境条件来考虑其力学性能。
材料力学性能-第四章-金属的断裂韧度(4)

公式进行判断:
ac
0.25
KIC
2
2021年10月21日 星期四
第四章 金属的断裂韧度
1、高强度钢的脆断倾向 这类钢的强度很高,0.2≥1400MPa,主要用于航 空航天,工作应力较大,但断裂韧度较低,如18Ni马 氏体时效钢,0.2=1700MPa,KIC=78MPa·m1/2,若工 作应力=1250MPa时,利用上述公式可得ac=1mm,这 样小的裂纹在机件焊接过程中很容易产生,用无损检 测方法也容易漏检,所以此类机件脆断几率很大,因 此在选材时在保证不塑性失稳的前提下,尽量选用0.2 较低而KIC较高的材料。
B工艺:/0.2=1400/2100=0.67<0.7,故不必考虑
塑性区修正问题。由公式 KIC YcB a
可得: cB
1 Y
KIC a
Φ 1.1
KIC
a
1.273
47
1.1 3.14 0.001
971MPa
与其工作应力=1400MPa相比, cB< ,即工
作时会产生破裂,说明B工艺是不合格的,这和
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第四章 金属的断裂韧度
其0.2=1800MPa,KIC=62MPa·m1/2,焊接后发现焊缝
中有纵向半椭圆裂纹,尺寸为2c=6mm,a=0.9mm,
试问该容器能否在p=6MPa的压力下正常工作?
t
D
解:根据材料力学理 论可以确定该裂纹受 到的垂直拉应力:
pD 61.5 900MPa
趋于缓和,断裂机理不再发生
变化。
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第四章 金属的断裂韧度
7.应变速率:应变速率έ具有 KIC
与温度相似的效应。增加έ相 当于降低温度,使KIC下降,
材料力学性能-第四章-金属的断裂韧度(1)

二、应力场强度因子KI和断裂韧度KIC 1、裂纹尖端附近的应力-应变场
由于裂纹扩展是从其尖端开 始进行的,所以首先应该分析裂 纹尖端的应力和应变状态,建立 裂纹扩展的力学条件。如图4-1 所示,假设一有无限大板,其中 有2a长的Ⅰ型裂纹,在无限远处
作用有均匀的拉应力。
图4-1 具有I 型裂纹无限 大板的应力分析
cos
2
1
sin
2
sin
3
2
xy
a
1
2r
cos
2
sin
2
cos3
2
z (x y() 平面应变, 为泊松比)
z 0(平面应力)
2021年12月10日 星期五
第四章 金属的断裂韧度
x方向的位移分量:u
1
E
KI
2r
cos
2
1
2
s in 2
2
y方向的位移分量:
1
E
KI
2r
sin
2
2021年12月10日 星期五
第四章 金属的断裂韧度
应用线弹性力学 y
来分析裂纹尖端附近
的应力、位移场。用
极坐标表示,则各点(r,
裂纹
)的应力、位移分量
可以用下式表示:
y xy x
x
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第四章 金属的断裂韧度
x
a
1
2r
cos 2
1
sin
2
sin
3
2
y
a
1
2r
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第四章 金属的断裂韧度
断裂力学还证明:上述各式不仅适用于图
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1
主要内容
1.应力场强度因子 2.断裂韧性的影响因素 3.裂纹尖端塑性区及其修正 4.裂纹扩展的能量释放率 5.平面应变断裂韧性KIC的测定
2
一、应力场强度因子
1、裂纹体的三种断裂模式 (1)张开型 -I型(2)滑开型-II型(3)撕开型-III型
张开型-I型 正应力垂直于裂纹面 扩展方向与正应力垂直
都可做断裂判据
KIC易测 GIC难测
18
五、平面应变断裂韧性KIC的测定
1、试样制备 制备要求:1)预制疲劳裂纹 2)试样有足够厚度
19
试样类型
试样厚度
裂纹长度
韧带宽度
KIC为材料断裂韧性的估算值或类似材料的断裂韧性值 20
2、测试方法 试验装置
条件断裂韧性KQ的计算公式 三点弯曲试样
载荷-裂纹口张开位移曲线 紧凑拉伸试样
PQ-试样断裂或裂纹失稳扩展时的载荷
21
临界载荷PQ的确定
裂纹长度a的确定
有效性检验: KQ = KIC (1) (2)
a = (a2 + a3 + a4) / 3 注:a与(a1 + a5) / 2的 差小于10%
22
金属材料的断裂韧性 小 结
一、应力场强度因子
1. 裂纹体的三种断裂模式 2. 裂纹尖端应力场 3. 应力场强度因子KI的物理意义
10
1、裂纹尖端塑性区大小
米赛斯屈服判据
平面应力状态
平面应变状态
θ= 0时
θ= 0时
表面塑性区大,平面应力状态
中心塑性区小,平面应变状态
11
2、应力松弛对塑性区的影响
应力松弛效应: σy达到σys以后,把高出的
应力部分传松弛结果:
屈服区域从r0扩大到R
二、断裂韧性的影响因素
KIC↑σ一定,则ac↑,允许存在更长裂纹 KIC↑ a一定,则σc↑,可提高使用应力 1、杂质 夹杂物:
n-应变硬化指数;d-夹杂物间距 d↑(夹杂物数量↓)KIC↑ 杂质晶界偏聚:晶界结合力↓KIC↓
8
2、晶粒尺寸 晶粒尺寸↓:1)晶界面积↑裂纹扩展阻力↑KIC↑ 2)晶界面积↑单位面积杂质含量↓KIC↑
二、断裂韧性的影响因素
1. 杂质 2. 晶粒尺寸 3. 组织结构 4. 热处理
三、裂纹尖端塑性区及其修正
1. 裂纹尖端塑性区大小 2. 应力松弛对塑性区的影响
3. 线弹性理论公式的修正
23
四、裂纹扩展的能量释放率
裂纹扩展的能量释放率GI(裂纹扩展力)及其物理意义; GIC的物理意义;K与G的关系;
平面应变状态
应力场强度因子
15
四、裂纹扩展的能量释放率
从能量角度考察断裂韧性
裂纹的扩展过程 裂纹前端塑性变形 消耗能量 裂纹新表面的形成
包围尖端塑性区的弹 性集中应力做功提供
裂纹扩展的能量释放率GI(裂纹扩展力): 裂纹扩展单位面积时,弹性系统所能提供的能量
平面应力
平面应变
16
临界条件下
GIC的单位:MPa·m
力水平、裂纹尺寸和形状,是各因素在裂纹顶端产生效果 的综合体现
临界应力场强度因子KC或KIC-断裂韧性: 裂纹失稳扩展的临界状态所对应的应力场强度因子,
表示对裂纹扩展的阻力,是材料本身固有的性能
KC:平面应力状态断裂韧性 KIC:平面应变状态断裂韧性
断裂判据:KI ≥ KIC
6
KI和KIC的区别:
3、组织结构 回火马氏体:回火温度↑塑性与韧性↑ 残余奥氏体: KIC↑ 应力诱发相变: KIC↑↑
4、热处理制度
9
三、裂纹尖端塑性区及其修正
弹性应力场计算存在的问题: r→0时,σx、σy、τxy→∞
线弹性力学不适用
实际情况: 应力超过屈服强度后,材料产生塑性变形
公式修正: 塑性区很小时,修正后线弹性力学仍有效
能量分析:ABD等于BEHG
12
平面应力状态 平面应变状态
应力松弛使得塑性区扩大1倍
13
3、线弹性理论公式的修正 修正方法:有效裂纹长度 修正思路:塑性区松弛弹性应力的作用等同于裂纹长度增加 后松弛弹性应力的作用
有效裂纹长度
14
有效裂纹与真实裂纹塑性区之外(r≥R)的应力场分布相同 平面应力状态
五、平面应变断裂韧性KIC的测定
1. 试样制备 2. 测试方法
24
本章完
25
GIC↑裂纹扩展需要的能量↑ 材料抵抗裂纹扩展的能力↑ GIC的物理意义:材料抵抗裂纹扩展能力的度量
断裂判据:GI ≥ GIC
17
K与G的关系:
K I a
GI
2
a
E
KI GI E
GI
K
2 I
E
讨论: 1)K、G都有明确物理意义,G的意义更明确
2) KI ≥ KIC GI ≥ GIC
压力容器 3
滑开型-II型
切应力平行于裂纹面 扩展方向与切应力平行
撕开型-III型
切应力平行于裂纹前缘 扩展方向与切应力垂直
I型裂纹最危险:缺口根部为三向应力状态
4
2、裂纹尖端应力场 用线弹性断裂力学分析
应力场强度因子
Y -裂纹形状因子
5
3、应力场强度因子KI的物理意义 KI是衡量裂纹顶端应力场强烈程度的参量,决定于应
KI:裂纹前端应力场强度的度量 与裂纹大小、形状和外加应力有关
(1)含中心穿透裂纹的有限宽板 (2)紧凑拉伸试样 (3)单边裂纹弯曲试样 (4)体内椭圆裂纹 (5)表面半椭圆裂纹
KIC:材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量 与裂纹大小、形状和外加应力无关 与材料成分、热处理工艺等有关,是材料特性参数
7