金属材料的损伤和断裂(韧性、脆性)
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用。
如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用；柴油机上的连杆，在传递动力时，不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等。
这就要求金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力。
这种能力就是材料的力学性能。
金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在外力作用下表现出力学性能的指标。
钢材力学性能是保证钢材最终使用性能（机械性能）的重要指标，它取决于钢的化学成分和热处理制度。
在钢管标准中，根据不同的使用要求，规定了拉伸性能（抗拉强度、屈服强度或屈服点、伸长率）以及硬度、韧性指标，还有用户要求的高、低温性能等。
金属材料的机械性能1、弹性和塑性：弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能。
力和变形同时存在、同时消失。
如弹簧：弹簧靠弹性工作。
塑性：金属材料受外力作用时产生永久变形而不至于引起破坏的性能。
（金属之间的连续性没破坏）塑性大小以断裂后的塑性变形大小来表示。
塑性变形：在外力消失后留下的这部分不可恢复的变形。
2、强度：是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。
强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，单位为MPa。
工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。
拉伸图：金属材料在拉伸过程中弹性变形、塑性变形直到断裂的全部力学性能可用拉伸图形象地表示出来。
材料在常温、静载作用下的宏观力学性能。
是确定各种工程设计参数的主要依据。
这些力学性能均需用标准试样在材料试验机上按照规定的试验方法和程序测定，并可同时测定材料的应力-应变曲线。
对于韧性材料，有弹性和塑性两个阶段。
弹性阶段的力学性能有：比例极限：应力与应变保持成正比关系的应力最高限。
当应力小于或等于比例极限时，应力与应变满足胡克定律，即应力与应变成正比。
弹性极限：弹性阶段的应力最高限。
金属脆性断裂
➢ 4.2 脆性断裂失效现象及特征
➢ 4.3 脆性断裂的裂纹萌生与扩展 ➢ 4.4 脆性断裂失效原因分析 ➢ 4.5 防止脆性断裂失效的途径
磨损、腐蚀和断裂是机件的三种主要失效形 式，其中以断裂的危害最大。
对工程构件或机械零件而言其服役条件下可能 受到力学负荷、热负荷或环境介质的作用，有时 只受到一种负荷作用，更多的时候将受到两种或 三种负荷的同时作用。
通常，解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不 一定是解理断裂，两者不是同义词，它们不是一 回事。
剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移 面分离而造成的滑移面分离断裂，它又分为两类 ：
一类为滑断（又称切离或纯剪切断裂），纯金 属尤其是单晶体金属常发生这种断裂；
另一类为微孔聚集型断裂，钢铁等工程材料多 为这种断裂类型，如低碳钢拉伸所致的断裂即为 这种断裂，是一种典型的韧性断裂。
这个判断方法对寻找脆性断裂源进而正确分 析失效原因是有实际意义的。
图4-2 锅炉钢板的解理断口
图4-3 爆炸破坏筒断口上出现的人字 形花样
2. 准解理断口
在某些脆性断口上，通过电子显微镜可看到 解理断裂的特征形貌，同时又伴随着有一定的 塑性变形痕迹，这种断口称为准解理断口。
断口中塑性变形痕迹所占比例就是划分解理 与准解理的大致依据。
沿晶断裂一般为脆性断裂，而穿晶断裂既 可为脆性断裂（低温下的穿晶断裂），也可以 是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂）。沿晶断 裂是晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、 夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成，也可能 是杂质元素向晶界偏聚引起的。
应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、 磨削裂纹都是沿晶断裂。有时沿晶断裂和穿晶 断裂可以混合发生。
❖ 1962年7月澳大利亚金斯桥建成仅一年就突 然发生四根桥梁的脆性断毁； ❖ 1999年重庆綦江彩虹桥因焊接等质量问题 突然垮塌，造成40人丧生。 ❖ 1943年美国纽约的一个大型贮气罐在-12℃ 时发生脆断； ❖ 1944年美国俄亥俄洲煤气公司一台天然气 贮罐，在工作温度为-162℃下发生脆断； ❖ 1947年苏联几个大型石油贮罐在气温为43℃时发生脆断； ❖ 1972年波斯湾达斯岛的X-65级海底石油输 送管道使用几星期后就发生开裂；
金属材料力学性能
一．名词解释1，E,弹性模量，表征材料对弹性变形的抗力，2，δs：呈现屈服现象的金属拉伸时，试样在外力不增加仍能继续伸长的应力，表征材料对微量塑性变形的抗力。
3，σbb：是灰铸铁的重要力学性能指标，是灰铸铁试样弯曲至断裂前达到的最大弯曲里（按弹性弯曲应力公式计算的最大弯曲应力）4δ：延伸率，反应材料均匀变形的能力。
5，韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力（或指材料抵抗裂纹扩展能力）6低温脆性:某些金属及中低强度钢，在实验的温度低于某一温度Tk时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔集聚型变为穿晶解理型，断口特征由纤维状态变为结晶状，这就是低温脆性7 Kic：断裂韧度，为平面应变的断裂韧度，表示在平面应变条件下材料抵抗裂变失稳扩展的能力8 弹性比功（弹性比能）：表示单位体积金属材料吸收变形功的能力9σ-1：疲劳极限，表明试样经无限次应力循环也不发生疲劳断裂所对应的能力10循环韧性(消振性)：表示材料吸收不可逆变形功的能力（塑性加载）11Ψ：断面收缩率，缩经处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，12Ak：冲击功、，冲击试样消耗的总能量或试样断裂过程中吸收的总能量13蠕变：材料在长时间的恒温应力作用下，（即使应力低于屈服强度）也会缓慢地产生塑性变形的现象。
14σtて：在规定温度（t）下，达到规定的持续时间（て）而不发生断裂的最大应力。
15：氢致延滞断裂：由于氢的作用而产生的延滞断裂现象。
17.δ0.2：屈服强度18.△K th：疲劳裂纹扩展门槛值，表征阻止裂纹开始扩展的能力19δbc：抗拉强度，式样压至破坏过程中的最大应力。
20.包申效应：金属材料经过预加载产生少量塑变，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载，规定残余应力减低的现象，称为包申效应。
21．NSR：缺口敏感度，缺口试样的抗拉强度δbn与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度δb之比。
22.力学行为：材料在外加载荷，环境条件及综合作用下所表现出的行为特征。
金属脆性断裂失效现象
金属脆性断裂失效现象近百年来，随着金属材料的广泛应用，曾频繁出现过不少重大的工程断裂事故，包括桥梁、储气和储油罐、管道、转子、轮船、导弹发动机壳体的断裂等，造成严重的后果和重大的经济损失。
通过对大量脆性断裂现象的分析与考查，脆性断裂的主要特征有：1、零件断成两部分或碎成多块；2、断裂后的残片能很好地拼凑复原，断口能很好地吻合，在断口附近没有宏观的塑性变形迹象；3、脆断时承受的工作应力很低，一般低于材料的屈服强度，因此，人们把脆性断裂又称为“低应力脆性断裂”；4、脆断的裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始；5、温度降低，脆断倾向增加；6、脆断断口宏观上平直，断面与正应力垂直，断口上往往能观察到放射状或人字纹条纹；7、一旦发生开裂，裂纹便以极高的速度扩展，其扩展速度可达声速，因此带来的后果常常是灾难性的；8、高强度钢可能发生脆性断裂，在比较低的温度下，中、低强度钢也可能发生脆性断裂。
脆性断裂通常在体心立方和密排六方金属材料中出现，而面心立方金属材料只有在特定的条件下才会出现脆性断裂。
金属脆性断裂失效原因分析1、应力分布最大拉应力与最大切应力对形变和断裂起不同作用。
最大切应力促进塑性变形，是位错移动的推动力，而最大拉应力则只促进脆性裂纹的扩展。
当零件存在缺陷(如尖锐缺口、刀痕、预存裂纹、疲劳裂纹等)或零件的截面突然变化，这些部位往往引起应力集中而使应力分布不均匀，即造成三向拉应力状态，极易导致脆性断裂。
因此，应力集中的作用以及除载荷作用方向以外的拉应力分量是造成金属零件在静态低负荷下产生脆性断裂的重要原因。
材料的应力状态越严重，则发生解理断裂的倾向性越大。
2、温度温度降低会引起材质本身的性能变化，如钢的屈服应力随温度降低而增加，韧性下降，解理应力也随着下降。
对某些体心立方金属及合金，由于位错中心区螺位错非共面扩展为三叶位错或两叶位错，特别在低温下，这种结构的螺位错难以交滑移，使得派-纳力（在理想晶体中克服点阵阻力移动单位位错所需的临界切应力）随温度的降低迅速升高，这是这类材料的屈服强度或流变应力随温度降低而急剧升高即对温度产生强烈依赖关系，并因此导致材料脆化的主要原因。
金属材料断口机理及分析
精心整理名词解释延性断裂：金属材料在过载负荷的作用下，局部发生明显的宏观塑性变形后断裂。
蠕变：金属长时间在恒应力，恒温作用下，慢慢产生塑性变形的现象。
准解理断裂：断口形态与解理断口相似，但具有较大塑性变形（变形量大于解理断裂、小于延性断裂）是一种脆性穿晶断口沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展的方式发生的断裂。
解理断裂：在正应力作用下沿解理面发生的穿晶脆断。
应力腐蚀断裂：拉应力和腐蚀介质联合作用的低应力脆断疲劳辉纹纹。
正断韧性： 河流花样 氢脆：卵形韧窝等轴韧窝1.2.34裂纹张开型、边缘滑开型（正向滑开型）、侧向滑开型（撒开型） 裂纹尺寸与断裂强度的关系Kic ：材料的断裂韧性，反映材料抗脆性断裂的物理常量（不同于应力强度因子，与K 准则相似） ：断裂应力（剩余强度）a ：裂纹深度（长度）Y ：形状系数（与试样几何形状、载荷条件、裂纹位置有关） 脆性材料K 准则：KI 是由载荷及裂纹体的形状和尺寸决定的量，是表征裂纹尖端应力场强度的计算量； KIC 是材料固有的机械性能参量，是表示材料抵抗脆断能力的试验量第二章裂纹源位置的判别方法：T型法（脆断判别主裂纹），分差法（脆断判别主裂纹），变形法（韧断判别主裂纹），氧化法（环境断裂判别主裂纹），贝纹线法（适用于疲劳断裂判别主裂纹）。
断口的试样制备：截取，清洗，保存。
断口分析技术设备：1.宏观断口分析技术（用肉眼，放大镜，低倍率光学显微镜观察分析）2.光学显微断口分析（扫描电子显微镜光学显微镜，透射电子显微镜），3.电镜断口分析。
第三章延性断裂：12.3．1（1约成45（2（321.2.（1）内颈缩扩展：质点大小、分布均匀，韧窝在多处形核（裂纹萌生），随变形增加，微孔壁变薄，以撕裂方式连接（2）剪切扩展：材料中具有较多夹杂物，同时具有细小析出相时，微孔之间可能以剪切方式相连接。
注意：内颈缩扩展与剪切扩展在同一韧窝断口上可能同时发生。
影响韧窝的形貌因素：夹杂物或第二相粒子，基体材料的韧性，试验温度，应力状态。
材料的力学性能第4章 材料的断裂
RAL 4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.2 断口的宏观特征
光滑圆柱拉伸试样的宏观韧性断口呈杯锥形，由纤维区、放射区 和剪切唇三个区域组成，这就是断口特征的三要素。
77-10
RAL 4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.2 断口的宏观特征
韧性断裂的宏观断口同时具有上述三个区域，而脆性断口纤维区 很小，几乎没有剪切唇。
根据裂纹扩展路径进行的一种分类。 穿晶断裂裂纹穿过晶内，沿晶断裂裂纹沿晶界扩展。
77-4
RAL 4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.1 断裂的分类 ✓ 穿晶断裂与沿晶断裂
从宏观上看，穿晶断裂可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂），也 可以是脆性断裂（低温下的穿晶断裂），而沿晶断裂则多数是脆性断裂。
2 )C0
2
c － 扩展的临界应力 ；
c － 碳化物的表面能 ；
E － 弹性模量；
－ 泊松系数；
C0 － 碳化物厚度
77-32
RAL
4.3 脆性断裂
4.3.2 脆性断裂的微观特征 （1）解理断裂
解理断裂 准解理 沿晶断裂
解理断裂是沿特定界面发生的脆性穿晶断裂，其微观特征应该是 极平坦的镜面。实际的解理断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解 理面集合而成的，这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。 在解理刻面内部只从一个解理面发生解理破坏实际上是很少的。在多数 情况下，裂纹要跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面，从而 在同一刻面内部出现解理台阶和河流花样。
脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明 显征兆，因而危害性很大。通常，脆断前也产生微量塑性变形。一般规定 光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％者为脆性断裂，该材料即称为脆性材料； 反之，大于5%者则为韧性材料。
材料的常用力学性能有哪些
材料的常用力学性能有哪些材料的常用力学性能指标有哪些材料在一定温度条件和外力作用下,抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能.锅炉、压力容器用材料的常规力学性能指标主要包括:强度、硬度、塑性和韧性等.(1)强度强度是指金属材料在外力作用下对变形或断裂的抗力.强度指标是设计中决定许用应力的重要依据,常用的强度指标有屈服强度σS或σ0.2和抗拉强度σb,高温下工作时,还要考虑蠕变极限σn和持久强度σD.(2)塑性塑性是指金属材料在断裂前发生塑性变形的能力.塑性指标包括:伸长率δ,即试样拉断后的相对伸长量;断面收缩率ψ,即试样拉断后,拉断处横截面积的相对缩小量;冷弯(角)α,即试件被弯曲到受拉面出现第一条裂纹时所测得的角度.(3)韧性韧性是指金属材料抵抗冲击负荷的能力.韧性常用冲击功Ak和冲击韧性值αk表示.Αk值或αk值除反映材料的抗冲击性能外,还对材料的一些缺陷很敏感,能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化.而且Ak对材料的脆性转化情况十分敏感,低温冲击试验能检验钢的冷脆性.表示材料韧性的一个新的指标是断裂韧性δ,它是反映材料对裂纹扩展的抵抗能力.(4)硬度硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标.硬度试验的方法较多,原理也不相同,测得的硬度值和含义也不完全一样.最常用的是静负荷压入法硬度试验,即布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)、维氏硬度(HV),其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力.而肖氏硬度(HS)则属于回跳法硬度试验,其值代表金属弹性变形功的大小.因此,硬度不是一个单纯的物理量,而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标.力学性能主要包括哪些指标材料的力学性能是指材料在不同环境(温度、介质、湿度)下,承受各种外加载荷(拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等)时所表现出的力学特征.性能指标包括:弹性指标、硬度指标、强度指标、塑性指标、韧性指标、疲劳性能、断裂韧度.钢材的力学性能是指标准条件下钢材的屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能和冲击韧性等,也称机械性能.金属材料的力学性能指标有哪些一:弹性指标1.正弹性模量2.切变弹性模量3.比例极限4.弹性极限二:强度性能指标1.强度极限2.抗拉强度3.抗弯强度4.抗压强度5.抗剪强度6.抗扭强度7.屈服极限(或者称屈服点)8.屈服强度9.持久强度10.蠕变强度三:硬度性能指标1.洛氏硬度2.维氏硬度3.肖氏硬度四:塑性指标1:伸长率(延伸率)2:断面收缩率五:韧性指标1.冲击韧性2.冲击吸收功3.小能量多次冲击力六:疲劳性能指标1.疲劳极限(或者称疲劳强度) 七:断裂韧度性能指标1.平面应变断裂韧度2.条件断裂韧度衡量钢材力学性能的常用指标有哪钢材的力学性能是指标准条件下钢材的屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能和冲击韧性等,也称机械性能.1. 屈服强度钢材单向拉伸应力—应变曲线中屈服平台对应的强度称为屈服强度,也称屈服点,是建筑钢材的一个重要力学特征.屈服点是弹性变形的终点,而且在较大变形范围内应力不会增加,形成理想的弹塑性模型.低碳钢和低合金钢都具有明显的屈服平台,而热处理钢材和高碳钢则没有.2. 抗拉强度单向拉伸应力—应变曲线中最高点所对应的强度,称为抗拉强度,它是钢材所能承受的最大应力值.由于钢材屈服后具有较大的残余变形,已超出结构正常使用范畴,因此抗拉强度只能作为结构的安全储备.3. 伸长率伸长率是试件断裂时的永久变形与原标定长度的百分比.伸长率代表钢材断裂前具有的塑性变形能力,这种能力使得结构制造时,钢材即使经受剪切、冲压、弯曲及捶击作用产生局部屈服而无明显破坏.伸长率越大,钢材的塑性和延性越好.屈服强度、抗拉强度、伸长率是钢材的三个重要力学性能指标.钢结构中所有钢材都应满足规范对这三个指标的规定.4. 冷弯性能根据试样厚度,在常温条件下按照规定的弯心直径将试样弯曲180°,其表面无裂纹和分层即为冷弯合格.冷弯性能是一项综合指标,冷弯合格一方面表示钢材的塑性变形能力符合要求,另一方面也表示钢材的冶金质量(颗粒结晶及非金属夹杂等)符合要求.重要结构中需要钢材有良好的冷、热加工工艺性能时,应有冷弯试验合格保证.5. 冲击韧性冲击韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力,它用钢材断裂时所吸收的总能量来衡量.单向拉伸试验所表现的钢材性能都是静力性能,韧性则是动力性能.韧性是钢材强度、塑性的综合指标,韧性越低则发生脆性破坏的可能性越大.韧性值受温度影响很大,当温度低于某一值时将急剧下降,因此应根据相应温度提出要求.力学性能指标符号是什么?任何机械零件或工具,在使用过程中,往往要受到各种形式外力的作用.如起重机上的钢索,受到悬吊物拉力的作用;柴油机上的连杆,在传递动力时,不仅受到拉力的作用,而且还受到冲击力的作用;轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等.这就要求金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力.这种能力就是材料的力学性能.金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在外力作用下表现出力学性能的指标.1.1.1 强度强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力.强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示,符号为σ,单位为MPa.工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度.屈服强度是指金属材料在外力作用下,产生屈服现象时的应力,或开始出现塑性变形时的最低应力值,用σs表示.抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下,被拉断前所能承受的最大应力值,用σb表示.对于大多数机械零件,工作时不允许产生塑性变形,所以屈服强度是零件强度设计的依据;对于因断裂而失效的零件,而用抗拉强度作为其强度设计的依据.1.1.2 塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力.工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率.伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率,用符号δ表示.断面收缩率指试样拉断后,断面缩小的面积与原来截面积之比,用y表示.伸长率和断面收缩率越大,其塑性越好;反之,塑性越差.良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件,也是保证机械零件工作安全,不发生突然脆断的必要条件.1.1.3 硬度硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力.硬度的测试方法很多,生产中常用的硬度测试方法有布氏硬度测试法和洛氏硬度试验方法两种.(一)布氏硬度试验法布氏硬度试验法是用一直径为D的淬火钢球或硬质合金球作为压头,在载荷P的作用下压入被测试金属表面,保持一定时间后卸载,测量金属表面形成的压痕直径d,以压痕的单位面积所承受的平均压力作为被测金属的布氏硬度值.布氏硬度指标有HBS和HBW,前者所用压头为淬火钢球,适用于布氏硬度值低于450的金属材料,如退火钢、正火钢、调质钢及铸铁、有色金属等;后者压头为硬质合金,适用于布氏硬度值为450~650的金属材料,如淬火钢等.布氏硬度测试法,因压痕较大,故不宜测试成品件或薄片金属的硬度.(二)洛氏硬度试验法洛氏硬度试验法是用一锥顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为f1.558mm(1/16英寸)的淬火钢球为压头,以一不定的载荷压入被测试金属材料表面,根据压痕深度可直接在洛氏硬度计的指示盘上读出硬度值.常用的洛氏硬度指标有HRA、HRB和HRC三种.采用120°金刚石圆锥体为压头,施加压为600N时,用HRA表示.其测量范围为60~85,适于测量合金、表面硬化钢及较薄零件.采用f1.588mm淬火钢球为压头,施加压力为1000N时,用HRC表示,其测量硬度值范围为25~100,适于测量有色金属、退火和正火钢及锻铁等.采用120°金刚石圆锥体为压头,施加压力为1500N时,用HRC表示,其测量硬度值范围为20~67,适于测量淬火钢、调质钢等.洛氏硬度测试,操作迅速、简便,且压痕小不损伤工件表面,故适于成品检验.硬度是材料的重要力学性能指标.一般材料的硬度越高,其耐磨性越好.材料的强度越高,塑性变形抗力越大,硬度值也越高.1.1.4 冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性,用ak表示,单位为J/cm2.冲击韧性常用一次摆锤冲击弯曲试验测定,即把被测材料做成标准冲击试样,用摆锤一次冲断,测出冲断试样所消耗的冲击AK,然后用试样缺口处单位截面积F上所消耗的冲击功ak表示冲击韧性.ak值越大,则材料的韧性就越好.ak值低的材料叫做脆性材料,ak值高的材料叫韧性材料.很多零件,如齿轮、连杆等,工作时受到很大的冲击载荷,因此要用ak值高的材料制造.铸铁的ak值很低,灰口铸铁ak值近于零,不能用来制造承受冲击载荷的零件.低碳钢的力学性能指标低碳钢由于含碳量低,它的延展性、韧性和可塑性都是高于铸铁的,拉伸开始时,低碳钢试棒受力大,先发生变形,随着变形的增大,受力逐渐减小,当试棒断开的瞬间,受力为“0”,其受力曲线是呈正弦波>0的形状.铸铁由于轫性差,拉伸开始时,受力是逐步加大的,当达到并超过它的拉伸极限时,试棒断开,受力瞬间为“0”,其受力曲线是随受力时间延长,一条直线向斜上方发展,试棒断开,直线垂直向下归“0”.同样的道理:低碳钢抗压缩的能力比铸铁要低,当对低碳钢试块进行压缩实验时,受力逐渐加大,试块随外力变形,当试块变形达到极限时,其受力也达到最大值,其受力曲线是一条向斜上方的直线.铸铁则不然,开始时与低碳钢受力情况基本相同,只是当铸铁试块受力达到本身的破坏极限时,受力逐渐减小,直到试块在外力下被破坏(裂开),受力为“0”其受力曲线与低碳钢拉伸时的受力曲线相同.以上就是低碳钢和铸铁在拉伸和压缩时力学性质的异同点.简述常用力学性能指标在选材中的意义?钢材常见的力学性能通俗解释归为四项,即:强度、硬度、塑性、韧性.简单的可这样解释:强度,是指材料抵抗变形或断裂的能力.有二种:屈服强度σb、抗拉强度σs.强度指标是衡量结构钢的重要指标,强度越高说明钢材承受的力(也叫载荷)越大;硬度,是指材料表面抵抗硬物压人的能力.常见有三种:布氏硬度HBS、洛氏硬度HRC、维氏硬度HV.硬度是衡量钢材表面变形能力的指标,硬度越高,说明钢的耐磨性越好;即不容易磨损;塑性,是指材料产生变形而不断裂的能力.有两种表示方法:伸长率δ、断面收缩率ψ.塑性是衡量钢材成型能力的指标,塑性越高,说明钢材的延展性越好,即容易拉丝或轧板;韧性也叫冲击韧性,是指材料抵抗冲击变形的能力,表示方法为冲击值αk.冲击韧性是衡量钢材抗冲击能力的指标,数值越高,说明钢材抵抗运动载荷的能力越强.一般情况下,强度低的钢材,硬度也低,塑性和韧性就高,例如钢板、型材,就是由强度较低的钢材生产的;而强度较高的钢材,硬度也高,但塑性和韧性就差,例如生产机械零件的中碳钢、高碳钢,就很少看到轧成板或拉成丝.＂钢材的主要力学性能指标有哪些(1)拉伸性能反映建筑钢材拉伸性能的指标,包括屈服强度、抗拉强度和伸长率.屈服强度是结构设计中钢材强度的取值依据.抗拉强度与屈服强度之比(强屈比)是评价钢材使用可靠性的一个参数.强屈比愈大,钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大,安全性越高;但强屈比太大,钢材强度利用率偏低,浪费材料.钢材在受力破坏前可以经受永久变形的性能,称为塑性.在工程应用中,钢材的塑性指标通常用伸长率表示.伸长率是钢材发生断裂时所能承受永久变形的能力.伸长率越大,说明钢材的塑性越大.试件拉断后标距长度的增量与原标距长度之比的百分比即为断后伸长率.对常用的热轧钢筋而言,还有一个最大力总伸长率的指标要求.预应力混凝土用高强度钢筋和钢丝具有硬钢的特点,抗拉强度高,无明显的屈服阶段,伸长率小.由于屈服现象不明显,不能测定屈服点,故常以发生残余变形为0.2%原标距长度时的应力作为屈服强度,称条件屈服强度,用σ0.2表示.(2)冲击性能冲击性能是指钢材抵抗冲击荷载的能力.钢的化学成分及冶炼、加工质量都对冲击性能有明显的影响.除此以外,钢的冲击性能受温度的影响较大,冲击性能随温度的下降而减小;当降到一定温度范围时,冲击值急剧下降,从而可使钢材出现脆性断裂,这种性质称为钢的冷脆性,这时的温度称为脆性临界温度.脆性临界温度的数值愈低,钢材的低温冲击性能愈好.所以,在负温下使用的结构,应当选用脆性临界温度较使用温度低的钢材.(3)疲劳性能受交变荷载反复作用时,钢材在应力远低于其屈服强度的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象,称为疲劳破坏.疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的,所以危害极大,往往造成灾难性的事故.钢材的疲劳极限与其抗拉强度有关,一般抗拉强度高,其疲劳极限也较高.硬度硬度，物理学专业术语，材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。
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。
针对金属材料断裂韧性的相关研究
针对金属材料断裂韧性的相关研究摘要：研究影响金属材料断裂韧性的因素对于提高金属的断裂韧性具有重要意义。
而影响金属材料断裂韧性的因素非常多，且很复杂。
因此，本文针对这些问题全面分析，认真地进行了研究相关的研究。
关键词：金属材料断裂韧性；影响金属断裂韧性因素1. 金属材料断裂韧性断裂韧性——指金属材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是金属材料抵抗脆性破坏的韧性参数。
它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。
是金属材料固有的特性，只与金属材料本身、热处理及加工工艺有关。
是应力强度因子的临界值。
常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。
例如应力-应变曲线下的面积。
韧性金属材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性金属材料一般断裂韧性较小，是表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。
在加载速度和温度一定的条件下，对某种材料而言它是一个常数。
当裂纹尺寸一定时，材料的断裂韧性值愈大，其裂纹失稳扩展所需的临界应力就愈大；当给定外力时，若材料的断裂韧性值愈高，其裂纹达到失稳扩展时的临界尺寸就愈大。
2. 课题研究的主要内容通过对金属材料断裂韧性的影响因素进行了系统分析。
假定影响金属材料断裂韧性的其它因素均保持不变，把温度对断裂韧性的影响进行单独研究。
一些关于压力容器钢断裂韧性的研究结果表明，当温度达到上平台温度之后，断裂韧性会随着温度的继续升高而下降，即存在韧性劣化的现象。
相对于低温范围断裂韧性的研究，中、高温范围内断裂韧性的研究仍显不足，且实际工程中许多构件在高温条件下工作，按照常温力学性能设计的构件存在某种意义上的安全隐患，因而研究温度对断裂韧性的影响就显得相当重要。
文中结合钢韧断机理的研究成果与点缺陷在应力场中的迁移运动规律，通过理论分析建立了断裂韧性JIC与温度T的数学模型，在此基础上对多种压力容器钢断裂韧性的实验数据进行了分析，最后验证了模型的合理性。
文中通过对断裂参量J积分进行了数值分析，分析了温度对J积分的影响。
金属断裂的微观机理与典型形貌
金属断裂的微观机理与典型形貌金属断裂是指金属材料在受到应力作用下发生破裂现象。
金属断裂的微观机理和典型形貌是金属材料断裂过程中所呈现出的微观变化和破裂形态。
本文将从金属断裂的微观机理和典型形貌两个方面进行探讨。
一、金属断裂的微观机理在金属断裂的微观机理中，主要涉及到晶体的变形、晶界滑移和裂纹扩展等过程。
1. 晶体的变形金属材料的断裂是由于晶体内部发生了塑性变形。
当金属受到外力作用时，晶体内的原子会发生位移和重排，导致晶体的形状发生变化。
晶体的变形过程中，会产生位错，即晶格中的原子出现错位。
位错的运动和积累是金属材料塑性变形和断裂的基础。
2. 晶界滑移金属材料由多个晶粒组成，晶粒之间存在晶界。
晶界是晶粒内部晶格的不连续区域。
当金属受到应力作用时，晶界处的原子会沿着晶界面滑移，从而使晶粒发生形变。
晶界滑移是金属材料塑性变形和断裂的重要机制之一。
3. 裂纹扩展裂纹是金属材料中的缺陷，是断裂的起始点。
当金属受到应力作用时，应力集中在裂纹处，导致裂纹的扩展。
裂纹扩展的机理主要包括塑性扩展和脆性扩展两种形式。
塑性扩展是指裂纹周围发生塑性变形，裂纹沿着塑性区域扩展；脆性扩展是指裂纹周围没有发生塑性变形，裂纹直接沿着晶体的晶面或晶界扩展。
二、金属断裂的典型形貌金属断裂的典型形貌是指金属材料断裂后所呈现出的形态特征。
根据金属断裂的不同性质和机理，金属材料的断裂形貌可以分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂等。
1. 韧性断裂韧性断裂是指金属材料在受到较大应力时，发生大量的塑性变形和能量吸收，最终以拉伸断裂为主。
韧性断裂的断口面平滑，有明显的塑性变形迹象，断口两侧呈现出韧带状的纹理。
韧性断裂通常发生在具有良好延展性的金属材料中，如钢材、铝合金等。
2. 脆性断裂脆性断裂是指金属材料在受到较小应力时，发生较少的塑性变形和能量吸收，最终以断裂为主。
脆性断裂的断口面光洁平整，没有明显的塑性变形迹象，断口两侧呈现出晶粒状的纹理。
脆性断裂通常发生在具有较低延展性的金属材料中，如铸铁、高碳钢等。
- 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)。
原创小刘-LZP
08-07原文
一、“彗星号”大型客机失事惨剧促发金属断裂行为研究史的开端
1954年1月10日，一架英国海外航空公司（BOAC）的一架“彗星”1型客机（航班编号781号）从意大利罗马起飞，飞往目的地是英国伦敦。
飞机起飞后26分钟，机身在空中解体，坠入地中海，机上所有乘客和机组人员全部遇难。
这次事故震惊了全世界，英国成立了专门的调查组调查事故。
该型客机停飞两个月。
就在英国海外航空公司总裁保证该机型不会再出事并复飞后不久，另一架“彗星”型客机也发生了同样的空中解体事故，坠毁在意大利那不勒斯附近海中。
在此一年的时间里，共有3架“彗星”型客机在空中先后解体坠毁。
此惨剧令当时英国为之骄傲的“彗星号”大型客机寿终正寝，也促发了科学家研究低应力断裂的“裂纹力学”，此即断裂力学诞生的由来。
“彗星号”大型民航客机
对事故的调查发现，“彗星”客机采用的是方形舷窗。
经多次起降后，在方形舷窗拐角（直角）处会出现金属疲劳导致的裂纹（裂隙）。
正是这个小小的裂纹引起了灾难事故。
后来，所有客机舷窗均采用圆形或设计有很大的圆角，以减小应力集中，提高金属疲劳强度；延缓疲劳裂纹的发生，此系后话。
进一步研究证明，裂纹的存在，引起飞机结构发生低应力破坏，通行的设计准则遇到极大挑战。
这个研究孕育了断裂力学的诞生，并促进了其快速发展。
到1957年，美国科学家欧文（G.R.Irwin）提出应力强度因子
的概念，从此线弹性断裂力学基本建立起来。
断裂力学诞生并用于结构设计后，源于裂纹引发的灾难事故大大减少，可见断裂力学是破解结构低应力破坏的金钥匙。
再看一组图片
所有的工程结构都是由工程材料制造而成；
所有的断裂事故，均源于材料的微、细、宏观的损伤和断裂。
材料与结构的损伤断裂引发的事故实在太多。
二、材料的力学性能参数：强度、塑性、韧性、脆性、弹性
从应力应变曲线上也可看出脆性或韧性材料
材料的力学性能指的是材料在给定的外界条件下所表现的行为，完全由材料的微观组织结构决定。
（1）强度
它指材料抵抗变形和断裂的能力；金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。
强度是衡量零件本身承载能力（即抵
抗失效能力）的重要指标。
强度是机械零部件首先应满足的基本要求。
按照材料的性质，材料强度分为脆性材料强度、塑性材料强度和带裂纹材料的强度。
①脆性材料强度：铸铁等脆性材料受载后断裂比较突然，几乎没有塑性变形。
脆性材料以其强度极限为计算强度的标准。
强度极限有两种：拉伸试件断裂前承受过的最大名义应力称为材料的抗拉强度极限，压缩试件的最大名义应力称为抗压强度极限。
②塑性材料强度：碳钢等塑性材料断裂前有较大的塑性变形,它在卸载后不能消失,也称残余变形。
塑性材料以其屈服极限为计算强度的标准。
材料的屈服极限是拉伸试件发生屈服现象（应力不变的情况下应变不断增大的现象）时的应力。
对于没有屈服现象的塑性材料，取与 0.2％的塑性变形相对应的应力为名义屈服极限,用强度表示。
③带裂纹材料的强度：常低于材料的强度极限，计算强度时要考虑材料的断裂韧性（见断裂力学分析）。
对于同一种材料,采用不同的热处理制度,则强度越高的断裂韧性越低。
（2）塑性
它表示材料断裂时总的变形程度；在外力作用下，材料能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力。
应力超过弹性极限后，发生的变形包括弹性变形和塑性变形两部分，塑性变形不可逆。
对大多数的工程材料,当其应力低于比例极限（弹性极限）时,应力一应变关系是线性的，表现为弹性行为，也就是说，当移走载荷时，其应变也完全消失。
而应力超过弹性极限后，发生的变形包括弹性变形和塑性变形两部分，塑性变形不可逆。
评价金属材料的塑性指标包括伸长率（延伸率）A 和断面收缩率Z表示。
（3）韧性
它指材料在塑形变形和断裂的全过程中吸收能量的能力；是强度和塑形的综合表现；其测定值一般用带有预制裂纹/缺口的试样测
定，其值也表示材料抵抗裂纹扩展的能力，如K1C，COD，J积分等。
韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。
韧性可在材料科学及冶金学上，韧性是指当承受应力时对折断的抵抗，其定义为材料在破裂前所能吸收的能量与体积的比值。
其分为断裂韧性和冲击韧性两种：
断裂韧性材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。
它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。
是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。
是应力强度因子的临界值。
常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所作的功表示。
例如应力-应变曲线下的面积。
韧性材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性材料一般断裂韧性较小。
冲击韧性是反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，一般由冲击韧性值（ak）和冲击功（Ak）表示，其单位分别为J/cm2和J （焦耳）。
冲击韧性或冲击功试验（简称"冲击试验"），因试验温度不同而分为常温、低温和高温冲击试验三种；若按试样缺口形状又可分为"V"形缺口和"U"形缺口冲击试验两种。
冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。
（4）脆性
脆性材料力学性能的特点是抗压强度远大于抗拉强度,破坏时的极限应变值极小。
砖、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、铸铁等都是脆性材料。
与韧性材料相比,它们对抵抗冲击荷载和承受震动作用是相当不利的。
作为工程材料，我们希望它同时具有良好的韧性和刚性。
在改善材料的韧性时，还应设法提高刚性。
一般加入弹性体可增加韧性，加入无机填料可增加刚性。
最有效的方法是将弹性体的增韧和填料的增强结合起来。
（5）弹性
指材料受力变形后，恢复原来形状的能力。
三、断口分析、断裂力学及断裂学科
常用的断裂分类方法及其特征见下表：
综上可知，从五个方面进行断裂分析，从而形成断裂学科的三个分支点。
四、断裂力学的意义
现有力学的基本框架体系
断裂力学是研究含裂纹物体的强度和裂纹扩展规律的科学，固体力学的一个分支，又称裂纹力学。
它萌芽于20世纪20年代A.A.格里菲斯对玻璃低应力脆断的研究。
其后，国际上发生了一系列重大的低应力脆断灾难性事故，促进这方面的研究，并于50年代开始形成断裂力学。
根据所研究的裂纹尖端附近材料塑性区的大小，可分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学；根据所研究的引起材料断裂的载荷性质，可分为断裂（静）力学和断裂动力学。
断裂力学的任务是：求得各类材料的断裂韧度；确定物体在给定外力作用下是否发生断裂，即建立断裂准则；研究载荷作用过程中裂纹扩展规律；研究在腐蚀环境和应力同时作用下物体的断裂（即应力腐蚀）问题。
断裂力学已在航空、航天、交通运输、化工、机械、材料、能源等工程领域得到广泛应用。
五、断裂力学的关键参数-应力强度因子（参见本文副篇）
往期内容回顾
好文|精馏塔的应用及操作(液泛、淹塔、回流比)
知识|乙烯的生产技术和工艺流程
离心泵基础知识（简单易懂，值得收藏）
干货！离心压缩机的典型结构详解
知识|压力容器20问！。