工程材料强度、断裂及断裂韧性ppt课件

.,强度、断裂及断裂韧性Strength,FractureandFractureToughnessofMaterials,Strengthstress(tensile,compressionandshear)flexural,torsionalandimpactFractureBrittleFracture,TheoreticalfracturestrengthDuctileFracturewithaplasticdeformationTransitionofBrittleandDuctiltyFractureToughness,Chapter7,.,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(fractureandtoughness)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，,.,2、屈服强度(YieldStrength),.,3、断裂强度(FractureStrength),（1）抗张强度(tensilestrength)规定的温度、湿度和加载速度条件，标准试样上沿轴向施加拉伸力直到试样被拉断为止，计算断裂前试样所承受的最大载荷Fmax与试样截面积之比。量纲MN/m2,MPa高分子材料低于金属材料，树脂基复合材料钢等金属材料。,.,.,表4-2一些材料的屈服强度或抗张强度数据,材料,屈服强度（MPa）,材料,.,表4-3几种常见金属材料与复合材料性能比较,.,（2）抗弯强度(flexuralstrength)量纲MN/m2,MPat=1.5Fmaxl0/(b.d2)l0，b及d分别为试样的长、宽、厚加载方式:三点弯曲,四点弯曲。特点：适用于A测定加工不方便的脆性材料，如铸铁、工具钢、硬质合金乃至陶瓷材料的断裂强度和塑性。B高分子材料，常用于筛选配方或控制产品质量。可较灵敏地反映材料的缺陷，抗张强度大，则抗弯强度也大,.,表4-4常见聚合物的力学强度,.,A材料在高速冲击状态下的韧性或对断裂抵抗能力的量度。B指某一标准试样在断裂时单位面积上所需要的能量，而不是通常所指的“断裂应力”。C其值与高速拉伸应力应变曲线下的面积成正比。D不是材料的基本参数，而是一定几何形状的试样在特定试验条件下韧性的一个指标。,（3）抗冲强度(impactstrength),.,试验方法：卡毕（Charpy）型伊佐德（Izod）型原理：摆锤损失的能量就是材料冲击强度（IS）的度量。通常把抗试样冲强度引述为断裂能量/断裂面积，量纲KJ/m2。,l,W0,W=W0l(1-cos)-W0l(1-cos),E=mgh1-mgh2,.,表4-5一些常见聚合物缺口Izod冲击强度（24C）,材料名称,材料名称,冲击强度,.,（4）抗扭强度(torsionalstrength)材料抵抗扭曲的能力。b=Mb/W,.,EXAMPLEPROBLEM7.3,FromthetensilestressstrainbehaviorforthebrassspecimenshowninFigure7.12,determinethefollowing:(a)Themodulusofelasticity.(b)Theyieldstrengthatastrainoffsetof0.002.(c)Themaximumloadthatcanbesustainedbyacylindricalspecimenhavinganoriginaldiameterof12.8mm(d)Thechangeinlengthofaspecimenoriginally250mmlongthatissubjectedtoatensilestressof345MPa.,.,SOLUTION(a)Themodulusofelasticityistheslopeoftheelasticorinitiallinearportionofthestressstraincurve.,Inasmuchasthelinesegmentpassesthroughtheorigin,itisconvenienttotakeboth1and1aszero.If2isarbitrarilytakenas150MPa,then2willhaveavalueof0.0016.Therefore,.,(b)The0.002strainoffsetlineisconstructedasshownintheinset;itsintersectionwiththestressstraincurveisatapproximately250MPa,whichistheyieldstrengthofthebrass.(c)ThemaximumloadiscalculatedbyusingEquation7.1,inwhichistakentobethetensilestrength,fromFigure7.12,450MPa.SolvingforF,themaximumload,yields,(d)inEquation7.2,itisfirstnecessarytodeterminethestrainthatisproducedbyastressof345MPa.Thisisaccomplishedbylocatingthestresspointonthestressstraincurve,pointA,andreadingthecorrespondingstrainwhichisapproximately0.06.,.,.,3、断裂构件失效(failure)的主要形式之一,（1）脆性断裂(Brittlefracture)宏观特征；A断裂前无明显的塑性变形（永久变形），吸收的能量很少，B裂纹的扩展速度往往很快，几近音速。C脆性断裂无明显的征兆可寻，断裂是突然发生的。D脆性断裂的宏观断口往往呈结晶状或颗粒状,Chapter7Chapter9,.,Itisameasureofthedegreeofplasticdeformationthathasbeensustainedatfracture.Amaterialthatexperienceverylittleornoplasticdeformationuponfractureistermedbrittle,.,解理断裂A拉应力B原子间结合键遭到破坏C严格地沿一定的结晶学平面（即所谓“解理面”）劈开。解理面：表面能最小的晶面，低指数晶面。,.,准解理断裂马氏体回火晶间断裂裂纹沿晶界扩展的一种脆性断裂。,.,（2）理论断裂强度和脆断强度理论理论断裂强度(theoreticalfracturestrength)正应力作用故称拉断,.,根据图所示的曲线=msin(2x/)式中x为原子平面拉开的距离（从原子平面间距a0处开始计算，即原子间的位移），为正弦曲线的波长,a0为原子间的平衡距离理想晶体解理断裂的理论断裂强度：m=(E.s/a0)1/2,.,E=102GPa，s=1J/m2，a0=310-10m，m=18.3GPa，其值大约为E/7。如金属铁，E=200GPa，s=2J/m2，a0=2.510-10m，m=40GMPa，约为E/5。-聚乙烯理论拉伸强度为2030GPa。高度取向，实际拉伸强度最大值为1.2GPa，未取向，实际强度比理论值小1000倍左右。,E=fdf=410-3N/键键长,.,Griffith（格列菲斯理论）,A脆性材料发生断裂所需的能量在材料中的分布是不均匀的，B当名义应力还很低时，局部应力集中已经达到很高的数值，从而使裂纹快速扩展，并导致脆性断裂。C裂纹尖端局部区域的材料强度可以达到其理论强度值。D倘若应力集中超过材料的理论强度值，则裂纹扩展，引起材料的断裂。,.,0,.,FIGURE9.7(a)Thegeometryofsurfaceandinternalcracks.(b)SchematicstressprofilealongthelineXXin(a),demonstratingstressamplificationatcracktippositions.,.,现假定薄板的裂纹为一个扁平椭圆形，长度为L或2a，宽度为b，则作用在微裂纹端处的最大应力max为：max=0（1+2a/b）(4-32)max/0=1+2a/b式中max/0称为应力集中系数。max是作用在裂纹尖端处的应力。又设这个尖端处曲率半径为=b2/a，max=01+2(a/)1/2=20(a/)1/2max/0=2(a/)1/2max=2f(a/)1/2=(E.s/a0)1/2(4-37)式（4-37）中f为断裂应力f=.E.s/(4a.a0)1/2,.,从能量平衡来推导f由此得裂纹失稳状态的临界应力c为：c=2Es/(.a)1/2临界半裂纹长度ac为：ac=2Es/(.c2)格列菲斯公式（是在薄板条件下，应力仅存在于板面上，而板厚方向的应力可以忽略的情况下导出的）f=.E.s/(4a.a0)1/2=c=2Es/(.a)1/2则有：=8a0/3a0c=2.E.s/(8a.a0)1/22Es/(3.a.a0)1/2它表明=3a0，即相当于3倍原子间距的尺寸，是弹性裂纹有效曲率半径的下限,.,脆性断裂的位错理论,Griffith理论基于实际晶体材料存在裂纹。晶体原无裂纹，在应力作用下，材料发生解理断裂的的理论位错理论。,.,永久变形的影响Griffith公式计算值显著低于实验值。其原因是裂纹前沿扩展所需的永久变形功上c=2E(s+p)/(.a)1/2p为塑性变形功，psc=2Ep/(.a)1/2,.,.,（3）延性断裂(DuctileFracture)明显的永久变形，并且经常有缩颈现象多数金属和合金通常是延性材料，大多数陶瓷、玻璃、云母和灰口铁，在室温下一般表现为脆性断裂,.,延性断裂的特征及过程韧窝形貌,.,形成缩颈。微孔成核。微孔逐渐长大,裂纹沿垂直于拉力作用的方向往外扩展。微孔聚合，直到最后断裂,微孔成核、长大和聚合的机理,.,.,位错；变形的不协调影响延性断裂扩展的因素第二相粒子。第二相粒子的存在、体积分数、种类、形状基体的形变强化。,.,断裂延伸率percentelongation（percentageofplasticstrainatfracture）,横截面积减少率Percentreductioninarea,材料延性大小的表征（拉伸）,lf-thefracturelengthlo-theoriginalgaugelength,Ao-originalcross-sectionalareaAf-cross-sectionalareaatthepointoffracture,尺度,.,真实应力-应变曲线TRUESTRESSANDSTRAIN拉伸塑性形变颈缩试样横截面减小,.,FIGURE7.16Acomparisonoftypicaltensileengineeringstressstrainandtruestressstrainbehaviors.NeckingbeginsatpointMontheengineeringcurve,whichcorrespondstoMonthetruecurve.Thecorrectedtruestressstraincurvetakesintoaccountthecomplexstressstatewithintheneckregion.,.,.,.,.,（4）韧性脆性转变ductile-to-brittletransition温度和加载速率的影响,.,.,影响脆性韧性转变的微观结构因素,晶格类型的影响A面心立方晶格金属的塑性、韧性好，如铜、铝、奥氏体钢，没有韧-脆性转变温度。B体心立方和密排六方金属的塑性、韧性较差，如体心立方晶格的铁、铬、钨和普通钢材，韧脆转变受温度及加载速率的影响较大。C微量的氧、氮及间隙原子溶于体心立方晶格中会阻碍滑移，促进其脆性。,.,.,成分的影响(Effectofcomponents)A钢中含碳量增加，塑性抗力增加，韧脆性转变温度明显提高，转变的温度范围也加宽。B钢中的氧、氮、磷、硫、砷、锑和锡等杂质对韧性不利。C镍、锰以固溶状态存在，降低韧脆转变温度。D钢中形成化合物的合金元素，如铬、钼、钛等，是通过细化晶粒和形成第二相质点来影响韧脆性转变温度的。晶粒大小的影响A晶粒细，屈服应力低于断裂抗力，韧性断裂。B晶粒尺寸大于某一值时，断裂前不再有屈服，脆性断裂第二相粒子的影响细小的第二相粒子有利于降低韧-脆性转变温度。,.,应力状态及其柔度系数切应力促进塑性变形，对韧性有利；拉应力促进断裂，不利于韧性。柔度系数（也叫软性系数）=max/Smax值愈大，愈易处于韧性状态。值愈小，相反，愈易倾向脆性断裂。单向拉伸，=0.5；三向不等拉伸，2。例如，灰口铸铁在单向拉伸（=0.5）时表现为脆性，而在测布氏硬度（侧压，2）时，可以压出一个很大的坑而不开裂。,.,4.断裂韧性(fracturetoughness)-既能表示强度又能表示脆性断裂的指标（1）裂纹体的三种变形模式,I型-张开型断裂型-滑开型断裂型-撕开型断裂,.,（2）应力强度因子（KI）和断裂韧性指标（KIC）由c=2Ep/(.a)1/2（4-49）临界