第四章-材料的断裂

1、编辑课件1第四章 材料的断裂v断裂是工程构件的重要失效形式之一，且比磨损、腐蚀等失效形式更具危险性。v材料发生的任何断裂过程都包括裂纹形成裂纹形成、扩展扩展二阶段，且裂纹形成裂纹形成是材料的结果。v研究材料的断裂特征、断裂机理、断裂力学条件及其影响因素的对构件的安全设计与选材及失效分析具有重要意义。编辑课件24.1 理论断裂强度理论断裂强度 从宏观力学分析的角度，关于材料的强度面临着以下两个重要问题： 一是一是二是二是编辑课件3理论断裂强度理论断裂强度 （P45）0cEa编辑课件4编辑课件5 假定在实际材料中已经存在裂纹(可视可视为裂纹体为裂纹体)，当名义应力很低时，在裂纹尖端的局部应力已经达

2、到很高数值（达到理论断裂强度 ），从而使裂纹快速扩展并导致材料脆性断裂。c编辑课件6reUUUU0EaUe22ssraaU4)2(2saEaUU4220编辑课件7Griffith平板及其中裂纹的能量变化0)4(22saEadaddadUaEsf2编辑课件8vGriffith公式公式解释了解释了 的问题的问题(如：如：a=0.1mm)。asEa2scf编辑课件92 ()fE Pa2fEPa编辑课件104.3材料的宏观断裂类型和力学状态图材料的宏观断裂类型和力学状态图编辑课件11典型断裂的宏观断口典型断裂的宏观断口(不同断裂形式下不同断裂形式下 的意义的意义 ) 45kS编辑课件12韧性断裂的宏观

3、断口形态韧性断裂的宏观断口形态 编辑课件13韧性断裂（杯锥状）断口的形成韧性断裂（杯锥状）断口的形成v光滑圆柱试样受拉伸力作用，产生缩颈光滑圆柱试样受拉伸力作用，产生缩颈时试样的时试样的应力状态也由单向变为三向应力状态也由单向变为三向，且中心区轴向应力最大。且中心区轴向应力最大。v在中心三向拉应力作用下，塑性变形难在中心三向拉应力作用下，塑性变形难于进行，致使于进行，致使其中的夹杂物或第二相质其中的夹杂物或第二相质点本身碎裂，或使夹杂物与基体界面脱点本身碎裂，或使夹杂物与基体界面脱离而形成微孔。微孔不断长大和聚合就离而形成微孔。微孔不断长大和聚合就形成显微裂纹。显微裂纹形成、扩展过形成显微裂纹

4、。显微裂纹形成、扩展过程重复进行就形成锯齿状的程重复进行就形成锯齿状的纤维区纤维区。v裂纹达临界尺寸后就快速扩展而形成有裂纹达临界尺寸后就快速扩展而形成有放射线花样特征放射线花样特征的的放射区放射区。放射线平行。放射线平行于裂纹扩展方向而垂直于裂纹前端（每于裂纹扩展方向而垂直于裂纹前端（每一瞬间）的轮廓线，并逆指向裂纹源。一瞬间）的轮廓线，并逆指向裂纹源。v最后由拉伸应力的分切应力切断，形成最后由拉伸应力的分切应力切断，形成与拉伸轴呈与拉伸轴呈45的杯状或锥状的杯状或锥状剪切唇剪切唇。杯锥状断口形成示意图杯锥状断口形成示意图编辑课件14脆性断裂的宏观断口形态脆性断裂的宏观断口形态 脆性断裂断口

5、的放射状花样 脆性断裂断口的人字纹花样v圆柱形拉伸试样：断面上的放射状条断面上的放射状条纹汇聚于一个中心，此中心区纹汇聚于一个中心，此中心区域就是裂纹源。域就是裂纹源。v板状矩形截面拉伸试样:“人人”字纹花样的放射方向与裂纹扩展字纹花样的放射方向与裂纹扩展方向平行，但其尖顶指向裂纹源。方向平行，但其尖顶指向裂纹源。编辑课件15编辑课件16编辑课件17编辑课件18材料的力学状态图kskSkS编辑课件19温度对力学状态图的影响v温度和加载速率通常对材料的温度和加载速率通常对材料的 影响很大，而对影响很大，而对 和和 影响较小。影响较小。v温度降低，温度降低， 增大，在单向拉增大，在单向拉伸时，材料

6、由正断式韧性断裂伸时，材料由正断式韧性断裂转变为正断式脆性断裂。这种转变为正断式脆性断裂。这种情况表明，材料由室温到某一情况表明，材料由室温到某一低温时将发生由韧性断裂到脆低温时将发生由韧性断裂到脆性断裂的过渡，即性断裂的过渡，即冷脆转变冷脆转变。v力学状态图力学状态图为定性分析材料断为定性分析材料断裂问题的一种有用方法。裂问题的一种有用方法。skkSs温度对断裂图的影响温度对断裂图的影响编辑课件204.4 断裂的微观机制及形貌特征断裂的微观机制及形貌特征 编辑课件21编辑课件22 编辑课件23微孔微孔形核形核示意图示意图微孔微孔长大长大和和连接连接编辑课件24影响韧窝形成的因素影响韧窝形成的

7、因素 编辑课件25编辑课件26材料的断裂类型及其特点总结编辑课件27理论断裂强度推导理论断裂强度推导原子间结合力与原子间位移的关系曲线可用正弦曲线表示： 如果原子位移很小，有 ，则 。当原子间位移很小时，根据虎克定律： 合并上述二式， 得：另一方面，晶体脆性断裂时所消耗的功用来供给形成两个新表面所需之表面能。设裂纹面上单位面积的表面能为 。形成单位裂纹表面外力所作的功应为曲线下所包围的面积，即： 整理得： 代入 得：这就是完整的理想晶体脆性（解理）断裂的理论断裂强度。可见，晶体弹性模量越大，表面能越大、原子间距越小，即结合越紧密，则理论断裂强度就越大。 返回返回xc2sinxx22sinxc20000)(aExaaxaEE02aEcsccdxx22sin2/0cs202aEc210)(aEscs编辑课