强度、断裂及断裂韧性 (1)
混凝土断裂韧度及实例分析1
二、应力场强度因子KⅠ及断裂韧度KⅠc
当σ/σs＜0.7时
当σ/σs≥0.7时
三、裂纹扩展能量释放率GⅠ及断裂韧度GⅠc
(一)裂纹扩展能量释放率GⅠ (二)断裂韧度GⅠc和断裂G判据
补充
一、能量方法(Energy Methods ) ：
利用功能原理 U = W 来求解可变形固体的位移、变形和内力
对拉杆进行逐步加载（认为无动能变化） 利用能量守恒原理： U（弹性应变能）=W（外力所做的功）
W 1 2 P L U E
UE P L 2 EA
2
L
PL EA
P
单位体积内的应变能----比能u(单位：J/m3)
P
u 1 U V 2 AL P L 1 2
2
P
前 言
缺口的第一个效应： 缺口造成应力应变集中。 缺口的第二个效应： 应力改为两向或三向拉伸。
缺口的第三个效应： 缺口使塑性材料得到“强化”。
前 言
1、传统的力学强度理论(1920s前)： 材料连续、均匀和各向同性的； 断裂是瞬时发生的。 断裂:σ>σs 脆性、韧性断裂
2、现代的力学强度理论(1920s后)： 材料存在裂纹(裂纹体)； σ<σs时就断裂 ；
断裂力学的基本原理；
线弹性下断裂韧度的意义、测试原理和影响因素。
前
言
6、裂纹类型（摘自P80附表）
工 艺 裂 纹 及 使 用 裂 纹
第四章
金属的断裂韧度
§4.1 线弹性条件下的金属断裂韧度
§4.2 断裂韧度KⅠc的测试
§4.3 影响断裂韧度KⅠc的因素
§4.4 断裂K判据应用案例 §4.5 弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概念
研究材料的力学强度与断裂韧性
研究材料的力学强度与断裂韧性材料的力学强度与断裂韧性是材料科学中的两个重要方面。
力学强度指材料在受力情况下承受应力的能力，即材料在外力作用下能够抵抗应力产生的变形和破坏的能力。
而断裂韧性则是指材料的抗断裂能力，即在受到外部力作用下不易发生断裂。
这两个性质对于材料的可靠性和使用寿命具有重要影响。
一般来说，材料的力学强度与断裂韧性之间存在一定的关系。
通常情况下，材料的强度越高，其断裂韧性也会相应提高。
这是因为材料的强度和断裂韧性都与材料的内部结构和成分有密切关系。
例如，金属材料中晶粒的尺寸和排列方式会对材料的力学性能产生影响。
当晶粒尺寸较小、排列有序时，晶界强化效应会增强材料的强度和韧性。
此外，其他微观结构特征如晶粒形状、晶界形态、孪晶等也会对材料的力学性能产生影响。
另一个影响力学强度和断裂韧性的因素是材料的成分。
不同元素和化合物的组合方式会决定材料的力学性能。
例如，合金中添加适量的合金元素可以改善材料的强度和韧性。
这是因为添加合金元素可以改变材料的晶体结构和电子结构，从而改变材料的力学性能。
此外，材料的制备工艺和热处理过程也会对其力学性能产生影响。
不同的加工工艺和热处理条件可以改变材料的晶粒尺寸和晶界特征，从而影响材料的力学性能。
例如，通过冷变形、退火等工艺可以显著改变材料的晶粒尺寸和晶界特征，从而提高其强度和韧性。
研究材料的力学强度与断裂韧性对于理解材料的性能和指导材料设计具有重要意义。
通过深入研究材料的微观结构特征和成分对其力学性能的影响，可以为材料科学的相关领域提供理论支持和实验依据。
同时，研究材料的力学强度与断裂韧性也可以为新材料的开发和应用提供指导，从而提高材料的性能和可靠性。
然而，需要强调的是，材料的力学强度和断裂韧性不是可以简单地通过单一的指标来衡量的。
对于不同的应用和使用环境，对材料性能的要求也不同。
因此，在研究和评估材料的力学性能时，需要综合考虑多个指标。
此外，材料的力学性能还受到动态加载、温度、湿度等外界条件的影响，因此需要进行实验测试和模拟分析来揭示材料的力学行为。
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。
材料力学断裂力学知识点总结
材料力学断裂力学知识点总结材料力学是研究材料的力学性质和变形行为的学科，而断裂力学则是其中的重要分支。
断裂力学主要研究材料在外界作用下的破坏过程和断裂特性，对于了解材料的强度、可靠性和耐久性具有重要意义。
本文将对材料力学断裂力学的主要知识点进行总结。
1. 断裂力学基础概念1.1 断裂断裂是材料由于内外力作用下发生破裂的现象。
断裂过程包括初期损伤、裂纹扩展和断裂破坏三个阶段。
1.2 断裂韧性断裂韧性是材料在断裂过程中所吸收的能量的量度。
韧性高的材料能够在断裂前吸收大量能量，具有较好的抗断裂能力。
1.3 断裂强度断裂强度是材料在断裂破坏前所能承受的最大拉应力，是衡量材料抗断裂性能的重要指标。
2. 断裂模式2.1 纯拉伸断裂纯拉伸断裂是指材料在纯拉伸作用下破裂的模式。
在该模式下，裂纹往往呈现沿拉伸方向延伸的条状。
2.2 剪切断裂剪切断裂是指材料在剪切载荷作用下破裂的模式。
在该模式下，裂纹往往呈现锯齿状。
2.3 压缩断裂压缩断裂是指材料在压缩载荷作用下破裂的模式。
在该模式下，裂纹多呈现垂直于压缩方向的半环形状。
3. 断裂韧性的评价方法3.1 线性弹性断裂力学线性弹性断裂力学是最早用于断裂韧性评价的方法，其基本假设为材料在破裂前仍满足线性弹性行为。
3.2 弹塑性断裂力学弹塑性断裂力学是考虑了材料的塑性行为。
该方法应用广泛，能较好地描述材料的耐久性和断裂韧性。
3.3 细观断裂力学细观断裂力学是以材料微观层面的裂纹损伤为基础的断裂力学模型，通过对材料中裂纹数量和尺寸的分析，预测材料的断裂韧性。
4. 断裂的影响因素4.1 材料性质材料的力学性质直接影响了其断裂行为，例如强度、韧性、硬度等。
4.2 外界加载条件外界加载条件如载荷类型、载荷大小和加载速率等都会对材料的断裂行为产生重要影响。
4.3 温度和湿度温度和湿度的变化能够引起材料的热膨胀和水分吸附，进而影响材料的断裂性能。
5. 断裂力学应用5.1 材料设计通过对材料的断裂性能研究，可以为材料设计提供依据，提高材料在特定工况下的抗断裂能力。
(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 %。
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。
金属材料的强度和韧性
金属材料的强度和韧性1.定义：强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。
（1）抗拉强度：金属材料在拉伸过程中所能承受的最大拉力。
（2）抗压强度：金属材料在压缩过程中所能承受的最大压力。
（3）抗弯强度：金属材料在弯曲过程中所能承受的最大力矩。
（4）抗剪强度：金属材料在剪切过程中所能承受的最大剪力。
3.影响因素：（1）材料的化学成分：合金元素的加入可以提高金属材料的强度。
（2）材料的微观结构：晶粒大小、晶界、位错等微观缺陷会影响金属材料的强度。
（3）温度：金属材料在高温下的强度会降低。
（4）应变速率：应变速率越快，金属材料的强度越高。
1.定义：韧性是指金属材料在断裂前吸收塑性变形能量的能力。
（1）冲击韧性：金属材料在冲击载荷作用下的韧性。
（2）断裂韧性：金属材料在拉伸载荷作用下的韧性。
3.影响因素：（1）材料的化学成分：合金元素的加入可以提高金属材料的韧性。
（2）材料的微观结构：晶粒大小、晶界、位错等微观缺陷会影响金属材料的韧性。
（3）温度：金属材料在低温下的韧性会降低。
（4）应力状态：三向应力状态下，金属材料的韧性优于单向应力状态。
三、强度和韧性的关系1.强度和韧性往往存在一定的矛盾：强度高的材料，韧性往往较低；韧性好的材料，强度往往较低。
2.衡量强度和韧性的指标：韧脆转变温度（DBTT），即材料由韧性断裂转变为脆性断裂的温度。
3.如何在保证强度的同时提高韧性：（1）合金化：通过加入适当的合金元素，提高金属材料的强度和韧性。
（2）热处理：通过改变材料的微观结构，提高金属材料的强度和韧性。
（3）微观缺陷控制：通过控制晶粒大小、晶界和位错等微观缺陷，提高金属材料的强度和韧性。
四、应用实例1.航空领域：高性能铝合金、钛合金等材料在航空器结构件中的应用，要求材料具有高强度和良好韧性。
2.汽车领域：钢铁、铝合金等材料在汽车零部件中的应用，要求材料具有适当的强度和韧性。
3.建筑领域：不锈钢、钢筋等材料在建筑结构中的应用，要求材料具有高强度和良好韧性。
巴西劈裂法实验总结
巴西劈裂法实验总结巴西劈裂法实验是一种常用的材料力学实验方法，用于测定材料的断裂韧性。
本文将对巴西劈裂法实验进行总结，包括实验原理、实验步骤、实验结果分析等内容。
一、实验原理巴西劈裂法实验是一种静态力学实验方法，主要用于测定岩石、混凝土等材料的断裂强度和断裂韧性。
实验原理基于材料在拉伸过程中的断裂特性，通过施加一个压力垂直于材料的力，使材料产生横向拉伸破坏，从而测定材料的断裂强度和断裂韧性。
二、实验步骤1. 准备实验材料：选择合适的岩石或混凝土样品，并将其切割成规定尺寸的圆盘状。
2. 安装试样：将试样放置在实验机的夹具上，并保证试样的对称性和垂直性。
3. 施加压力：在试样的两个平行表面上施加垂直于试样轴线的压力，逐渐增加压力直到试样发生破坏。
4. 记录实验数据：记录在破坏前后施加的压力值，并测量试样的断裂面积。
5. 分析实验结果：根据实验数据计算出试样的断裂强度和断裂韧性。
三、实验结果分析巴西劈裂法实验得到的实验结果主要包括断裂强度和断裂韧性两个指标。
1. 断裂强度：断裂强度是指试样在破坏前所能承受的最大压力值。
通过实验数据的分析计算得到断裂强度，可以用于评估材料的抗压能力。
2. 断裂韧性：断裂韧性是指试样在破坏过程中所吸收的总能量。
通过实验数据的分析计算得到断裂韧性，可以用于评估材料的耐久性和抗冲击能力。
实验结果分析可以通过多次实验取平均值，以提高结果的准确性和可靠性。
同时，还可以对不同材料进行比较，评估其断裂特性的差异。
巴西劈裂法实验的优点是实验过程简单、操作方便，能够对材料的断裂特性进行较准确的评估。
但也存在一定的局限性，例如实验结果受到试样几何形状的影响，需要进行合理的试样设计和选择。
总结：巴西劈裂法实验是一种常用的材料力学实验方法，通过施加垂直于材料轴线的压力，测定材料的断裂强度和断裂韧性。
实验结果可用于评估材料的抗压能力、耐久性和抗冲击能力。
实验过程简单、操作方便，但需要注意试样几何形状对实验结果的影响。
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
2021年12月10日 星期五
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
2021年12月10日 星期五
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
常见岩石力学参数
常见岩石力学参数岩石力学参数是指描述岩石在外力作用下的力学行为的物理性质，包括弹性模量、剪切模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等。
这些参数对于岩石的力学性质和工程应用具有重要意义。
本文将详细介绍这些常见的岩石力学参数。
1. 弹性模量（Young's modulus）：弹性模量是衡量岩石弹性性质的一个重要参数，表示岩石在外力作用下产生弹性变形的能力。
弹性模量越大，岩石的刚度越大，抗弯和抗变形能力越强。
2. 剪切模量（Shear modulus）：剪切模量是衡量岩石抗剪切性质的参数，表示岩石在剪切应力作用下产生剪切变形的能力。
剪切模量越大，岩石的抗剪强度越高，稳定性越好。
3. 泊松比（Poisson's ratio）：泊松比是衡量岩石体积变形性质的参数，表示岩石在受到压缩应力时，横向收缩的程度。
泊松比一般介于0.1到0.4之间，数值越大，岩石的蠕变性越强。
5. 抗拉强度（Tensile strength）：抗拉强度是衡量岩石抗拉性质的参数，表示岩石在受到拉伸应力时的最大承载能力。
抗拉强度一般比抗压强度要小，岩石在受到拉伸时易发生断裂。
6. 抗剪强度（Shear strength）：抗剪强度是衡量岩石抗剪切性质的参数，表示岩石在受到剪切应力时的最大承载能力。
抗剪强度主要与岩石内部的粘聚力和内摩擦角有关。
除了上述常见的岩石力学参数外，还有一些与岩石稳定性有关的参数：7. 断裂韧性（Fracture toughness）：断裂韧性是衡量岩石抗断裂性质的参数，表示岩石在受到裂纹扩展时的抵抗能力，能够反映岩石的破坏扩展能力。
8. 孔隙度（Porosity）：孔隙度是衡量岩石孔隙结构的参数，表示岩石内部的孔隙空间占总体积的比例。
孔隙度能够影响岩石的密实程度和渗透性，对工程建筑的渗流和稳定性有重要影响。
9. 饱和度（Saturation）：饱和度是衡量岩石孔隙中被水、气体或其他流体填充的程度。
工程材料名词解释
抗拉强度：是材料在破断前所能承受的最大应力。
屈服强度：是材料开始产生明显塑性变形时的最低应力。
塑性：是指材料在载荷作用下，产生永久变形而不破坏的能力韧性：材料变形时吸收变形力的能力硬度：硬度是衡量材料软硬程度的指标，材料表面抵抗更硬物体压入的能力。
刚度：材料抵抗弹性变形的能力。
疲劳强度：经无限次循环而不发生疲劳破坏的最大应力。
冲击韧性：材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。
断裂韧性：材料抵抗裂纹扩展的能力。
8、断裂韧性是表示材料何种性能的指标？为什么要在设计中要考虑这些指标？断裂韧性表示材料抵抗裂纹扩展的能力。
断裂韧性的实用意义在于：只要测出材料的断裂韧性，用无损探伤法确定零件中实际存在的缺陷尺寸，就可以判断零件在工作过程中有无脆性开裂的危险；测得断裂韧性和半裂纹长度后,就可以确定材料的实际承载能力。
所以，断裂韧性为设计、无损伤探伤提供了定量的依据。
<习题二>1、晶体：物质的质点（分子，原子或离子）在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质的晶体非晶体：是指组成物质的质点不呈空间有规则周期性排列的的固体。
晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子叫做晶格晶胞：从晶格中确定一个最基本的几何单元来表达其排列形式的特征，组成晶格的这种最基本的几何单元。
叫做晶胞晶格常数：晶胞的各边尺寸a，b，c叫做晶格常数致密度：致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。
晶面指数：表示晶面的符号叫做晶面指数晶向指数：表示晶向的符号叫做晶向指数晶体的各向异性：由于晶体中不同晶面和晶向上原子的密度不同，因此在晶体上不同晶面和晶向上原子结合力就不同，从而在不同晶面和晶向上显示出不同的性能。
点缺陷:是指在晶体中形成的空位和间隙原子面缺陷:其特征是在一个方向尺寸上很小，另外两个方向上扩展很大，也称二维缺陷，晶界、相界、孪晶界和堆垛层错都属于面缺陷。
线缺陷:晶格中一部分晶体相对另一部分晶体局部滑移，已滑移部分的交界线为位错线，即线缺陷。
金属材料的断裂和断裂韧性课件PPT
撕裂棱的形成过程示意图
19
准解理断裂和解理断裂的异同
同：穿晶断裂，脆性断裂，有小解理刻面、台阶。
①断裂起源：准解理源于晶粒内部的空洞、夹杂物、第二相粒子 ，而 解理则自晶界/相界一侧向另一侧延伸； ② 裂纹传播途径：准解理向四周放射状不连续扩展，与晶粒位向无关， 与细小第二相有关，解理是由晶界向晶内扩展，形成河流花样； ③ 解理位向：准解理小平面的位向与基体解理面之间无确定的对应关 系，源头不清。
微观：大量韧窝，内含夹杂物或第二相，微孔萌生处。
无明显塑性变形，沿解理面分离，穿晶断裂
在晶内微孔聚合，穿晶断裂
应力强度因子KI和断裂韧性KIc
ห้องสมุดไป่ตู้
低于许用应力，构件突然断裂 金属：裂纹尖端塑性区尺寸远小于裂纹长度。
微孔聚集断裂机理：形核—长大—聚合
三种基本断裂类型的实例
宏观解理断口：较为平坦、发亮的结晶状断面。
前推进直至断裂。
27
微孔聚合的三种形式 剪切裂纹一般沿滑移线发生.
高强材度料钢内常部发本生身这存种在模着式大的片微的孔夹聚杂合，，微 微孔成核源：第二相粒子其。韧孔性通较过“脆正弱常的的夹”杂微连孔成聚裂合纹模。式要 在应力作用下，基体和第差二。相这粒是子不的合界格面材脱料开出，现的一种缺陷 或第二相粒子本身开裂，于是出现微孔。
的流向与裂纹扩展方向一致 。
➢ 原因一：通过扭曲晶界或大角度晶界，相邻晶粒内解理面位向差很
大，裂纹在晶界受阻，裂纹尖端高应变激发晶界另一侧面裂纹成核。
➢ 原因二：裂纹不沿单一晶面发生，在跨越若干个相互平行的位于不
同高度上的解理面处发生，在交界处形成台阶。
➢ 解理断裂的另一个微观特征：舌状花样，它是解理裂纹沿孪晶界扩
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能金属材料在外力或能的作用下，所表现出来的一系列力学特性，如强度、刚度、塑性、韧性、弹性、硬度等，也包括在高低温、腐蚀、表面介质吸附、冲刷、磨损、空蚀（氧蚀）、粒子照射等力或机械能不同程度结合作用下的性能。
力学性能反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力，是选用金属材料的重要依据。
充分了解、掌握金属材料的力学性能，对于合理地选择、使用材料，充分发挥材料的作用，制定合理的加工工艺，保证产品质量有着极其重要的意义。
一、强度强度是材料受外力而不被破坏或不改变本身形状的能力。
(一)屈服点金属试样在拉伸试验过程中，载荷不再增加而试样仍继续发生塑性变形而伸长，这一现象叫做“屈服”。
材料开始发生屈服时所对应的应力，称为“屈服点”，以σs表示。
有些材料没有明显的屈服点，这往往采用σ0.2作为屈服阶段的特征值，称为屈服强度。
（二）抗拉强度拉伸试验时，材料在拉断前所承受的最大标称应力，即拉伸过程中最大力所对应的应力，称为抗拉强度，以σb表示。
二、塑性塑性是金属材料在外力作用下（断裂前）发生永久变形的能力，常以金属断裂时的最大相对塑性变形来表示，如拉伸时的断后伸长率和断面收缩率。
（一）伸长率金属材料在拉伸试验时试样拉断后其标距部分所伸长的长度与原始标距长度的百分比，称为断后伸长率，也叫伸长率，用δ表示。
（二）断面收缩率金属试样在拉断后，其缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，称为断面收缩率，以符号ψ表示。
三、硬度硬度是金属材料表面抵抗弹性变形、塑性变形或抵抗破裂的一种抗力，是衡量材料软硬的性能指标。
硬度不是一个单纯的、确定的物理量，而是一个由材料弹性、塑性、韧性等一系列不同性能组成的综合性能指标。
所以硬度不仅取决于材料本身，还取决于试验方法和条件。
（一）布氏硬度（二）洛氏硬度（三）维氏硬度四、韧性金属在断裂前吸收变形能量的能力，称为韧性。
衡量材料韧性的指标分为冲击韧性和断裂韧性。
材料力学中的断裂韧性理论
材料力学中的断裂韧性理论断裂韧性是材料力学中重要的概念，旨在描述材料抵抗断裂和破裂的能力。
本文将介绍材料力学中的断裂韧性理论，包括其定义、测量方法以及影响因素。
同时，还将探讨断裂韧性理论在工程实践中的应用以及未来的发展方向。
首先，我们来了解什么是断裂韧性。
断裂韧性是材料抵抗断裂的能力，也可以理解为材料在受到外力作用下发生断裂之前能够吸收的能量。
在材料力学中，断裂韧性常用来描述材料的脆性和韧性特征。
脆性材料具有较低的断裂韧性，即在受到应力集中时容易发生断裂；而韧性材料具有较高的断裂韧性，即在受到应力集中时能够更好地吸收能量，延缓断裂的发生。
测量材料的断裂韧性是材料力学研究中的重要任务。
在实验中，常用的方法是通过断裂韧性试验来进行测量。
最常用的试验方法包括拉伸试验和冲击试验。
拉伸试验通过施加拉伸力来测量材料的断裂韧性，冲击试验通过施加冲击载荷来测量材料的韧性能力。
通过这些试验结果，可以得到材料的断裂韧性参数，如断裂韧性指数和断裂韧性强度。
除了试验方法，还有一些理论模型用于描述和预测材料的断裂韧性。
线性弹性断裂力学模型是最早提出的模型之一，它基于弹性力学理论，并假设材料在断裂前的行为是线性弹性的。
这种模型适用于许多脆性材料，如陶瓷和玻璃。
然而，在韧性材料中，这种模型不适用，因为这些材料在断裂前会发生塑性变形。
与线性弹性断裂力学模型相比，弹塑性断裂力学模型更加适用于描述和预测韧性材料的断裂行为。
这种模型结合了弹性力学和塑性力学理论，并将断裂行为描述为弹性和塑性失效的综合结果。
弹塑性断裂力学模型考虑了材料的弹性变形和塑性变形，能够更准确地预测材料的断裂韧性。
影响材料断裂韧性的因素有很多，其中一个重要的因素是材料的组成和结构。
不同材料具有不同的原子组成和晶体结构，从而导致其断裂韧性的差异。
另一个影响因素是加载速率。
在冲击等快速加载下，材料的断裂韧性往往显著下降。
此外，温度也是一个重要的影响因素。
在低温下，许多材料的断裂韧性会显著增加，而在高温下会下降。
工程材料强度、断裂及断裂韧性
•It is a measure of the degree of plastic deformation that has been sustained at fracture. •A material that experience very little or no plastic deformation upon fracture is termed brittle
抗张强度（ MPa） 1400
3700 20000 6000~5000 3500 3500 2100 140 70
蓝宝石晶须 玻璃丝 硼丝 石墨丝 灰口铸铁 尼龙-66
退火合金钢 (4340)
淬火合金钢 (4340)
450~480
900~1600
尼龙-66纤维
PVC
700
34-61
马氏体时效钢 (300)
26.5 7.4 ~7.6 6.8 ~26.5 1.0 ~ 26.2 53 ~ 159 4.7
PMMA 醋酸纤维素
乙基纤维素 尼龙 – 66 尼龙 – 6 聚甲醛 低密度聚乙烯 高密度聚乙烯
聚四氟乙烯
聚苯醚 聚苯醚（25%玻璃 纤维） 聚砜 环氧树脂 环氧树脂（玻璃纤 维填料） 聚酰亚胺
（4）抗扭强度(torsional strength)
材料抵抗扭曲的能力。 b =M b /W
EXAMPLE PROBLEM 7.3
From the tensile stress–strain behavior for the brass specimen shown in Figure7.12, determine the following: (a) The modulus of elasticity. (b) The yield strength at a strain offset of 0.002. (c) The maximum load that can be sustained by a cylindrical specimen having an original diameter of 12.8 mm (d) The change in length of a specimen originally 250 mm long that issubjected to a tensile stress of 345 MPa.
混凝土断裂韧性试验标准
混凝土断裂韧性试验标准一、前言混凝土是一种广泛应用的建筑材料，在建筑工程中扮演着重要的角色。
在混凝土的使用过程中，由于各种外部因素的影响，混凝土常常会受到各种力的作用，从而导致混凝土的断裂。
为了保证混凝土在使用过程中的安全性和可靠性，需要对混凝土的断裂韧性进行试验和评估。
本文将详细介绍混凝土断裂韧性试验的标准。
二、试验目的混凝土断裂韧性试验的主要目的是评估混凝土在断裂过程中的能量吸收能力和变形能力，从而确定混凝土的韧性。
韧性是指材料在受到外力作用时，能够在一定程度上发生变形而不破坏的能力。
通过对混凝土的韧性进行评估，可以为混凝土的设计和使用提供可靠的依据。
三、试验方法混凝土断裂韧性试验的方法主要有三种：双三点弯曲试验、压剪试验和拉伸试验。
下面将分别介绍这三种试验方法的标准。
1. 双三点弯曲试验双三点弯曲试验是一种常用的混凝土断裂韧性试验方法。
该试验方法主要通过施加弯曲载荷来评估混凝土的韧性。
具体步骤如下：（1）试验样本的制备：根据标准要求，制备符合要求的试验样本。
（2）试验样本的预应力：根据标准要求，对试验样本进行预应力处理。
（3）试验样本的加载：将试验样本放在双三点支承上，施加弯曲载荷，测量载荷和挠度的变化。
（4）试验结果的处理：根据试验数据，计算出混凝土的断裂韧性指标。
2. 压剪试验压剪试验是另一种常用的混凝土断裂韧性试验方法。
该试验方法主要通过施加剪切载荷来评估混凝土的韧性。
具体步骤如下：（1）试验样本的制备：根据标准要求，制备符合要求的试验样本。
（2）试验样本的加载：将试验样本放在压剪试验机上，施加剪切载荷，测量载荷和位移的变化。
（3）试验结果的处理：根据试验数据，计算出混凝土的断裂韧性指标。
3. 拉伸试验拉伸试验是一种较少使用的混凝土断裂韧性试验方法。
该试验方法主要通过施加拉伸载荷来评估混凝土的韧性。
具体步骤如下：（1）试验样本的制备：根据标准要求，制备符合要求的试验样本。
（2）试验样本的加载：将试验样本放在拉伸试验机上，施加拉伸载荷，测量载荷和位移的变化。
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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
41.4~55.2
69.2~110.4 98.0~108.0 98.0 87.2 89.2~90.2 96.2~104.2 106.0~125.0 >98.0 96.2~134.8 68.6~75.6
聚丙烯
PVC 尼龙-66 尼龙-6 尼龙-1010 聚甲醛 聚碳酸酯 聚砜 聚酰亚胺 聚苯醚 氯化聚醚
33~41.4
34.6~61 81.4 72.7~76.4 51.0~53.9 61.2~66.4 65.7 70.4~83.7 92.5 84.6~87.6 41.5
200~700
20~40 60 150 100~250 60~75 60~100 20~100 6~8 30~80 60~160
蓝宝石晶须 玻璃丝 硼丝 石墨丝 灰口铸铁
高碳淬火钢
退火合金钢 (4340)
700~1300
450~480
尼龙-66
尼龙-66纤维
70
700
淬火合金钢 (4340)
马氏体时效钢 (300)
900~1600
2000
PVC
HDPE
34-61
21-38
钢琴丝
2400~3400
PP
33-41
材料名称 钢 铝
1180~1570
2870~2940 2360~2540 1270 2550 1960~2940 2750 3140 1960~2060 880
线形聚酯 聚四氟乙 烯
78.4
13.9~24.7
200
250~350
2850
390
114.8
10.8~13.7
（3）抗冲强度(impact strength)
量纲 MN/m2, MPa
t =1.5 F max l0 / (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： ①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。 ②可较灵敏地反映材料的缺陷， 抗张强度大，则抗弯强度也大
强度、断裂及断裂韧性
Strength, Fracture and Fracture Toughness of Materials Strength stress(tensile,compression and shear) flexural, torsional and impact Fracture Brittle Fracture, Theoretical fracture strength Ductile Fracture with a plastic deformation Transition of Brittle and Ductilty Fracture Toughness
4.5
2.0 1.45 1.6 1.4
0.94
1.04 1.47 1.05 1.37
111.7
39.2 137.2 235.2 78.4
0.21
0.53 1.03 0.67 1.0
0.25
0.21 0.21 1.5 0.57
2.1
1.35
205.8
0.66
1.0
（2）抗弯强度(flexural strength)
表4-1-4常见聚合物的力学强度
材料名称 低压聚乙 烯 聚苯乙烯 ABS PMMA 抗张强度 （MPa） 21.5~38 34.5~61 16~61 48.8~76.5 断裂伸长率 % 60~150 1.2~2.5 10~140 2~10 拉伸模量 MPa 820~930 2740~3460 650~2840 3140 抗弯强度 MPa 24.5~39.2 60.0~87.4 24.8~93.0 89.8~117.5 2950 弯曲模量 MPa 1080~1370
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。
2、屈服强度 (Yield Strength)
3、断裂强度 (Fracture Strength) （1）抗张强度(tensile strength) 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F max 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。