金属材料的断裂韧性-材料力学性能

合集下载

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
2021年10月21日星期四
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。
2021年10月21日星期四
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
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

金属材料的力学性能

金属材料的力学性能力学性能是指金属材料在受力作用下所表现出的力学行为和性质。

主要包括强度、塑性、韧性、硬度和抗疲劳性等。

以下将对金属材料的这些力学性能进行简要介绍。

首先，强度是指金属材料抵抗外力破坏的能力。

常见的强度指标有屈服强度、抗拉强度和抗压强度等。

屈服强度是材料在受力过程中开始发生塑性变形时的应力值，抗拉强度是金属材料在拉伸试验中抵抗断裂的能力，抗压强度则是抗压试验中材料承受外压力的能力。

这些强度指标决定了金属材料的受力承载能力。

其次，塑性是指金属材料在受力过程中能够产生可逆的永久变形的能力。

塑性是金属材料重要的力学性能，它体现了材料的延展性和可塑性。

常见的塑性指标有延伸率和冷弯性能等。

延伸率是材料在拉伸过程中产生的伸长量与原长度的比值，冷弯性能则是金属材料在室温下能够承受的塑性变形能力。

韧性是指金属材料在受力过程中能够吸收较大的能量而不断进行塑性变形的能力。

韧性是强度和塑性的综合体现，越高的韧性意味着金属材料在遭受外力时能更好地抵抗断裂。

常见的韧性指标有断裂韧性和冲击韧性等。

硬度是指金属材料抵抗外界划伤或压痕的能力，也是反映材料抗外界形变的能力。

硬度是金属材料与其他物质接触时发生形变的抵抗力，常见的硬度测试方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。

抗疲劳性是指金属材料在重复应力加载下抵抗疲劳损伤的能力。

金属材料在长期受到交变载荷时会发生疲劳破坏，抗疲劳性能反映了材料的疲劳寿命和稳定性。

常见的抗疲劳性指标有疲劳极限和疲劳寿命等。

综上所述，金属材料的力学性能包括强度、塑性、韧性、硬度和抗疲劳性等方面。

不同的金属材料在这些方面有着不同的特点和应用范围，因此在实际应用中需要根据具体情况选择合适的金属材料。

西安交通大学材料力学性能试验报告——断裂韧性

材料力学性能实验报告姓名: 班级: 学号: 成绩:
K的测定
实验名称实验六断裂韧性
1C
实验目的了解金属材料平面应变断裂韧性测试的一般原理和方法。

实验设备 1.CSS-88100万能材料试验机；
2.工具读数显微镜一台；
3.位移测量器；
4.千分尺一把；
5.三点弯曲试样40Cr和20#钢试样各两个。

试样示意图
图1 三点弯曲试样
由于三向应力的存在，使得裂纹扩展区域的位错运动困难，受到更大的摩擦力，从而塑性变差，更易发生脆断。

附录一:
断裂韧性试验中断口照片:
附录二:
%根据试验的数据画P-V 曲线的matlab 程序
%在运行程序之前, 需要将数据导入到matlab 中: “File ”|“Import Data ” (a)试样01的断口图 (b)试样02的断口图
图7 40Cr800℃淬火+100℃回火断口图
(a)试样412的断口图 (b)试样415的断口图
图8 20#退火态试样的断口图
图3 40Cr800℃+100℃回火试样01的P-V 曲线
0.5
1.5
2.5
4
变形/mm
力/N
图4 40Cr800℃+100℃回火试样02的P-V 曲线
4
变形/mm
力/N
变形/mm
力/N
图5 20#钢退火态试样412的P-V 曲线
变形/mm 力/N
图6 20#钢退火态试样415的P-V 曲线。

材料力学性能-第四章-金属的断裂韧度(3)

1-活动横梁 2-夹式引伸仪 3-支座 4-试样 5-载荷传感器 6-动态应变仪 7-X-Y函数记录仪
2021年10月21日星期四
第四章金属的断裂韧度
由于材料性能及试样尺寸不同，F-V曲线有三
种类型，如图4-9所示。
F Fmax
Fmax
Fmax
Ⅰ-材料韧性较好或试样尺寸较小；
Ⅱ-材料韧性或试样尺寸居中；
2021年10月21日星期四
第四章金属的断裂韧度
若材料韧性居中或试样厚度中等时，可能出现
Ⅱ型曲线。此类曲线有明显的迸发平台，这时由于
在加载过程中，处于平面应变状态的中心层先行扩
展，而处于平面应力状态的表面层还未扩展，因此
中心层裂纹迸发式的扩展被表面层阻碍。迸发时常
伴有清脆的爆裂声，这时的迸发载荷就可以作为FQ，由于材料显微组织可能不均匀，有时在F-V曲线上会
之减小。
2021年10月21日星期四
第四章金属的断裂韧度
实测的临界应力场强度因子KC与试样厚度的关系如图4-11所示。
由图可见，当试样厚度增加到某一个值Bc 后，KC也趋向一个恒定值，此值即为材料的平面应变断裂韧性KIC。
KC/MPa·m1/2
KIC
B/mm
图4-11 临界应力场强度因子与试样厚度的关系
2021年10月21日星期四
第四章金属的断裂韧度
大量试验表明，Bc值也大致等于2.5(KIC/ys)2，
因此，试样厚度的要求也是：
B
2.5
KIC
ys
2
但在实际检验中，KIC值未知，须用KQ代替，
并利用试验标准中的某些规定，使最后的判断条
件被简化为：
B

金属的力学性能

金属的力学性能
金属的力学性能是指金属材料在受力下的变形能力和承受能力。

主要包括以下几个方面：
1. 强度：金属的抗拉强度是指材料在拉伸试验中能承受的最大拉应力，抗压强度则是材料在压缩试验中能承受的最大压应力。

强度越高，说明金属材料越能承受拉伸或压缩载荷。

2. 延伸性：金属的延伸性是指材料在受拉力作用下能够发生可逆塑性变形的能力，通常用延伸率来表示。

高延伸性意味着材料能够在受力下进行较大的可逆形变，适用于需要抵抗冲击或振动载荷的应用。

3. 硬度：金属的硬度是指材料抵抗划伤或穿刺的能力，通常用洛氏硬度或布氏硬度来表示。

高硬度的金属能够抵抗划伤或穿刺，适用于需要较高耐磨性的应用。

4. 韧性：金属的韧性是指材料在断裂前能够吸收能量的能力，通常通过断裂韧性、冲击韧性或静态韧性来衡量。

高韧性的金属能够在受力下吸收更多的能量，抵抗断裂或破损。

5. 弹性模量：金属的弹性模量是指材料在受力下能够恢复原状的能力，也叫做弹性刚度。

高弹性模量的金属具有较大的刚度和弹性，适用于需要较好的回弹性能的应用。

以上是金属的一些基本的力学性能指标，不同金属材料具有不同的性能特点，可以根据具体需求选择合适的金属材料。

金属材料断裂韧性测试与数值模拟

金属材料断裂韧性测试与数值模拟金属材料在工程领域中扮演着重要的角色，其力学性能对结构的可靠性和安全性具有至关重要的影响。

其中，金属材料的断裂韧性是一个重要的性能指标，它衡量了材料在受到外力作用下抵抗破坏的能力。

为了准确评估金属材料的断裂韧性，实验测试与数值模拟成为了研究的重点。

实验测试是评估金属材料断裂韧性最主要的手段之一。

常用的实验方法包括冲击试验、拉伸试验和压缩试验等。

冲击试验通过施加冲击载荷在极短时间内造成材料断裂，从而实现韧性的测定。

拉伸试验则通过施加拉伸载荷，观察金属材料在断裂前的塑性变形行为来评估其韧性。

压缩试验则利用压缩载荷作用在金属材料上，观察材料在破坏前的强度和塑性变形能力来判断其韧性。

通过这些实验，可以获得金属材料的断裂韧性参数，如断裂韧性KIC值和断裂韧性强度σIc等。

然而，实验测试存在一些局限性。

首先，实验测试通常需要大量的时间、资源和材料。

其次，由于金属材料的力学性能受到多种因素的影响，实验测试结果的可靠性和重复性较差。

此外，实验测试也存在一定的安全隐患，特别是在冲击试验中。

为了克服实验测试的局限性，数值模拟成为了评估金属材料断裂韧性的重要工具。

数值模拟可以通过建立材料力学行为的数学模型，模拟实际工况下的应力应变分布和断裂过程。

常用的数值模拟方法包括有限元法、位错动力学模拟和分子动力学模拟等。

有限元法是一种广泛应用的数值模拟方法，它通过将结构分割成有限个小单元，在每个单元内建立与实际结构相对应的数学模型，通过求解节点的位移和应力分布来模拟结构的力学行为。

在金属材料断裂韧性测试中，有限元法可以模拟金属材料在受到外力作用时的应力和应变分布，进而评估其断裂韧性。

位错动力学模拟和分子动力学模拟则更注重于材料的微观行为，可以研究金属材料中位错的运动和相互作用，从而揭示其断裂韧性的微观机制。

数值模拟的优点在于可以对实验难以观测到的细节进行研究，并且可以提供更全面、更详细的信息。

然而，数值模拟的可靠性和准确性也受到多种因素的限制，如模型的准确性、模拟过程中的边界条件的确定等。

金属的力学性能—韧性(航空材料)

对一定材料，断裂韧性KⅠc是常数， KⅠc高的材料对裂纹扩展的抗力高，裂纹不易扩展，零件不易发生脆性破坏。
一般来讲，KⅠc与σc、σb的变化相反，而和塑性、冲击韧性的
变化一致。
思考：
1、断裂韧性KⅠc 的大小与材料内部有没有裂纹或是裂纹大小有没有关系？
2、同种材料做的尺寸形状相同的零件，第一种a=0，第二种a=1，第三种a=2 ，把这三种材料拉断所需要的应力是不是一样的？
的临界应力就愈大；（3）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；（4）韧性材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂一、冲击韧性
定义：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性测定方法：弯曲冲击试验标准试样：10×10×55mm
V型缺口或U型缺口
图1 摆锤式冲击试验机
1）将带有缺口的标准试样安装在试验机的支座上，注意使试样缺口背向摆锤的冲击方向； 2）将具有一定重力G的摆锤举至一定高度H1 ； 3）使摆锤自由落下，冲断试样，并向反方向升起一定高度H2；
含有裂纹的构件， σ裂纹尖端附近区域 ≧σ平均
决定裂纹是否发生失稳扩展
应力强度因子：为研究裂纹尖端附近区域的应力情况，引进了一个表示裂纹尖端附近区域应力场强度的因子。
对于无限大厚板的中央穿透I型裂纹（张开型裂纹）的应力强度因子
KⅠ= σ（πa）1/2
随σ增加， KⅠ增加
a——裂纹长度的一半 σ——外加应力
低应力脆断
裂纹扩展达到临界尺寸
判断裂纹扩展难易的指标
在应力的作用下，结构件中原有缺陷形成的裂纹发生失稳扩展而引起的
断裂韧性：材料内部抵抗裂纹失稳扩展的能力
裂纹扩展的方式有三种：张开型、滑开型和撕开型最危险最常见的形式

金属材料的断裂和断裂韧性课件

4.4.3 裂纹扩展的能量释放率GI和断裂韧性GIc
➢分析原理：能量法
应变能释放率
扩展临界
裂纹扩展需要吸收的能量率
稳定
dU GI dA
裂纹临界条件：G准则
G Ic
dS dA
40
金属材料的断裂和断裂韧性课件
K与G的关系
G
Gc Ic
1K E
1 2
E
2 c
K
2 Ic
41
金属材料的断裂和断裂韧性课件
断裂力学和断裂韧性
➢ 为防止裂纹体的低应力脆断，不得不对其强度——断裂抗
力进行研究，从而形成了断裂力学这样一个新学科。
➢ 断裂力学的研究内容包括裂纹尖端的应力和应变分析；建
立新的断裂判据；断裂力学参量的计算与实验测定，其中包括材料的力学性能新指标——断裂韧性及其测定，断裂机制和提高材料断裂韧性的途径等。
随第二相体积分数的增加，钢的韧性都下降，硫化物比碳化物的影响要明显得多。
➢ 2 基体的形变强化
基体的形变强化指数越大，则塑性变形后的强化越强烈，其结
* Kepn
果是各处均匀的变形。微孔长大后的聚合，将按正常模式进行，韧性好；相反地，如果基体的形变强化指数小，则变形容易局
部化，较易出现快速剪切裂开。这种聚合模式韧性低。
断裂前无明显的塑性变形，吸收的能量很少，而裂纹的扩展速度往往很快，几近音速，故脆性断裂前无明显的征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的后果。
➢ 在工程应用中，一般把Ψk <5％定为脆性断裂， Ψk =5％定
为准脆性断裂， Ψ k >5％定为韧性断裂。
➢ 材料处于脆性状态还是韧状态并不是固定不变的，往往因

3 金属的力学性能和断裂韧性

本质、应力状态、温度和变形速度都包括进去了。
20/47
1. 常规力学性能和相关机制概述
1.1 强度和塑性 1.2 屈服现象和包申格效应 1.3 应力状态柔性系数及力学状态图 1.4 金属的缺口效应 1.5 冲击韧性和脆性断裂理论 1.6 金属的疲劳 1.7 金属的蠕变 1.8 金属的断裂
21/47
表面能γ时，裂纹才能有扩展的条件，由能量平衡的出裂纹扩展的临界应力为：σc = (2Eγ π a)1 2
2)脆性断裂的位错理论
Zener-Stroth位错塞集理论认为位错滑移运动遇到晶界障碍时，因塞
集而产生裂纹应力集中，当此应力满足Griffith条件便产生解理裂纹。
该理论认为断裂主要由产生的裂纹
(2)
− 韧脆转变温度Tc与晶粒大小d，位错被钉扎的程度（Ky,Ks），比表面能γ 以及缺口的应力状态系数α有关。韧脆转变温度与晶粒直径平方根的对数
成正比。
• 总之，为使材料韧化，即降低材料的脆断倾向，应提高α, G,γ或降
低d, σi , Tc 及 Ky，Ks。 (1)和(2)式把决定断裂的四大要素，即材料
1. 常规力学性能和相关机制概述
1.1 强度和塑性 1.2 屈服现象和包申格效应 1.3 应力状态柔性系数及力学状态图 1.4 金属的缺口效应 1.5 冲击韧性和脆性断裂理论 1.6 金属的疲劳 1.7 金属的蠕变 1.8 金属的断裂
12/47
1.4 金属的缺口效应
(1)金属的缺口效应
– 因缺口的存在改变了应力状态而引起的脆化倾向，称为缺口敏感性，它和应力集中现象一起合称为金属的缺口效应
感度指标:qe=
σbN/
σ b
– qe愈大，缺口敏感性愈小，即塑性变形量大，脆断倾向性小(qe>1)；当qe<1时，说明缺口处还未