第一章13材料的断裂和机械强度
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第一章13材ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的断裂和 机械强度
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2020/11/27
第一章13材料的断裂和机械强度
•1.3.1 理论断裂强度
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第一章13材料的断裂和机械强度
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第一章13材料的断裂和机械强度
• 可见固体的理论断裂强度取决于材料的 弹性模量、表面能和晶格常数。面间距越 小，弹性模量和表面能越大，固体材料的 理论断裂强度就越高。
• 实测的断裂强度只有理论值的百分之一， 只有极细的纤维和晶须的强度比较接近理 论强度值。主要是由于固体材料内部的缺 陷所致。
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第一章13材料的断裂和机械强度
•1.3.2 Griffith断裂理论和断裂强 度
•1921年，Griffith提出裂纹理论解释这一现象，认为裂纹 引起的应力集中导致的裂纹扩展使材料断裂（而不是两个 理论晶面的分离），因此材料的强度低于理论值。
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第一章13材料的断裂和机械强度
•1.3.4 断裂力学与材料的断裂韧性
• 用断裂力学建立起的断裂判据，能真正用于设计上，它能 告诉我们，在给定裂纹尺寸和形状时，究竟允许多大的工作应力 才不致发生脆断；反之，当工作应力确定后，可根据断裂判据确 定构件内部在不发生断裂的前提下所允许的最大裂纹尺寸。
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
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第一章13材料的断裂和机械强度
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第一章13材料的断裂和机械强度
•（3） 维氏硬度和显微硬度
• 将相对面夹角为1361的正四棱锥金刚石压头 以一定的载荷压入试样表面并保持一定的时间后 卸除试验力，所使用的载荷与试样表面上形成的 压痕的面积之比。
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第一章13材料的断裂和机械强度
•测量范围：
• 目前工业上所用到的几乎全部金属材料
•对于无限大平板含中心穿透裂纹，
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第一章13材料的断裂和机械强度
•断裂韧性KIC和断裂判据
•裂纹尖端附近各点的应力随着KI值的增大而 提高， 当KI值随外力增大至临界值时，裂纹 就会快速扩展而导致构件断裂。这一临界状态 所对应的应力强度因子KIC称为临界应力强度 因子，单位为Pa﹒m1/2
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第一章13材料的断裂和机械强度
•（2） 布氏硬度和洛氏硬度硬度 测试.rmvb
•布氏硬度和洛氏硬度试验---金属材料。
• 布氏硬度的测定原理是用一定大小的载荷F（kgf），把直径 为D（mm）的淬火钢球或硬质合金球压入试样表面，保持规定时 间后卸除载荷，测量试样表面的残留压痕直径d，求压痕的表面 积S。将单位压痕面积承受的平均压力（F/S）定义为布氏硬度， 其符号用HB表示。
由于气孔的存在不但使材料的实际受力面积减小，而且还
会在周围引起应力集中。同样的气孔率，气孔尺寸越不均
一，分布越不均匀、形状越尖锐，对强度的影响就越大。
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第一章13材料的断裂和机械强度
•强度的测试
• 拉伸强度、弯曲强度、压缩强度和扭转强度，针对 不同的材料选择不同的测试方法，注意试样的大小会影 响测试结果。
第一章13材料的断裂和机械强度
•2 裂纹扩展的基本方 式
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第一章13材料的断裂和机械强度
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第一章13材料的断裂和机械强度
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第一章13材料的断裂和机械强度
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第一章13材料的断裂和机械强度
•3. 裂纹尖端区域的应力场与应力场强度因 子
•一均匀受力的无限大平板含 有长度为2c的I型裂纹，在其 尖端（r, θ）处的应力分量 为：
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第一章13材料的断裂和机械强度
•上式写成一般通式为：
•可以得到
•KI反映了裂纹尖端应力场的强度，称为应力场强度因 子，单位为Pa﹒m1/2，但是由于各种裂纹的具体情况有 差别，表达式不同。Y称为几何形状因子，其值随裂纹 的形态、试样形状与加载方式的不同而异，一般情况Y 的值介于1~2之间，无量纲。
• 根据热力学和经典力学中的能量守恒定律，分析含裂纹 的固体在应力作用下自由能的变化，首次证明了脆性材料 的实际强度显著低于理论值的原因。
•同样的材料，大试样的强度低于小试样 •？
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第一章13材料的断裂和机械强度
• 要使材料具有高的断裂强度，就要求材料的弹性模量 和断裂表面能打，而裂纹尺寸小。
•式中临界应力
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•材料的断裂强度。
第一章13材料的断裂和机械强度
•Griffith 判据
•KIC与材料的本征参数E和γ等物理量有直接的 关系，反映了材料抵抗裂纹扩展的能力。
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第一章13材料的断裂和机械强度
•断裂韧性的测 试
•预制人工裂纹，对试样加载使之破坏
•加载速率过低，裂纹可能会在在KI<KIC的 条件下发生亚临界裂纹扩展，使测试结果 偏低；但加载速率过高，使测量结果偏高。
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第一章13材料的断裂和机械强度
• 1. 晶粒尺寸的影响
•
晶界的化学键合比晶粒内部弱，晶粒的断裂能要
明显高于晶界，而且晶界是杂质和缺陷的存在和富集之处，
所以多晶材料多沿晶界断裂。晶粒越细，则断裂表面积越
大，断裂能越高。断裂强度与晶粒尺寸d-1/2成正比关系。
• 2. 气孔的影响
•
材料的强度一般随着气孔率的提高而下降，这是
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第一章13材料的断裂和机械强度
•洛氏硬度的优缺点
•优点：因有硬质、软质两种压头，故适用各 种硬质材料的检验；压痕小，不伤工件表面； 操作迅速，效率高，适用大量生产中的成品检 验。
•缺点：用不同硬度级测量的硬度值无法统一， 不能进行比较；压痕太小，代表性差，重复性 差，分散度大，不适用于测量结构粗大、不均 匀的材料。
• 为了与人们的习惯相一致，即材料越硬，硬度 值越大，采用选定常数减去所得t值的办法，以其差 值来表示洛氏硬度值。此常数定为0.2mm（用于HRA、 HRC）和0.26mm（用于HRB），此外再规定0.002mm为 一个硬度单位，这样硬度最大值分别为100和130。 硬度值可以直接从洛氏硬度计上读出。
•1 裂纹的形成
• （1）位错导致裂纹核形成
•当位错运动遇到障碍（如晶界、 第二相等）或者遇到由位错反应 形成的不动位错而产生赛积，引 起 局部应力集中，达到理论断 裂强度时，就会导致局部的开裂 而形成解理裂纹。
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•（2）材料制备和使用过程中形成的裂纹
•
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第一章13材料的断裂和机械强度
•1.3.5 材料的硬度
• 硬度反映材料表面局部抵抗塑性形变的 能力，主要取决于材料的组成和结构，原子 间的结合能越大，硬度就越高。
•（1）莫氏硬度
• 莫氏硬度是划痕硬度，表示的是硬度相 对大小的顺序，而不是定量的软硬程度。按 典型矿物的相对软硬程度将硬度划分为10级， 金刚石为10.
•断裂强度的统计性质
• 材料的断裂起源于内部存在的最危险裂纹。因此材 料的强度值与平均值之间存在较大的偏差。Weibull提 出经验分布的方法，是一种“最弱环”方法，认为物体 的强度与一系列独立体积单元的幸存概率有关。类似于 一根链条取决于最弱的环节，链条断裂后，链条剩余部 分的强度又由该部分的最弱环节决定，而且剩余部分的 强度比断裂前链条的强度高，以此类推。
• 布氏硬度试验的优点是压痕面积较大，能反映材料在较大区 域内各组成相的综合平均性能，数据稳定，重复性高。缺点是压 痕直径较大，一般不宜在成品件上直接进行试验，不适合薄件和 表面层硬度的测试，对于测量硬度高的材料，钢球本身会产生变 形。
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第一章13材料的断裂和机械强度
• 洛氏硬度也是一种压入硬度试验方法，以测量 压痕深度值的大小来表示材料的硬度值，以HR来表 示。试验的压头为圆锥角等于120度的金刚石圆锥 或直径为1.588mm或3.175mm的淬火钢球。用压痕凹 陷深度t来表征材料的硬度，材料越软，t越大。
•硬度表示法：
• HV前面的数值为硬度值，后面的是试验力，如 果试验力保持时间不是通常的10-15秒，还需在试验 力后标注保持时间
• 600HV30/20---采用30千克力的试验力，保持20秒， 得到硬度值为600.
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第一章13材料的断裂和机械强度
夹杂物与基体热膨胀系数不一致产生热应力导致微裂纹
•
第二相相变发生体积和形状的改变导致微裂纹
•
热膨胀系数和弹性模量显著各向异性，当温度或应力改变时在晶
界处产生内应力，导致微裂纹
• 基体内部致密度相差较大，在烧结过程中收缩不均导致微裂纹
•（3）材料表面由机械损伤和化学腐蚀形成的表 面裂纹
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第一章13材料的断裂和机械强度
•1.3.3 材料的显微结构与强度的关系
•材料的显微结构包括多晶材料中晶界的特征及 多晶中晶粒的大小、形状和取向。 •陶瓷材料和高分子材料还包括晶向及非晶相的 分布；气孔的尺寸、数量与位置，各种杂质、添 加物、缺陷、微裂纹的存在形式及分布； •金属材料还包括共晶组织、马氏体组织等。
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•1.3.1 理论断裂强度
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• 可见固体的理论断裂强度取决于材料的 弹性模量、表面能和晶格常数。面间距越 小，弹性模量和表面能越大，固体材料的 理论断裂强度就越高。
• 实测的断裂强度只有理论值的百分之一， 只有极细的纤维和晶须的强度比较接近理 论强度值。主要是由于固体材料内部的缺 陷所致。
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第一章13材料的断裂和机械强度
•1.3.2 Griffith断裂理论和断裂强 度
•1921年，Griffith提出裂纹理论解释这一现象，认为裂纹 引起的应力集中导致的裂纹扩展使材料断裂（而不是两个 理论晶面的分离），因此材料的强度低于理论值。
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第一章13材料的断裂和机械强度
•1.3.4 断裂力学与材料的断裂韧性
• 用断裂力学建立起的断裂判据，能真正用于设计上，它能 告诉我们，在给定裂纹尺寸和形状时，究竟允许多大的工作应力 才不致发生脆断；反之，当工作应力确定后，可根据断裂判据确 定构件内部在不发生断裂的前提下所允许的最大裂纹尺寸。
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•（3） 维氏硬度和显微硬度
• 将相对面夹角为1361的正四棱锥金刚石压头 以一定的载荷压入试样表面并保持一定的时间后 卸除试验力，所使用的载荷与试样表面上形成的 压痕的面积之比。
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•测量范围：
• 目前工业上所用到的几乎全部金属材料
•对于无限大平板含中心穿透裂纹，
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•断裂韧性KIC和断裂判据
•裂纹尖端附近各点的应力随着KI值的增大而 提高， 当KI值随外力增大至临界值时，裂纹 就会快速扩展而导致构件断裂。这一临界状态 所对应的应力强度因子KIC称为临界应力强度 因子，单位为Pa﹒m1/2
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•（2） 布氏硬度和洛氏硬度硬度 测试.rmvb
•布氏硬度和洛氏硬度试验---金属材料。
• 布氏硬度的测定原理是用一定大小的载荷F（kgf），把直径 为D（mm）的淬火钢球或硬质合金球压入试样表面，保持规定时 间后卸除载荷，测量试样表面的残留压痕直径d，求压痕的表面 积S。将单位压痕面积承受的平均压力（F/S）定义为布氏硬度， 其符号用HB表示。
由于气孔的存在不但使材料的实际受力面积减小，而且还
会在周围引起应力集中。同样的气孔率，气孔尺寸越不均
一，分布越不均匀、形状越尖锐，对强度的影响就越大。
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第一章13材料的断裂和机械强度
•强度的测试
• 拉伸强度、弯曲强度、压缩强度和扭转强度，针对 不同的材料选择不同的测试方法，注意试样的大小会影 响测试结果。
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•2 裂纹扩展的基本方 式
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•3. 裂纹尖端区域的应力场与应力场强度因 子
•一均匀受力的无限大平板含 有长度为2c的I型裂纹，在其 尖端（r, θ）处的应力分量 为：
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第一章13材料的断裂和机械强度
•上式写成一般通式为：
•可以得到
•KI反映了裂纹尖端应力场的强度，称为应力场强度因 子，单位为Pa﹒m1/2，但是由于各种裂纹的具体情况有 差别，表达式不同。Y称为几何形状因子，其值随裂纹 的形态、试样形状与加载方式的不同而异，一般情况Y 的值介于1~2之间，无量纲。
• 根据热力学和经典力学中的能量守恒定律，分析含裂纹 的固体在应力作用下自由能的变化，首次证明了脆性材料 的实际强度显著低于理论值的原因。
•同样的材料，大试样的强度低于小试样 •？
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• 要使材料具有高的断裂强度，就要求材料的弹性模量 和断裂表面能打，而裂纹尺寸小。
•式中临界应力
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•材料的断裂强度。
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•Griffith 判据
•KIC与材料的本征参数E和γ等物理量有直接的 关系，反映了材料抵抗裂纹扩展的能力。
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第一章13材料的断裂和机械强度
•断裂韧性的测 试
•预制人工裂纹，对试样加载使之破坏
•加载速率过低，裂纹可能会在在KI<KIC的 条件下发生亚临界裂纹扩展，使测试结果 偏低；但加载速率过高，使测量结果偏高。
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第一章13材料的断裂和机械强度
• 1. 晶粒尺寸的影响
•
晶界的化学键合比晶粒内部弱，晶粒的断裂能要
明显高于晶界，而且晶界是杂质和缺陷的存在和富集之处，
所以多晶材料多沿晶界断裂。晶粒越细，则断裂表面积越
大，断裂能越高。断裂强度与晶粒尺寸d-1/2成正比关系。
• 2. 气孔的影响
•
材料的强度一般随着气孔率的提高而下降，这是
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•洛氏硬度的优缺点
•优点：因有硬质、软质两种压头，故适用各 种硬质材料的检验；压痕小，不伤工件表面； 操作迅速，效率高，适用大量生产中的成品检 验。
•缺点：用不同硬度级测量的硬度值无法统一， 不能进行比较；压痕太小，代表性差，重复性 差，分散度大，不适用于测量结构粗大、不均 匀的材料。
• 为了与人们的习惯相一致，即材料越硬，硬度 值越大，采用选定常数减去所得t值的办法，以其差 值来表示洛氏硬度值。此常数定为0.2mm（用于HRA、 HRC）和0.26mm（用于HRB），此外再规定0.002mm为 一个硬度单位，这样硬度最大值分别为100和130。 硬度值可以直接从洛氏硬度计上读出。
•1 裂纹的形成
• （1）位错导致裂纹核形成
•当位错运动遇到障碍（如晶界、 第二相等）或者遇到由位错反应 形成的不动位错而产生赛积，引 起 局部应力集中，达到理论断 裂强度时，就会导致局部的开裂 而形成解理裂纹。
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•（2）材料制备和使用过程中形成的裂纹
•
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•1.3.5 材料的硬度
• 硬度反映材料表面局部抵抗塑性形变的 能力，主要取决于材料的组成和结构，原子 间的结合能越大，硬度就越高。
•（1）莫氏硬度
• 莫氏硬度是划痕硬度，表示的是硬度相 对大小的顺序，而不是定量的软硬程度。按 典型矿物的相对软硬程度将硬度划分为10级， 金刚石为10.
•断裂强度的统计性质
• 材料的断裂起源于内部存在的最危险裂纹。因此材 料的强度值与平均值之间存在较大的偏差。Weibull提 出经验分布的方法，是一种“最弱环”方法，认为物体 的强度与一系列独立体积单元的幸存概率有关。类似于 一根链条取决于最弱的环节，链条断裂后，链条剩余部 分的强度又由该部分的最弱环节决定，而且剩余部分的 强度比断裂前链条的强度高，以此类推。
• 布氏硬度试验的优点是压痕面积较大，能反映材料在较大区 域内各组成相的综合平均性能，数据稳定，重复性高。缺点是压 痕直径较大，一般不宜在成品件上直接进行试验，不适合薄件和 表面层硬度的测试，对于测量硬度高的材料，钢球本身会产生变 形。
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第一章13材料的断裂和机械强度
• 洛氏硬度也是一种压入硬度试验方法，以测量 压痕深度值的大小来表示材料的硬度值，以HR来表 示。试验的压头为圆锥角等于120度的金刚石圆锥 或直径为1.588mm或3.175mm的淬火钢球。用压痕凹 陷深度t来表征材料的硬度，材料越软，t越大。
•硬度表示法：
• HV前面的数值为硬度值，后面的是试验力，如 果试验力保持时间不是通常的10-15秒，还需在试验 力后标注保持时间
• 600HV30/20---采用30千克力的试验力，保持20秒， 得到硬度值为600.
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第一章13材料的断裂和机械强度
夹杂物与基体热膨胀系数不一致产生热应力导致微裂纹
•
第二相相变发生体积和形状的改变导致微裂纹
•
热膨胀系数和弹性模量显著各向异性，当温度或应力改变时在晶
界处产生内应力，导致微裂纹
• 基体内部致密度相差较大，在烧结过程中收缩不均导致微裂纹
•（3）材料表面由机械损伤和化学腐蚀形成的表 面裂纹
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•1.3.3 材料的显微结构与强度的关系
•材料的显微结构包括多晶材料中晶界的特征及 多晶中晶粒的大小、形状和取向。 •陶瓷材料和高分子材料还包括晶向及非晶相的 分布；气孔的尺寸、数量与位置，各种杂质、添 加物、缺陷、微裂纹的存在形式及分布； •金属材料还包括共晶组织、马氏体组织等。