材料的断裂失效形式与机理

（MPa） （应力应变关系）
屈服强度: 。 σ σs= 0.2 = Fs/A0（MPa）
抗拉强度： σb= Fb/A0 （MPa）
(2-1)
延伸率： δ = ∆L/ L0 （∆L=L-L0 ）
断面收缩率：ψ = ∆A/A0 （∆A=A0-A）
其中，L0 、A0分别表示试样变形前标距长度和横截面积； L 、A分别表示试样断裂后标距拉伸长度和断口处的 横截面积。
● 解决方法 增强构件刚度(rigidity)的方式主要有：增加材料的
弹性模量和刚度、增大构件的横截面面积、改变构件的 截面形状、优化系统的结构形式。注意：刚度反映构件 的宏观变形行为，弹性模量反映材料的微观变形行为。
裂，随后裂纹疲劳扩展而断裂
2.1 材料失效形式
（a）地面升空时刻
（b）升空中爆炸
图2-2“挑战者”号升空时爆炸（1986年1月28日）
● 原因: “挑战者”号固态火箭助推器O型环橡胶密封圈 因零下气温弹性不足，导致燃料泄漏而爆炸
2.1 材料失效形式
（a）地面升空时刻 （b）机翼上的裂纹 （c）返回时解体爆炸
产生过量的弹性变形、甚至发生翘曲，最终导致失去 设计规定的功能。因此，构件的弹性应变必须限制在 设计规定的范围内：
F/AE = ε ＜ [ε]
(2-3)
其中：[ε]是许用弹性应变，它是弹性应变除以安全系 数ns的许可应变（allowable strain）。
第二章 材料的断裂失效形式与机理
2. 刚度准则（rigidity criterion）
断裂（fracture）、腐蚀（corrosion）、磨损 （wear）、畸变（distortion）和衰减 （attenuation）。
● 确定材料失效模式和起因，需要严格区分断裂、畸变、 腐蚀、磨损、衰减等不同的表现形式。
2.1 材料失效形式
● 断裂模式下的重大失效案例 ：
图2-1 大型运输船脆性断裂（1952年12月） ● 原因：船体对接焊缝因水流波动作用而发生开
第二章 材料的断裂失效形式与机理
2.2.3 材料的剪切变形 当 材 料 受 到 剪 力 (S) 作 用 时 ， 剪 应 力 τ (shear
stress)和剪应变γ (shear strain) 有如下的关系： τ = S/A （MPa） τ = G γ （MPa） γ = tanθ＝a/h (2-2) G＝E/2(1+ν) （MPa）
件上的外力共有五种形式： 拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转。
图2-4 外力的作用形式
第二章 材料的断裂失效形式与机理
2.2.1 力学性能 力学性能是材料在外力作用下抵抗变形和断裂的
能力。性能指标主要有：
图2-5 材料的力学性能指标
第二章 材料的断裂失效形式与机理
2.2.2 材料的拉伸变形 在拉伸应力应变图中，横坐标和纵坐标分别表示
其中, G为剪切模量，θ为剪切角， h为剪切高度，
ν为材料泊松系数 ν=∆d/∆ L。 图2-8 材料的剪切变形
第二章 材料的断裂失效形式与机理
2.2.4 典型材料的应力应变曲线
图2-9 典型材料的拉伸曲线
第二章 材料的断裂失效形式与机理
2.3 设计安全准则
1. 变形准则（deformation criterion） 构件在外力作用下产生弹性变形。外力过大时则
OeA线: 弹。性变形阶段
AC线: 屈服变形阶段
CB线: 塑性变形阶段
Bk线： 失稳断裂阶段
e点： 弹性应力点
A点： 屈服应力最大点
C点： 屈服变形结束点
B点： 最大应力点
k点: 断裂点
图2-7 拉伸-位移曲线
第二章 材料的断裂失效形式与机理
通过拉伸试验，可以测得材料的五大基本性能：
弹性模量: E= σ/ ε σ = Eε
第二章 材料的断裂失效形式与机理
刚度准则的变形式是：
δi ＜ [δi ]
θi ＜ [θi]
（2-4）
ห้องสมุดไป่ตู้
φi ＜ [φi]
式中，i= x, y, z ；δi, θi , φi分别是构件的挠度、偏转 角和扭转角； [δi ]、[θi]、y [yφ, i]分别是对应变量下除以各
自的安全系数值下所允许的挠度、偏转角和扭转角。
第二章 材料的断裂失效形式与机理
主 讲 人： 杨振国 单 位： 材料科学系 办 公 室： 先进材料楼 407室 联系方式： zgyang@fudan.edu.cn
65642523（O）
复旦大学材料科学系
2018.2
第二章 材料的断裂失效形式与机理
2.1 材料失效形式 2.2 外力的作用形式 2.3 安全设计准则 2.4 断口分析 2.5 硬度 2.6 冲击韧性 2.7 疲劳应力 2.8 蠕变应力 2.9 断裂韧性 2.10 金属的失效模式与失效机理的关系
刚度准则要求构件在外力作用下的弹性变形量不 超过允许的规定值，主要指挠曲、扭曲等弹性变形量。
● 畸变（distortion）是材料发生过量弹性变形而失 去结构稳定性的一种失效形式。它既涉及材料内部的弹 性变形，更涉及外部的结构变形。
畸变是在材料强度依然满足的前提下，因弹性变形 过量导致结构失去稳定性，从而不能达到设计规定的要 求。在许多转动件、连接件的结构系统中常会发生这种 特殊现象的失效。
材料的应变ε (strain)和应力σ (stress) 。
（a）应力应变曲线 （b）拉伸试验装置 图2-6 碳钢材料的拉伸应力-应变曲线
第二章 材料的断裂失效形式与机理
● 材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化叫变形。 弹性变形：外力去处后能够恢复的变形； 塑性变形：外力去处后不能恢复的变形。
● 拉伸-位移曲线上的特征点与特征线
第二章 材料的断裂失效形式与机理
2.1 材料失效形式
材料失效形式（模式）与载荷方式、环境条件有 密切关系。在外力作用下，若构件的应力超过屈服强 度或抗拉强度，就会发生大塑性变形、导致截面分离 而断裂；若构件含有裂纹并发生裂纹快速扩展，则会 发生低应力的断裂。
尽管材料的失效形式多样，但可以分为五种：
图2-3“哥伦比亚”号返回时爆炸（2003年2月1日） ● 原因：“哥伦比亚”号升空时，坠落的保温层泡沫塑
料碎片撞击机翼左侧生成两条裂纹，返回地面 进入大气层时因摩擦产生高温，导致铝合金机 翼熔化而断裂
第二章 材料的断裂失效形式与机理
2.2 外力的作用形式 材料的变形与外力(F) 作用的方式有关。作用在构