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.
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。
比模量 （107m） 0.27 0.26 0.25
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
2.0
1.45 1.6
1.04
1.47 1.05
39.2
137.2 235.2
0.53
1.03 0.67
0.21
0.21 1.5
1.4
2.1
1.37
1.35
78.4
205.8Leabharlann 表4-4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 聚丙烯 PVC 尼龙-66 尼龙-6
抗张强度 （MPa） 21.5~38
34.5~61 16~61 48.8~76.5 33~41.4 34.6~61 81.4 72.7~76.4
断裂伸长率 % 60~150
1.2~2.5 10~140 2~10 200~700 20~40 60 150
(d) in Equation 7.2, it is first necessary to determine the strain that is produced by a stress of 345 MPa. This is accomplished by locating the stress point on the stress–strain curve, point A, and reading the corresponding strain which is approximately 0.06.
1.0
0.66
0.57
1.0
（2）抗弯强度(flexural 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
聚碳酸酯 酚醛塑料（普通） 酚醛塑料（布填料 ） 酚醛塑料（玻璃纤 维填料）
15.9 ~ 106 2.1 ~ 2.6 5.3 ~ 29.7
18.5 ~ 31.8 5.3 ~ 15.9 5.3 ~ 15.9 10.6 ~ 15.9 >84.8 2.65 ~ 10.6
5.3 ~ 15.9 5.3 ~ 15.9 10.6 ~ 21.2
① 解理断裂 A 拉应力 B 原子间结合键遭到破坏 C 严格地沿一定的结晶学平面（即所谓“解理 面”）劈开。 解理面：表面能最小的晶面，低指数晶面。
强度、断裂及断裂韧性
Chapter 7
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
3、断裂——构件失效(failure)的主要形式之一
Chapter 7 Chapter 9
（1）脆性断裂 (Brittle fracture) 宏观特征； A 断裂前无明显的塑性变形（永久变形）， 吸收的 能量很少， B 裂纹的扩展速度往往很快，几近音速。 C 脆性断裂无明显的征兆可寻，断裂是突然发生的。 D 脆性断裂的宏观断口往往呈结晶状或颗粒状
表4-5 一些常见聚合物缺口Izod冲击强度（24C）
材料名称
聚苯乙烯 ABS 硬聚氯乙烯 聚氯乙烯共聚 物
冲击强度 10 - 2 KJ/m2 1.3 ~ 2.1 5.8 ~ 63 2.1 ~ 15.9
材料名称
聚丙烯
冲击强度
10 - 2 KJ/m2 2.65 ~10.6 63 ~ 68.9 1.3 ~ 1.9
表4-2 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 28 170 350 310 240~280 700~1300 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 高碳淬火钢
钢琴丝
2000
2400~3400
HDPE
PP
21-38
33-41
材料名称 钢 铝 钛
表4-3 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/ （GPa） （GPa） 104m） m 3) 7.8 1.01 205.8 0.13 2.8 4.5 0.46 0.94 73.5 111.7 0.17 0.21
1270 2550 1960~2940
2750 3140 1960~2060 880
（3）抗冲强度(impact strength)
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。
拉伸模量 MPa 820~930
2740~3460 650~2840 3140 1130~1380 2450~4120 3140~3240 2550
抗弯强度 MPa 24.5~39.2
60.0~87.4 24.8~93.0 89.8~117.5 41.4~55.2 69.2~110.4 98.0~108.0 98.0
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。
试验方法： 卡毕（Charpy）型 伊佐德（Izod）型 原理： 摆锤损失的能量就是材料 冲击强度（IS）的度量。 通常把抗试样冲强度引述 为断裂能量 /断裂面积， 量纲 KJ /m2。
β α
l W0
W=W0l(1-cos α)- W0l(1-cos β ) ΔE=mgh1-mgh2
100~250 60~75 60~100
20~100 6~8 30~80 60~160 200 250~350
1570 2710 2160~2360
2450~2750 ~ 2450~2750 4080 2850 390
87.2 89.2~90.2 96.2~104.2
106.0~125.0 >98.0 96.2~134.8 68.6~75.6 114.8 10.8~13.7
弯曲模量 MPa 1080~1370
2950 1180~1570 2870~2940 2360~2540
尼龙-1010 聚甲醛 聚碳酸酯
聚砜 聚酰亚胺 聚苯醚 氯化聚醚 线形聚酯 聚四氟乙 烯
51.0~53.9 61.2~66.4 65.7
70.4~83.7 92.5 84.6~87.6 41.5 78.4 13.9~24.7
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，
SOLUTION (a) The modulus of elasticity is the slope of the elastic or initial linear portion of the stress–strain curve.
In as much as the line segment passes through the origin, it is convenient to take both 1 and 1 as zero. If 2 is arbitrarily taken as 150 MPa, then 2 will have a value of 0.0016. Therefore,
(b) The 0.002 strain offset line is constructed as shown in the inset; its intersection with the stress–strain curve is at approximately 250 MPa, which is the yield strength of the brass. (c) The maximum load is calculated by using Equation 7.1, in which is taken to be the tensile strength, from Figure 7.12, 450 MPa. Solving for F, the maximum load, yields