第四章第一節(jié)中間部分

1、4-1-5 強(qiáng)度、斷裂及斷裂韌性強(qiáng)度、斷裂及斷裂韌性Strength, Fracture and Fracture Toughness of MaterialsStrength 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 Tough

2、ness 4-1-5 強(qiáng)度強(qiáng)度(strength)、斷裂及斷裂韌性、斷裂及斷裂韌性 1、基本概念、基本概念 Concept （1）強(qiáng)度強(qiáng)度：材料抵抗形變和破壞的能力。材料抵抗形變和破壞的能力。 材料的內(nèi)部應(yīng)力：拉伸、壓縮、剪切 強(qiáng)度分為：拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度 加載特征分為：彎曲強(qiáng)度、扭曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度 材料表現(xiàn): 斷裂強(qiáng)度, 屈服強(qiáng)度(屈曲強(qiáng)度)屈服屈服:未到破壞強(qiáng)度，形變而失去承載能力 （2）斷裂和韌性斷裂和韌性( fracture and toughness) 斷裂是主要破壞形式，韌性是材料抵抗斷裂的能力。斷裂是主要破壞形式，韌性是材料抵抗斷裂的能力。 斷裂韌性：斷裂韌性

3、： 材料抵抗其內(nèi)部裂紋擴(kuò)展能力的性能指標(biāo)； 沖擊韌性：沖擊韌性： 材料在高速?zèng)_擊負(fù)荷下韌性的度量。二者間存在著某種內(nèi)在聯(lián)系。 實(shí)際應(yīng)用中，材料的屈服、斷裂 是最值得引起注意的兩個(gè)問(wèn)題， 斷裂韌性和沖擊韌性的差異：斷裂韌性和沖擊韌性的差異： 斷裂韌性斷裂韌性指材料阻止宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的度量，也是材料抵抗脆性破壞的韌性參數(shù)。它和裂紋本身的大小、形狀及外加應(yīng)力大小無(wú)關(guān)。是材料固有的特性，只與材料本身、熱處理及加工工藝有關(guān)。是應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值。常用斷裂前物體吸收的能量或外界對(duì)物體所作的功表示。例如應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積。韌性材料因具有大的斷裂伸長(zhǎng)值，所以有較大的斷裂韌性，而脆性材料一般斷裂韌性

4、較小。 沖擊韌性沖擊韌性工程上常用一次擺錘沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)定材料抵抗沖擊載荷的能力，即測(cè)定沖擊載荷試樣被折斷而消耗的沖擊功，單位為焦耳（J）。 沖擊韌性指標(biāo)的實(shí)際意義在于揭示材料的變脆傾向。 （3）屈服強(qiáng)度）屈服強(qiáng)度 (Yield Strength)2、 強(qiáng)度強(qiáng)度 ( Strength)（1）抗張強(qiáng)度）抗張強(qiáng)度(tensile strength) 規(guī)定的溫度、濕度和加載速度溫度、濕度和加載速度條件，標(biāo)準(zhǔn)試樣上沿軸向施加拉伸力直到試樣被拉斷為止，計(jì)算斷裂前試樣所承受的最大載荷F max 與試樣截面積之比。 量綱 MN/m2, MPa 高分子材料低于金屬材料， 樹(shù)脂基復(fù)合材料鋼等金屬材料。表表4-1-

5、2 一些材料的屈服強(qiáng)度或抗張強(qiáng)度數(shù)據(jù)一些材料的屈服強(qiáng)度或抗張強(qiáng)度數(shù)據(jù) 材 料 屈服強(qiáng)度（MPa）材 料抗 張 強(qiáng) 度 （MPa） 混凝土 3 鈹絲 1400 無(wú)氧99.95%退火銅 70 鎢晶須 3700 無(wú)氧99.95%冷拉銅 280 石墨晶須 20000 99.45%退火鋁 28 藍(lán)寶石晶須 60005000 99.45%冷拉鋁 170 玻璃絲 3500 經(jīng)熱處理鋁合金 350 硼絲 3500 可鍛鑄鐵 310 石墨絲 2100 低碳鋼 240280 灰口鑄鐵 140 高碳淬火鋼 7001300 尼龍尼龍-66 70 退火合金鋼 (4340) 450480 尼龍尼龍-66纖維纖維 700

6、淬火合金鋼 (4340) 9001600 PVC 34-61 馬氏體時(shí)效鋼 (300) 2000 HDPE 21-38 鋼琴絲 24003400 PP 33-41 表表4-1-3 幾種常見(jiàn)金屬材料與復(fù)合材料性能比較幾種常見(jiàn)金屬材料與復(fù)合材料性能比較 材料名稱 比重 (103kg/m 3) 拉伸強(qiáng)度 （GPa） 彈性模量 （GPa） 比強(qiáng)度比強(qiáng)度（104m） 比模量比模量 （107m） 鋼 7.8 1.01 205.8 0.13 0.27 鋁 2.8 0.46 73.5 0.17 0.26 鈦 4.5 0.94 111.7 0.21 0.25 玻璃鋼 2.0 1.04 39.2 0.53 0.2

7、1 碳纖維II/環(huán)氧 1.45 1.47 137.2 1.03 0.21 碳纖維I/環(huán)氧 1.6 1.05 235.2 0.67 1.5 有機(jī)玻璃PRD/環(huán)氧 1.4 1.37 78.4 1.0 0.57 硼纖維/環(huán)氧 2.1 1.35 205.8 0.66 1.0 （2）抗彎強(qiáng)度）抗彎強(qiáng)度(flexural strength) 量綱量綱 MN/m2, MPa t =1.5 F max l0 / (b.d2) l0，b及及d分別為試樣的長(zhǎng)、寬、厚分別為試樣的長(zhǎng)、寬、厚 加載方式: 三點(diǎn)彎曲, 四點(diǎn)彎曲。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 適用于 A： 測(cè)定加工不方便的脆性材料，如鑄鐵、工具鋼、硬質(zhì)合金乃至陶瓷材料

8、的斷裂強(qiáng)度和塑性。 B： 高分子材料，常用于篩選配方或控制產(chǎn)品質(zhì)量。 可較靈敏地反映材料的缺陷， 抗張強(qiáng)度大，則抗彎強(qiáng)度也大 表表4-1-4常見(jiàn)聚合物的力學(xué)強(qiáng)度常見(jiàn)聚合物的力學(xué)強(qiáng)度 材料名稱 抗張強(qiáng)度抗張強(qiáng)度 （MPa） 斷裂伸長(zhǎng)率斷裂伸長(zhǎng)率 % 拉伸模量拉伸模量 MPa 抗彎強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度 MPa 彎曲模量彎曲模量 MPa 低壓聚乙烯 21.538 60150 820930 24.539.2 10801370 聚苯乙烯 34.561 1.22.5 27403460 60.087.4 ABS 1661 10140 6502840 24.893.0 2950 PMMA 48.876.5 210 3

9、140 89.8117.5 聚丙烯 3341.4 200700 11301380 41.455.2 11801570 PVC 34.661 2040 24504120 69.2110.4 尼龍-66 81.4 60 31403240 98.0108.0 28702940 尼龍-6 72.776.4 150 2550 98.0 23602540 尼龍-1010 51.053.9 100250 1570 87.2 1270 聚甲醛 61.266.4 6075 2710 89.290.2 2550 聚碳酸酯 65.7 60100 21602360 96.2104.2 19602940 聚砜 70.4

10、83.7 20100 24502750 106.0125.0 2750 聚酰亞胺 92.5 68 98.0 3140 聚苯醚 84.687.6 3080 24502750 96.2134.8 19602060 氯化聚醚 41.5 60160 4080 68.675.6 880 線形聚酯 78.4 200 2850 114.8 聚四氟乙烯 13.924.7 250350 390 10.813.7 A、 材料在高速?zèng)_擊高速?zèng)_擊狀態(tài)下的韌性韌性或?qū)嗔训挚鼓芰Φ牧慷取?B、 指某一標(biāo)準(zhǔn)試樣在斷裂時(shí)單位面積上所需要的能量能量，而不是通常所指的“斷裂應(yīng)力”。 C、 其值與高速拉伸應(yīng)力 應(yīng)變曲線下的面積面

11、積成正比。 D、 不是材料的基本參數(shù)，而是一定幾何形狀的試樣在特定試驗(yàn)在特定試驗(yàn)條件下條件下韌性的一個(gè)指標(biāo)。 （3）抗沖強(qiáng)度）抗沖強(qiáng)度(impact strength)試驗(yàn)方法：試驗(yàn)方法： 卡畢卡畢（Charpy）型 （簡(jiǎn)支梁）伊佐德伊佐德（Izod）型 （懸臂梁）原理： 擺錘損失的能量就是材料沖擊強(qiáng)度（IS）的度量。 通常把抗試樣沖強(qiáng)度引述為斷裂能量 /斷裂面積， 量綱量綱 KJ /m2。 lW0 E=mgh1-mgh2 注意問(wèn)題注意問(wèn)題:1. 凡是能引發(fā)大量銀紋而又能及時(shí)地將銀紋終止的因素,就可以起到增韌的效果。 2. 材料可用兩種類(lèi)型缺口: V字和U字型。3. 評(píng)價(jià)金屬材料的沖擊韌性更常

12、采用的是脆韌轉(zhuǎn)變。表表4-1-5 一些常見(jiàn)聚合物缺口一些常見(jiàn)聚合物缺口Izod沖擊強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度（24C） 材料名稱材料名稱沖擊強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度 10 - 2 KJ/m2 10 - 2 KJ/m2 聚苯乙烯 1.3 2.1 聚丙烯 2.65 10.6 ABS 5.8 63 聚碳酸酯 63 68.9 硬聚氯乙烯 2.1 15.9 酚醛塑料（普通） 1.3 1.9 聚氯乙烯共聚物 15.9 106 酚醛塑料（布填料） 5.3 15.9 PMMA 2.1 2.6 酚醛塑料（玻璃纖維填料） 5.3 15.9 醋酸纖維素 5.3 29.7 聚四氟乙烯 10.6 21.2 乙基纖維素 18.5 31.8 聚苯醚

13、 26.5 尼龍 66 5.3 15.9 聚苯醚（25%玻璃纖維） 7.4 7.6 尼龍 6 5.3 15.9 聚砜 6.8 26.5 聚甲醛 10.6 15.9 環(huán)氧樹(shù)脂 1.0 26.2 低密度聚乙烯 84.8 環(huán)氧樹(shù)脂（玻璃纖維填料） 53 159 高密度聚乙烯 2.65 10.6 聚酰亞胺 4.7 （4）抗扭強(qiáng)度）抗扭強(qiáng)度(torsional strength) 材料抵抗扭曲的能力。 b =M b /W 3、斷裂、斷裂構(gòu)件失效(failure)的主要形式之一 主要包括：脆性斷裂和韌性斷裂主要包括：脆性斷裂和韌性斷裂（1）脆性斷裂）脆性斷裂 (Brittle fracture) 宏觀特征

14、特征： A 斷裂前無(wú)明顯的塑性變形無(wú)明顯的塑性變形（永久變形）， 吸收的能量很少。 B 裂紋的擴(kuò)展裂紋的擴(kuò)展速度往往很快很快，幾近音速。 C 脆性斷裂無(wú)明顯的征兆無(wú)明顯的征兆可尋，斷裂是突然發(fā)生的。 D 脆性斷裂的宏觀斷口斷口往往呈結(jié)晶狀或顆粒狀。 脆性斷裂脆性斷裂: 微觀形式來(lái)看微觀形式來(lái)看, 解理斷裂和晶間斷裂解理斷裂和晶間斷裂 解理斷裂解理斷裂 一種穿晶斷裂，一種穿晶斷裂，一般發(fā)生在金屬材料。 A 拉應(yīng)力拉應(yīng)力 B 原子間結(jié)合鍵結(jié)合鍵遭到破壞 C 嚴(yán)格地沿一定的結(jié)晶學(xué)平面結(jié)晶學(xué)平面（即所謂“解理面”）劈開(kāi)。 解理面解理面：表面能最小的晶面，低指數(shù)晶面。 準(zhǔn)解理斷裂準(zhǔn)解理斷裂 馬氏體回火中

15、細(xì)小的碳化物質(zhì)點(diǎn)影響裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。 晶間斷裂晶間斷裂 裂紋沿晶界擴(kuò)展裂紋沿晶界擴(kuò)展的一種脆性斷裂。 a 晶界存在連續(xù)分布的脆性第二相 b 微量有害雜質(zhì)元素在晶界上的偏離 c 環(huán)境介質(zhì)作用（2）理論）理論斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度和脆斷強(qiáng)度理論和脆斷強(qiáng)度理論 理論理論斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度(theoretical fracture strength) 正應(yīng)力正應(yīng)力作用故稱拉斷拉斷 根據(jù)圖所示的曲線 = m sin(2 x / ) 式中x為原子平面拉開(kāi)的距離（從原子平面間距a 0處開(kāi)始計(jì)算，即原子間的位移），為正弦曲線的波長(zhǎng), a 0為原子間的平衡距離。 另外：根據(jù)新表面產(chǎn)生，需要的表面功等于放出的彈性應(yīng)變功

16、，理想晶體解理斷裂的理論斷裂強(qiáng)度理論斷裂強(qiáng)度： m =(E. s / a 0 )1/2 E= 10 2 GPa， s =1J /m 2 ，a 0 =310-10 m， m =18.3 GPa，其值大約為E/7。 如金屬鐵鐵，E= 200GPa， s = 2 J /m 2 ，a 0 =2.510-10m， m =40GMPa，約為E/5。 脆性材料不適合進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，而常采用彎曲實(shí)驗(yàn)來(lái)代替，脆性材料不適合進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，而常采用彎曲實(shí)驗(yàn)來(lái)代替，以表面上最大的應(yīng)力來(lái)評(píng)價(jià)實(shí)際解理強(qiáng)度。實(shí)際解理強(qiáng)度大以表面上最大的應(yīng)力來(lái)評(píng)價(jià)實(shí)際解理強(qiáng)度。實(shí)際解理強(qiáng)度大約為約為E/1000，可見(jiàn)它比理論解理強(qiáng)度，可見(jiàn)它比

17、理論解理強(qiáng)度E/7小得多。小得多。-聚乙烯聚乙烯理論拉伸強(qiáng)度為2030GPa 。 高度取向高度取向，實(shí)際拉伸強(qiáng)度最大值為1.2GPa， 未取向未取向，實(shí)際強(qiáng)度比理論值小100倍左右。 Griffith（格列菲斯理論）（格列菲斯理論）-裂紋裂紋(缺口缺口)理論理論 解釋理論斷裂與實(shí)際斷裂強(qiáng)度之間的巨大差異。解釋理論斷裂與實(shí)際斷裂強(qiáng)度之間的巨大差異。A 脆性材料發(fā)生斷裂所需的能量能量在材料中的分布是不均勻的，分布是不均勻的， B 當(dāng)名義應(yīng)力還很低時(shí)，局部應(yīng)力集中局部應(yīng)力集中已經(jīng)達(dá)到很高的數(shù)值，從而使裂紋快速擴(kuò)展，并導(dǎo)致脆性斷裂。 C 裂紋尖端裂紋尖端局部區(qū)域的材料強(qiáng)度強(qiáng)度可以達(dá)到其理論強(qiáng)度值 倘若

18、應(yīng)力集中超過(guò)材料的理論強(qiáng)度值，則裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展，引起材料的斷裂。 現(xiàn)假定薄板的裂紋裂紋為一個(gè)扁平橢圓橢圓形，長(zhǎng)度為 L或2a，寬度為b，則作用在微裂紋端處的最大應(yīng)力 max為： max = 0（1+2a/b） (4-32) max / 0=1+2a/b 式中 max / 0稱為稱為應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力集中系數(shù)。 max 是作用在裂紋尖端處的應(yīng)是作用在裂紋尖端處的應(yīng)力力。又設(shè)這個(gè)尖端處曲率半徑為尖端處曲率半徑為 =b2/a， max = 01+2(a/)1/2 =2 0(a/)1/2 max / 0=2(a/)1/2 max =2 f (a/ )1/2 =(E. s / a 0 )1/2 (4-3

19、7) 式（4-37）中 f為斷裂應(yīng)力為斷裂應(yīng)力 f = .E. s / (4a.a 0 )1/2 從能量平衡來(lái)推導(dǎo)從能量平衡來(lái)推導(dǎo) f 由此得裂紋失穩(wěn)狀態(tài)的臨界應(yīng)力裂紋失穩(wěn)狀態(tài)的臨界應(yīng)力 c為： c =2E s / ( . a)1/2 臨界半裂紋長(zhǎng)度臨界半裂紋長(zhǎng)度a c 為： a c =2E s / ( . c 2 ) 格列菲斯公式格列菲斯公式（是在薄板條件下，應(yīng)力僅存在于板面上，而板厚方向的應(yīng)力可以忽略的情況下導(dǎo)出的） 結(jié)論：結(jié)論： 當(dāng)外力超過(guò)當(dāng)外力超過(guò) c之后，裂紋就自動(dòng)擴(kuò)展；而當(dāng)半裂紋長(zhǎng)之后，裂紋就自動(dòng)擴(kuò)展；而當(dāng)半裂紋長(zhǎng)度度 a c當(dāng)時(shí)，要使裂紋擴(kuò)展必須提供外界能量。當(dāng)時(shí)，要使裂紋擴(kuò)展必

20、須提供外界能量。 f = .E. s / (4a.a 0 )1/2 = c = 2E s / ( . a)1/2 則有： =8a 0 / 3 a 0 c =2 .E. s / (8a.a 0 )1/2 2 E s / (3 . a. a 0)1/2 它表明 =3 a 0，即相當(dāng)于3倍原子間距的尺寸，是彈性裂紋有效曲率半徑的下限 脆性斷裂的脆性斷裂的位錯(cuò)位錯(cuò)理論理論 Griffith理論基于實(shí)際晶體材料存在裂紋。 解釋了理論斷裂和實(shí)際斷裂強(qiáng)度存在的巨大差異的原因。但如果晶體原無(wú)裂紋但如果晶體原無(wú)裂紋，在應(yīng)力作用下，材料發(fā)生解理斷裂的的理論位錯(cuò)理論。位錯(cuò)理論。 其中著名的理論有Zener-Stro

21、h位錯(cuò)塞積理論、Cottrell位錯(cuò)反應(yīng)理論和Smith碳化物開(kāi)裂理論等等。這些理論解釋了脆性裂紋的成核和長(zhǎng)大問(wèn)題。下圖為位錯(cuò)塞積形成裂紋的示意圖。 在金屬晶體的變形過(guò)程中，移動(dòng)著的在金屬晶體的變形過(guò)程中，移動(dòng)著的位錯(cuò)經(jīng)常會(huì)受到晶界、亞晶界、第二位錯(cuò)經(jīng)常會(huì)受到晶界、亞晶界、第二相或者固定位錯(cuò)的阻礙而停留在晶體相或者固定位錯(cuò)的阻礙而停留在晶體內(nèi)部。由于同號(hào)位錯(cuò)之間存在著斥力，內(nèi)部。由于同號(hào)位錯(cuò)之間存在著斥力，跟隨這個(gè)被阻礙位錯(cuò)后面的一系列同跟隨這個(gè)被阻礙位錯(cuò)后面的一系列同號(hào)位錯(cuò)，因受到斥力不能移動(dòng)而堆積號(hào)位錯(cuò)，因受到斥力不能移動(dòng)而堆積起來(lái)。堆積起來(lái)的位錯(cuò)越來(lái)越多，斥起來(lái)。堆積起來(lái)的位錯(cuò)越來(lái)越多，

22、斥力也越來(lái)越大，這種現(xiàn)象被為力也越來(lái)越大，這種現(xiàn)象被為位錯(cuò)塞位錯(cuò)塞積積。 材料斷裂前總會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形。而塑性變形與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。 1、位錯(cuò)塞積理論 位錯(cuò)塞積頭處，應(yīng)力集中，超過(guò)材料的強(qiáng)度極限, 裂紋形成。 2、位錯(cuò)反應(yīng)理論 位錯(cuò)反應(yīng)，形成新的位錯(cuò)，能量降低， 3、史密斯理論（脆性材料萌生裂紋） 位錯(cuò)塞積，在脆性相內(nèi)萌生裂紋。 永久變形永久變形的影響的影響 Griffith公式計(jì)算值顯著低于實(shí)驗(yàn)值（某些呈脆性破壞的晶體材低于實(shí)驗(yàn)值（某些呈脆性破壞的晶體材料和許多非晶態(tài)聚合物的斷裂應(yīng)力）料和許多非晶態(tài)聚合物的斷裂應(yīng)力）。 其原因是裂紋前沿?cái)U(kuò)展所需的永久變形功功上 c = 2E ( s + p

23、 ) / ( . a)1/2 Griffith-Orowan-Irwin 公式公式 p 為塑性變形功為塑性變形功，當(dāng) p s c = 2E p / ( . a)1/2 （3）延性斷裂）延性斷裂 (Ductile Fracture ) 明顯的永久變形永久變形，并且經(jīng)常有縮頸縮頸現(xiàn)象 多數(shù)金屬和合金通常是延性材料， 大多數(shù)陶瓷、玻璃、云母和灰口鐵，在室溫下一般表現(xiàn)為脆性斷裂 形成縮頸縮頸。 微孔微孔成核核。 微孔微孔逐漸長(zhǎng)大長(zhǎng)大 微孔微孔聚合，直到最后斷裂斷裂. 延性斷裂的特征及過(guò)程延性斷裂的特征及過(guò)程 微孔成核、長(zhǎng)大和聚合的機(jī)理微孔成核、長(zhǎng)大和聚合的機(jī)理 微孔成核并逐漸長(zhǎng)大，有兩種不同的聚合模式

24、。微孔成核并逐漸長(zhǎng)大，有兩種不同的聚合模式。A 一種為正常的聚合。微孔長(zhǎng)大后出現(xiàn)了內(nèi)頸縮，使實(shí)際承載的面積減少而應(yīng)力增加，起到了“幾何軟化”作用，加速微孔的長(zhǎng)大，直至聚合，斷裂。這種變形均勻，速度較慢，消耗能量多，韌性好。B 另一種聚合模式是裂紋尖端與微孔、或微孔與微孔之間產(chǎn)生了局部滑移，產(chǎn)生了快速剪切裂開(kāi)。微孔聚合的速度快，消耗能量少，韌性差。 影響延性斷裂擴(kuò)展的影響延性斷裂擴(kuò)展的因素因素 a 第二相粒子第二相粒子 第二相粒子的存在 體積分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)、 種類(lèi)、種類(lèi)、 形狀形狀 b 基體的形變強(qiáng)化基體的形變強(qiáng)化 指數(shù)越大，韌性越好 形變強(qiáng)化：形變強(qiáng)化：衡量材料抵抗頸縮加速發(fā)展和頸縮變形局部化能力。斷裂延伸率斷裂延伸率 percent elongation （percentage of plastic stra