《复旦大学精品课程《材料分析》课件,材料断裂失效形式及机理课件复习精品材料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复旦大学精品课程《材料分析》课件,材料断裂失效形式及机理课件复习精品材料（66页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 第二章第二章 材料断裂的失效形式与机理材料断裂的失效形式与机理 主主 讲讲 人：人： 杨振国杨振国 单单 位：位： 材料科学系材料科学系 办办 公公 室：室： 先进材料楼先进材料楼 407室室 联系方式：联系方式： 65642523（O） 复旦大学材料科学系复旦大学材料科学系 2015.22015.2 2.1 2.1 材料的失效形式材料的失效形式 2.2 2.2 外力外力的作用形式的作用形式 2.32.3 安全安全设计准则设计准则 2.4 2.4 断口分析断口分析 2.5 2.5 硬度硬度 2.6 2.6 冲击韧性冲击韧性 2.7 2.7 疲劳应力疲劳应力 2.8 2.8 蠕变应力蠕变应力
2、 2.9 2.9 断裂韧性断裂韧性 2.10 2.10 金属的金属的失效模式失效模式与失效机理的关系与失效机理的关系 第二章第二章 材料断裂的失效形式与机理材料断裂的失效形式与机理 2.1 材料的失效形式材料的失效形式 材料的失效形式（模式）与其微观结构及其材料材料的失效形式（模式）与其微观结构及其材料 组成密切相关。当材料受外力作用时，若应力超过其组成密切相关。当材料受外力作用时，若应力超过其 临界值，如屈服强度或抗拉强度，就会因塑性变形而临界值，如屈服强度或抗拉强度，就会因塑性变形而 发生损坏，最终断裂。发生损坏，最终断裂。 尽管材料失效类型多样，但按失效模式，大致尽管材料失效类型多样，但
3、按失效模式，大致 可以分为五种：可以分为五种： 断裂断裂(fracture)(fracture)、腐蚀、腐蚀(corrosion)(corrosion)、磨损、磨损(wear)(wear)、 畸变畸变(distortion) (distortion) 和衰减和衰减(attenuation) (attenuation) 。 确定材料的失效模式和起因，就必须区分断裂行为、确定材料的失效模式和起因，就必须区分断裂行为、 畸变变形行为、腐蚀行为、磨损行为和衰减行为。畸变变形行为、腐蚀行为、磨损行为和衰减行为。 第二章第二章 材料的断裂失效形式与机理材料的断裂失效形式与机理 图图2 2- -1 1 大型
4、运输船脆性断裂大型运输船脆性断裂（19521952年年1212月）月） 原因：船体对接焊缝因水流波动作用而发生疲劳开原因：船体对接焊缝因水流波动作用而发生疲劳开 裂，随后因裂纹扩展而断裂。裂，随后因裂纹扩展而断裂。 2.1 材料的失效形式材料的失效形式 断裂模式下几个重大的失效案例断裂模式下几个重大的失效案例 ： 图图2 2- -2 2“挑战者”号升空时爆炸“挑战者”号升空时爆炸（1986年年1月月28日）日） 原因原因: : “挑战者”号的助推器橡胶密封圈“挑战者”号的助推器橡胶密封圈O O型环因型环因 气温低而失去弹性，导致燃料泄漏而爆炸。气温低而失去弹性，导致燃料泄漏而爆炸。 （a a）
5、地面升空时刻地面升空时刻 （b b）升空中爆炸）升空中爆炸 2.1 材料的失效形式材料的失效形式 图图2 2- -3“3“哥伦比亚”号返回时爆炸哥伦比亚”号返回时爆炸（20032003年年2 2月月1 1日）日） 原因：“哥伦比亚”号升空时，坠落的保温层泡沫塑原因：“哥伦比亚”号升空时，坠落的保温层泡沫塑 料碎片撞击了左机翼生成两条裂纹，返回地料碎片撞击了左机翼生成两条裂纹，返回地 球进入大气层时，因摩擦产生高温，导致机翼球进入大气层时，因摩擦产生高温，导致机翼 熔化而断裂。熔化而断裂。 （a a）地面升空时刻）地面升空时刻 （b b）机翼上的裂纹）机翼上的裂纹 （c c）返回时解体爆炸）返回
6、时解体爆炸 2.1 材料的失效形式材料的失效形式 2.2 2.2 外力的作用形式外力的作用形式 材料的变形行为是与外力材料的变形行为是与外力(F)(F) 作用的方式有关。作用的方式有关。 构件上的外力共有五种作用形式：构件上的外力共有五种作用形式： 拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转。拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转。 图图2 2- -4 4 外力的作用形式外力的作用形式 第二章第二章 材料的断裂失效形式与机理材料的断裂失效形式与机理 力学性能是材料在外力作用下抵抗变形和断裂的力学性能是材料在外力作用下抵抗变形和断裂的 能力，力学性能指标主要有：能力，力学性能指标主要有： 图图2 2- -5 5 材料的
7、力学性能指标材料的力学性能指标 2.2.1 力学性能力学性能 第二章第二章 材料的断裂失效形式与机理材料的断裂失效形式与机理 2.2.22.2.2 材料的拉伸变形材料的拉伸变形 在拉伸应力应变图中，横坐标和纵坐标分别表示在拉伸应力应变图中，横坐标和纵坐标分别表示 材料的应变材料的应变 (strain) (strain)应力和应力和 (stress) (stress) 。 （a a）应力应变曲线）应力应变曲线 （b b）拉伸试验装臵）拉伸试验装臵 图图2 2- -6 6 碳钢材料的拉伸应力碳钢材料的拉伸应力- -应变曲线应变曲线 第二章第二章 材料的断裂失效形式与机理材料的断裂失效形式与机理 材
8、料在外力作用下发生形状和尺寸的变化叫变形。材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化叫变形。 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。 。 拉伸拉伸- -位移曲线上的特征点与特征线位移曲线上的特征点与特征线 OeAOeA线线: : 弹性变形阶段弹性变形阶段 ACAC线线: : 屈服变形阶段屈服变形阶段 CBCB线线: : 塑性变形阶段塑性变形阶段 BkBk线：线： 失稳断裂阶段失稳断裂阶段 e e点：点： 弹性应力点弹性应力点 A A点：点： 屈服应力最大点屈服应力最大点 C C点：点：
9、 屈服变形结束点屈服变形结束点 B B点：点： 最大应力点最大应力点 k k点点: : 断裂点断裂点 图图2 2- -7 7 拉伸拉伸- -位移曲线位移曲线 第二章第二章 材料的断裂失效形式与机理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：通过拉伸试验，可以测得材料的五大基本性能： 弹性模量弹性模量: E= / : E= / （MPa） = E = E （应力应变关系）（应力应变关系） 屈服强度屈服强度: : s s= =0.2 = F Fs s/A/A0 0（MPaMPa） 抗拉强度：抗拉强度： b b= F= Fb b/A/A0 0 （MPaMPa） (2(2- -
10、1)1) 延伸率：延伸率： = L/ L = L/ L0 0 （ （L=LL=L- -L L0 0 ） 断面收缩率：断面收缩率： = A/A = A/A0 0 （ （A=AA=A0 0- -A A） 其中，其中，L L0 0 、A A0 0分别表示试样变形前标距长度和横截面积；分别表示试样变形前标距长度和横截面积； L L 、A A分别表示试样断裂后标距拉伸长度和断口处的分别表示试样断裂后标距拉伸长度和断口处的 横截面积。横截面积。 。 第二章第二章 材料的断裂失效形式与机理材料的断裂失效形式与机理 2.2.3 2.2.3 材料的剪切变形材料的剪切变形 当材料受到当材料受到剪力剪力(S)(S)
11、作用时作用时，其剪应力其剪应力 (shear(shear stress)stress)与剪应变与剪应变(shear(shear strain)strain) 有如下关系：有如下关系： = S/A = S/A （MPa） = G = G （MPa） = = tantana/h (2a/h (2- -2)2) GGE/2(1+) E/2(1+) （MPa） 其中其中, , G G为为剪切模量剪切模量， 为为剪切角剪切角， h h为剪切高度为剪切高度， 为材料泊松系数为材料泊松系数 = d/d/ L L。 图图2 2- -8 8 材料的剪切变形材料的剪切变形 第二章第二章 材料的断裂失效形式与机理材
12、料的断裂失效形式与机理 2.2.42.2.4 典型材料的应力应变曲线典型材料的应力应变曲线 图图2 2- -9 9 典型材料的拉伸曲线典型材料的拉伸曲线 第二章第二章 材料的断裂失效形式与机理材料的断裂失效形式与机理 2.32.3 安全安全设计准则设计准则 1.1. 变形准则（变形准则（deformation criteriondeformation criterion） 构件在外力作用下会产生一定的弹性变形。外力过构件在外力作用下会产生一定的弹性变形。外力过 大时，会发生过量变形、甚至翘曲，导致失去规定的功大时，会发生过量变形、甚至翘曲，导致失去规定的功 能。因此，材料的弹性变形必须限制在一
13、定范围内：能。因此，材料的弹性变形必须限制在一定范围内： F/AE = F/AE = (2(2- -3)3) 其中，其中，为允许的弹性应变值，是一个除上安全系数为允许的弹性应变值，是一个除上安全系数n ns s 的值。的值。 畸变（畸变（distortiondistortion）是指一种异常的变形，使构件）是指一种异常的变形，使构件 不能达到规定的功能。它与材料的强度无关。不能达到规定的功能。它与材料的强度无关。 2. 2. 刚度准则（刚度准则（rigidity criterionrigidity criterion） 刚度准则要求构件在外力作用下产生的弹性变形量刚度准则要求构件在外力作用下产
14、生的弹性变形量 不超过允许的变形值，主要指弯曲、挠曲、扭曲等变形。不超过允许的变形值，主要指弯曲、挠曲、扭曲等变形。 第二章第二章 材料的断裂失效形式与机理材料的断裂失效形式与机理 刚度准则的表达式是：刚度准则的表达式是： i i i i i i （2 2- -4 4） i i i 式中，式中，i= x, y, z i= x, y, z ； i i, , i i , , i i分别是构件的挠度、偏转分别是构件的挠度、偏转 角和扭转角；角和扭转角； i i 、 i i 、 i i 分别是对应变量下除以各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。自的安全系数值下所允许的挠度、偏转角和扭转角。 解决方法解决方法 增强构件刚度增强构件刚度(rigidity)(rigidity)的方式主要有：提高弹性模的方式主要有：提高弹性模 量量E E及剪切模量及剪切模量G G，增加横截面面积，增加横截面面积A A，改变截面形状和，改变截面形状和 结构形式。注意：结构形式。注意：刚度反映构件的宏观变形行为，弹性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性质。模量反映材料的微观变形性质。 ,yy 第二章第二章 材料的断裂失效形式与
