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 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 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: 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。 第二章材料的断裂失效形式与机理图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 裂,随后裂纹疲劳扩展而断裂 2.1 材料失效形式 断裂模式下的重大失效案例: 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 (a)地面升空时刻 (b)升空中爆炸 2.1 材料失效形式 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 (a)地面升空时刻 (b)机翼上的裂纹 (c)返回时解体爆炸 2.1 材料失效形式 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 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 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 2.2.1 力学性能 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 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 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: (应力应变关系)屈服强度: (MPa)抗拉强度: (MPa)(2-1) 延伸率: 、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。 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: tanθ=a/h(2-2) (MPa)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 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 变形准则(deformationcriterion) 构件在外力作用下产生弹性变形。外力过大时则 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 (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 刚度准则(rigiditycriterion) 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。 第二章材料的断裂失效形式与机理 刚度准则的变形式是: φi分别是构件的挠度、偏转角和扭转角; [φi]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。 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。 强度准则(strengthcriterion) 当材料承受的应力小于许用应力[σ](allowable stress) 分别为设计时屈服强度和抗拉强度的安全系数,分别取1.5 解决方法提高材料强度等级,如碳钢替换为低合金钢或降低 外加载荷或改变应力集中位置等。 第二章材料的断裂失效形式与机理 2.4 断口分析(fractography) 金属材料在外力作用下,其断口形貌与表面变形 有关,一般分为二种形式:脆性断裂和韧性断裂。 脆性断裂(brittlefracture) 脆性断裂的断口表面在断裂前几乎没有塑性变形, 外观上是齐平式形貌,微观上是解理形态。 (a)宏观形态 解理形态图2-10 脆性断口 第二章材料的断裂失效形式与机理 韧性断裂(ductilefracture) 韧性断口有明显的塑性变形,断裂前有预兆, 外观上如杯锥形形貌,微观上是韧窝形态。 (a)宏观形态 微观韧窝形态图2-11 韧性断口 第二章材料的断裂失效形式与机理 断口分析内容断口分析一般涉及宏观分析和微观分析。 (1)宏观分析 用肉眼、放大镜或体视显微镜对断口进行直接观察, 依据断口的宏观形貌,初步确定失效模式和断裂起裂点, 为深入分析和判明失效原因提供依据。 (2)微观分析 采用多种分析仪器对断口进行观察和分析。一般采 用扫描电镜 (SEM) 和能谱仪(EDS),初步观察断口的 微观形态、确定材料成分,为后续所需的深度分析比如表 面分析如XPS、AES、SIMS等指明方向,厘清失效机理。 第二章材料的断裂失效形式与机理 材料抵抗表面局部变形的能力叫硬度材料的硬度与抗拉强度、弹性模量等有一定的关 联性,对材料的加工、磨损都有重要影响。 测试方法常有三种:压痕法、回跳法和刻痕法。 布氏硬度HB(Brinellhardness) 布氏硬度是用一定载荷P,将淬火钢球压头压入被 测材料表面,保持一定时间后卸载,根据压入的直径d 的压痕面积A(图2-12)来获得。计算式为: HB (2-6)2.5 硬度(hardness) 第二章材料的断裂失效形式与机理 HB主要用于退火状态下的钢铁、铸铁、有色金属 及一些特殊非金属材料,适用于HB