第二章 材料的断裂失效形式与机理主 主 讲 讲 : 人: 杨振国单 : 位: 材料科学系办 办 公 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 2019.2 2.1 材料失效形式2.2 载荷 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 材料失效形式任何构件是由材料组成的,而材料的失效形式(模式)与载荷方式、环境条件有关系。在载荷作用下,若构件的应力超过屈服强度或抗拉强度,就发生塑性大变形、导致截面分离而断裂;若构件含有裂纹并且裂纹快速扩展,则发生低应力的脆性断裂。尽管材料的失效形式多样,但可以分为五大类:断裂( fracture )、腐蚀( corrosion )、磨损( wear )、畸变( distortion )和衰减( attenuation )。确定材料的失效模式和起因,需要区分断裂、畸变、腐蚀、磨损、衰减等不同的损伤形式。●第二章 材料的断裂失效形式与机理 图2 2- - 1 大型运输船的脆性断裂 ( 1952 年 12 月)● 原因:船体对接焊缝因水流波动发生开裂,随后裂纹发生疲劳扩展而断裂2.1 材料失效形式断裂模式下的重大失效案例 :● 图2 2- -2 2 “挑战者”号升空时爆炸 ( (1986 年1 月28日) 日)原因: “挑战者”号固态火箭助推器O O 型橡胶密封圈因存在不明缺陷、导致燃料泄漏而爆炸(a a ) 地面升空时刻 (b b )升空中爆炸2.1 材料失效形式● 图2 2- - 3“ 哥伦比亚”号返回时爆炸 ( 2003 年2 2 月1 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形成两条裂纹,返回地面进入大气层时因摩擦产生高温,导致内部铝合金机翼熔化而断裂(a a )地面升空时刻 (b b )机翼上的裂纹 (c c )返回时解体爆炸2.1 材料失效形式● 2.2 载荷作用形式材料的变形与载荷) (F) 的作用方式有关。构件上作用的载荷共有五种形式:拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转。图2 2- - 4 载荷的作用形式第二章 材料的断裂失效形式与机理 力学性能是材料在载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。性能指标主要有:图2 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 2.2.2 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 a )应力应变曲线 (b b )拉伸试验装置图2 2- - 6 碳钢材料的拉伸应力- - 应变曲线章 第二章 材料的断裂失效形式与机理 ● ● 材料在载荷作用下发生形状和尺寸的变化叫变形。弹性变形:载荷去处后能够恢复的变形;塑性变形:载荷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e e 点: 弹性应力点A A 点: 屈服应力最大点C C 点: 屈服变形结束点B B 点: 最大应力点k k 点 : 断裂点图2 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,可以测得材料的五个性能参数:弹性模量 : E = σ/ ε (MPa) )σ = Eε (应力应变关系)屈服强度 : σ s s = σ 0.2 = = F F s s /A 0 0 ( MPa )抗拉强度: σ σ b b = F b b /A 0 0 ( MPa ) (2- - 1)延伸率: δ = ∆L/ L 0 ( ∆L=L- -L L 0 0 )断面收缩率: ψ = ∆A/A 0 ( ∆A=A 0 0 - -A A )其中,L L 0 0 、A A 0 0 分别表示试样变形前标距长度和横截面面积;L 、A A 分别表示试样断裂后标距拉伸长度和断口处的横截面面积。。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 τ (shearstress) 和剪应变γ r (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) )其中, , G 为 剪切模量 ,θ θ 为 剪切角 ,h h 为剪切高度 ,ν ν 为材料泊松系数 ν ν = =∆ ∆ d/∆ ∆ L L 。图2 2- - 8 材料的剪切变形第二章 材料的断裂失效形式与机理 4 2.2.4 典型材料的应力应变曲线图2 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 3 2.3 设计安全准则. 1. 变形准则( deformation criterion )构件的截面在载荷作用下发生弹性变形。载荷过大时产生过量的弹性变形、甚至发生翘曲,最终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:ε 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 )刚度准则要求构件在载荷作用下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 )是指构件发生过量弹性变形而失去结构稳定性的一种失效形式,既涉及材料内部的弹性变形,也涉及外部的结构系统的变形。畸变是满足材料强度的前提下,因弹性变形过大导致结构失去稳定性,从而不能达到设计规定的功能。许多转动件、薄壁件等构件有时会发生这种特殊的失效现象。第二章 材料的断裂失效形式与机理 刚度准则的一般表述式是:δ i < < [ [δ i ] ]θ θ i < [ [θ θ i i ] ] (2 2- -4 4 )φ φi < < [ [φi] ]式中, i= x, y, z ;δ δ i i , θ θ i i , φ φ i i 分别是构件的挠度、转角; 和扭角; [ [δ δ i i ] ] 、[ [θ θ i i ] ]、 、 [ [φ φ i i ] ] 分别是对应变量下除以各自的安全系数值所允许的挠度、转角和扭角。● 解决方法增强构件刚度 (rigidity) 的方式主要有:增大材料的弹性模量和构件的横截面面积,改变构件的横截面形状,优化结构系统的连接方式和位置。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。  , y y 第二章 材料的断裂失效形式与机理 3. 强度准则( strength criterion )当材料承受的应力小于许用应力[ [σ ](allowable stress) 时, 构件是安全的,否则是不安全的。● 强度设计准则 : σ< < [ [σ ] (2- - 5)σ s /n s[ [σ ]= σ b /n b其中, [ [σ] 取二者中的最小者, ns 、n b 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 和 和 3 3 。● 解决方法提高材料强度等级,如碳钢更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 )金属材料在载荷作用下,其断口形貌与表面变形有关,一般分为二种: 脆性断裂和韧性断裂。