强度、断裂及断裂韧性（PPT讲稿）Strength, Fracture and Fracture Toughness of Materials

4-1-5强度、断裂及断裂韧性 Strengt th, Fracture and fracture Toughness of Materials Strengt 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 ductility Fracture Toughness

4-1-5 强度、断裂及断裂韧性 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

4-1-5强度 strength)、断裂及断裂韧性 、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

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

2、屈服强度( Yield Strength) FIGURE 7.10 Elastic, Plastic (a) Typical stress-strain behavior for a metal showing Upper yield lastic and plast deformations. the proportiona al limit p and the yield strength o as determined using Lower yield the 0 002 strain offset oint (b) Representative stress-strain behavior found for some steels demonstrating the yield point phenomenon Stra Str 0.002 (a)

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与试样截面积之比。 量纲MN/m2,MPa 高分子材料钢等金属材料

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

FIGURE 7 13 Schematic representations of Brittle B tensile stress-strain behavior for brittle and Ductile ductile materials loaded to fracture ∽= B Strain

表4-1-2一些材料的屈服强度或抗张强度数据 材料 屈服强度(MPa) 材料 抗张强度 MPa) 混凝土 铍丝 1400 无氧99,95%退火铜 钨晶须 3700 无氧995%冷拉铜280 石墨晶须 20000 9945%退火铝 28 蓝宝石晶须 6000~5000 9945%冷拉铝 170 玻璃丝 3500 经热处理铝合金 350 硼丝一 可锻铸铁 310 石墨丝 2100 低碳钢 240~280 灰口铸铁 140 高碳淬火钢 700~1300 尼龙-66 退火合金钢(4340) 450~480 尼龙-66纤维 700 淬火合金钢(4340) 900~1600 PVC 34-61 马氏体时效钢(3002000 HDPE 钢琴丝 2400~3400 PP 33-41

表4-1-2 一些材料的屈服强度或抗张强度数据 材 料 屈服强度（MPa） 材 料 抗 张 强 度 （ MPa） 混凝土 3 铍丝 1400 无氧99.95%退火铜 70 钨晶须 3700 无氧99.95%冷拉铜 280 石墨晶须 20000 99.45%退火铝 28 蓝宝石晶须 6000~5000 99.45%冷拉铝 170 玻璃丝 3500 经热处理铝合金 350 硼丝 3500 可锻铸铁 310 石墨丝 2100 低碳钢 240~280 灰口铸铁 140 高碳淬火钢 700~1300 尼龙-66 70 退火合金钢 (4340) 450~480 尼龙-66纤维 700 淬火合金钢 (4340) 900~1600 PVC 34-61 马氏体时效钢 (300) 2000 HDPE 21-38 钢琴丝 2400~3400 PP 33-41

表4-1-3几种常见金属材料与复合材料性能比较 比重 材料名称(x10kg/拉伸强度弹性模量比强度( 比模量 (GPa) (GPa) ×104m) (×107m) m3) 1.01 205.8 0.13 0.27 钢铝钛 2.8 0.46 73.5 0.17 0.26 0.94 0.21 0.25 玻璃钢 2.0 1.04 39.2 0.53 0.21 碳纤维Ⅲ 环氧 145 1.47 137.2 1.03 0.21 碳纤维Ⅳ 环氧 1.05 235.2 0.67 1.5 有机玻璃 PRD/环氧 1.37 78.4 1.0 0.57 硼纤维/环 氧 1.35 205.8 0.66 1.0

表4-1-3 几种常见金属材料与复合材料性能比较 材料名称 比重 (103kg/ m 3) 拉伸强度 （GPa） 弹性模量 （GPa） 比强度（ 104m） 比模量 （107m） 钢 7.8 1.01 205.8 0.13 0.27 铝 2.8 0.46 73.5 0.17 0.26 钛 4.5 0.94 111.7 0.21 0.25 玻璃钢 2.0 1.04 39.2 0.53 0.21 碳纤维II/ 环氧 1.45 1.47 137.2 1.03 0.21 碳纤维I/ 环氧 1.6 1.05 235.2 0.67 1.5 有机玻璃 PRD/环氧 1.4 1.37 78.4 1.0 0.57 硼纤维/环 氧 2.1 1.35 205.8 0.66 1.0

(2)抗弯强度( exural strength) 量纲MN/m2,MPa 01=15Fmxl0/(bd2) l,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

（2）抗弯强度(flexural strength) 量纲 MN/m2 , MPa  t =1.5 F max l0 / (b.d2 ) l 0，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

表4-1-4常见聚合物的力学强度 材料名称 抗张强度断裂伸长率 拉伸模量 抗弯强度弯曲模量 (MPa) MPa MPa MPa 低压聚乙 21.5~38 60~150 820~930 24.5~39.2 080~1370 聚苯乙烯 34.5~61 1.2~2.5 2740~3460 600~874 ABS 16~6I 10~140 650~2840 24.8~93.0 2950 PMMA 48.8~76.5 2~10 3140 898~117.5 聚丙烯 33~414 200~700 1130~1380 41.4~55.2 80~1570 PVC 34.6~61 20~40 2450~4120 692~1104 尼龙-66 814 60 3140~3240980~1080 2870~2940 尼龙6 72.7~764 150 2360~2540 尼龙-1010 510~53.9 100~250 1570 872 聚甲醛 612~664 60~75 2710 892~90.2 聚碳酸酯 60~100 2160~2360 96.2~104 1960~2940 聚砜 704~83.7 20~100 2450~2750 106.0~12: 2750 聚酰亚胺 >98.0 3140 聚苯醚 846~87.6 30~80 2450~2750 96.2~1348 1960~2060 氯化聚醚 41.5 60~160 4080 68.6~756 880 线形聚酯 784 1148 聚四氟乙 烯 13.9~24.7 250~350 390 10.8~13.7

表4-1-4常见聚合物的力学强度 材料名称 抗张强度 （MPa） 断裂伸长率 % 拉伸模量 MPa 抗弯强度 MPa 弯曲模量 MPa 低压聚乙 烯 21.5~38 60~150 820~930 24.5~39.2 1080~1370 聚苯乙烯 34.5~61 1.2~2.5 2740~3460 60.0~87.4 ABS 16~61 10~140 650~2840 24.8~93.0 2950 PMMA 48.8~76.5 2~10 3140 89.8~117.5 聚丙烯 33~41.4 200~700 1130~1380 41.4~55.2 1180~1570 PVC 34.6~61 20~40 2450~4120 69.2~110.4 尼龙-66 81.4 60 3140~3240 98.0~108.0 2870~2940 尼龙-6 72.7~76.4 150 2550 98.0 2360~2540 尼龙-1010 51.0~53.9 100~250 1570 87.2 1270 聚甲醛 61.2~66.4 60~75 2710 89.2~90.2 2550 聚碳酸酯 65.7 60~100 2160~2360 96.2~104.2 1960~2940 聚砜 70.4~83.7 20~100 2450~2750 106.0~125.0 2750 聚酰亚胺 92.5 6~8 ~ >98.0 3140 聚苯醚 84.6~87.6 30~80 2450~2750 96.2~134.8 1960~2060 氯化聚醚 41.5 60~160 4080 68.6~75.6 880 线形聚酯 78.4 200 2850 114.8 聚四氟乙 烯 13.9~24.7 250~350 390 10.8~13.7

(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 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

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。 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。 （3）抗冲强度(impact strength)