复旦大学：《材料失效分析 Materials Failure Analysis》课程教学资源（课件讲稿）第二章 材料的断裂失效模式与机理

第二章材料的断裂失效模式与机理 2.1材料失效模式 2.2载荷作用形式 2.3安全设计准则 24断口分析 2.5硬度 26冲击韧性 2.7疲劳应力 28蠕变应力 29断裂韧性 2.10金属的失效模式与失效机理的关系

2.1 材料失效模式 2.2 载荷作用形式 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 材料的断裂失效模式与机理

第二章材料的断裂失效模式与机理 21材料失效模式 构件都是由材料组成的,其失效模式与载荷作用方 式密切相关。如果构件上的应力超过屈服强度,就会发 生塑性变形,严重时截面分离而断裂,而含裂纹构件如 果发生裂纹快速扩展,则属于低应力脆性断裂。 ●材料失效模式一般分为五类: 断裂( fracture)、腐蚀( corrosion)、 磨损(wear)、畸变( distortion)和 衰减( attenuation)。 ●材料失效模式一般是随载荷、介质、环境、结构等 多种因素相互作用而变化的

2.1 材料失效模式 构件都是由材料组成的，其失效模式与载荷作用方 式密切相关。如果构件上的应力超过屈服强度，就会发 生塑性变形，严重时截面分离而断裂，而含裂纹构件如 果发生裂纹快速扩展，则属于低应力脆性断裂。 ● 材料失效模式一般分为五类： 断裂（fracture）、腐蚀（corrosion）、 磨损（wear）、畸变（distortion）和 衰减（attenuation）。 ● 材料失效模式一般是随载荷、介质、环境、结构等 多种因素相互作用而变化的。 第二章 材料的断裂失效模式与机理

21材料失效模式 ●断裂失效模式下的典型案例 图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而开裂,随后发生 疲劳裂纹扩展而断裂的

图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而开裂，随后发生 疲劳裂纹扩展而断裂的。 2.1 材料失效模式 ● 断裂失效模式下的典型案例 ：

21材料失效模式 (a)地面升空时刻 (b)升空时爆炸 图2-2“挑战者”号升空时爆炸(1986年1月28日) ●原因:“挑战者号”因固体火箭推进器O型橡胶密封 圈发生泄漏导致燃料气外泄而爆炸

图2-2“挑战者”号升空时爆炸（1986年1月28日） ● 原因: “挑战者号” 因固体火箭推进器O型橡胶密封 圈发生泄漏导致燃料气外泄而爆炸。 （a）地面升空时刻 （b）升空时爆炸 2.1 材料失效模式

21材料失效模式 (a)地面升空时刻(b)机翼上的裂纹(c)返回时而解体 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”升空时燃料管保温层泡沫塑 料块发生意外坠落,撞击机翼防热瓦片使之开裂,返回大 气层时因气流冲刷高温致使铝合金机翼熔化而解体

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” 升空时燃料管保温层泡沫塑 料块发生意外坠落，撞击机翼防热瓦片使之开裂，返回大 气层时因气流冲刷高温致使铝合金机翼熔化而解体。 （a）地面升空时刻 （b）机翼上的裂纹 （c）返回时而解体 2.1 材料失效模式

第二章材料的断裂失效模式与机理 22载荷作用方式 材料的变形与载荷(F)作用方式有密切关系。载荷 作用方式通常有五种:拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转。 F F F 么孤么孤 (a)拉仲载荷b)压缩载荷 (c)弯曲载荷 (d)剪切载荷(e)扭转载荷 图2-4载荷作用方式

2.2 载荷作用方式 材料的变形与载荷(F) 作用方式有密切关系。载荷 作用方式通常有五种：拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转。 图2-4 载荷作用方式 第二章 材料的断裂失效模式与机理

第二章材料的断裂失效模式与机理 22.1力学性能 ●强度是材料在载荷作用下抵抗变形及其断裂的能力 些力学性能指标如图2-5所示。 材料力学性能指标 弹性和变形静态强度塑性][硬度商温强度疲劳强度韧性 弹性模量「强度延伸率布氏顿度蠕变疲劳极限冲击韧性 E. G s 6 HB‖应力 刚度 断面洛氏硬度 疲劳裂纹断裂韧性 HR oi, ei, pi 收缩率 扩展速率1,K1 da/dN 维氏硬度 HV 显徽硬度 HV005 图2-5材料的力学性能指标

● 强度是材料在载荷作用下抵抗变形及其断裂的能力。 一些力学性能指标如图2-5所示。 图2-5 材料的力学性能指标 2.2.1 力学性能 第二章 材料的断裂失效模式与机理

第二章材料的断裂失效模式与机理 222材料的拉伸变形 材料进行拉伸试验时,横坐标和纵坐标分别对应于 材料的应变e( strain)和应力o( stress)。 (a)应力应变曲线 (b)拉伸试验装置 图2-6碳钢的拉伸应力应变曲线

2.2.2 材料的拉伸变形 材料进行拉伸试验时，横坐标和纵坐标分别对应于 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 碳钢的拉伸应力-应变曲线 第二章 材料的断裂失效模式与机理

第二章材料的断裂失效模式与机理 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-位移曲线的特征点及特征线 OeA线:弹性变形阶段 AC线:屈服变形阶段 CB线:应变强化变形阶段 Bk线:塑性失稳变形阶段 e点:弹性应力点 A点:屈服应力最大点 C点:屈服变形结束点 B点:最大断裂应力点 k点:断裂点 图2-7拉伸-位移曲线

● 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-位移曲线的特征点及特征线 OeA线: 弹性变形阶段 AC线: 屈服变形阶段 CB线: 应变强化变形阶段 Bk线： 塑性失稳变形阶段 e点： 弹性应力点 A点： 屈服应力最大点 C点： 屈服变形结束点 B点： 最大断裂应力点 k点: 断裂点 图2-7 拉伸-位移曲线 第二章 材料的断裂失效模式与机理

第二章材料的断裂失效模式与机理 通过材料的拉伸试验,可测得五个性能参数: 弹性模量:E=0/E 应力应变关系:σ=EE 屈服强度:0。=0u2=Fs/A0 抗拉强度 O= Fb/A 2-1) 延伸率: 6=AL/L(△L=LLo) 断面收缩率:=△A/Ao(△A=A0A) 其中,Lo、A分别表示试样变形前的标距长度和横截面面积; L、A分别表示试样断裂后的标距伸长长度和断口横截 面面积

通过材料的拉伸试验，可测得五个性能参数： 弹性模量: E = σ/ ε 应力应变关系：σ = E ε 屈服强度: σs= σ0.2 = Fs/A0 抗拉强度： σb= Fb/A0 (2-1) 延伸率： δ = ∆L/ L0 （∆L=L-L0 ） 断面收缩率： ψ = ∆A/A0 （∆A=A0 -A） 其中，L0 、A0分别表示试样变形前的标距长度和横截面面积； L 、A分别表示试样断裂后的标距伸长长度和断口横截 面面积。 。 第二章 材料的断裂失效模式与机理