强度、断裂及断裂韧性(1)

材料强度和断裂特性测试方法概述材料强度和断裂特性是评估材料性能和可靠性的重要指标。

在工程领域中，如果材料无法经受住所需的力量或无法在适当的载荷条件下延展，可能导致结构和功能的失败。

因此，了解材料的强度和断裂特性对于设计和制造过程至关重要。

本文将概述几种常见的材料强度和断裂特性测试方法。

一、材料强度测试方法1. 拉伸测试：拉伸测试是最常见和基础的材料强度测试方法之一。

这种测试方法通过将材料置于拉伸设备中，施加一个持续增加的拉伸载荷，直到材料发生断裂。

拉伸测试可以确定材料的拉伸强度、屈服强度、断裂强度等力学性能。

2. 压缩测试：压缩测试是另一种常见的材料强度测试方法，它与拉伸测试相反。

在压缩测试中，材料被放置在压缩设备中，施加一个持续增加的压缩载荷，直到材料发生压缩变形或破坏。

压缩测试可以评估材料的压缩强度、屈服强度以及抗压性能。

3. 弯曲测试：弯曲测试常用于评估材料在受弯曲载荷下的性能。

在弯曲测试中，材料被放置在一个弯曲设备中，施加一个持续增加的弯曲载荷，直到材料产生弯曲或破坏。

弯曲测试可以测量材料的弯曲强度、弯曲刚度以及抗弯刚性。

二、材料断裂特性测试方法1. 断裂韧性测试：断裂韧性是评估材料在受到撞击或快速载荷下承载能力的能力。

常见的断裂韧性测试方法包括冲击试验和拉伸试验。

- 冲击试验：冲击试验通过施加一个快速、高能量的外力来模拟撞击条件。

常用的冲击试验方法有冲击强度试验和冲击韧性试验。

这些试验可以评估材料在受到冲击载荷时的断裂特性。

- 拉伸试验：拉伸试验用于评估材料在肯尼迪构面的韧性。

这种试验方法会施加一个快速增加的拉伸载荷，以模拟材料在快速载荷下的响应。

拉伸试验可以通过测量材料断口面积的增加和断口延伸来评估材料的断裂韧性。

2. 断裂韧性测试：断裂韧性是评估材料在受到撞击或快速载荷下承载能力的能力。

常见的断裂韧性测试方法包括冲击试验和拉伸试验。

- 冲击试验：冲击试验通过施加一个快速、高能量的外力来模拟撞击条件。

断裂力学与断裂韧性3.1 概述断裂是工程构件最危险的一种失效方式，尤其是脆性断裂，它是突然发生的破坏，断裂前没有明显的征兆，这就常常引起灾难性的破坏事故。

自从四五十年代之后，脆性断裂的事故明显地增加。

例如，大家非常熟悉的巨型豪华客轮－泰坦尼克号，就是在航行中遭遇到冰山撞击，船体发生突然断裂造成了旷世悲剧！按照传统力学设计，只要求工作应力σ小于许用应力[σ]，即σ<[σ],就被认为是安全的了。

而[σ]，对塑性材料[σ]=σs /n，对脆性材料[σ]=σb/n，其中n为安全系数。

经典的强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料屈服强度时会发生所谓低应力脆断的现象。

原来，传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体，但是实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹。

人们在随后的研究中发现低应力脆断总是和材料内部含有一定尺寸的裂纹相联系的，当裂纹在给定的作用应力下扩展到一临界尺寸时，就会突然破裂。

因为传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件的断裂问题，断裂力学就应运而生。

可以说断裂力学就是研究带裂纹体的力学，它给出了含裂纹体的断裂判据，并提出一个材料固有性能的指标——断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能力。

3.2 格里菲斯(Griffith)断裂理论3.2.1 理论断裂强度金属的理论断裂强度可由原子间结合力的图形算出，如图3-1。

图中纵坐标表示原子间结合力，纵轴上方为吸引力下方为斥力，当两原子间距为a即点阵常数时，原子处于平衡位置，原子间的作用力为零。

如金属受拉伸离开平衡位置，位移越大需克服的引力越大，引力和位移的关系如以正弦函数关系表示，当位移达到Xm 时吸力最大以σc表示，拉力超过此值以后，引力逐渐减小，在位移达到正弦周期之半时，原子间的作用力为零，即原子的键合已完全破坏，达到完全分离的程度。

可见理论断裂强度即相当于克服最大引力σc。

该力和位移的关系为图中正弦曲线下所包围的面积代表使金属原子完全分离所需的能量。

第一章材料的弹性变形一、填空题：1.金属材料的力学性能是指在载荷作用下其抵抗变形或断裂的能力。

2. 低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。

3. 线性无定形高聚物的三种力学状态是玻璃态、高弹态、粘流态，它们的基本运动单元相应是链节或侧基、链段、大分子链，它们相应是塑料、橡胶、流动树脂（胶粘剂的使用状态。

二、名词解释1.弹性变形：去除外力，物体恢复原形状。

弹性变形是可逆的2.弹性模量：拉伸时σ=EεE：弹性模量（杨氏模数）切变时τ=GγG：切变模量3.虎克定律：在弹性变形阶段，应力和应变间的关系为线性关系。

4.弹性比功定义：材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力，又称为弹性比能或应变比能，表示材料的弹性好坏。

三、简答：1．金属材料、陶瓷、高分子弹性变形的本质。

答：金属和陶瓷材料的弹性变形主要是指其中的原子偏离平衡位置所作的微小的位移，这部分位移在撤除外力后可以恢复为0。

对高分子材料弹性变形在玻璃态时主要是指键角键长的微小变化，而在高弹态则是由于分子链的构型发生变化，由链段移动引起，这时弹性变形可以很大。

2．非理想弹性的概念及种类。

答：非理想弹性是应力、应变不同时响应的弹性变形，是与时间有关的弹性变形。

表现为应力应变不同步，应力和应变的关系不是单值关系。

种类主要包括滞弹性，粘弹性，伪弹性和包申格效应。

3．什么是高分子材料强度和模数的时-温等效原理?答：高分子材料的强度和模数强烈的依赖于温度和加载速率。

加载速率一定时，随温度的升高，高分子材料的会从玻璃态到高弹态再到粘流态变化，其强度和模数降低；而在温度一定时，玻璃态的高聚物又会随着加载速率的降低，加载时间的加长，同样出现从玻璃态到高弹态再到粘流态的变化，其强度和模数降低。

时间和温度对材料的强度和模数起着相同作用称为时=温等效原理。

四、计算题：气孔率对陶瓷弹性模量的影响用下式表示：E=E0 (1—1.9P+0.9P2)E0为无气孔时的弹性模量；P为气孔率，适用于P≤50 %。

材料的韧性名词解释材料的韧性是指材料在外力作用下产生形变和断裂时吸收能量的性能。

表征金属或高分子材料在静态载荷作用下抵抗变形和断裂的能力，以韧性指标（σ）衡量。

σ表示材料的韧性越大，则其抵抗塑性变形和断裂的能力也越大。

1基本概念—韧性：是指金属材料或高分子材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的性能。

表征金属或高分子材料在静态载荷作用下抵抗变形和断裂的能力，以韧性指标（σ）衡量。

σ表示材料的韧性越大，则其抵抗塑性变形和断裂的能力也越大。

2种类：脆性、延性、持久断裂3试验方法：冲击韧度、断裂韧性4参数计算：拉伸强度σb、弯曲强度σc、冲击韧度σs、断裂韧性k研究方法：从以上内容可知，材料的韧性与其原子结构有关，所以材料的晶体结构直接影响其韧性。

但不同的结构具有不同的特性。

根据原子半径和原子间结合力对其性能影响，将材料的结构分为：低密度状态结构，中密度状态结构，高密度状态结构。

材料的韧性是指材料在外力作用下产生形变和断裂时吸收能量的性能。

材料的塑性指标为：屈服点、强度极限、抗拉强度。

材料的韧性越大，其承受断裂的能力也越大。

5应用：金属材料、高分子材料、复合材料。

6韧性表示方法： A)能量吸收法，单位： J/m， B)功率法，单位： J/m （公斤力/平方厘米）。

随着近年来科学技术的发展，人们对材料的韧性问题十分重视，通过各种途径寻找提高材料韧性的方法。

韧性是工程材料的重要指标之一。

20世纪初， D．F．贝蒂首先用断裂韧性代替了韧性。

二战后， T．W．泰勒和J．C．E．霍尔斯特兰用冲击韧性的概念代替了原来的断裂韧性。

我国国家标准采用了这一方法。

表示力学性能的好坏。

韧性高，机械强度好；韧性低，机械强度差。

10世纪前，人们就注意到金属韧性与强度的关系。

1852年法国人卡麦戎曾根据金属机械强度与韧性的关系，提出“贝努里悖论”。

这个问题的实质是：同一块金属材料，制成的型材，一部分断裂时会引起严重损失，而另一部分却毫无损失。

断裂力学与断裂韧性3.1 概述断裂是工程构件最危险的一种失效方式，尤其是脆性断裂，它是突然发生的破坏，断裂前没有明显的征兆，这就常常引起灾难性的破坏事故。

自从四五十年代之后，脆性断裂的事故明显地增加。

例如，大家非常熟悉的巨型豪华客轮－泰坦尼克号，就是在航行中遭遇到冰山撞击，船体发生突然断裂造成了旷世悲剧！按照传统力学设计，只要求工作应力σ小于许用应力[σ]，即σ<[σ],就被认为是安全的了。

而[σ]，对塑性材料[σ]=σs /n，对脆性材料[σ]=σb/n，其中n为安全系数。

经典的强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料屈服强度时会发生所谓低应力脆断的现象。

原来，传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体，但是实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹。

人们在随后的研究中发现低应力脆断总是和材料内部含有一定尺寸的裂纹相联系的，当裂纹在给定的作用应力下扩展到一临界尺寸时，就会突然破裂。

因为传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件的断裂问题，断裂力学就应运而生。

可以说断裂力学就是研究带裂纹体的力学，它给出了含裂纹体的断裂判据，并提出一个材料固有性能的指标——断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能力。

3.2 格里菲斯(Griffith)断裂理论3.2.1 理论断裂强度金属的理论断裂强度可由原子间结合力的图形算出，如图3-1。

图中纵坐标表示原子间结合力，纵轴上方为吸引力下方为斥力，当两原子间距为a即点阵常数时，原子处于平衡位置，原子间的作用力为零。

如金属受拉伸离开平衡位置，位移越大需克服的引力越大，引力和位移的关系如以正弦函数关系表示，当位移达到Xm 时吸力最大以σc表示，拉力超过此值以后，引力逐渐减小，在位移达到正弦周期之半时，原子间的作用力为零，即原子的键合已完全破坏，达到完全分离的程度。

可见理论断裂强度即相当于克服最大引力σc。

该力和位移的关系为图中正弦曲线下所包围的面积代表使金属原子完全分离所需的能量。

弹性力学中的断裂韧度和断裂力学弹性力学是研究物体在外力作用下的形变和应力分布规律的学科。

而断裂力学则是研究物体在外力作用下发生破裂的过程和规律的学科。

这两个学科在材料科学和工程领域中扮演着重要的角色。

本文将从断裂韧度和断裂力学两个方面来探讨弹性力学中的断裂现象。

一、断裂韧度断裂韧度是衡量材料抵抗断裂的能力的一个重要指标。

它反映了材料在承受外力时能够延展变形的程度。

一般来说，断裂韧度越高，材料的抗断裂能力就越强。

断裂韧度的计算通常是通过测量材料的断裂应力和断裂应变来实现的。

断裂应力是指材料在断裂前所承受的最大应力，而断裂应变则是指材料在断裂前所发生的最大应变。

通过测量这两个参数，可以得到材料的断裂韧度。

断裂韧度的大小与材料的结构和组成有关。

一般来说，具有高断裂韧度的材料往往具有较高的延展性和韧性，能够在受到外力时发生较大的塑性变形，从而减缓断裂的发生。

而具有低断裂韧度的材料则容易发生脆性断裂，即在受到外力时发生突然断裂，而没有明显的延展变形。

二、断裂力学断裂力学研究的是材料在外力作用下发生破裂的过程和规律。

在断裂力学中，常常使用断裂韧度、断裂强度和断裂韧性等参数来描述材料的断裂性能。

断裂力学的研究对象包括裂纹的生成、扩展和联合等。

裂纹是材料中的缺陷，它会导致材料的强度和韧性降低，并最终导致材料的破裂。

因此，研究裂纹的行为和影响对于了解材料的断裂行为具有重要意义。

断裂力学中的一个重要概念是应力强度因子，它是描述裂纹尖端应力场分布的一个参数。

应力强度因子的大小与裂纹的尺寸、形状和材料的性质有关。

通过研究应力强度因子，可以预测裂纹的扩展速率和破裂的临界条件。

断裂力学还涉及到断裂机制的研究。

不同材料在断裂时会表现出不同的断裂模式，如拉伸断裂、剪切断裂和韧性断裂等。

研究不同材料的断裂模式可以帮助我们了解材料的断裂行为和性能。

总结弹性力学中的断裂韧度和断裂力学是研究材料断裂行为的重要方面。

断裂韧度是衡量材料抗断裂能力的指标，而断裂力学则研究材料在外力作用下发生破裂的过程和规律。

常见岩石力学参数岩石力学参数是指描述岩石在外力作用下的力学行为的物理性质，包括弹性模量、剪切模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等。

这些参数对于岩石的力学性质和工程应用具有重要意义。

本文将详细介绍这些常见的岩石力学参数。

1. 弹性模量（Young's modulus）：弹性模量是衡量岩石弹性性质的一个重要参数，表示岩石在外力作用下产生弹性变形的能力。

弹性模量越大，岩石的刚度越大，抗弯和抗变形能力越强。

2. 剪切模量（Shear modulus）：剪切模量是衡量岩石抗剪切性质的参数，表示岩石在剪切应力作用下产生剪切变形的能力。

剪切模量越大，岩石的抗剪强度越高，稳定性越好。

3. 泊松比（Poisson's ratio）：泊松比是衡量岩石体积变形性质的参数，表示岩石在受到压缩应力时，横向收缩的程度。

泊松比一般介于0.1到0.4之间，数值越大，岩石的蠕变性越强。

5. 抗拉强度（Tensile strength）：抗拉强度是衡量岩石抗拉性质的参数，表示岩石在受到拉伸应力时的最大承载能力。

抗拉强度一般比抗压强度要小，岩石在受到拉伸时易发生断裂。

6. 抗剪强度（Shear strength）：抗剪强度是衡量岩石抗剪切性质的参数，表示岩石在受到剪切应力时的最大承载能力。

抗剪强度主要与岩石内部的粘聚力和内摩擦角有关。

除了上述常见的岩石力学参数外，还有一些与岩石稳定性有关的参数：7. 断裂韧性（Fracture toughness）：断裂韧性是衡量岩石抗断裂性质的参数，表示岩石在受到裂纹扩展时的抵抗能力，能够反映岩石的破坏扩展能力。

8. 孔隙度（Porosity）：孔隙度是衡量岩石孔隙结构的参数，表示岩石内部的孔隙空间占总体积的比例。

孔隙度能够影响岩石的密实程度和渗透性，对工程建筑的渗流和稳定性有重要影响。

9. 饱和度（Saturation）：饱和度是衡量岩石孔隙中被水、气体或其他流体填充的程度。

材料力学中的断裂韧性理论断裂韧性是材料力学中重要的概念，旨在描述材料抵抗断裂和破裂的能力。

本文将介绍材料力学中的断裂韧性理论，包括其定义、测量方法以及影响因素。

同时，还将探讨断裂韧性理论在工程实践中的应用以及未来的发展方向。

首先，我们来了解什么是断裂韧性。

断裂韧性是材料抵抗断裂的能力，也可以理解为材料在受到外力作用下发生断裂之前能够吸收的能量。

在材料力学中，断裂韧性常用来描述材料的脆性和韧性特征。

脆性材料具有较低的断裂韧性，即在受到应力集中时容易发生断裂；而韧性材料具有较高的断裂韧性，即在受到应力集中时能够更好地吸收能量，延缓断裂的发生。

测量材料的断裂韧性是材料力学研究中的重要任务。

在实验中，常用的方法是通过断裂韧性试验来进行测量。

最常用的试验方法包括拉伸试验和冲击试验。

拉伸试验通过施加拉伸力来测量材料的断裂韧性，冲击试验通过施加冲击载荷来测量材料的韧性能力。

通过这些试验结果，可以得到材料的断裂韧性参数，如断裂韧性指数和断裂韧性强度。

除了试验方法，还有一些理论模型用于描述和预测材料的断裂韧性。

线性弹性断裂力学模型是最早提出的模型之一，它基于弹性力学理论，并假设材料在断裂前的行为是线性弹性的。

这种模型适用于许多脆性材料，如陶瓷和玻璃。

然而，在韧性材料中，这种模型不适用，因为这些材料在断裂前会发生塑性变形。

与线性弹性断裂力学模型相比，弹塑性断裂力学模型更加适用于描述和预测韧性材料的断裂行为。

这种模型结合了弹性力学和塑性力学理论，并将断裂行为描述为弹性和塑性失效的综合结果。

弹塑性断裂力学模型考虑了材料的弹性变形和塑性变形，能够更准确地预测材料的断裂韧性。

影响材料断裂韧性的因素有很多，其中一个重要的因素是材料的组成和结构。

不同材料具有不同的原子组成和晶体结构，从而导致其断裂韧性的差异。

另一个影响因素是加载速率。

在冲击等快速加载下，材料的断裂韧性往往显著下降。

此外，温度也是一个重要的影响因素。

在低温下，许多材料的断裂韧性会显著增加，而在高温下会下降。

机械主要性能：硬度、强度、刚度、塑性、弹性、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等1、硬度：金属材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。

硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。

硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。

硬度试验根据其测试方法的不同可分为静压法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）、划痕法（如莫氏硬度）、回跳法（如肖氏硬度）及显微硬度、高温硬度等多种方法。

2、刚度：金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。

刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。

零件的刚度（或称刚性）常用单位变形所需的了或力矩来表示，刚度的大小取决于零件的几何形状和材料种类（即材料的弹性模量）。

刚度要求对于某些弹性变形量超过一定数值后，会影响机器工作质量的零件尤为重要，如机床的主轴、导轨、丝杠等。

3、强度：金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。

强度是指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。

也就是说，强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。

强度是机械零部件首先应满足的基本要求。

机械零件的强度一般可以分为静强度、疲劳强度（弯曲疲劳和接触疲劳等）、断裂强度、冲击强度、高温和低温强度、在腐蚀条件下的强度和蠕变、胶合强度等项目。

强度的试验研究是综合性的研究，主要是通过其应力状态来研究零部件的受力状况以及预测破坏失效的条件和时机。

4、塑性：金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破华的能力。

5、弹性：弹性是指物体在外力作用下发生形变，当外力撤消后能恢复原来大小和形状的性质。

在固体力学中弹性是指：当应力被移除后，材料恢复到变形前的状态。

线性弹性材料的形变与外加的载荷成正比，此关系可以用线性弹性方程，例如胡克定律，表示出来。

物体所受的外力在一定的限度以内，外力撤消后物体能够恢复原来的大小和形状；在限度以外，外力撤销后不能恢复原状，这个限度叫弹性限度（见弹性体的拉伸压缩形变）。

混凝土断裂韧性试验标准一、前言混凝土是一种广泛应用的建筑材料，在建筑工程中扮演着重要的角色。

在混凝土的使用过程中，由于各种外部因素的影响，混凝土常常会受到各种力的作用，从而导致混凝土的断裂。

为了保证混凝土在使用过程中的安全性和可靠性，需要对混凝土的断裂韧性进行试验和评估。

本文将详细介绍混凝土断裂韧性试验的标准。

二、试验目的混凝土断裂韧性试验的主要目的是评估混凝土在断裂过程中的能量吸收能力和变形能力，从而确定混凝土的韧性。

韧性是指材料在受到外力作用时，能够在一定程度上发生变形而不破坏的能力。

通过对混凝土的韧性进行评估，可以为混凝土的设计和使用提供可靠的依据。

三、试验方法混凝土断裂韧性试验的方法主要有三种：双三点弯曲试验、压剪试验和拉伸试验。

下面将分别介绍这三种试验方法的标准。

1. 双三点弯曲试验双三点弯曲试验是一种常用的混凝土断裂韧性试验方法。

该试验方法主要通过施加弯曲载荷来评估混凝土的韧性。

具体步骤如下：（1）试验样本的制备：根据标准要求，制备符合要求的试验样本。

（2）试验样本的预应力：根据标准要求，对试验样本进行预应力处理。

（3）试验样本的加载：将试验样本放在双三点支承上，施加弯曲载荷，测量载荷和挠度的变化。

（4）试验结果的处理：根据试验数据，计算出混凝土的断裂韧性指标。

2. 压剪试验压剪试验是另一种常用的混凝土断裂韧性试验方法。

该试验方法主要通过施加剪切载荷来评估混凝土的韧性。

具体步骤如下：（1）试验样本的制备：根据标准要求，制备符合要求的试验样本。

（2）试验样本的加载：将试验样本放在压剪试验机上，施加剪切载荷，测量载荷和位移的变化。

（3）试验结果的处理：根据试验数据，计算出混凝土的断裂韧性指标。

3. 拉伸试验拉伸试验是一种较少使用的混凝土断裂韧性试验方法。

该试验方法主要通过施加拉伸载荷来评估混凝土的韧性。

具体步骤如下：（1）试验样本的制备：根据标准要求，制备符合要求的试验样本。

（2）试验样本的加载：将试验样本放在拉伸试验机上，施加拉伸载荷，测量载荷和位移的变化。