第7讲 断裂和断裂韧性的测量

第七讲断裂力学的基本概念断裂力学是一门研究材料断裂行为的学科，广泛应用于工程材料中。

本文将围绕“第七讲断裂力学的基本概念”进行阐述，分步骤介绍其基本概念和应用。

第一步，介绍断裂力学的定义和基本概念。

断裂力学是研究材料在外力作用下产生裂纹扩展和断裂的科学。

材料的强度和断裂韧性是衡量材料断裂行为的两个基本参数。

材料在断裂前会先出现裂纹，裂纹的形态和扩展行为是材料断裂行为的关键。

第二步，介绍断裂试验的基本模式和方法。

断裂试验是研究材料断裂行为的主要手段之一。

根据不同的目的和需要，断裂试验可以分为拉伸试验、弯曲试验、剪切试验等多种模式。

其中拉伸试验是最基本和常见的一种试验模式，通过拉伸试验可以确定材料的弹性模量、屈服强度、断裂强度和断裂韧性等重要参数。

弯曲试验则可以研究材料的变形和断裂行为，剪切试验则可以研究材料的剪切性能和剪切断裂模式等。

第三步，介绍断裂力学的作用和应用。

断裂力学的研究和应用对材料设计、材料制备和工程结构设计等方面有着非常重要的意义。

断裂力学可以帮助我们理解材料的断裂行为，改进材料的性能和寿命，提高材料的可靠性和耐久性。

在工程领域，断裂力学可以指导结构设计和优化，确保结构的安全和可靠性。

第四步，介绍断裂力学的发展历程和前沿研究方向。

随着科学技术的不断发展，断裂力学也在不断地更新和进步。

近年来，断裂力学研究的重要方向之一是对材料断裂行为的数值模拟和计算机仿真。

借助现代计算机技术和数值计算方法，可以对材料的断裂行为进行精确的预测和分析。

另外，断裂力学与纳米材料、新型复合材料、生物材料等新兴领域也产生了广泛的交叉和融合。

断裂力学作为一门独立的学科，其研究和应用在工程领域具有广泛的应用价值和研究前景。

通过对断裂力学的研究和实践，不仅可以提高材料的性能和可靠性，还可以为工程结构的设计和优化提供扎实的理论和实践基础。

第六章 断裂韧性基础第一节Griffith 断裂理论第二节裂纹扩展的能量判据能量释放率G 裂纹扩展单位面积时，系统所提供的弹性能量U A∂∂是裂纹扩展的动力，此力叫裂纹扩展力或称为裂纹扩展时的能量释放率。

以1G 表示（1表示Ⅰ型裂纹扩展）。

G 与外加应力，试样尺寸和裂纹有关，而裂纹扩展的阻力为2()s p γγ+，随1,a G σ↑→↑→增大到某一临界值时，1G 能克服裂纹失稳扩展阻力，则裂纹使失稳扩展而断裂，这个1G 的临界值它为1c G ，称为断裂韧性。

表示材料组织裂纹试稳扩展时单位面积所消耗的能量。

平面应力下： 2211,C cC a aG G E E σπσπ==平面应变下： 222211(1)(1),C c C a v v a G G E Eσπσπ--== G 的单位12MPa m -⋅。

第三节 裂纹顶端的应力场可看成线弹性体12005001000s s MPa MPa σσ⎧⎪=⎪⎨=-⎪⎪⎩玻璃，陶瓷高强钢的横截面中强钢低温下的中低强度钢6.3.1三种断裂类型⎧⎪⎨⎪⎩张开型断裂滑开型断裂撕开型断裂最危险Ⅰ型6.3.2Ⅰ型裂纹顶端的应力场无限大平板中心含有一个长为2a 的穿透裂纹，受力如图欧文（G 。

R 。

Irwin ）等人对Ⅰ型裂纹尖端附近的应力应变进行了分析，提出应力应变场的数字解析式，由此引出了应变场强度因子1K的概念。

并建立了裂纹失稳扩展的K判据和断裂韧性1CK。

若用极坐标表达式表达，则有近似数字表达式：当裂尖某点不确定，即,rθ一定后，应力大小均由1K决定———盈利强度因子1K故1K大小反映了裂纹尖端应力场的强弱，取决于应力大小，裂纹尺寸。

6.3.3 应力场强度因子及判据将上面应力场方程写成：()ij ijfσθ=其中1K Y=Y：形状系数。

对无限大板Y=1。

1K：12MPa m-⋅111,,a KK aa Kσσσ⎧↑→↑⎪⇒⎨↑→↑⎪⎩不变是一个决定于和的复合物理量不变当此参量达到临界时，在裂纹尖端足够大的范围内，应力便会达到断裂强度，裂纹便沿着X轴失稳扩展，从而使材料断裂。

断裂韧性的测试流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。

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物理实验技术中的材料断裂韧性测量与分析方法材料的断裂韧性是指材料在受到外力作用下，能够抵抗破坏的能力。

在工程领域，了解材料的断裂韧性对于设计和制造安全可靠的产品非常重要。

本文将介绍物理实验技术中常用的材料断裂韧性测量与分析方法。

1. 冲击试验法冲击试验法是测量材料在高速冲击载荷下的断裂韧性的一种方法。

常见的冲击试验方法有冲击试样弯曲法和平板撞击法。

冲击试样弯曲法是将试样夹在两个支承点之间，然后从一侧施加冲击载荷。

通过测量试样在冲击过程中的位移或挠度，可以得到材料的断裂韧性。

平板撞击法是将平板状试样固定在支撑装置上，然后用冲击装置撞击试样的一侧。

通过测量试样在冲击过程中的应力和应变，可以估计材料的断裂韧性。

2. 拉伸试验法拉伸试验是一种常用的测量材料断裂韧性的方法。

通常采用标准的拉伸试验机进行测试。

在拉伸试验中，试样被加载，逐渐拉伸直到断裂。

通过测量试样的拉伸力和伸长量，可以计算出材料的断裂韧性参数，如断裂应力和断裂伸长率。

3. 压缩试验法压缩试验也是一种测量材料断裂韧性的方法。

在压缩试验中，试样被加载并施加垂直于试样轴线的压缩力，直到试样发生压缩破坏。

通过测量试样在压缩过程中的应力和应变，可以推断材料的断裂韧性。

4. 断裂面形貌分析除了上述实验方法，断裂面形貌分析也是评估材料断裂韧性的重要手段之一。

断裂面形貌分析可以通过扫描电子显微镜（SEM）观察断裂表面的形貌特征。

不同的断裂机制会在断裂面上留下特定的痕迹，例如沟槽、毛刺等。

通过观察这些痕迹，可以对材料的断裂韧性和断裂机制进行分析。

此外，断裂面形貌分析还可以结合X射线衍射（XRD）和能谱仪等技术，对断裂表面的组成进行分析，从而深入了解材料断裂的原因和机制。

综上所述，物理实验技术中常用的材料断裂韧性测量与分析方法包括冲击试验法、拉伸试验法、压缩试验法和断裂面形貌分析。

这些方法可以不仅可以提供关于材料断裂韧性的定量数据，还能够揭示材料断裂的机制和性质，为工程设计和材料选择提供重要依据。

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。

金属材料的断裂韧性测试当我们谈论金属材料时，断裂韧性是一个重要的性质。

它指的是材料在受力下能够承受多大的应变能量，而不会发生断裂。

断裂韧性测试是评估金属材料性能的一种常用方法，它可以帮助工程师确定材料的可靠性和适用性。

本文将介绍金属材料的断裂韧性测试的原理、方法和应用。

一、原理金属材料的断裂韧性是指材料在断裂之前能够吸收的能量。

它与材料的强度、韧性和硬度等性质密切相关。

断裂韧性测试的原理是通过施加外力，使材料发生断裂，并测量断裂前后的应变能量差。

这个差值可以用来评估材料的断裂韧性。

二、方法1. 塑性断裂韧性测试塑性断裂韧性测试是一种常用的测试方法。

它通过在试样上施加拉伸力，使其发生塑性变形，然后测量断裂前后的应变能量差。

常用的测试方法包括冲击试验和拉伸试验。

冲击试验是一种快速施加冲击载荷的测试方法。

它通常使用冲击试验机进行，将试样固定在机器上，然后施加冲击载荷。

当试样发生断裂时，测试机会记录下断裂前后的能量差。

拉伸试验是一种更常见的测试方法。

它通过在试样上施加拉伸力，使其发生塑性变形，然后测量断裂前后的应变能量差。

常用的拉伸试验方法有静态拉伸试验和动态拉伸试验。

静态拉伸试验是一种较慢的测试方法，通过逐渐增加载荷来进行。

动态拉伸试验是一种更快的测试方法，通过快速施加载荷来进行。

2. 脆性断裂韧性测试脆性断裂韧性测试是一种针对脆性材料的测试方法。

脆性材料在受力下容易发生断裂，因此需要特殊的测试方法来评估其断裂韧性。

常用的测试方法包括冲击试验和压缩试验。

冲击试验是一种常用的测试方法，通过在试样上施加冲击载荷来评估脆性材料的断裂韧性。

冲击试验机将试样固定在机器上，然后施加冲击载荷。

当试样发生断裂时，测试机会记录下断裂前后的能量差。

压缩试验是一种较少使用的测试方法，通过在试样上施加压缩载荷来评估脆性材料的断裂韧性。

压缩试验机将试样固定在机器上，然后施加压缩载荷。

当试样发生断裂时，测试机会记录下断裂前后的能量差。

断裂韧性测定
断裂韧性测定，也叫断裂硬度测定，是一种测定物体的破坏容性能力的重要评价标准。

其实质就是针对特定物体，在承受一定表面拉力时，观测物体断裂趋势，推算出断裂硬度数据，从而衡量物体强度和完整性能，并分析断裂分离原因。

断裂韧性测定，基本装置主要由待测样品、测试机架、拉力发生装置、负荷传递系统等组成，以及控制测试过程的操作台。

断裂硬度测定，做法通常是将物体固定在测试架上，采用拉力发生装置使其承受外力，然后观测其断裂趋势及分离形态。

一般而言，断裂硬度越大，表明物体强度及完整性能越好，耐久性比较强；相反，断裂硬度越小，则物体强度及完整性较差，耐久性较差。

断裂韧性测定具有明确、准确与可控等优点，可用于金属材料、塑料、橡胶、碳纤维、食品等多种物体的完整性研究，并且在材料科学领域和工程生产实际应用中广泛。

有效准确地测量断裂韧性，不仅有助于提升物体的完整性，而且对于判断对比相同物体的强度及完整性，也大有裨益。

总之，断裂韧性测定是一种重要的物体完整性评估方式，结合了科学实验与工程应用，为各领域提供了助力，具有广阔的发展前景。

实验陶瓷材料断裂韧性的测定一、前言脆性材料的破坏往往是破坏性的，即材料中裂纹一旦扩展到一定程度，就会立即达到失稳态，之后裂纹迅速扩展。

材料的断裂韧性可以用来衡量它抵抗裂纹扩展的能力，亦即抵抗脆性破坏的能力。

它是材料塑性优劣的一种体现，是材料的固有属性。

裂纹扩展有三种形式：掰开型(I型)、错开型(II型)、撕开型(III型)，其中掰开型是最为苛刻的一种形式，所以通常采用这种方式来测量材料的断裂韧性，此时的测量值称作K IC。

在平面应变状态下材料K IC 值不受裂纹和几何形状的影响。

因此，K IC值对了解陶瓷这一多裂纹材料的本质属性，具有非常重要的意义。

目前，断裂韧性的测试方法多种多样，如：单边切口梁法(SENB)、双扭法（DT)、山形切口劈裂法、压痕法、压痕断裂法等。

其中，有些方法技术难度较高，不太容易实现大规模实用化；有些方法会出现较大测量误差，应用起来存在一定困难。

相对而言，比较普遍采用的SENB法，该方法试样加工较简单，裂纹的引入也较容易。

本实验采用SENB法进行。

但是，这种方法存在裂纹尖端钝化、预制裂纹宽度不易做得很窄等缺陷；另外，它适用于粗晶陶瓷材料，对细晶陶瓷其所测的K IC值偏大。

二、仪器测试断裂韧性所需仪器如下：1.材料实验机对测试材料施加载荷，应保证一定的位移加载速度，国标规定断裂韧性测试加载速度为0.05mm/min。

2.内圆切割机用于试样预制裂纹，金刚石锯片厚度不应超过0.20mm。

3.载荷输出记录仪输出并记录材料破坏时的最大载荷，负荷示值相对误差不大于1。

本实验在材料实验机上配置了量程为980N的称重传感器输出载荷，采用电子记录仪记录断裂载荷。

4.夹具保证在规定的几何位置上对试样施加载荷，试样支座和压头在测试过程中不发生塑性变形，材料的弹性模量不低于200GPa。

支座和压头应有与试样尺寸相配合的曲率半径，长度应大于试样的宽度，与试样接触部分的表面粗糙度R a（根据规定不大于1.6μm）。

材料力学中的断裂韧性研究材料力学是研究材料在外部作用下的变形和破坏行为的学科。

在材料力学中，断裂韧性是一个非常重要的指标，它描述了材料在应力作用下逐渐破坏的能力。

断裂韧性是材料设计和制造的重要依据之一，因此研究断裂韧性具有重要的科学意义和应用价值。

一、断裂韧性的概念和测量方法断裂韧性是指材料在应力作用下逐渐破坏的能力。

通常情况下，材料受到外部应力作用时会发生塑性变形，逐渐形成裂纹，最终导致断裂。

断裂韧性与材料的断裂强度不同，它反映了材料的抗拉断性能，而断裂强度只是材料拉伸断裂时的强度极限。

断裂韧性的测量方法比较复杂，通常有以下几种常见方法：1. K_IC(裂纹扩展应力强度因子)法：是一种直接测量断裂韧性的方法，通过对裂纹扩展的速率和裂纹尖端周围应力场的分析，可以确定材料的断裂韧性。

2. TCT(脆性破坏温度)法：该方法可以得到材料在低温下的断裂韧性，通常用于评估金属材料或复合材料的热应力断裂韧性。

3. CTOD(裂纹口开度位移)法：CTOD法是一种非常有效的测量断裂韧性的方法，通过测量裂纹口的开度位移来确定材料的断裂韧性。

二、断裂韧性的影响因素材料的断裂韧性是由多种因素综合作用所决定的，包括材料本身的组织结构、晶粒度、温度、应力状态等。

其中，比较重要的因素有以下几个：1.材料微观结构：材料的微观结构决定了材料的强度和塑性性能，因此也会影响断裂韧性。

晶粒尺寸、晶格位错、晶界等因素都会对材料的断裂韧性产生影响。

2.温度：温度对材料的断裂韧性影响很大，一般来说低温下材料的断裂韧性更高。

这是因为低温下材料的塑性变形能力较差，裂纹扩展速率较慢，因此材料的断裂韧性更高。

3.应力状态：不同的应力状态对材料的断裂韧性也有影响。

在拉伸应力状态下，裂纹的扩展方向往往与应力作用方向垂直，这种情况下材料的断裂韧性最高。

三、断裂韧性的研究现状和发展趋势作为材料力学的一个重要分支，断裂力学已经成为一个非常成熟的学科。

对于断裂韧性的研究也已经进行了很多年。

材料断裂实验中的断裂韧性测定和分析材料断裂是工程领域中一个重要的研究课题，因为它直接关系到材料的可靠性和安全性。

在材料断裂实验中，断裂韧性是一个重要的参数，它可以反映材料抵抗断裂的能力。

本文将介绍材料断裂实验中的断裂韧性测定方法和分析过程。

一、断裂韧性的定义和意义断裂韧性是材料在断裂过程中吸收的能量与断裂面积的比值。

它可以反映材料在受力过程中的变形能力和抗断裂能力。

断裂韧性是评价材料抗断裂能力的重要指标，对于工程结构的设计和材料的选择具有重要意义。

二、断裂韧性的测定方法1. 断裂韧性的静态测定方法静态测定方法是通过对材料进行拉伸试验或冲击试验来测定断裂韧性。

拉伸试验是最常用的测定断裂韧性的方法之一。

在拉伸试验中，通过测量材料的应力-应变曲线，可以计算出断裂韧性。

冲击试验是另一种常用的测定断裂韧性的方法。

在冲击试验中，通过测量材料在冲击载荷下的断裂能量，可以计算出断裂韧性。

2. 断裂韧性的动态测定方法动态测定方法是通过对材料进行高速冲击试验或动态加载试验来测定断裂韧性。

高速冲击试验是一种常用的动态测定断裂韧性的方法。

在高速冲击试验中，通过测量材料在高速冲击载荷下的断裂能量，可以计算出断裂韧性。

动态加载试验是另一种常用的动态测定断裂韧性的方法。

在动态加载试验中，通过对材料进行动态加载，观察材料的断裂行为，可以计算出断裂韧性。

三、断裂韧性的分析过程断裂韧性的分析过程主要包括断裂面观察和断裂韧性计算两个步骤。

1. 断裂面观察断裂面观察是通过对材料的断裂面进行显微镜观察，来了解材料的断裂机制和断裂特征。

断裂面观察可以帮助我们判断材料的断裂方式是韧性断裂还是脆性断裂，以及了解断裂过程中的微观损伤和裂纹扩展情况。

2. 断裂韧性计算断裂韧性的计算是通过测量材料在断裂过程中吸收的能量和断裂面积，来计算出断裂韧性。

在静态测定方法中，可以通过拉伸试验或冲击试验得到断裂韧性的计算结果。

在动态测定方法中，可以通过高速冲击试验或动态加载试验得到断裂韧性的计算结果。

断裂韧性的测试方法
断裂韧性是材料在受载过程中发生断裂前能吸收的能量的量度。

常用的测试方法有以下几种：
1. 缺口冲击试验（Charpy或Izod试验）：在标准试样上制作一V形缺口，然后从一定高度自由落锤击向试样的缺口处。

根据试样断裂前后的能量差来评估材料的断裂韧性。

2. 压缩试验：将试样置于压力机中，在加载过程中逐渐增加加载力直至试样发生断裂。

通过测量试样的变形、压缩应力和压缩应变来评估材料的断裂韧性。

3. 拉伸试验：将试样置于拉伸机中，在逐渐增加拉伸力的作用下，测量试样的变形、拉伸应力和拉伸应变。

根据拉伸断裂前后的应变能量差来评估材料的断裂韧性。

4. 复合材料层间剪切试验：对于复合材料，通常采用复合材料层间剪切试验来评估其断裂韧性。

该试验使用双剪样品，通过施加剪切荷载来产生剪切应力，测量剪切变形和剪切应力，以评估复合材料的断裂韧性。

需要注意的是，不同材料的断裂韧性测试方法有所差异，根据具体的材料类型和需求选择合适的测试方法进行断裂韧性评估。