裂纹失稳扩展时，裂纹扩展 阻力小， da/dt大，最大可达该材 料的声速。
• 韧断时，裂纹的亚稳扩展阶段较长，
裂纹的扩展与塑性变形同时进行， 故有明显的塑性变形，断裂慢。
• 脆断时，几乎没有亚稳扩展阶段，
故无明显塑性变形，断裂快。
韧性
材料在塑性变形和断裂过程中吸收能 量的能力，是材料强度和塑性的综合 表现。
强度 σb, σs
五大力学 性能指标
塑性 δ,ψ
韧性 Ak/ak
实际材料中是存在微裂纹及各种冶金 缺陷的，而其中裂纹是最危险的一类缺陷， 因此有必要研究带裂纹体的问题。
断裂力学
应力强度因子
断裂力学研 究表明：裂 纹尖端的应 力应变场可
用物理量Ｋ
来表征。
σx , σy , τxy εx , εy , γxy
• 1999年1月4日晚6时50分左右，彩虹桥整体垮塌，
包括18名年轻武警战士在内的40人遇难。
• 调查组认为，这次垮塌事件由两方面的原因造
成。一是工程质量问题；二是工程承发包不合 法。调查结果表明，这次惨剧不是天灾，而是 人祸。其根本原因，是由于政府在工程开发建 设上没有遵循法律，履行必要的审核、论证程 序，采取了“特事特办”的方式，盲目追求效 率营造“献礼工程”，从而酿成大祸。
单位：MPa·m 1/2 或者 MN ·m-3/2
断裂判据
KI < KIC KI > KIC KI ＝ KIC
构件安全 构件发生脆性断裂 构件发生低应力脆性断裂的临界条件
应用
① 已知应力，材料，确定结构安全的
最大裂纹长度
ac
K IC
Y
2
② 已知裂纹长度，材料，确定结构安全的
最大应力
c
K IC Ya
赵祥忠 男，原重庆市市政工程质量监督站站长，因工程 重大安全事故罪，被判处有期徒刑5年，并处以罚金2万元。
贺际慎 女，原綦江县人大常委会副主任，因玩忽职守罪， 被判处有期徒刑3年。
费上利 男，“虹桥”工程组织承建者，因工程重大安全 事故罪，被判处有期徒刑10年，并处罚金50万元。
此外，李蒙泽、孙立、段浩、夏福利、阎珂、刘泽均、胡 开明、王远凯等人，及重庆通用工业技术服务部，因重大工程 重大安全事故罪、玩忽职守罪、生产销售不符合安全标准的产 品罪等罪名，被判处6年至10年的有期徒刑，并处以3万至25万 元罚金。
第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂
一、基本概念
• 静载荷和冲击载荷 • 断裂：材料在外力作用下分为两
个或者两个以上部分的现象。
• 断裂的分类
力学 宏观 微观
正断
切断
Байду номын сангаас韧断
脆断
微孔聚合 解理 晶间 晶内
綦江彩虹桥垮塌案
• “虹桥”系綦江县形象工程，形似彩虹而得名，
该桥跨越长江支流—綦河，连接城东城西，于 1994年11月5日动工建设，1996年2月16日竣工， 桥净空跨度120米，耗资368万元。
张开型裂纹 I型
滑移型裂纹 II型
撕裂型裂纹 III型
σ
KI Y a
Ｙ: 几何形状因子，
Y＝1～2；
2a
σ: 工作应力；
a : 裂纹半长度。
σ
研 扩究展表，明零：件当是安KI较全小的时；，当裂KI纹达不到会一 个临界值时，裂纹才会扩展，这 个临界值KIC是材料的性质。
断裂韧度
断裂韧度KIC: 是评定材料抵抗脆性断 裂的力学性能指标，指的是材料抵抗 裂纹失稳扩展的能力。
材料力学知识
零件受外力作用时，
其内部各点的应力
状态可用三个主应 力 σ1 、 σ2 、 σ3 来 （ σ1> σ2 > σ3）来 表示。
m ax 1 ( 2 3 )
max
1
2
3
max max
α：应力状态软性系数，零件加载方式由α表示。
τmax
侧压 α>2
单向压 α＝2
τk
• 韧性越好，脆断倾向越小； • 力学性能指标：
冲击韧性 断裂韧性
二、冲击韧性
材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断 裂功的能力。是材料强度和塑性的综合 表现。
衡量指标：冲击吸收功 Ak 冲击韧度 ak (ak＝ Ak/Fk )
Ak mg(hh)
冲击韧性的应用
工程中常将材料的屈服强度与冲 击韧性结合在一起用于零件及结构的 设计。
③ 已知应力，裂纹长度，确定结构
安全的材料
KI Y aKIC
断裂韧度是用高强度钢制造的飞机、导弹和火箭 的零件，及用中低强度钢制造气轮机转子、大型 发电机转子等大型零件的重要性能指标。
四、影响脆性断裂的因素
• 加载方式 • 材料本质 • 温度和加载速度 • 应力集中 • 零件尺寸
（一）加载方式和材料本质
Ak越高，Tk越低，则材料的韧性越好。
性能A指k标是。对γ材钢料韧的性成最分高和，无组明织显敏的感T的k
力学 ，低
温韧性好；低强度铁素体钢韧性次之，有
明最差显，的即Tk使，室低温温韧韧性性好差很；低高。强度M钢韧性
三、断裂韧性
传统的零件及结构设计是基于“材料 是一个连续均质的整体”假设之上的，为 防止脆性断裂，除强度要求之外，还加上 了材料的塑性和韧性指标。
解理型断口
微孔聚合型断口
晶间断裂
晶内断裂
断裂过程
• 裂纹形成（萌生）阶段 • 裂纹扩展阶段
裂纹萌生：材料在外力作用下，形成微裂纹 或以内部缺陷作为裂纹源。
裂纹扩展：微裂纹或裂纹源逐渐扩展至一临界 尺寸时，立即发生断裂。前者段 称裂纹亚稳扩展阶段，后者称裂 纹失稳扩展阶段。
裂纹亚稳扩展时，裂纹扩展 阻力大，da/dt较小；
綦江彩虹桥垮塌案例
1999年3、4月，重庆第一中级人民法院对“綦江彩虹桥垮 塌案”14名责任被告人进行一审宣判。其中10人不服，并上诉。 同年12月，重庆市高院作出终审判决。
林世元 男，原綦江县委员会副书记，因受贿罪、玩忽职 守罪，被高级人民法院终审判处死刑，缓期2年执行。
张基碧 男，原綦江县城乡建设管理委员会主任，因玩忽 职守罪，被判处有期徒刑6年。
焊接结构设计中，除了强度的要 求外，规定焊接接头冲击吸收功
Ak > 27J
-59℃ -12℃ 4℃ 16℃ 24℃ 79℃
低强度铁素体钢冲击断口照片
系列冲击试验
奥氏体钢 低强度铁素体钢
冲击吸收功 Ak
高强度钢
Tk
温度 T
温度对材料的韧性影响很大，材料由
韧性状态转变为脆性状态的温度称为韧脆
转变温度，Tk。
扭转 α＝0.8
单向拉 α＝0.5
τs σk
三向不等拉 α<0.5
σmax
加载方式不同，断裂方式不同