《无机材料物理性能》第2讲资料.ppt

无机材料物理性能第2讲资料n 断裂行为断裂行为n 理论结合强度理论结合强度n 断裂理论断裂理论 第二章第二章 无机材料脆性断裂与强度无机材料脆性断裂与强度2-12-1 脆性断裂现象脆性断裂现象断裂现象断裂现象脆性断裂的断裂面脆性断裂的断裂面断裂现象断裂现象船身断裂，一分为二的船身断裂，一分为二的Schenectady号油轮号油轮垮塌后的彩虹桥垮塌后的彩虹桥脆脆性性断断裂裂 40人死亡；人死亡；14人受伤；人受伤；直接经济损失直接经济损失631万元。万元。1999年年1月月4日，我国重庆市綦江县日，我国重庆市綦江县彩虹桥发生垮塌，造成：彩虹桥发生垮塌，造成：断裂现象断裂现象脆性断裂现象脆性断裂现象断裂现象分类断裂现象分类:金属类：金属类：先是弹性形变，然后塑性变，先是弹性形变，然后塑性变，直至断裂。直至断裂。高分子类：高分子类：先是弹性形变（很大），然先是弹性形变（很大），然 后塑性形变，直至断裂。后塑性形变，直至断裂。无机材料：无机材料：先是弹性形变（较小），然先是弹性形变（较小），然 后不发生塑性形变（或很小）后不发生塑性形变（或很小）而直接脆性断裂。而直接脆性断裂。脆性断裂现象脆性断裂现象 脆性断裂的特点脆性断裂的特点l断裂前无明显的预兆断裂前无明显的预兆l断裂处往往存在一定的断裂源断裂处往往存在一定的断裂源l由于断裂源的存在，实际断裂强度由于断裂源的存在，实际断裂强度 远远小于理论强度远远小于理论强度脆性断裂现象脆性断裂现象脆性断裂的微观过程脆性断裂的微观过程突发性裂纹扩展突发性裂纹扩展裂纹的缓慢生长裂纹的缓慢生长2-22-2 理论结合强度理论结合强度固体的强度固体的强度固体材料抵抗破坏的能力固体材料抵抗破坏的能力按破坏形式分：屈服强度按破坏形式分：屈服强度 断裂强度断裂强度按讨论方式分：理论强度按讨论方式分：理论强度 实际强度实际强度断裂理论理论结合强度理论结合强度Orowan 模模型型断裂理论原子间约束力和距离间的关系原子间约束力和距离间的关系理论结合强度的推导理论结合强度的推导断裂理论断裂功断裂功 形成两个新的表面形成两个新的表面 由虎克定律由虎克定律 理论结合强度理论结合强度Orowan 模模型型根据根据根据根据Orowan Orowan Orowan Orowan 模型，经过推导出：模型，经过推导出：模型，经过推导出：模型，经过推导出：高强度的固体必须要求高强度的固体必须要求E E、大，大，a a小，小，约为约为aE/100aE/100，故理论结合强度可写成：，故理论结合强度可写成：断裂理论理论结合强度的推导理论结合强度的推导材料材料thKg/mm2 c th/c材料材料 th c th/cAl2O3晶须晶须500015403.3Al2O3宝石宝石500064.477.6铁晶须铁晶须300013002.3BeO357023.8150奥氏型钢奥氏型钢20483206.4MgO245030.181.4硼硼348024014.5Si3N4热压热压385010038.5硬木硬木10.5SiC49009551.6玻璃玻璃69310.566.0Si3N4烧结烧结385029.5130NaCl4001040.0AlN28006010046.728.0Al2O3刚玉刚玉500044.1113线弹性断裂力学的基本理论线弹性断裂力学的基本理论v Inglis断裂理论断裂理论 v Griffith脆断理论脆断理论 v Irwin-Orowan 理论理论 断裂理论InglisInglis断裂理论断裂理论贡献贡献：看到了缺陷、解释了实际强度远低于看到了缺陷、解释了实际强度远低于 理论强度的事实。理论强度的事实。缺点缺点：沿用了传统的强度理论，引用了现成沿用了传统的强度理论，引用了现成 的弹性力学应力集中理论，并将缺陷的弹性力学应力集中理论，并将缺陷 视为椭园孔，未能讨论裂纹型的缺陷。视为椭园孔，未能讨论裂纹型的缺陷。断裂理论InglisInglis断裂理论断裂理论c2c微裂纹端部的曲率对应于原子间距微裂纹端部的曲率对应于原子间距断裂理论InglisInglis断裂理论断裂理论 孔洞两个端部的应力几乎取决于孔洞的长度孔洞两个端部的应力几乎取决于孔洞的长度和端部的曲率半径而与孔洞的形状无关，依据弹和端部的曲率半径而与孔洞的形状无关，依据弹性理论性理论：考虑到裂纹尖端曲率半考虑到裂纹尖端曲率半径径与晶格常数与晶格常数 相当相当:故故断裂理论裂纹扩展的条件是：裂纹扩展的条件是：考虑到考虑到:一旦一旦一旦一旦c c增加，增加，增加，增加，进一步增大，更大于进一步增大，更大于进一步增大，更大于进一步增大，更大于 ，裂纹加速扩展，裂纹加速扩展，裂纹加速扩展，裂纹加速扩展GriffithGriffith断裂理论断裂理论裂纹扩散临界条件的导出裂纹扩散临界条件的导出 断裂理论GriffithGriffith断裂理论断裂理论(稳定稳定)(临界临界)(扩展扩展)(为表面能为表面能)断裂理论 当当裂裂纹纹进进一一步步扩扩展展一一个个微微小小量量时时，单单位位面面积积释释放放的的能能量量为为 ，形成新生的单位表面积所需的表面能为，形成新生的单位表面积所需的表面能为：GriffithGriffith断裂理论断裂理论弹性力学方法可求得裂纹扩展时的弹性能改变量：弹性力学方法可求得裂纹扩展时的弹性能改变量：由临界条件得：由临界条件得：断裂理论平面应力状态下裂平面应力状态下裂纹扩展时的临界裂纹扩展时的临界裂纹长度或临界应力：纹长度或临界应力：平面应变状态下裂平面应变状态下裂纹扩展时的临界裂纹扩展时的临界裂纹长度或临界应力：纹长度或临界应力：GriffithGriffith断裂理论断裂理论n重要意义：重要意义：首首次次确确定定了了载载荷荷、形形状状、裂裂纹纹长长度度和和材材料料裂裂纹纹抵抵抗抗力力之之间间的的关关系系，为为断断裂裂力学的创立奠定了理论基础。力学的创立奠定了理论基础。断裂理论Irwin-Orowan理理论论 n对有塑性性能的金属材料对有塑性性能的金属材料:平面应变状态平面应变状态:平面应力状态平面应力状态:断裂理论 p为裂纹扩展单位面积在塑性变形中所作的为裂纹扩展单位面积在塑性变形中所作的塑性功，由于塑性功，由于 p (约为约为 的的103量级量级)Irwin-Orowan理理论论 断裂理论应力场强度因子和应力场强度因子和平面应变断裂韧性平面应变断裂韧性 2002年11月19日，希腊“威望”号油轮在西班牙加利西亚省所属海域触礁，断裂断裂成两截，随后逐渐下沉。据悉，这艘船上共装有7.7万吨燃料油。生态学家称这可能是世界上最严重的燃油泄漏事件之一。19121912年号称永不沉没的豪华的泰坦尼克号年号称永不沉没的豪华的泰坦尼克号(TitanicTitanic)沉没于冰海中。沉没于冰海中。19851985年以后，探险家们数次深潜到海底年以后，探险家们数次深潜到海底研究沉船，取出遗物。研究沉船，取出遗物。19951995年年2 2月美国月美国科学大众科学大众(Popular SciencePopular Science）杂志发表了）杂志发表了R Gannon R Gannon 的文章，标题的文章，标题是是What Really Sank The TitanicWhat Really Sank The Titanic,回答了回答了8080年未解年未解之谜。上图是两个冲击试验结果，左面的试样取自海底之谜。上图是两个冲击试验结果，左面的试样取自海底的的TitanicTitanic号，右面的是近代船用钢板的冲击试样。由于号，右面的是近代船用钢板的冲击试样。由于早年的早年的Titanic Titanic 号采用了号采用了含硫高含硫高的钢板，韧性很差，特的钢板，韧性很差，特别是在低温呈别是在低温呈脆性脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的低温韧性近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的低温韧性。裂纹扩展方式裂纹扩展方式裂纹尖端应力场分析裂纹尖端应力场分析掰开型2 ar rx xy y 裂纹尖端应力场分析裂纹尖端应力场分析掰开型K KI I称为应力场强度因子称为应力场强度因子裂纹尖端应力场分析裂纹尖端应力场分析掰开型裂纹尖端处的一点：裂纹尖端处的一点：裂纹扩展的主要动力裂纹扩展的主要动力 y y即是前述的即是前述的 A所以：所以：应力场强度因子应力场强度因子大而薄的板，大而薄的板，中心穿透裂纹中心穿透裂纹 大而薄的板，大而薄的板，边缘穿透裂纹边缘穿透裂纹 单边直通切口三单边直通切口三点弯曲梁试样点弯曲梁试样 线性断裂力学判据线性断裂力学判据 KI=KIC KI应力强度因子应力强度因子应力强度因子应力强度因子 KIC断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂韧性(临界应力强度因子，临界应力强度因子，临界应力强度因子，临界应力强度因子，由实验确定由实验确定由实验确定由实验确定)应力场强度因子应力场强度因子临界应力场强度因子临界应力场强度因子(平面应力状态平面应力状态)(平面应变状态平面应变状态)断裂韧性断裂韧性 临界应力强度因子临界应力强度因子KIC ：当：当KI随着外应力增随着外应力增大到某一临界值，裂纹尖端处的局部应力不断增大到某一临界值，裂纹尖端处的局部应力不断增大到足以使原子键分离的应力大到足以使原子键分离的应力 th，此时，裂纹快，此时，裂纹快速扩展并导致试样断裂。速扩展并导致试样断裂。KIC=c（c)由由:c=（2E /c)1/2 得：得：KIC=（2E )1/2断裂韧性参数断裂韧性参数(KIC)：是材料固有的性能，也是材料的组成和显微是材料固有的性能，也是材料的组成和显微结构的函数结构的函数,是材料抵抗裂纹扩展的阻力因素。与是材料抵抗裂纹扩展的阻力因素。与裂纹的大小、形状以及外力无关。随着材料的弹裂纹的大小、形状以及外力无关。随着材料的弹性模量和断裂能的增加而提高性模量和断裂能的增加而提高.经典强度理论与断裂力学强度理论的比较经典强度理论与断裂力学强度理论的比较 经典强度理论经典强度理论 断裂强度理论断裂强度理论断裂准则：断裂准则：b/n K1=（c)K1c 经典强度理论无法保证所设计构件的安全，经典强度理论无法保证所设计构件的安全，问题出现在哪儿？问题出现在哪儿？断裂强度理论又为什么能够保证构件安全？断裂强度理论又为什么能够保证构件安全？经典强度理论设计依据的经典强度理论设计依据的 b、s是在尽可能排是在尽可能排除缺陷的情况下取得的，除缺陷的情况下取得的，不反映缺陷对强度的影不反映缺陷对强度的影响。响。而断裂强度理论充分考虑了缺陷对强度的影而断裂强度理论充分考虑了缺陷对强度的影响，并依此设计和使用材料，因此是安全的。响，并依此设计和使用材料，因此是安全的。有一构件，实际使用应力为有一构件，实际使用应力为1.30GPa,有下列两种钢有下列两种钢供选：供选：甲钢：甲钢：f=1.95GPa,K1c=45Mpam 12 乙钢：乙钢：f=1.56GPa,K1c=75Mpam 12 传统设计：甲钢的安全系数传统设计：甲钢的安全系数:1.5，乙钢的安全系数乙钢的安全系数 1.2断裂力学观点：断裂力学观点：最大裂纹尺寸为最大裂纹尺寸为1mm,Y=1.5 甲钢的断裂应力为甲钢的断裂应力为:1.0GPa 乙钢的断裂应力为乙钢的断裂应力为:1.67GPa2525 裂纹的起源与快速扩展裂纹的起源与快速扩展裂纹的起源裂纹的起源v 晶体微观缺陷发展成裂纹晶体微观缺陷发展成裂纹v材料表面的机械强度损伤与化学腐蚀材料表面的机械强度损伤与化学腐蚀 形成成的表面裂纹形成成的表面裂纹最危险的的裂纹最危险的的裂纹 (裂纹的扩展由表面裂纹开始裂纹的扩展由表面裂纹开始)v热应力引起裂纹热应力引起裂纹v气体逸出形成的裂纹气体逸出形成的裂纹v晶体生长或无定形向晶形转变形成裂纹晶体生长或无定形向晶形转变形成裂纹裂纹的起源与快速扩展裂纹的起源与快速扩展裂纹的快速扩张（失稳扩展）裂纹的快速扩张（失稳扩展）裂纹扩展的动力：裂纹扩展的动力：裂纹扩展的阻力：裂纹扩展的阻力：Gc=2超过临界状态后，多余的能量的去向超过临界状态后，多余的能量的去向裂纹的加速扩展裂纹的加速扩展裂纹的繁殖裂纹的繁殖最后形成复杂的断面最后形成复杂的断面防止裂纹扩展的措施防止裂纹扩展的措施 使用应力不超过使用应力不超过c c 在材料中设置吸收能量的装置在材料中设置吸收能量的装置 人为地在材料中造成大量极微人为地在材料中造成大量极微 细的小于临界尺寸的裂纹。细的小于临界尺寸的裂纹。无机材料中裂纹的亚临界生长无机材料中裂纹的亚临界生长 n在在临临界界应应力力之之下下，裂裂纹纹随随时时间间的的推推移移而而发发生生的的缓缓慢慢扩扩展展的的现现象象称称为为亚亚临临界界生生长长，或或称为称为静态疲劳静态疲劳。n材料在循环应力或渐增应力作用下的延时材料在循环应力或渐增应力作用下的延时破坏叫做破坏叫做动态疲劳动态疲劳。裂纹亚临界生长机制裂纹亚临界生长机制1.1.应力腐蚀理论应力腐蚀理论要要 点点：在在 一一 定定 的的 坏坏 境境 条条 件件 和和 应应 力力 场场 强强 度度因因子子作作用用下下，材材料料中中关关键键裂裂纹纹尖尖端端处处，裂裂纹纹扩扩展展的的动动力力与与裂裂纹纹阻阻力力的的相相对对大大小小，构构成成裂裂纹纹生生长长或或不不生生长长的的必必要充分条件。要充分条件。起起 因因：材材 料料 长长 期期 暴暴 露露 在在 腐腐 蚀蚀 性性 环环 境境 介介 质中，断裂强度降低质中，断裂强度降低。应力腐蚀理论应力腐蚀理论K K值随亚临界裂纹增长的变化值随亚临界裂纹增长的变化 裂纹亚临界生长机制应力腐蚀理论应力腐蚀理论裂纹裂纹尖端尖端吸附介质表吸附介质表面面 能能 下下 降降新裂纹新裂纹尖尖 端端动力动力阻力阻力动力动力阻力阻力腐蚀介质腐蚀介质裂纹停止生长裂纹停止生长裂纹生长裂纹生长裂裂纹纹快快速速生生长长断裂断裂裂纹亚临界生长机制应力腐蚀理论应力腐蚀理论n开裂阻力开裂阻力：Gc=dWs/dc=2 n开裂动力：开裂动力：G=2c/E 开裂阻力的减小，使得动力开裂阻力的减小，使得动力大于阻力大于阻力裂纹亚临界生长机制无机材料强度的统计特性无机材料强度的统计特性无机材料强度波动原因的分析无机材料强度波动原因的分析n材材料料的的临临界界应应力力只只决决定定于于材材料料中中的的最最大大裂纹长度裂纹长度n裂裂纹纹的的长长度度c在在材材料料内内的的分分布布是是随随机机的的体体积积越越大大，存存在在最最大大裂裂纹纹长长度度的的概概率率也也越越大大。而而材材料料中中，只只要要有有一一条条最最大大长度的初始裂纹，材料就要失效长度的初始裂纹，材料就要失效提高强度改进韧性的途径提高强度改进韧性的途径n影响材料强度的因素影响材料强度的因素提提高高材材料料的的强强度度是是指指提提高高其其抵抵抗抗弹弹性性、塑塑性性及及断断裂裂形形变变的的能能力力，这这几几项项主主要要决决定定的的指指标标是是E或或G、及裂纹长度。及裂纹长度。弹弹性性模模量量表表示示原原子子间间的的结结合合力力，它它是是一一种种结结构构不不敏敏感感性性能能常常数数，则则与与微微观观结结构构有有关关(但但单单相相材材料料的的微微观结构对其影响不大观结构对其影响不大)。关键的因素是裂纹长度。关键的因素是裂纹长度。提高强度改进韧性的途径提高强度改进韧性的途径l 微晶，高密度与高纯度微晶，高密度与高纯度l 提高抗裂能力与预加应力提高抗裂能力与预加应力l 化学强化化学强化l 相变增韧相变增韧l 弥散增韧弥散增韧l 复合增韧复合增韧硬度硬度n材料抵抗表面局部塑性变形材料抵抗表面局部塑性变形的能力。的能力。n布氏硬度布氏硬度HBHB布布氏氏硬硬度度计计 n压压头头为为钢钢球球时时，布布氏氏硬硬度度用用符符号号HBS表表示示，适适用用于于布氏硬度值在布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。n压压头头为为硬硬质质合合金金球球时时，用用符符号号HBW表表示示，适适用用于于布布氏硬度在氏硬度在650以下的材料。以下的材料。l符符号号HBS或或HBW之之前前的的数数字字表表示示硬硬度度值值,符符号号后后面面的的数数字字按按顺顺序序分分别别表表示示球球体体直直径径、载载荷荷及及载载荷荷保保持时间。持时间。如如 120HBS10/1000/30 表表 示示直直径径为为10mm的的钢钢球球在在1000kgf（9.807kN）载载荷荷作用下保持作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。布布氏氏硬硬度度压压痕痕n布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。n缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。还硬的材料。n适于测量适于测量:退火、正火、调质钢退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。n材料的材料的 b与与HB之间的经验关系：之间的经验关系：对于低碳钢对于低碳钢:b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢：b(MPa)3.4HB 对于铸铁：对于铸铁：b(MPa)1HB或或 b(MPa)0.6(HB-40)HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁洛氏硬度洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛洛氏氏硬硬度度计计n洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002n根根据据压压头头类类型型和和主主载载荷荷不不同同，分分为为九九个个标标尺尺，常用的标尺为常用的标尺为A、B、C。n符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料,如如硬质合金、表淬层和渗碳层硬质合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料,如如有色金属和退火有色金属和退火、正火钢等。正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。如调质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，操作简便，压痕小，适用范围广。压痕小，适用范围广。l缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕维氏硬度维氏硬度维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕n维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示，表示，符号前的数字为硬度值，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。n根据载荷范围不同，规定了三种测定方法根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬维氏硬度试验度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。n维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。洛氏硬度的优点。小小负负荷荷维维氏氏硬硬度度计计显微维氏硬度计显微维氏硬度计物性作业二物性作业二n一、（资料P106-2）n二、（资料P106-4）n三、（资料P107-6）谢谢大家！结结 语语