无机材料的脆性断裂与强度.pptx
会计学1无机材料的脆性断裂与强度无机材料的脆性断裂与强度第一节 脆性断裂现象材料在外力作用下的表现行为：形变 断裂材料在外力作用下的行为过程：弹性形变塑性形变断裂弹性畸变粘性形变高温蠕变脆性断裂韧性断裂蠕变断裂第1页/共89页1、断裂的定义固体材料在力的作用下分成若干部分的现象。2、断裂的分类根据断裂前发生塑性形变的情况，分为韧性断裂和脆性断裂两种。（1）、韧性断裂（延性断裂）是材料在断裂前及断裂过程中经历了明显宏观塑性形变的过程。（2）、脆性断裂是材料在断裂前没有明显的宏观塑性形变，没有明显的迹象，往往表现为突发的快速断裂过程。脆性断裂具有很大的危险性！第2页/共89页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，可能是世界上最严重的燃油泄漏事件之一。第3页/共89页1912年号称永不沉没的豪华的泰坦尼克号(Titanic)沉没于冰海中。究竟是什么原因导致这艘巨轮沉没？1995年2月美国科学大众(Popular Science）杂志发表了R Gannon 的文章，标题是What Really Sank The Titanic,回答了80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的Titanic号，右面的是近代船用钢板的冲击试样。由于早年的Titanic 号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。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韧性。第4页/共89页3、脆性断裂行为（1）、脆性断裂的步骤裂纹和缺陷的形成裂纹或缺陷的扩展（2）、脆性断裂的形式突发性断裂：材料受力断裂源处裂纹尖端的横向拉应力达到材料的结合强度裂纹扩展引起周围应力再分配裂纹的加速扩展突发性断裂缓慢断裂：材料受力裂纹缓慢生长缓慢开裂裂纹的存在及其扩展行为是导致脆性断裂的根本原因，并决定材料抵抗断裂的能力！第5页/共89页（3）、断裂的断口形貌脆性断裂韧性断裂第6页/共89页第二节 理论结合强度l材料强度是材料抵抗外力作用时表现出来的一种性质，决定材料强度的最基本因素是分子、原子（离子）之间的结合力；l无机材料的抗压强度是抗拉强度的近10倍，抗拉强度是最值得研究的环节；l材料的断裂就是材料中外力克服了原子结合力，形成了两个新的表面；在外加正应力作用下，将晶体中的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力称为理论结合强度或理论断裂强度。前言：第7页/共89页 在外力作用下，解理面间的在外力作用下，解理面间的原子结合遭到破坏，从而引起原子结合遭到破坏，从而引起晶体的脆性断裂。所以，晶体晶体的脆性断裂。所以，晶体的的理论强度应由原子间结合的的理论强度应由原子间结合力决定。当原子处于平衡位置力决定。当原子处于平衡位置时，原子间的作用力为零；在时，原子间的作用力为零；在拉应力作用下，原子间距増大，拉应力作用下，原子间距増大，引力也增大。曲线上的最高点引力也增大。曲线上的最高点代表晶体的最大结合力，即理代表晶体的最大结合力，即理论断裂强度论断裂强度 th 。理论结合强度的物理模型：第8页/共89页为了简单、粗略地估算理论结合强度，Orowan（奥罗万）提出了用正弦曲线来近似原子间约束力与原子间距的关系曲线。即：式中:th为理论结合强度为正弦曲线的波长理论结合强度的数学模型：第9页/共89页材料断裂时，将产生两个新表面,使单位面积原子平面分开所做的功等于产生两个新表面所需的表面能。设分开单位面积原子平面所作的功为 ，则其值应等于释放出的弹性应变能，可用图中曲线下所包围的面积来计算，有：第10页/共89页设材料形成新表面的表面能为 ，则 ，有：在接近平衡位置O的区域，曲线可以用直线代替（弹性形变），服从虎克定律：第11页/共89页 可见，理论结合强度只与弹性模量，表面能和晶可见，理论结合强度只与弹性模量，表面能和晶格距离等材料常数有关格距离等材料常数有关。为原子间距,很小时,因此，得：要得到高强度的固体，就要求和 大，小。第12页/共89页n式中式中a是晶格常数，随材料的是晶格常数，随材料的种类的不同而不同。种类的不同而不同。n通常情况下，通常情况下，约等于约等于 E/100，这样，这样 th=E/10 n熔融石英纤维熔融石英纤维 =24.1GPa E/4n碳化硅晶须碳化硅晶须 =6.47GPa E/23n氧化铝晶须氧化铝晶须 =15.2GPa E/33n尺寸较大的材料实际强度比理尺寸较大的材料实际强度比理论强度低得更多，约为论强度低得更多，约为E/100 E/1000第13页/共89页第三节 Griffith微裂纹理论 1920年Griffith为了解释玻璃的理论强度与实际强度的差异，提出了微裂纹理论，后来逐渐成为脆性断裂的主要理论基础。一 理论的出发点 Griffith 认为实际材料中总是存在许多细小的微裂纹或缺陷，在外力作用下产生应力集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹开始扩展，最终导致断裂。即断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面拉断，而是裂纹扩展的结果。第14页/共89页二Inglis裂纹尖端应力集中理论Inglis（英格里斯）于1913 年研究了带孔洞板的应力集中问题，形成了裂纹尖端的应力集中理论。该理论考虑了裂纹端部一点的应力，认为当tip等于材料的理论强度时，裂纹就会被拉开，c随之变大，tip又进一步增加。如此恶性循环，导致材料迅速断裂。即裂纹扩展的临界条件为：tiptip2c这时的应力就是临界应力c，有：该理论只考虑了裂纹端部一点的应力，实际上裂纹端部的应力状态很复杂。该理论只考虑了裂纹端部一点的应力，实际上裂纹端部的应力状态很复杂。第15页/共89页Griffith借鉴上述理论结果，从能量的角度研究了裂纹扩展的条件：物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能，即物体内储存的弹性应变能的降低（或释放）是裂纹扩展的动力。三Griffith理论模型单位厚度、无限宽薄板，板内有一长度为2c、并垂直于应力的裂纹，仅施加一拉应力。第16页/共89页四Griffith理论公式如果是平面应变状态，临界应力则表示为：该公式与理论结合强度比较，在形式上两者是相同的，只是后者用c/2代替了前者的a。但裂纹半长c比原子间距a要大几个量级，从而解释了材料的实际强度何以比理论强度低12个量级。同时，该公式也表明了制备高强度材料的基本方向：提高材料的模量E和断裂表面能，降低裂纹尺寸c。第17页/共89页nGriffith 的微裂纹理论能说明材的微裂纹理论能说明材料脆性断裂的本质料脆性断裂的本质 微裂纹扩微裂纹扩展，且能够解释材料强度的尺展，且能够解释材料强度的尺寸效应。寸效应。n所谓的材料强度尺寸效应就是所谓的材料强度尺寸效应就是指：材料的强度随尺寸的增大指：材料的强度随尺寸的增大而减小，随尺寸的减小而增大。而减小，随尺寸的减小而增大。nGriffith 微裂纹理论对尺寸效应微裂纹理论对尺寸效应的解释就是材料的强度是由材的解释就是材料的强度是由材料内部的缺陷即微裂纹来控制料内部的缺陷即微裂纹来控制的，材料的尺寸变大的同时内的，材料的尺寸变大的同时内部的微裂纹也在增多，因此材部的微裂纹也在增多，因此材料的强度会随之下降。反之，料的强度会随之下降。反之，依然。依然。第18页/共89页五Griffith微裂纹理论的不足与Orowan的改进对于塑性材料，Griffith公式不再适用，因为塑性材料在微裂纹扩展过程中裂纹尖端的局部区域要发生不可忽略的塑性形变，需要不断消耗能量，如果不能供给所需要的足够的外部能量，裂纹扩展将会停止。针对这种情况，针对这种情况，Orowan改改进了进了Griffith公式，即公式，即在在Griffith公式中引入扩展单位公式中引入扩展单位面积裂纹所需的塑性功面积裂纹所需的塑性功 p而获而获得塑性材料的裂纹扩展所需得塑性材料的裂纹扩展所需的临界应力的计算公式。的临界应力的计算公式。该公式应用范围：塑性材的断裂。通常，p远远大于，因此，塑性材料的断裂受p控制。第19页/共89页第四节 应力场强度因子和平面应变断裂韧性 近百年时间里，近百年时间里，Griffith Griffith 微裂纹理论得到了广微裂纹理论得到了广泛的应用。上个世纪前半期，人们一直认为这一理泛的应用。上个世纪前半期，人们一直认为这一理论只适用于玻璃陶瓷等的脆性材料领域，随着二战论只适用于玻璃陶瓷等的脆性材料领域，随着二战时期美国的近千艘全焊接时期美国的近千艘全焊接“自由轮自由轮”发生了发生了10001000多多次脆性断裂事故，人们用原有的金属材料理论无法次脆性断裂事故，人们用原有的金属材料理论无法解释这些灾难事故发生的原因，于是人们开始用解释这些灾难事故发生的原因，于是人们开始用Griffith Griffith 的微裂纹理论来解释这些断裂现象并且的微裂纹理论来解释这些断裂现象并且得到了合理的结论。从此，发展起来一门新的力学得到了合理的结论。从此，发展起来一门新的力学分支分支断裂力学断裂力学。它是研究含裂纹体的强度和裂纹。它是研究含裂纹体的强度和裂纹扩展规律的科学，又称为扩展规律的科学，又称为裂纹力学裂纹力学。第20页/共89页一裂纹扩展方式掰开型错开型撕开型掰开型（掰开型（型）：裂纹表面直接分开；型）：裂纹表面直接分开；错开型（错开型（型）：两个裂纹表面在垂直于裂纹前缘方向型）：两个裂纹表面在垂直于裂纹前缘方向上相对滑动；上相对滑动；撕开型（撕开型（型）：两个裂纹表面在平行于裂纹前缘的方型）：两个裂纹表面在平行于裂纹前缘的方向上相对滑动。向上相对滑动。最危险的是掰开型！第21页/共89页n试验：用不同裂纹尺寸的试件试验：用不同裂纹尺寸的试件做拉伸试验，测试出断裂应力，做拉伸试验，测试出断裂应力，结果发现断裂应力与裂纹尺寸结果发现断裂应力与裂纹尺寸之间存在如下的关系式：之间存在如下的关系式：这是实验规律，但能够说明断裂应力受材料中微裂纹的控制。断裂应力与裂纹长度的关系断裂应力与裂纹长度的关系第22页/共89页二裂纹尖端应力场分析2arrxxyy 第23页/共89页 1957 1957年年Irwin（欧文）（欧文）应用弹性力学的应力场理论应用弹性力学的应力场理论对裂纹尖端附近的应力场进行深入分析，得出对裂纹尖端附近的应力场进行深入分析，得出I型型裂纹的如下结果：裂纹的如下结果：K为与外加应力、裂纹长度c、裂纹种类和受力状态有关的系数，称为应力场强度因子，其下标I表示裂纹扩展类型为I型，单位为（薄板，平面应力状态）（厚板，平面应变状态）第24页/共89页 上式可写成上式可写成 式中：式中：r r 为半径向量，为半径向量，q q 为角坐标。为角坐标。当当 r c ，q q0 时，即为裂纹尖端处的一点。时，即为裂纹尖端处的一点。是是裂纹扩展的主要动力裂纹扩展的主要动力第25页/共89页 为几何形状因子，它和裂纹型式、试件几何形状有关。是反映裂纹尖端应力场强度的强度因子；将换成三应力场强度因子及几何形状因子第26页/共89页a)应力场强度因子仅与荷载与裂纹几何尺寸有关，而与坐标无关。b)裂纹顶端附近的应力和位移分布，完全由应力场强度因子来确定。c)应力场强度因子是裂纹尖端应力场大小的比例因子，因为应力分量正比于应力强度因子。应力场强度因子有如下的特性：第27页/共89页n求求K的关键在于求几何形状因子的关键在于求几何形状因子Y，可以通过实验，可以通过实验得到，也可查询几何形状因子数据手册。得到，也可查询几何形状因子数据手册。图2.7列举出几种情况下的Y值:第28页/共89页四临界应力场强度因子及断裂韧性 根据经典强度理论，设计构件的断裂准则为使用应力小于或等于允许应力，即：允许应力：或为屈服强度，为断裂强度，n为安全系数。缺点没有反映断裂的本质，不能防止低低应力下的脆性断裂。第29页/共89页 按按断断裂裂力力学学的的观观点点，裂裂纹纹是是否否扩扩展展取取决决于于应应力力场场强强度度因因子子的的大大小小，当当K值值达达到到某某一一极极限限值值时时，裂裂纹纹就就扩扩展展，即即构构件件发发生生脆脆性性断断裂裂的的条件：条件：极极限限值值 称称为为断断裂裂韧韧性性，它它是是反反映映材材料料抗抗断性能的参数。断性能的参数。因此，应力场强度因子小于或等于材料的因此，应力场强度因子小于或等于材料的平面应变断裂韧性，即平面应变断裂韧性，即 :时时，所设，所设计的构件才是安全的，这一判据考虑了裂纹计的构件才是安全的，这一判据考虑了裂纹尺寸。尺寸。第30页/共89页经典强度理论与断裂力学强度理论的比较经典强度理论断裂强度理论断裂准则：f/nK1=（c)K1c有一构件，实际使用应力为1.30GPa,有下列两种钢供选：甲钢：f=1.95GPa,Kc=45MPam12乙钢：f=1.56GPa,Kc=75MPam12传统设计：甲钢的安全系数:1.5，乙钢的安全系数1.2选择甲钢比选择乙钢更安全第31页/共89页断裂力学观点：最大裂纹尺寸为1mm,Y=1.5甲钢的断裂应力为:c1.0GPa乙钢的断裂应力为:c1.67GPa甲钢的c1.30GPa，不安全乙钢的c1.30GPa，安全选择乙钢比选择甲钢更安全根据断裂力学观点设计，既安全可靠，又能充分发挥材料的强度，合理使用材料。传统观点：追求高强度，不安全。第32页/共89页脆性和韧性脆性、韧性和断裂之间的关系：（1）微裂纹决定了材料的实际断裂强度；（2）断裂韧性因材料种类的不同而有极大的差异；（3）材料的断裂韧性低，它的断裂就是脆性断裂。这个差异是由于不同材料中断裂韧性有明显的不同为什么金属有较好的韧性，而陶瓷和玻璃韧性很差？因为陶瓷和玻璃材料里有裂纹所形成的应力集中区，无法产生大量的位错，不像金属那样通过塑性形变把集中的应力释放掉，裂纹发展得很迅速就显得很脆。第33页/共89页五裂纹扩展的动力和阻力五裂纹扩展的动力和阻力 1裂纹扩展的动力裂纹扩展的动力 Irwin将将裂裂纹纹扩扩展展单单位位面面积积所所降降低低的的弹弹性性应应变变能定义为能定义为应变能释放率或裂纹扩展力应变能释放率或裂纹扩展力。对于有内裂纹对于有内裂纹 的薄板：的薄板：其中其中 G为为裂纹扩展的动力裂纹扩展的动力。对于有内裂的薄板：第34页/共89页临界状态：临界状态：（平面应力状态）（平面应力状态）（平面应变状态）（平面应变状态）2裂纹扩展的阻力裂纹扩展的阻力 对于脆性材料对于脆性材料，由此得由此得 （平面应力状态）（平面应力状态）第35页/共89页 （平面应变状态）（平面应变状态）与与材材料料本本征征参参数数 等等物物理理量量有有关关，它它反反映映了了具具有有裂裂纹纹的的材材料料对对外外界界作作用用的的一一种种抵抵抗抗能能力力，也也可可以以说说是是阻止裂纹扩展的能力阻止裂纹扩展的能力，是材料的固有性质。，是材料的固有性质。第36页/共89页自学自学n柔度标定法求几何形状因子柔度标定法求几何形状因子n线弹性计算公式对试件尺寸的线弹性计算公式对试件尺寸的要求要求第37页/共89页六断裂韧性的测试方法单边直通切口梁法（单边直通切口梁法（SENB法）法）双扭法（双扭法（DT法）法）Knoop压痕三点弯曲梁法压痕三点弯曲梁法山形切口劈裂试件法山形切口劈裂试件法研究较成熟且使用最多的方法是单边直通切口梁法第38页/共89页1、单边直通切口梁法（1）试样形状及尺寸WBP,SP/2P/2c试样几何形状及受力状态试样尺寸的比例及要求：c/w=0.4-0.6;w/s=1/4;B0.5w第39页/共89页（2）试样制备用金刚石内圆切割机切割成长条状试样打磨抛光保证试样受拉表面的光洁度达到7棱角相互垂直，边棱纵向导角45试样高度和宽度在整个试样长度范围内的变化不超过0.2mm用金刚石内圆切割机切口切口深度为c金刚石锯片厚度不超过0.25mm第40页/共89页（3）计算公式三点弯曲受力时，计算公式如下：MPam1/2其中Pc为临界载荷实验机压头的加载速度按形变速率来控制，一般规定为：0.05mm/min。测试试样一般为4-6个，然后取其平均值。此法只适用于平均粒径为2040m的粗晶粒陶瓷。如果是细晶粒陶瓷（平均粒径小于24m），测得的Kc数值偏大。第41页/共89页第五节 裂纹的起源与快速扩展一裂纹的起源一裂纹的起源n晶体微观缺陷发展成裂纹晶体微观缺陷发展成裂纹n材料表面的机械强度损伤与化材料表面的机械强度损伤与化学腐蚀形成的表面裂纹学腐蚀形成的表面裂纹最危最危险的的裂纹险的的裂纹 (裂纹的扩展由表面裂纹开始裂纹的扩展由表面裂纹开始)n热应力引起裂纹热应力引起裂纹n气体逸出形成的裂纹气体逸出形成的裂纹n晶体生长或无定形向晶形转变晶体生长或无定形向晶形转变形成裂纹形成裂纹第42页/共89页第43页/共89页热应力形成裂纹（1）晶粒在材料内部取向不同，热膨胀系数不同，在晶界或相界出现应力集中。（2）高温迅速冷却，内外温度差引起热应力。（3）温度变化发生晶型转变，体积发生变化。第44页/共89页裂纹的快速扩展（失稳扩展）裂纹的快速扩展（失稳扩展）n裂纹扩展的动力：裂纹扩展的动力：n裂纹扩展的阻力：裂纹扩展的阻力：Gc=2 裂裂纹纹一一旦旦达达到到临临界界尺尺寸寸开开始始扩扩展展，G越越来来越越大大2 ，裂裂纹纹快快速速扩扩展展，直直至破坏。至破坏。超超过过临临界界状状态态后后，多多余余的的能能量量的去向的去向n加速裂纹的扩展加速裂纹的扩展n裂纹的繁殖裂纹的繁殖n最后形成复杂的断面最后形成复杂的断面二裂纹的扩展裂纹的扩展第45页/共89页三防止裂纹扩展的措施防止裂纹扩展的措施n 使用应力不超过使用应力不超过c；n 在材料中设置吸收能量的装在材料中设置吸收能量的装置（如金属陶瓷和复合材料）；置（如金属陶瓷和复合材料）；n 人为地在材料中造成大量极人为地在材料中造成大量极微细的小于临界尺寸的裂纹微细的小于临界尺寸的裂纹（如氧化锆增韧氧化铝陶瓷）。（如氧化锆增韧氧化铝陶瓷）。第46页/共89页思考题：思考题：n同一种材料作强度测试时，大同一种材料作强度测试时，大小试样的强度是否相同？为什小试样的强度是否相同？为什么？么？n如何防止低应力下的脆性断裂如何防止低应力下的脆性断裂？n为什么裂纹一旦达到临界尺寸，为什么裂纹一旦达到临界尺寸，就迅速扩展？就迅速扩展？n防止裂纹扩展的措施有哪些？防止裂纹扩展的措施有哪些？第47页/共89页第六节 无机材料中裂纹的亚临界生长n在临界应力之下，裂纹随时间在临界应力之下，裂纹随时间的推移而发生的缓慢扩展的现的推移而发生的缓慢扩展的现象称为象称为亚临界生长亚临界生长，或称为，或称为静静态疲劳态疲劳。n材料在循环应力或渐增应力作材料在循环应力或渐增应力作用下的延时破坏叫做用下的延时破坏叫做动态疲劳动态疲劳。疲劳阶段，材料虽在短时间内可以承受给定的使用应力而不断裂，但如果负荷时间足够长，仍然会在较低应力下破坏，即材料断裂强度取决于时间。第48页/共89页一.应力腐蚀理论要 点：在 一 定 的 环 境 条 件 和 应 力 场 强 度因子作用下，材料中关键裂纹尖端处，裂纹扩展的动力与裂纹阻力的相对大小，构成裂纹生长或不生长的必要充分条件。起 因：材 料 长 期 暴 露 在 腐 蚀 性 环 境 介 质中，断裂强度降低。第49页/共89页裂纹尖端吸附介质表面 能 下 降新裂纹尖 端动力阻力动力Lc时，才有强化效果。当llc时，其效果接近连续纤维；当l=10lc时，可达连续纤维强化效果的95%。短纤维复合材料的强度为：应变与纤维屈服应变向同时的基体应力第82页/共89页一、硬度试验的意义一、硬度试验的意义一、硬度试验的意义一、硬度试验的意义硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能。按加载方式压入法和刻划法。硬度值的物理意义随试验方法的不同其含义不同。压入法硬度值是材料表面抵抗另一物体局部压入时所引起的塑性变形能力；刻划法硬度值表征材料表面对局部切断破坏的抗力。因此，一般认为硬度是指材料表面抵抗变形或破裂的能力。第十节 无机材料的硬度第83页/共89页二、硬度试验方法的分类二、硬度试验方法的分类第84页/共89页小结：断裂理论在材料中的应用（补充）材料工作者应致力于提高材料的f和K1c以提高其抵抗破坏能力的系统材料的研制，以及为减小导致材料失效的动力K1的工程设计。断裂理论阐明裂纹尖端区域的应力强度因子K1是裂纹扩展导致材料断裂的动力；材料固有的临界应力强度因子K1c是裂纹扩展的阻力；断裂强度f是材料的临界应力强度因子所对应的临界应力。一个理想材料构件的建立包括材料的研制、构件的设计、寿命的检测等一系列过程。第85页/共89页第一章 小 结受力形变应力应变虎克定律弹性模量塑性变形高温蠕变第86页/共89页第二章 小 结断裂强度断裂韧性强化韧化应用复合材料第87页/共89页n n习题：2.1、2.2、2.4、2.5、2.6第88页/共89页
