无机材料物理性能第讲.ppt

《无机材料物理性能第讲.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无机材料物理性能第讲.ppt（56页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、无机材料物理性能第讲现在学习的是第1页，共56页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 现在学习的是第2页，共56页现在学习的是第3页，共56页脆性断裂的断裂面脆性断裂的断裂面现在学习的是第4页，共56页船身断裂，一分为二的船身断裂，一分为二的Schenectady号油轮号油轮现在学习的是第5页，共56页垮塌后的彩虹桥垮塌后的彩虹桥现在学习的是第6页，共56页现在学习的是第7页，共56页 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

2、。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。现在学习的是第8页，共56页 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现在学习的是第9页，共56页 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现在学习的是第10页，共56页 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

3、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现在学习的是第11页，共56页Orowan 模型模型断裂理论xSinth2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现在学习的是第12页，共56页断裂理论thththxCosdxxSinW2200222断裂功断裂功 2W2 th形成两个新的表面形成两个新的表面 xSinxSinthth222 2 00axllEaxE由虎克定律由虎克定律 xExxaxth 22)2sin(0 00222aEaEth xxx22sin 很很小小现在学习的是第13页，共56页Orowan 模型模型高强度的固体必须要求高强度的固体必须要求E E、大，大，

4、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：10EthaEth断裂理论现在学习的是第14页，共56页材料材料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385029.51

5、30NaCl4001040.0AlN28006010046.728.0Al2O3刚玉刚玉500044.1113现在学习的是第15页，共56页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 断裂理论现在学习的是第16页，共56页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

6、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。断裂理论现在学习的是第17页，共56页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现在学习的是第18页，共56页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和端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，依据弹性理论部的曲率半径而与孔洞的形状无关，依据弹性理论：ccA2，所所以以远远大大于于考虑到裂纹尖端曲率半径考虑到裂纹尖端曲率半径与晶格常数与晶格常数 相当相当:

7、02acA 故故断裂理论 21 cA裂纹扩展的条件是：裂纹扩展的条件是：thA thccAaErac 002cErc4 考虑到考虑到:cA th 现在学习的是第19页，共56页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 断裂理论现在学习的是第20页，共56页GriffithGriffith断裂理论断裂理论(稳定稳定)(临界临界)(扩展扩展)dcdWdcdWse22 dC2dW 2dCdW(为表面能为表面能)断裂理论 当裂纹进一步扩展一个微小量时，单位面积释放的能量为当裂纹进一步扩展一个微小量时，单位面积释放的能量为 ，形成新生的单位表面积所需的

8、表面能为，形成新生的单位表面积所需的表面能为：dcdWe2dcdWs2dcdWdcdWse22 dcdWdcdWse22 现在学习的是第21页，共56页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：E2cU22EcdCdU22Ec2由临界条件得：由临界条件得：断裂理论平面应力状态下裂纹扩平面应力状态下裂纹扩展时的临界裂纹长度或展时的临界裂纹长度或临界应力：临界应力：平面应变状态下裂纹平面应变状态下裂纹扩展时的临界裂纹长扩展时的临界裂纹长度或临界应力：度或临界应力：cEc 2 cEc )1(22 现在学习的

9、是第22页，共56页GriffithGriffith断裂理论断裂理论n重要意义：重要意义：首次确定了载荷、形状、裂纹长度和材首次确定了载荷、形状、裂纹长度和材料裂纹抵抗力之间的关系，为断裂力学的创立料裂纹抵抗力之间的关系，为断裂力学的创立奠定了理论基础。奠定了理论基础。断裂理论现在学习的是第23页，共56页Irwin-Orowan理论理论 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:2)(2 pEC cEpC )(2 )1()(222 pECcEpC)1()(22断裂理论现在学习的是第24页，共56页 p为裂纹扩展单位面积在塑性变形中所作

10、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理论理论 )1(222pCECcEpC)1(22断裂理论现在学习的是第25页，共56页现在学习的是第26页，共56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。现在学习的是第27页，共56页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)沉没沉没于冰海中。于冰海

11、中。19851985年以后，探险家们数次深潜到海底研究沉船，取出年以后，探险家们数次深潜到海底研究沉船，取出遗物。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）杂志发表了发表了R Gannon R Gannon 的文章，标题是的文章，标题是What Really Sank The What Really Sank The TitanicTitanic,回答了回答了8080年未解之谜。上图是两个冲击试验结果年未解之谜。上图是两个冲击试验结果，左面的试样取自海底的，左面的试样取自海底的TitanicTitanic号

12、，右面的是近代船用钢板号，右面的是近代船用钢板的冲击试样。由于早年的的冲击试样。由于早年的Titanic Titanic 号采用了号采用了含硫高含硫高的钢板，韧的钢板，韧性很差，特别是在低温呈性很差，特别是在低温呈脆性脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断。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口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的低温韧性。现在学习的是第28页，共56页现在学习的是第29页，共56页掰开型2 arxy现在学习的是第30页，共56页23cos2cos2sin2 rcYxy 掰开型)23sin2sin1(2cos2 rcYx)23sin2sin

13、1(2cos2 rcYycYKIK KI I称为应力场强度因子称为应力场强度因子现在学习的是第31页，共56页掰开型裂纹尖端处的一点：裂纹尖端处的一点：rKIyx 2 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：cYcrrKAI 222现在学习的是第32页，共56页大而薄的板，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 现在学习的是第33页，共56页 现在学习的是第34页，共56页 EEYcEcYcYKcIc2)/2()/2(212 EKIc(平面应力状态平面应

14、力状态)(平面应变状态平面应变状态)现在学习的是第35页，共56页断裂韧性断裂韧性 临界应力强度因子临界应力强度因子KIC ：当：当KI随着外应力增大到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足以使原某一临界值，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子键分离的应力 th，此时，裂纹快速扩展并导致试样断，此时，裂纹快速扩展并导致试样断裂。裂。KIC=c（c)由由:c=（2E /c)1/2 得：得：KIC=（2E )1/2现在学习的是第36页，共56页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结构是材料固有的性能，也是材料的组成和显微

15、结构的函数的函数,是材料抵抗裂纹扩展的阻力因素。与裂纹的大小、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。随着材料的弹性模量和断裂能的增加形状以及外力无关。随着材料的弹性模量和断裂能的增加而提高而提高.现在学习的是第37页，共56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，问题出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？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

16、安全？现在学习的是第38页，共56页 经典强度理论设计依据的经典强度理论设计依据的 b、s是在尽可能排除缺是在尽可能排除缺陷的情况下取得的，陷的情况下取得的，不反映缺陷对强度的影响。不反映缺陷对强度的影响。而断裂强度理论充分考虑了缺陷对强度的影响，并依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。此设计和使用材料，因此是安全的。现在学习的是第39页，共56页 有一构件，实际使用应力为有一构件，实际使用应力为1.30GPa,有下列两种钢供选：有下列两种钢供选：甲钢：甲钢：f=1.95GPa,K1c=45Mpam 12 乙钢：乙钢：f=1.56GPa,K1c=75M

17、pam 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:1.67GPa现在学习的是第40页，共56页 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

18、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现在学习的是第41页，共56页裂纹的快速扩张（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EcG/2现在学习的是第42页，共56页n 使用应力不超过使用应力不超过c c n 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 n 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

19、。细的小于临界尺寸的裂纹。现在学习的是第43页，共56页n在临界应力之下，裂纹随时间的推移而发在临界应力之下，裂纹随时间的推移而发生的缓慢扩展的现象称为生的缓慢扩展的现象称为亚临界生长亚临界生长，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。现在学习的是第44页，共56页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点：要点：在一定的坏境条件和应力场强在一定的坏境条件和应力场强 度因子作用下，材料中关键裂纹尖端处度因子作用下，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

20、大，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小，构成裂纹生长或不生长的必要充分条件。条件。起因：起因：材料长期暴露在腐蚀性环境介材料长期暴露在腐蚀性环境介 质中，断裂强度降低质中，断裂强度降低。现在学习的是第45页，共56页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现在学习的是第46页，共56页裂纹裂纹尖端尖端吸附介质表面吸附介质表面 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纹快速生长裂纹快速生长断裂断裂裂纹亚临界生长机制现在学习的是第47页，共56

21、页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 n开裂阻力的减小，使得动力大开裂阻力的减小，使得动力大于阻力于阻力裂纹亚临界生长机制现在学习的是第48页，共56页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材料的临界应力只决定于材料中的材料的临界应力只决定于材料中的最最大大裂纹长度裂纹长度n裂纹的长度裂纹的长度c在材料内的分布是在材料内的分布是随机随机的的体积越大，存在最大裂纹长度的概率体积越大，存在最大裂纹长度的概率也越大。而材料中，只要有一条最大也越大。而材料中，只要有一条最大长度的初始裂纹，材料就要失效长度的初始裂纹，材料就要失效现在学习的是第

22、49页，共56页n影响材料强度的因素影响材料强度的因素提高材料的强度是指提高其抵抗弹性、塑性及断提高材料的强度是指提高其抵抗弹性、塑性及断裂形变的能力，这几项主要决定的指标是裂形变的能力，这几项主要决定的指标是E或或G、及裂及裂纹长度。纹长度。弹性模量表示原子间的结合力，它是一种结构不敏感弹性模量表示原子间的结合力，它是一种结构不敏感性能常数，性能常数，则与微观结构有关则与微观结构有关(但单相材料的微观结构对但单相材料的微观结构对其影响不大其影响不大)。关键的因素是裂纹长度。关键的因素是裂纹长度。现在学习的是第50页，共56页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

23、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 复合增韧复合增韧现在学习的是第51页，共56页硬度硬度n材料抵抗表面局部塑性变形的材料抵抗表面局部塑性变形的能力。能力。n布氏硬度布氏硬度HBHB)(2102.022dDDDPHB 布氏硬度计布氏硬度计现在学习的是第52页，共56页 n压头为钢球时压头为钢球时，布氏硬度用符号布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬表示，适用于布氏硬度值在度值在450以下的材料。以下的材料。n压头为硬质压头为硬质合金球时，用符号合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬表示，适用于布氏硬度在度在650以下的材料。以下的材料。n符

24、号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬之前的数字表示硬度值度值,符号后面的数字按顺序分别表符号后面的数字按顺序分别表示球体直径示球体直径、载荷及载荷保持时间。载荷及载荷保持时间。如如 120HBS10/1000/30 表表 示直径为示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下）载荷作用下保持保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。布氏硬度压痕布氏硬度压痕现在学习的是第53页，共56页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、成品件及比压头还硬的压痕大，不能用于太薄件、成品件及比

25、压头还硬的材料。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)钢黄铜球墨铸铁现在学习的是第54页，共56页洛氏硬度洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计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根据压头类型和主载荷

26、不同，分为九个标尺，常用的标根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为尺为A、B、C。现在学习的是第55页，共56页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。nHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料,如硬质如硬质合金、表淬层和渗碳层合金、表淬层和渗碳层。nHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料,如有色如有色金属和退火金属和退火、正火钢等。正火钢等。nHRC用于测量中等硬度材料，如调用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。质钢、淬火钢等。n洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，压痕操作简便，压痕小，适用范围广。小，适用范围广。n缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。钢球压头与金钢球压头与金刚石压头刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕现在学习的是第56页，共56页