第二章无机材料的断裂强度精选文档.ppt
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1、第二章无机材料的断裂强度本讲稿第一页,共四十三页绪论绪论n机械强度(机械强度(Mechanical Strength):材料):材料在外力作用下抵抗形变及断裂破坏的能力在外力作用下抵抗形变及断裂破坏的能力.n根据外力作用的形式,可分为抗拉强度、抗根据外力作用的形式,可分为抗拉强度、抗冲强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。冲强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。本讲稿第二页,共四十三页2.1脆性断裂现象脆性断裂现象n1、知识回顾:、知识回顾:材料受力变形(弹、粘、材料受力变形(弹、粘、塑性形变)塑性形变)n(1)一般固体材料在外力作用下,首)一般固体材料在外力作用下,首先产生正应力下的弹性形变
2、和剪应力下先产生正应力下的弹性形变和剪应力下的弹性畸变。外力移去,可恢复。的弹性畸变。外力移去,可恢复。本讲稿第三页,共四十三页n(2)在足够大的剪应力作用下(或环境温度)在足够大的剪应力作用下(或环境温度较高时),材料中的晶体部分将选择最易滑较高时),材料中的晶体部分将选择最易滑移的系统出现晶粒内部的位错滑移,在宏观移的系统出现晶粒内部的位错滑移,在宏观上表现为材料的塑性形变。上表现为材料的塑性形变。n无机材料中的晶界非晶相、玻璃、有机高分无机材料中的晶界非晶相、玻璃、有机高分子等,则会产生粘性流动,在宏观上表现为子等,则会产生粘性流动,在宏观上表现为粘性形变。粘性形变。n这两种形变均为不可
3、恢复的永久形变。这两种形变均为不可恢复的永久形变。本讲稿第四页,共四十三页n(3)当材料长期受载,尤其在高温环境中受)当材料长期受载,尤其在高温环境中受载,其塑性形变及粘性形变将随时间而具有载,其塑性形变及粘性形变将随时间而具有不同的速率不同的速率-材料的蠕变。蠕变的后期或是蠕材料的蠕变。蠕变的后期或是蠕变的终结;或是导致蠕变断裂。变的终结;或是导致蠕变断裂。本讲稿第五页,共四十三页n2、脆性断裂、脆性断裂n在高度应力集中的特征点,如果过分集中的拉在高度应力集中的特征点,如果过分集中的拉应力(往往高于平均应力数倍),超过材料的应力(往往高于平均应力数倍),超过材料的临界拉应力值时,将会产生裂纹
4、或缺陷的扩展,临界拉应力值时,将会产生裂纹或缺陷的扩展,导致材料脆性断裂。导致材料脆性断裂。n断裂源往往出现在材料应力集中度很高的地方,断裂源往往出现在材料应力集中度很高的地方,并选择该地方某一个缺陷而开裂。并选择该地方某一个缺陷而开裂。本讲稿第六页,共四十三页n3、突发性断裂与裂纹的缓慢生长、突发性断裂与裂纹的缓慢生长n在临界状态下,断裂源处的裂纹尖端所受的在临界状态下,断裂源处的裂纹尖端所受的横向拉应力正好等于结合强度时,裂纹产生横向拉应力正好等于结合强度时,裂纹产生突发性扩展突发性扩展。一旦扩展,引起周围应力的再。一旦扩展,引起周围应力的再分配,导致裂纹的加速扩展,出现突发性断分配,导致
5、裂纹的加速扩展,出现突发性断裂。裂。-无先兆无先兆本讲稿第七页,共四十三页n裂纹尖端所受的横向拉应力尚不足以引起扩裂纹尖端所受的横向拉应力尚不足以引起扩展,但在长期受力的情况下,特别是处于高展,但在长期受力的情况下,特别是处于高温环境中时,还会出现温环境中时,还会出现裂纹的缓慢生长裂纹的缓慢生长。尤。尤其在环境有侵蚀时,对金属及玻璃更易出现其在环境有侵蚀时,对金属及玻璃更易出现缓慢开裂。缓慢开裂。本讲稿第八页,共四十三页2.2 理论结合强度理论结合强度n无机材料的抗压强度约为抗拉强度的无机材料的抗压强度约为抗拉强度的10倍。一般集中倍。一般集中在抗拉强度上进行研究。在抗拉强度上进行研究。n只有
6、克服原子间的结合力,材料才会断裂。只有克服原子间的结合力,材料才会断裂。所以,推导材料的理论结合强度,应从原子间结所以,推导材料的理论结合强度,应从原子间结合力入手合力入手本讲稿第九页,共四十三页理论结合强度推导理论结合强度推导th 理论结合强度理论结合强度(材料原子间结合(材料原子间结合力的最大值)力的最大值)固体的强度都能根据化学组成、晶固体的强度都能根据化学组成、晶体结构与强度之间的关系来计算,体结构与强度之间的关系来计算,不同材料有不同的组成、结构、键不同材料有不同的组成、结构、键合方式合方式原子间结合力与距离的关系原子间结合力与距离的关系简化简化本讲稿第十页,共四十三页将材料拉断时,
7、产生两个新表面,因此使单位面积的将材料拉断时,产生两个新表面,因此使单位面积的原子平面分开所作的功等于产生两个单位面积的新表原子平面分开所作的功等于产生两个单位面积的新表面所需的表面能,材料才能断裂。面所需的表面能,材料才能断裂。断裂表面能,大于自由表面能 (P35)本讲稿第十一页,共四十三页影响结合强度的因素影响结合强度的因素n理论结合强度仅与弹性模量、表面能、理论结合强度仅与弹性模量、表面能、晶格间距等材料常数有关。晶格间距等材料常数有关。n要获得高强度材料,要求较大的要获得高强度材料,要求较大的E、,较小的,较小的。本讲稿第十二页,共四十三页实际材料的结合强度实际材料的结合强度n一般材料
8、的典型数值:一般材料的典型数值:E=300GPa,=1J/m2,=3X10-10m。n实际材料中只有一些极细的纤维和晶须,其实际强实际材料中只有一些极细的纤维和晶须,其实际强度接近理论强度值;尺寸较大的材料,其度接近理论强度值;尺寸较大的材料,其实际强度实际强度比理论强度值低得多比理论强度值低得多,约为,约为E/100E/1000,且总在,且总在一定范围内波动,即使是用同样的条件下制成的试件,一定范围内波动,即使是用同样的条件下制成的试件,强度值也有波动。强度值也有波动。n试件尺寸大,强度偏低。试件尺寸大,强度偏低。为什么?为什么?本讲稿第十三页,共四十三页2.3Griffith微裂纹理论微裂
9、纹理论(脆性断裂的主要理论基础)(脆性断裂的主要理论基础)n基本思想:基本思想:实际材料中总是存在许多细小实际材料中总是存在许多细小的裂纹或缺陷,在外力作用下,这些裂纹的裂纹或缺陷,在外力作用下,这些裂纹或缺陷附近产生应力集中现象。当应力达或缺陷附近产生应力集中现象。当应力达到一定程度时,裂纹开始扩展而导致断裂。到一定程度时,裂纹开始扩展而导致断裂。n断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面拉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。断,而是裂纹扩展的结果。本讲稿第十四页,共四十三页1、具有孔洞板的应力、具有孔洞板的应力nInglis研究了具有孔洞的板的应力集中,得到结研究了具有孔
10、洞的板的应力集中,得到结论:孔洞两个端部的应力几乎取决于孔洞的长论: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。度和端部的曲率半径,而与孔洞的形状无关。n根据弹性理论,孔洞端部的应力计算:根据弹性理论,孔洞端部的应力计算:本讲稿第十五页,共四十三页n分析:分析:一般一般Ca,则则A,即在裂纹尖端存在应力集中效应。即在裂纹尖端存在应力集中效应。当当A等于(等于(2.6)理论结合强度时,裂纹就被拉开而扩)理论结合强度时,裂纹就被拉开而扩展,使裂纹长度展,使裂纹长度C增大,导致增大,导致A更大,如此恶性循环,材料很更大,如此恶性循环,材料很快断裂。快断裂。n所以,裂纹
11、扩展的临界条件:所以,裂纹扩展的临界条件:本讲稿第十六页,共四十三页n裂纹的存在使得实际材料的断裂强度裂纹的存在使得实际材料的断裂强度C低低于理论结合强于理论结合强th。裂纹扩展条件为:。裂纹扩展条件为:本讲稿第十七页,共四十三页2、Griffith的理论推导的理论推导nGriffith从能量平衡的观点出从能量平衡的观点出发,认为裂纹扩展的条件是:发,认为裂纹扩展的条件是:物体内储存的弹性应变能的减物体内储存的弹性应变能的减小大于或等于开裂形成两个新小大于或等于开裂形成两个新表面所需增加的表面能。反之,表面所需增加的表面能。反之,裂纹不会扩展。裂纹不会扩展。即物体内储存即物体内储存的弹性应变能
12、的是裂纹扩展的的弹性应变能的是裂纹扩展的动力动力n平面应力状态下应变能的降低为:平面应力状态下应变能的降低为:n裂纹的存在使得实际材料的断裂强度裂纹的存在使得实际材料的断裂强度C低于理低于理论结合强论结合强th本讲稿第十八页,共四十三页n平面应变状态下应变能的降低为:平面应变状态下应变能的降低为:n则,推出平面应力状态的临界应力为:则,推出平面应力状态的临界应力为:n平面应变状态的临界应力为:平面应变状态的临界应力为:Griffith推导的结果与(推导的结果与(2.12)基本一致,只系数稍有差别,与)基本一致,只系数稍有差别,与(2.6)理论强度公式类似。()理论强度公式类似。(2.6)中)中
13、a为原子间距,而上式中为原子间距,而上式中c为裂纹半长,可见使为裂纹半长,可见使a、c在同一数量级,就可以使材料达到理论在同一数量级,就可以使材料达到理论强度强度本讲稿第十九页,共四十三页微裂纹理论的应用微裂纹理论的应用1 1、揭示了脆性断裂的本质、揭示了脆性断裂的本质微裂纹扩展微裂纹扩展2、给出了制备高强度材料的措施给出了制备高强度材料的措施 制备高强度材料的措施是:制备高强度材料的措施是:E和和要大,而裂纹尺寸要大,而裂纹尺寸C要小。要小。3、解释了材料的尺寸效应、解释了材料的尺寸效应 在同种材料中,大尺寸材料比小尺寸材料包含的裂纹数目更多,使在同种材料中,大尺寸材料比小尺寸材料包含的裂纹
14、数目更多,使得大尺寸材料的断裂强度较低。得大尺寸材料的断裂强度较低。本讲稿第二十页,共四十三页n4、解释了材料强度的表面效应、解释了材料强度的表面效应n当材料表面存在裂纹时,其强度大幅降低。当材料表面存在裂纹时,其强度大幅降低。n玻璃棒的弯曲强度为玻璃棒的弯曲强度为6GPa,在空气中放置几个小时后,在空气中放置几个小时后,强度下降到强度下降到0.4GPa。n用温水溶去氯化钠表面的缺陷,其强度即由用温水溶去氯化钠表面的缺陷,其强度即由5MPa提高提高到到1.6GPa。本讲稿第二十一页,共四十三页微裂纹理论应用于塑性材料微裂纹理论应用于塑性材料(P35)对于延性材料,实验测得的对于延性材料,实验测
15、得的 c值远大于值远大于2.19式式计算值。计算值。?这是由于该材料受力时产生大的这是由于该材料受力时产生大的塑性变形,要消耗能量。塑性变形,要消耗能量。引入塑性功引入塑性功 P,来描述延来描述延性材料断裂性材料断裂通常,通常,P,所以由,所以由 P控制着断裂行为。一般,控制着断裂行为。一般,P 103,所以金属材料的允许裂纹尺寸比陶瓷材料高,所以金属材料的允许裂纹尺寸比陶瓷材料高3个数量级。个数量级。本讲稿第二十二页,共四十三页2.4无机材料中微裂纹的起源无机材料中微裂纹的起源n裂纹分为:本征裂纹和非本征裂纹裂纹分为:本征裂纹和非本征裂纹n本征裂纹:本征裂纹:指的是那些在材料制备过程中引进的
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