第三章无机材料的脆性断裂与强度精选文档.ppt

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1、第三章无机材料的脆性断裂与第三章无机材料的脆性断裂与强度强度本讲稿第一页，共四十七页本讲稿第二页，共四十七页本讲稿第三页，共四十七页本讲稿第四页，共四十七页本讲稿第五页，共四十七页n n常温下，大多数无机材料在外力作用下很少有塑性形变，即呈现出脆性。脆性和材料的成分、结构、受力条件和环境等因素有关。n n脆性断裂脆性断裂：材料受力后，将在低于其本身结合强度的情况下作应力再分配；当外加应力的速度超过应力再分配的速率时，发生断裂。本讲稿第六页，共四十七页n n强度强度：材料的强度是抵抗外加负荷的能力。n n强度是极为重要的力学性能，是设计和使用材料的一项重要指标。要求材料具有抵抗拉、压、弯、扭、循

2、环载荷等不同强度指标。本讲稿第七页，共四十七页强度树图的建立：强度树图的建立：以强度和断裂强度为树干，理论解释为树皮，以强度和断裂强度为树干，理论解释为树皮，支配强度的宏观因素和微观因素为树根，将各支配强度的宏观因素和微观因素为树根，将各种强度特性以树枝形式伸展到各个应用领域。种强度特性以树枝形式伸展到各个应用领域。例如：例如：高温材料必须在高温下具有一定的断裂强度，必高温材料必须在高温下具有一定的断裂强度，必须掌握如何评价它的耐热性、热冲击、化学腐蚀须掌握如何评价它的耐热性、热冲击、化学腐蚀和机械冲击等特性。和机械冲击等特性。强度树图强度树图本讲稿第八页，共四十七页磨损磨损摩擦摩擦硬度硬度机

3、械冲击机械冲击化学腐蚀化学腐蚀耐热性耐热性热疲劳热疲劳热冲击热冲击断裂断裂强度强度材料的材料的强度强度强度理论强度理论光学材料光学材料多孔质材料多孔质材料高温材料高温材料结构材料结构材料 玻璃玻璃 水泥水泥 耐火材料耐火材料复合材料复合材料电子电器材料电子电器材料生物材料生物材料耐摩擦材料耐摩擦材料耐磨损材料耐磨损材料工具材料工具材料本讲稿第九页，共四十七页解决材料强度的理论：解决材料强度的理论：n n位错理论位错理论：微观上抓住位错缺陷，阐明塑性形变的微观机理。n n断裂力学断裂力学：宏观上抓住微裂纹缺陷（脆性断裂的主要根源）本讲稿第十页，共四十七页3.1 理论断裂强度理论断裂强度n n从原

4、子间的结合力入手，只有克服原子间结合力，材料才能断裂。n n即知道原子间应力-应变曲线的精确形式，就可算出理论断裂强度。本讲稿第十一页，共四十七页Orowan近似近似n n正弦曲线来近似原子间约束力随距离变化的曲线图本讲稿第十二页，共四十七页应力-应变关系：使单位面积的原子平面分开所做的功功等于产生两个单位面积的新表面所需的表面能表面能时，材料才能断裂。其中：其中：th 理论强度；理论强度；x平衡时原子间距的增量；平衡时原子间距的增量；：表面能；：表面能；正弦曲线波长正弦曲线波长。本讲稿第十三页，共四十七页平衡距离附件，服从胡克定律，直线代替曲线：本讲稿第十四页，共四十七页n n理论断裂强度只

5、与弹性模量E、断裂表面能、晶格常数a等材料常数有关。本讲稿第十五页，共四十七页3.2 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论n n格里菲斯认为实际材料中总存在许多细小的裂纹或缺陷，在外力作用下，这些裂纹和缺陷附近就产生应力集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹就开始扩展而导致断裂。n n格里菲斯从能量的观点能量的观点来研究裂纹扩展的临界条件。本讲稿第十六页，共四十七页裂纹扩展单位面积所释放的能量为dWe/dC，而形成新的单位表面积所需的表面能为dWs/dC。n ndWe/dC dWs/dC，稳定状态，裂纹不扩展n ndWe/dC dWs/dC，裂纹迅速扩展n ndWe/dC dWs/dC，临界状态

6、临界状态本讲稿第十七页，共四十七页其中，C为裂纹半长，为外加应力，E为弹性模量，为断裂表面能。本讲稿第十八页，共四十七页小结：小结：n n理论强度公式中a为原子间距，而格里菲斯临界应力公式中C为裂纹半长。可见如果能控制裂纹长度和原子间距同数量级裂纹长度和原子间距同数量级，就可使材料达到理论强度。n n制备高强度材料的方向：即是E、应大，裂纹尺寸应小。本讲稿第十九页，共四十七页3.3 应力强度因子应力强度因子n n材料结构件中不可避免地存在宏观裂纹这一客观事实。结构件在低应力下脆性破坏正是裂纹扩展的结果。n n断裂力学研究裂纹体的强度和裂纹扩展规律的科学。说明断裂是裂纹这种宏观缺陷扩展的结果，阐

7、明了宏观裂纹降低断裂强度的作用。本讲稿第二十页，共四十七页3.3.1 裂纹扩展方式裂纹扩展方式裂纹有三种扩展方式：(I)张开型张开型、(II)错开型错开型、(III)撕开型撕开型。其中，张开型是低应力断裂的主要原因，主要介绍这种扩展类型。本讲稿第二十一页，共四十七页实验总结出的规律：实验总结出的规律：n n不同裂纹尺寸的试件做拉伸实验（张开型），测出断裂应力断裂应力c与裂纹长度与裂纹长度C有如下关系有如下关系：当作用力=c时，断裂就发生。本讲稿第二十二页，共四十七页3.3.2 裂纹尖端应力场分析裂纹尖端应力场分析Cxyr对于I型裂纹的应力场分析：本讲稿第二十三页，共四十七页本讲稿第二十四页，共

8、四十七页3.3.3 KI与几何形状因子与几何形状因子本讲稿第二十五页，共四十七页3.3.4 临界应力场强度因子临界应力场强度因子n n经典强度理论：许用应力=f/n或ys/n，其中f为断裂应力，ys为屈服强度，n为安全系数。n n新的表征材料特征的临界值来做判断：此临界值叫做平面应变断裂韧性平面应变断裂韧性KIC，判据为应力强度因子应小于或等于材料平面应变应力强度因子应小于或等于材料平面应变断裂韧性，所设计的构件是安全的。断裂韧性，所设计的构件是安全的。本讲稿第二十六页，共四十七页例题：哪种待选钢是安全的？例题：哪种待选钢是安全的？n n有一构件，实际使用应力为1.30GPa，有两种钢待选：甲

9、钢 ys=1.95GPa，KIC=45MPa m1/2乙钢 ys=1.56GPa，KIC=75MPa m1/2待选钢的几何形状因子Y=1.5，最大裂纹尺寸为1mm。本讲稿第二十七页，共四十七页3.3.5 裂纹扩展的动力与阻力裂纹扩展的动力与阻力本讲稿第二十八页，共四十七页n n可见KIC是由熟知的弹性模量E、断裂表面能等所决定的物理量。反映具有裂纹的材料对外界作用的一种抵抗能力，也可以说是阻止裂纹扩展的能力，是材料固有的性质。KIC和微观结构有很大关系，是结构敏感的。本讲稿第二十九页，共四十七页3.5 裂纹的起源与扩展裂纹的起源与扩展n n晶体微观结构中存在缺陷n n（a）位错组合；（b）晶界

10、障碍；（c）位错交截3.5.1 裂纹的起源裂纹的起源实际材料都是裂纹体，这些裂纹如何形成？实际材料都是裂纹体，这些裂纹如何形成？本讲稿第三十页，共四十七页n n材料表面机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹，裂纹的扩展常由表面裂纹开始。n n热应力形成的裂纹。（各方向膨胀或收缩不同）本讲稿第三十一页，共四十七页n n格里菲斯裂纹理论，材料的断裂强度决定于裂纹的大小，一旦裂纹超过临界尺寸，裂纹就快速扩展。3.5.2 裂纹的扩展裂纹的扩展本讲稿第三十二页，共四十七页n n作用应力不超过临界应力n n材料中设置吸收能量的机构（如在陶瓷材料基体中加入塑性粒子或纤维而制成金属陶瓷和复合材料）n n人为地在材料中

11、造成大量极细微的裂纹，也能吸收能量，阻止裂纹扩展（韧性陶瓷）3.5.3 防止裂纹扩展的措施防止裂纹扩展的措施本讲稿第三十三页，共四十七页3.6 无机材料中裂纹的亚临界扩展无机材料中裂纹的亚临界扩展n n在使用应力下，裂纹随着时间的推移而缓慢扩展，这种缓慢扩展也叫亚临界扩展亚临界扩展，或称为静态疲劳静态疲劳。n n裂纹缓慢扩展，一旦其尺寸达到临界尺寸就会失稳扩展而破坏。因此提出了构件的寿构件的寿命命问题。本讲稿第三十四页，共四十七页亚临界裂纹扩展的机理？亚临界裂纹扩展的机理？1.应力腐蚀理论：在一定的环境温度和应力场强度因子作用下，材料中关键裂纹尖端处，裂纹扩展动力与裂纹扩展阻力的比较，构成裂纹

12、开裂或止裂的条件。n n例如玻璃或陶瓷在OH-介质作用下，裂纹亚临界扩展的机理：裂纹尖端的SiO2与OH-发生化学反应，使裂纹尖端处的离子键受到破坏，自由表面能降低，裂纹扩展阻力降低，小于裂纹扩展动力，导致裂纹在低应力水平下开裂。本讲稿第三十五页，共四十七页2.高温下裂纹尖端的应力空腔作用：多晶多相陶瓷在高温下长期受力作用时，晶界玻璃相的黏度下降，晶界处于甚高的局部拉应力状态，玻璃相则发生黏性流动，使结构缺陷逐渐长大，形成空腔。本讲稿第三十六页，共四十七页根据亚临界裂纹扩展预测材料寿命？根据亚临界裂纹扩展预测材料寿命？本讲稿第三十七页，共四十七页本讲稿第三十八页，共四十七页3.7 蠕变断裂蠕变

13、断裂 多晶材料在高温高温和恒定应力恒定应力作用下，由于形变不断增加而导致断裂称为蠕变断裂蠕变断裂。蠕变断裂的主要形式是沿晶断裂。1.黏性流动理论黏性流动理论：高温下晶界发生粘性流动，在晶界交界处产生应力集中，并且使晶界交界处产生裂纹，导致断裂。2.空位聚积理论空位聚积理论：在应力及热波动作用下，晶界上空位浓度增加，空位大量聚积，形成裂纹，导致断裂。本讲稿第三十九页，共四十七页3.8 显微结构对材料脆性断裂的影响显微结构对材料脆性断裂的影响n n晶粒尺寸 多晶材料破坏多是沿晶界断裂，走迂回曲折的道路，晶粒越细，路程越长，这样就提高了临界应力。本讲稿第四十页，共四十七页n n气孔的影响本讲稿第四十

14、一页，共四十七页3.9 提高无机材料强度的几种途径提高无机材料强度的几种途径n n在晶体结构既定情况下，控制强度的主要因素有三个：弹性模量E，断裂表面能和裂纹尺寸C。唯一可以控制的是材料中的微裂微裂纹纹C C，可以把微裂纹理解为各种缺陷的总和。本讲稿第四十二页，共四十七页1.1.微晶、高密度与高纯度（消除缺陷）2.2.预加应力：人为地在 材料表面造成一层压应力层，提高材料的抗张强度。如钢化玻璃：加热，然后淬冷，表面变成刚性的，内部逐渐冷却，比表面有更大速率收缩，此时表面受压，内部受拉，在表面形成压应力。本讲稿第四十三页，共四十七页3.3.化学强化：改变表面的化学组成，使表面的摩尔体积比内部大，

15、产生压应力。通常是用一种大的离子置换小的。4.4.相变增韧：利用多晶多相陶瓷中某些相成分在不同温度下的相变。例如ZrO2的相变增韧，由四方相转变为单斜相，体积增大35%。5.5.弥散增韧：基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微粒粉料，达到增韧效果。本讲稿第四十四页，共四十七页3.10 无机材料硬度无机材料硬度n n硬度是材料一种重要的力学性能，硬度没有统一的定义。对于金属材料硬度主要反映抵抗塑性形变的能力；陶瓷的划痕硬度主要反映抵抗破坏的能力。本讲稿第四十五页，共四十七页摩氏硬度顺序：本讲稿第四十六页，共四十七页静载压入试验：布氏硬度（软材料）；维氏硬度和努普硬度（硬材料）；洛氏硬度（较广）本讲稿第四十七页，共四十七页