《无机材料物理性能》讲资料PPT课件.ppt

1、1n 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 23脆性断裂的断裂面脆性断裂的断裂面4船身断裂，一分为二的船身断裂，一分为二的SchenectadySchenectady号油轮号油轮5垮塌后的彩虹桥垮塌后的彩虹桥67 金属类：先是弹性形变，然后塑性变，金属类：先是弹性形变，然后塑性变， 直至断裂。直至断裂。 高分子类：先是弹性形变（很大），然高分子类：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：先是弹性形变（较小），然无机材料：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

2、断裂。8 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9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10 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11Orowan 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12断裂理论thththxCosdxxSinW2200222断裂功断裂功 2W2 th形成两个新的

3、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 很小很小13Orowan 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，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14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300013002.3BeO3570

4、23.8150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500044.111315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 InglisInglis断裂理论断裂理论 v Griffith Griffith脆断理论脆断理论 v Irwin - Orowan Irwin - Orowan 理论理论 断裂理论

5、16InglisInglis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17InglisInglis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18InglisInglis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孔洞两个端部的应力几乎取

6、决于孔洞的长度和端部的曲率半径而与孔洞的形状无关，依据弹性端部的曲率半径而与孔洞的形状无关，依据弹性理论理论： ccA2 ，所所以以远远大大于于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: :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 19GriffithGriffith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20GriffithGriffith断裂理论断裂理论(稳定稳定) (临界临界)(扩展扩展) dcdWdcdWse22

7、 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当裂纹进一步扩展一个微小量时，单位面积释放的能量为为 ，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：dcdWe2dcdWs2dcdWdcdWse22 dcdWdcdWse22 21GriffithGriffith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

8、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： cEc 2 cEc )1(22 22GriffithGriffith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。的创立奠定了理论基础。断裂理论23Irwin - OrowanIrwin - 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:

9、: 2)(2 pEC cEpC )(2 )1()(222 pECcEpC)1 ()(22断裂理论24 p p为裂纹扩展单位面积在塑性变形中所作的塑为裂纹扩展单位面积在塑性变形中所作的塑性功，由于性功，由于 p p ( (约为约为 的的10103 3量级量级) ) Irwin - OrowanIrwin - Orowan理论理论 )1 (222pCECcEpC)1 (22断裂理论2526 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。271912191

10、2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，标的文章，标题是题是What Really Sank The TitanicWhat Really Sank The Titanic, ,回答了回答了8080年未

11、年未解之谜。上图是两个冲击试验结果，左面的试样取自海解之谜。上图是两个冲击试验结果，左面的试样取自海底的底的TitanicTitanic号，右面的是近代船用钢板的冲击试样。由号，右面的是近代船用钢板的冲击试样。由于早年的于早年的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。2829掰开型2 arxy302022-5-153123cos2cos2sin2

12、rcYxy 掰开型)23sin2sin1(2cos2 rcYx)23sin2sin1(2cos2 rcYycYKIK KI I称为应力场强度因子称为应力场强度因子32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 A所以：所以：cYcrrKAI 22233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 34 35 EEYcEcYcYKcIc2)/2()/2( 212 EKIc(平面应力状态平面应力状态) (平面

13、应变状态平面应变状态) 36断裂韧性断裂韧性 临界应力强度因子临界应力强度因子K KICIC ：当：当K KI I随着外应力增大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到足以使原子键分离的应力 thth，此时，裂纹快速，此时，裂纹快速扩展并导致试样断裂。扩展并导致试样断裂。 K KICIC = = c c（ c ) c ) 由由: : c c= = （2E 2E / / c)c)1/21/2 得：得： K KICIC = =（2E 2E ) )1/21/237断裂韧性参数断裂韧性参数(K(KICIC ) )： 是

14、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. .38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 b/n K/n K1 1 = = （ c )c ) K K1c 1c 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

15、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？39 经典强度理论设计依据的经典强度理论设计依据的 b b、 s s是在尽可能是在尽可能排除缺陷的情况下取得的，不反映缺陷对强度的排除缺陷的情况下取得的，不反映缺陷对强度的影响。影响。 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。40 有一构件，实际使用应力为有一构件，实际使用应力为1.30GPa,1.30GPa,有下列两种钢有下列两种钢供选：供选： 甲钢：甲钢： f

16、f =1.95GPa, =1.95GPa, K K1c 1c =45Mpam =45Mpam 1212 乙钢：乙钢： f f =1.56GPa, =1.56GPa, K K1c 1c =75Mpam =75Mpam 1212 传统设计：甲钢的安全系数传统设计：甲钢的安全系数: 1.5: 1.5， 乙钢的安全系数乙钢的安全系数 1.21.2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=1.51mm, Y=1.5 甲钢的断裂应力为甲钢的断裂应力为: 1.0GPa: 1.0GPa 乙钢的断裂应力为乙钢的断裂应力为: 1.67GPa: 1.67GPa41 v 晶体微观缺陷发展

17、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42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

18、繁殖最后形成复杂的断面最后形成复杂的断面EcG/243 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。44n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。45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

19、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对大小，构成裂纹生长或不生长的必要充分条件。要充分条件。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。46K 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47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

20、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48n开裂阻力开裂阻力：Gc=dWGc=dWs s/dc=2/dc=2 n开裂动力：开裂动力：G =G =2 2c/Ec/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49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 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

21、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50n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 E或或G G、 及及裂纹长度。裂纹长度。弹性模量表示原子间的结合力，它是一种结构不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，敏感性能常数， 则与微观结构有关则与微观结构有关( (但单相材料的但单相材料的微观结构对其影响不大微观结构对其影响不大) )。关键的因素是裂纹长度。关键的

22、因素是裂纹长度。 51l 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52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)(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度计布氏硬度计53 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HBSHBS表示，适用于表示，适用于布氏硬度值在布氏硬度值在450450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HBWHBW表示，适用于布表示，

23、适用于布氏硬度在氏硬度在650650以下的材料。以下的材料。l符号符号HBSHBS或或HBWHBW之前的数字表示之前的数字表示硬度值硬度值, , 符号后面的数字按顺序分符号后面的数字按顺序分别表示球体直径别表示球体直径、载荷及载荷保载荷及载荷保持时间。持时间。如如 120HBS10/1000/30 120HBS10/1000/30 表表 示直径为示直径为10mm10mm的钢球在的钢球在1000kgf1000kgf（9.807kN9.807kN）载）载荷作用下保持荷作用下保持30s30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120120。布氏硬度压痕布氏硬度压痕54n布氏硬度的优点：布氏硬度的优点

24、：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 b与与HBHB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 b(MPa)(MPa)3.6HB3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢： b b(MPa)(MPa)3.4HB3.4HB 对于铸铁：对于铸铁： b b(MPa)(MPa)1HB1HB或或 b b(MPa)(MPa) 0.6(HB-4

25、0) 0.6(HB-40)HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁55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 H RH R 表 示 ，表 示 ， H R =H R =k k- (- (h h1 1- -h h0 0)/0.002)/0.002n根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为常用的标尺为A A、B B、C C。 56n符号符号HRHR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。lHRAHRA用于测量高硬度材料用于测

26、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。lHRBHRB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。lHRCHRC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57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58n维氏硬

27、度用符号维氏硬度用符号HVHV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。 小负荷维氏硬度计小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计显微维氏硬度计59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）602022-5-1561