1、Chapt.2,3Chapt.2,3无机材料的脆性断裂与强度无机材料的脆性断裂与强度Titanic Titanic近代船用钢板近代船用钢板2.12.1脆性断裂脆性断裂断裂：断裂：塑性断裂塑性断裂(延性或韧性断裂延性或韧性断裂)和脆性断和脆性断裂两种类型。裂两种类型。塑性断裂：塑性断裂：在断裂时伴有宏观上的塑性变形。在断裂时伴有宏观上的塑性变形。脆性断裂：脆性断裂：有些材料在应力未达到强度极限有些材料在应力未达到强度极限时就会突然断裂。不仅是脆性材料才会产生时就会突然断裂。不仅是脆性材料才会产生这种断裂，材料内部存在微裂纹，或者某些这种断裂，材料内部存在微裂纹，或者某些材料在低温下受到冲击等都有
2、可能产生脆性材料在低温下受到冲击等都有可能产生脆性断裂。断裂。断裂发生在弹性断裂发生在弹性应变状态下，没应变状态下，没有经过塑性形变有经过塑性形变阶段而直接形成阶段而直接形成的断裂。的断裂。脆性断裂的特点：脆性断裂的特点：1)1)断裂前无明显的预兆断裂前无明显的预兆;2)2)断裂处往往存在一定的缺陷断裂处往往存在一定的缺陷(裂纹，伤裂纹，伤痕痕););3)3)由于缺陷的存在，实际断裂强度远远小由于缺陷的存在，实际断裂强度远远小于理论强度于理论强度.脆性断裂的微观过程：脆性断裂的微观过程：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。断裂现象：断裂现象：1)1)金属类：先是弹性
3、形变，然后是塑性变金属类：先是弹性形变，然后是塑性变形，直到断裂。形，直到断裂。2)2)高分子类：先是弹性形变高分子类：先是弹性形变(很大很大)，然后，然后是塑性变形，直到断裂。是塑性变形，直到断裂。3)3)无机材料类：先是弹性形变无机材料类：先是弹性形变(较小较小)，然，然后不发生塑性变形后不发生塑性变形(或很小或很小)，直到断裂。，直到断裂。2.22.2理论结合强度理论结合强度 2.2.12.2.1能量守衡模型能量守衡模型固体受外功作用而变形，在变形过程中，固体受外功作用而变形，在变形过程中，外力所作的功转变为储存于固体内的能量。外力所作的功转变为储存于固体内的能量。断裂时，断裂时，应变能
4、应变能提供了新生断面所需的表提供了新生断面所需的表面能。面能。thx/2=2 th=E(x/r0)th=2(E/r0)1/2 th以应力以应力应变正弦函数曲线的形式近似的应变正弦函数曲线的形式近似的描述原子间作用力随原子间距的变化。描述原子间作用力随原子间距的变化。=thsin(2 x/)2.2.22.2.2奥罗万模型奥罗万模型U=SS理论结合强度：理论结合强度：通常，通常，约为约为aE/100，th=E/10对于大部分实际材料来说，其理论结合强对于大部分实际材料来说，其理论结合强度与实际材料有一定的差异。度与实际材料有一定的差异。-Griffith微裂纹理论 th=2(E/r0)1/2高强度
5、的固体必须要求E、大，a小材料材料ThKg/mm2 c th/cAl2O3晶须晶须500015403.3铁晶须铁晶须300013002.3奥氏型钢奥氏型钢20483206.4硼硼348024014.5Si3N4热压热压385010038.5玻璃玻璃69310.566.0断裂强度理论值和测定值断裂强度理论值和测定值*理论剪切强度理论剪切强度剪切应力与位移的关系：剪切应力与位移的关系：=th sin(2 x/b),当当x10 材料为塑性，断裂前已材料为塑性，断裂前已出现显著的塑性流变；出现显著的塑性流变；th/th 1 材料为脆性；材料为脆性；th/th=5 需参考其他因素作判断。需参考其他因素作
6、判断。2.3 Griffith2.3 Griffith微裂纹理论微裂纹理论 2.3.1 Inglis2.3.1 Inglis断裂理论断裂理论不管孔洞是椭圆还是菱形，只要孔洞的长度(2C)和端部曲率半径相同，则A点的应力差别不大。弹性理论基础弹性理论基础-平板弯曲平板弯曲实际材料中总是存在许多细小的裂纹或缺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，这些裂纹或缺陷附近陷，在外力作用下，这些裂纹或缺陷附近会产生应力集中的现象。当应力大到一定会产生应力集中的现象。当应力大到一定程度时，裂纹开始扩展而导致材料断裂。程度时，裂纹开始扩展而导致材料断裂。物体内储存的弹性应变能的降低，大于等物体内
7、储存的弹性应变能的降低，大于等于产生由于开裂形成两个新表面所需的表于产生由于开裂形成两个新表面所需的表面能，就会造成裂纹的扩展，反之，则裂面能，就会造成裂纹的扩展，反之，则裂纹不会扩散。纹不会扩散。2.3.2 Griffith2.3.2 Griffith断裂理论断裂理论临界应力的推导：临界应力的推导：We1=(1/2)FlP33P33在微小位移d(l)上外力做的功dW=(Fi+1/2dF)dldW=(Fi+1/2dF)dldW=FidlP34P3422重要意义：重要意义：它建立了工作应力、裂纹长度和材料性能常它建立了工作应力、裂纹长度和材料性能常数之间的关系，解释了脆性材料强度远低于数之间的关
8、系，解释了脆性材料强度远低于其理论强度的现象，为断裂力学奠定了理论其理论强度的现象，为断裂力学奠定了理论基础。基础。理论适合应用：玻璃、陶瓷这类脆性材料。理论适合应用：玻璃、陶瓷这类脆性材料。延展性材料：延展性材料：2.4.12.4.1裂纹扩展方式裂纹扩展方式2.42.4应力场强度因子和平面应变断裂韧性应力场强度因子和平面应变断裂韧性2.4.22.4.2裂纹尖端的应力场分析裂纹尖端的应力场分析假设在离裂纹顶点为假设在离裂纹顶点为r r，与，与裂纹面夹角为裂纹面夹角为（角坐标）（角坐标）处有一面单元处有一面单元dx,dydx,dy，则作，则作用在面上的应力分量为用在面上的应力分量为x,y,xyx
9、,y,xy。由于是薄板。由于是薄板穿透裂纹穿透裂纹A A点的三个应力分点的三个应力分量，属平面应力问题，故：量，属平面应力问题，故：z=0z=0，yz=xz=0yz=xz=0A Arc,0r 断裂韧性断裂韧性K KICIC是材料固有的性能，也是材料的组成和显是材料固有的性能，也是材料的组成和显微结构的函数微结构的函数,是材料抵抗裂纹扩展的阻力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。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而提随着材料的弹性模量和断裂能的增加而提高。高。2.4.32.4.3断裂韧性断裂韧性K KCC应力场强度因子K随外应力而增大
10、(K=Yc)，当外应力大到一定的程度时，裂纹达到失稳定状态，会迅速扩展，直到断裂，这时的应力场强度因子K叫断裂韧性(应力场强度因子极限)，只有当材料的场强因子小于断裂韧性时，材料才是安全的。断裂韧性与其它韧性性能一样，综合反映了材料的强度和塑性，在防止低应力脆断选用材料时，根据材料的断裂韧性指标，可以对构件允许的工作应力和裂纹尺寸进行定量计算。因此，断裂韧性是断裂力学认为能反映材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标，对构件的强度设计具有十分重要的意义-本征参数 应用应用已知应力，材料，确定结构安全的最大裂纹已知应力，材料，确定结构安全的最大裂纹长度长度2ICcKaY已知裂纹长度，材料，确定结构安全
11、的已知裂纹长度，材料，确定结构安全的最大应力最大应力ICcKYa已知应力，裂纹长度，确定结构安全已知应力，裂纹长度，确定结构安全的材料的材料IICKYaK断裂韧度是用高强度钢制造的飞机、导弹断裂韧度是用高强度钢制造的飞机、导弹和火箭的零件，及用中低强度钢制造气轮和火箭的零件，及用中低强度钢制造气轮机转子、大型发电机转子等大型零件的重机转子、大型发电机转子等大型零件的重要性能指标。要性能指标。影响断裂韧性的因素影响断裂韧性的因素成分组织结构成分组织结构a.a.化学成分化学成分b.b.晶粒尺寸晶粒尺寸c.c.夹杂及第二相夹杂及第二相 镁是最有效的韧化元镁是最有效的韧化元素，它不仅改善钢的素，它不仅
12、改善钢的断裂韧性，还能有效断裂韧性，还能有效地降低冷脆转化温度。地降低冷脆转化温度。细化晶粒，裂纹扩细化晶粒，裂纹扩展时所消耗的能量展时所消耗的能量越多越多夹杂物提高或降低夹杂物提高或降低断裂韧性：脆性相断裂韧性：脆性相时时，韧性相时，韧性相时 提高材料的断裂韧性提高材料的断裂韧性 冲击韧性冲击韧性冲击吸收功：冲击吸收功：A Ak k=mg(h-h)冲击韧性：冲击韧性：A AK K/S/S101055mm的试样（长度方向的中间处有“U”型或“V”型缺口，缺口深度2mm）韧脆转变温度韧脆转变温度材料的冲击韧性随温材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧一温度范围内
13、冲击韧性值急剧下降的现象性值急剧下降的现象称称韧脆转变韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。脆转变温度。韧 断裂韧性的测试方法断裂韧性的测试方法 单边切口梁法单边切口梁法(SENB)(SENB)压痕法压痕法 测试试样表面先抛光成测试试样表面先抛光成镜面，在显微硬度仪上，镜面，在显微硬度仪上，以以10Kg10Kg负载在抛光表面负载在抛光表面用硬度计的锥形金刚石用硬度计的锥形金刚石压头产生一压痕，这样在压痕的四个压头产生一压痕，这样在压痕的四个顶点就产生了预制裂纹。根据压痕载顶点就产生了预制裂
14、纹。根据压痕载荷荷P P和压痕裂纹扩展长度和压痕裂纹扩展长度C C计算出断裂计算出断裂韧性数值韧性数值 断裂（弯曲）强度的测试断裂（弯曲）强度的测试三点弯曲：三点弯曲：四点弯曲：四点弯曲：f=3PL/2bh2 f=3P(L-l)/2bh2实验条件：实验条件：测试误差：测试误差：P40 经典强度理论与断裂力学强度理论比较经典强度理论与断裂力学强度理论比较 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：f/n(ys/n)KI KIC 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,有下有下列两种钢供选：列两种钢供选：甲钢甲钢：ys=1.95G
15、Pa,KIC=45Mpam 12 乙钢乙钢：ys=1.56GPa,KIC=75Mpam 12P54P54动力：动力：由裂纹扩展单位面积所降低的弹性由裂纹扩展单位面积所降低的弹性应变能。应变能。2.4.42.4.4裂纹扩展的动力与阻力裂纹扩展的动力与阻力 阻力：阻力：K KIC IC 或或 22内裂的薄板为例内裂的薄板为例 KI=1/2c1/2.当为临界值时，当为临界值时，有有KIC=1/2cc1/2,故故KIC2=c2c代入代入P55:3-162.52.5裂纹的起源与扩展裂纹的起源与扩展 2.5.12.5.1裂纹的起源裂纹的起源1)1)材料结构中存在缺陷，当受外力时，在材料结构中存在缺陷，当受
16、外力时，在这些缺陷处引起应力集中，导致裂纹产生。这些缺陷处引起应力集中，导致裂纹产生。位错：位错：2)2)材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹。面裂纹。3)3)热应力形成裂纹。热应力形成裂纹。冰裂纹釉宋朝五大名窑之一的哥窑就是以烧制纹片釉著称2.5.22.5.2裂纹的扩展裂纹的扩展 超过临界状态后，多余能量的去向：超过临界状态后，多余能量的去向：裂纹的加速扩展；裂纹的加速扩展；裂纹的繁殖；裂纹的繁殖；形成复杂的断面。形成复杂的断面。一旦G Gc时，裂纹发生扩展，且由于裂纹扩展，使裂纹长度增大，从而又增大裂纹扩展力，其结果则会使裂纹的扩展越来越剧烈，加速扩展
17、进行，并产生分枝状的新表面，以吸收多余的能量。2.62.6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2.6.12.6.1晶粒尺寸晶粒尺寸对于多晶材料：对于多晶材料：当起始裂纹受晶粒限制，其尺度与晶粒相当，当起始裂纹受晶粒限制，其尺度与晶粒相当，则脆性断裂强度与晶粒粒度的关系为：则脆性断裂强度与晶粒粒度的关系为：对于多晶材料，大量试验证明：晶粒越小，强度越高；微晶材料就成为无机材料发展的一个重要方向MgO2.6.22.6.2气孔的影响气孔的影响 透明氧化铝陶瓷断裂强度与气孔率有关系透明氧化铝陶瓷断裂强度与气孔率有关系 气孔的存在降低了陶瓷材料的实际承载面积，并引发应力集中，从而导致
18、陶瓷的强度显著下降2.6.32.6.3温度的影响温度的影响对于一些陶瓷材料来说，其强度在温度对于一些陶瓷材料来说，其强度在温度T T 0.5Tm0.5Tm（TmTm为熔点）时，其强度基本不变，为熔点）时，其强度基本不变，当温度高于当温度高于TmTm时，强度将开始下降。时，强度将开始下降。BrownBrown模型：模型：BrownBrown等人提出了陶瓷材料强度与温度关等人提出了陶瓷材料强度与温度关系曲线。系曲线。A A区：低温度区，一定范围内，变化不大。区：低温度区，一定范围内，变化不大。B B区：由于温度的提高，强度降低。区：由于温度的提高，强度降低。C C区：当温度进一步升高，强度有所上升。区：当温度进一步升高，强度有所上升。该模型并不适合于所有陶瓷材料，并且有时只出现一区或两区。
