材料斷裂課件 第一章 材料的結(jié)構(gòu)及其基本力學(xué)行為

第一章材料的結(jié)構(gòu)及其基本力學(xué)行為1．工程材料的變形行為—應(yīng)力、應(yīng)變曲線類型（拉伸曲線）—最簡(jiǎn)單的表征材料力學(xué)特征1.1彈性……第Ⅰ種類型以陶瓷為代表的脆性材料，如，玻璃、巖石、陶瓷；一定條件下的材料，如，低溫下金屬、橫向交聯(lián)的聚合物。1.Hooke定律拉伸時(shí) 剪切時(shí) ①

彈性的特性(1)變形的可逆性(2)應(yīng)力與應(yīng)變成正比，比例常數(shù)E②彈性的本質(zhì)：外力作用下，引起原子間距發(fā)生可逆變化的結(jié)果。即原子間相互作用吸力——斥力間一種平衡。2．彈性模量E(1)

剛度低、過(guò)量的彈性變形→失去精度(2)E是原子間結(jié)合強(qiáng)度的標(biāo)志。

隨原子間結(jié)合鍵而異，不同材料E不同；隨原子間距而變（成反比）----與溫度有關(guān)。3.各類材料E特點(diǎn)（1）結(jié)合鍵金屬：金屬鍵；結(jié)合鍵強(qiáng)，無(wú)方向性。變形時(shí)只使鍵改變方向不易破壞，較高的強(qiáng)度和塑性。陶瓷：共價(jià)鍵和離子鍵，結(jié)合強(qiáng)、有方向性。高熔點(diǎn)、高硬度、塑性差。

高分子：低強(qiáng)度、高塑性。（2）E穩(wěn)定性（3）大小E陶瓷>E金屬>E聚合物(4)彈性比功（回彈性）金屬吸收彈性變形功的能力。等于應(yīng)力、應(yīng)變曲線下所包含的面積彈性元件：應(yīng)具有高的彈性極限和彈性比功。＊彈性與剛性是兩個(gè)相反概念3．比例極限和彈性極限比例極限：低于該應(yīng)力，應(yīng)力與應(yīng)變成正比；彈性極限：應(yīng)變完全可逆的?？梢?jiàn)材料具有非線性彈性，如晶須，在大的彈性應(yīng)變下，E是變化的，大多數(shù)情況下，彈性極限近似等于比例極限，彈性極限稍高。1.2彈性—均勻塑性第II種類型具有應(yīng)變硬化（大多數(shù)金屬）

彈性區(qū)過(guò)后，一般光滑拋物線，即隨應(yīng)變?cè)黾樱ㄋ苄裕┳冃蔚挚沽υ黾?。這是晶體內(nèi)位錯(cuò)的不可逆運(yùn)動(dòng)或是非晶體可能變形機(jī)制引起的不可逆變形。（位錯(cuò)或其它機(jī)制）經(jīng)驗(yàn)公式：Hollowon

真應(yīng)力 真應(yīng)變

n應(yīng)變硬化指數(shù)n代表材料抵抗塑性變形的能力實(shí)際n0~1重要的性能指標(biāo)：1．屈服極限，是塑性變形開(kāi)始時(shí)的應(yīng)力值是工程上最重要的力學(xué)性能指標(biāo)。在工程設(shè)計(jì)和選材上作為衡量指標(biāo)。因?yàn)楣こ虡?gòu)件在服股過(guò)程中不允許有過(guò)量的塑性變形，塑性變形等于失效。提高σs

優(yōu)點(diǎn):缺點(diǎn):結(jié)論：對(duì)于應(yīng)力集中大(截面形狀變化大)、應(yīng)力狀態(tài)硬、應(yīng)變速率高、溫度低→應(yīng)取較低。(crackpropagation)2.塑性與塑性指標(biāo)……為什么需要塑性工程構(gòu)件在服役條件下都需要有一定的塑性，當(dāng)機(jī)件遇到過(guò)載時(shí)，產(chǎn)生塑性變形，①通過(guò)形變硬化；②塑性材料，削減應(yīng)力峰值，使應(yīng)力重新分布，防止脆性斷裂。

塑性重要性：(1)防止脆性斷裂：形變硬化、削減應(yīng)力集中峰值，應(yīng)力重新分布；(2)材料成型。1912年4月12日是個(gè)悲慘的日子——這一天，英國(guó)豪華客輪泰坦尼克號(hào)在駛往北美洲的處女航行中不幸沉沒(méi)。這次沉船事件致使1523人葬身魚(yú)腹，是人類航海史上最大的災(zāi)難，震驚世界。(重量為6萬(wàn)6千噸/長(zhǎng)度為880英尺)。這艘近275米的豪華客輪，被迎面漂來(lái)的冰山撞開(kāi)了約92米長(zhǎng)的裂縫后沉沒(méi);聲波探測(cè)儀找到了船的“傷口”有6處小“傷口”，總的損壞面積僅有3.7米—4米。人們很難接受這樣一個(gè)事實(shí)：一艘如此精良的巨輪只撞了6個(gè)小洞就沉沒(méi)了！1992年，俄羅斯科學(xué)家約瑟夫麥克尼斯博士寫(xiě)道：“敲擊聲很脆的船體鋼板，或許使人感到它可以在撞擊下被分解成一塊塊?！泵绹?guó)科學(xué)家對(duì)船體鋼板的研究結(jié)果也證實(shí)了上面的看法，當(dāng)時(shí)的鋼板有許多降低鋼板硬度的硫磺夾雜物，這是船體鋼板非常脆的原因。普遍認(rèn)為，冰山撞擊可能并不是致命原因；冰山撞擊來(lái)得太突然，加上輪船的速度稍快，再加上鋼板較脆，是這一悲劇發(fā)生的真正原因。

3.韌性(靜力韌度)——拉伸下靜力韌度：指靜拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線下所包圍的面積減去斷裂前吸收的彈性能。總的能量==彈性比功+靜力韌度。韌性是抵抗斷裂的能力，是個(gè)能量指標(biāo)取決于強(qiáng)度和韌性最佳配合。說(shuō)明金屬?gòu)V泛應(yīng)用，韌性最好的。4.塑性失穩(wěn)和縮頸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線的最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)著宏觀局部塑性變形的開(kāi)始→導(dǎo)致塑性失穩(wěn)和縮頸。變形過(guò)程：微觀局部塑變→強(qiáng)化→循環(huán)→強(qiáng)化→應(yīng)力達(dá)到σmax（變形局限于縮頸區(qū)）

標(biāo)距內(nèi)均勻伸長(zhǎng)均勻變形

不再有應(yīng)變硬化能力→（泊松效應(yīng)）在頸縮處產(chǎn)生三向拉應(yīng)力狀態(tài)，使塑變難以發(fā)生→達(dá)。

斷裂形貌：縮頸的中心，夾雜物、硬相粒子開(kāi)裂，即微孔形成、生長(zhǎng)、匯合、斷裂。1.3彈性——不均勻塑變第Ⅲ種類型——鋸齒形狀的應(yīng)力應(yīng)變曲線。包括：在低溫和高應(yīng)變速率下面心立方金屬；含碳的體心立方鐵合金及鋁的低溶質(zhì)固溶體。原理：通過(guò)孿生方式產(chǎn)生間斷的變形，或空位、溶質(zhì)與位錯(cuò)交互作用。(變互作用較強(qiáng))克服束縛、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)→再束縛→再克服運(yùn)動(dòng)。1.4彈性-不均勻塑變-均勻塑變第IV種類型（含屈服點(diǎn)）包括：許多體心立方鐵基合金和若干鋁合金。原理：由位錯(cuò)與溶質(zhì)原子交互作用造成——柯氏氣團(tuán)。一旦克服束縛，位錯(cuò)就運(yùn)動(dòng)下去。

與VI類型比較前者溶質(zhì)擴(kuò)散快；后者擴(kuò)散慢。1.5彈性——不均勻塑性——均勻塑性第V種類型結(jié)晶態(tài)聚合物材料原理：聚合物內(nèi)原來(lái)結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞，隨之屈服，載荷下降；然后破壞的結(jié)構(gòu)重新組織成新的、方向性好的、強(qiáng)度高的結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)應(yīng)變硬化直到最后破斷。1.6T、對(duì)拉伸特性的影響規(guī)律：總的塑性流變曲線隨T↑、↓而降低。即σ隨T↑、↓而↓；σ=f(T、、ε)不同材料對(duì)T、敏感程度不同敏感度增加面心立方金屬→體心立方金屬、陶瓷→聚合物1.7工程陶瓷的組織結(jié)構(gòu)及其變形1.7.1

陶瓷材料的相組成和結(jié)構(gòu)1．相組成及作用

陶瓷的相組成由主晶相、玻璃相和氣孔（數(shù)量較多且不可避免，因此可看作一相）。(1)晶相：主要組成相，決定著陶瓷的物理化學(xué)性能。(2)玻璃相：是一種低熔點(diǎn)固體，起著粘結(jié)晶相、填充氣孔、降低燒結(jié)溫度的作用；有時(shí)多達(dá)20-60%。(3)氣相或氣孔：是陶瓷生產(chǎn)不可避免的，體積為5-10%或更多。2．相結(jié)構(gòu)生產(chǎn)工藝，粉末按比例混合→成型→燒結(jié)陶瓷相組成、相結(jié)構(gòu)、數(shù)量、形狀分布都受到工藝的強(qiáng)烈影響。(1)晶相：晶體結(jié)構(gòu)比金屬?gòu)?fù)雜。離子鍵為主晶體MgO、Al2O3等。共價(jià)健為主晶體BN、NiC、Si4N3等。（金屬結(jié)構(gòu)：---簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)：面心、密排、體心，密度100%，）兩類主要結(jié)構(gòu)

1．氧化物結(jié)構(gòu)—負(fù)氧等離子－密排結(jié)構(gòu)，金屬離子－空隙。NaCl型結(jié)構(gòu)：CaO,SrO,MnO,FeO,CoO,NaCl,KCl,LiF---面心，八面體中心閃鋅礦型結(jié)構(gòu)（ZnS）：BeO,SiC----密排，四面體中心螢石型結(jié)構(gòu)：ThO2,CeO2,PrO2,ZrO2---金屬離子－面心立方，O-2，四面體中心逆螢石型結(jié)構(gòu)：LiO2,Na2O,K2O---

O-2，面心立方；金屬離子四面體中心，剛玉結(jié)構(gòu)：Al2O3,Fe2O3,Cr2O3,Ti2O3,V2O3等。密排，八面體中心。2．硅酸鹽結(jié)構(gòu)——由硅氧四面體（SiO4）4-

四個(gè)頂點(diǎn)上氧離子能與周圍其它陽(yáng)離子或另一個(gè)硅氧四面體聯(lián)結(jié)（有不同連結(jié)方式）島狀結(jié)構(gòu)（SiO4）4-不發(fā)生聯(lián)結(jié)，鎂橄欖石，Mg2SiO4，鋯石英ZrSiO4組群狀結(jié)構(gòu)、鏈狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、架狀結(jié)構(gòu)(2)玻璃相，長(zhǎng)程無(wú)序，各向同性，常分布于主晶相的晶界。(3)氣相，5-10%，呈不規(guī)則形狀（非球狀）。

1.7.2陶瓷的變形1．彈性變形變形特點(diǎn)：(1)彈性模量大（強(qiáng)的離子鍵、共價(jià)鍵）(2)E受氣孔影響大

E=E0(1-K1

P+K2

P2)

E0無(wú)氣孔時(shí)彈性模量

P氣孔率

K1，K2取決于氣孔形狀與取向的常數(shù)

(3)E壓>E拉（不同于金屬）2．塑性變形一般陶瓷材料晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，室溫下無(wú)塑性。陶瓷在室溫靜拉伸（或彎曲）載荷下，均不出現(xiàn)塑性變形，彈性變形后即發(fā)生斷裂。原因：（1）滑移系少。

幾何條件晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。靜電條件，離子鍵、共價(jià)鍵有方向性，運(yùn)動(dòng)阻力大，形成位錯(cuò)困難（2）位錯(cuò)不易傳播：

多晶，由于晶體取向或晶界結(jié)構(gòu)性質(zhì)的差異（氣孔、玻璃相，微裂紋）。例外情況：少數(shù)具有簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)陶瓷材料MgO、KCl（NaCl型結(jié)構(gòu)）室溫下具有塑性，1.8聚合物的結(jié)構(gòu)和變形1.8.1聚合物的基本概念及分類高分子化合物與聚合物：高聚物(一般所謂聚合物為高聚合物)-------低聚物。由大量的原子組成大分子,分子量>10000—5000。由簡(jiǎn)單的重復(fù)單元連接而成——聚合物，僅僅分子量高——不是聚合物。無(wú)嚴(yán)格界限，通?；煊?。高分子材料——高分子量原子化合物；（大分子量物質(zhì)或低聚物），低分子量原子高聚物。1.

分類：(1)

熱塑性塑料線型或支鏈型長(zhǎng)鏈聚合物。晶體—線型分子排列整齊非晶體—線型分子排列不整齊。受熱時(shí)能夠熔融，可反復(fù)成型。(2)橡膠輕度交聯(lián)的網(wǎng)狀聚合物。變形時(shí)，分子相對(duì)運(yùn)動(dòng)受分子間交聯(lián)的約束，呈高彈性，不能熔融只降解。(3)熱固性塑料高度交聯(lián)三維空間網(wǎng)狀大分子。堅(jiān)硬、難于加工，加熱時(shí)與橡膠一樣，不能熔融，只能降解。(4)纖維由線性大分子排列、堆砌配合而成長(zhǎng)度是直徑1000倍以上的纖細(xì)物質(zhì)。1.8.聚合物的結(jié)構(gòu)1.

聚合物的結(jié)構(gòu)參數(shù)(1)

聚合度聚合物中重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元的數(shù)量。影響強(qiáng)度、熔點(diǎn)、分子量大小，甚至狀態(tài)。舉例：隨著聚合度的提高，聚乙稀由氣體、液體、軟蠟狀態(tài)、脆性固體、最后達(dá)到分子量>1000堅(jiān)硬塑料。(2)

結(jié)構(gòu)單元：碳鏈高分子:主鏈單獨(dú)由碳原子組成,如聚乙稀、聚丙??；雜鏈高分子:主鏈除C外，還有S.O.N等，如聚酸胺、聚脂；元素有機(jī)高分子:主鏈中無(wú)C，而由Si.O.N.Al.B.Ti.等元素組成，側(cè)基為有機(jī)基團(tuán)，如硅橡膠。(3)

鍵能：分子內(nèi)部共價(jià)健——(鍵能大)分子之間或同一分子折疊部分——(鍵能小)聚合物的強(qiáng)度、熔點(diǎn)和粘性與內(nèi)部共價(jià)健以及分子之間或同一分子的分子鍵有密切關(guān)系。聚合度大分子鍵>共價(jià)鍵，共價(jià)鍵破壞；聚合度小分子鍵總和<共價(jià)鍵,分子健發(fā)生滑脫→大部分情況。(4)

聚集態(tài)結(jié)構(gòu)—分子之間排列。高分子材料結(jié)構(gòu)二部分組成：分子鏈本身結(jié)構(gòu)：?jiǎn)卧w、數(shù)量（聚合度）、連接方式、鏈幾何形狀、鏈構(gòu)型—共價(jià)鍵；鏈間結(jié)構(gòu)(聚集態(tài)結(jié)構(gòu))：晶態(tài)、非晶態(tài)、取向結(jié)構(gòu)——分子鍵。

晶體結(jié)構(gòu)：分子鏈有規(guī)則地來(lái)回折疊，以薄片形式構(gòu)成晶體。非晶體結(jié)構(gòu)：分子鏈排列短程有序，即分子鏈一段是有序排列。特點(diǎn)：(a).結(jié)晶聚合物都是部分結(jié)晶，分為結(jié)晶區(qū)+非結(jié)晶區(qū)。

(大分子鏈全部規(guī)則排列困難)

(b).晶區(qū)內(nèi)分子排列緊密，分子間作用力強(qiáng)，聚合物強(qiáng)度、硬度、剛度等性能提高。彈性、延伸率下降。

但與鏈運(yùn)動(dòng)有關(guān)的性能為取向結(jié)構(gòu)：在外力作用下分子呈規(guī)則排列。(延力方向)——沿一個(gè)方向拉伸。1.8.3.聚合物的力學(xué)狀態(tài)(轉(zhuǎn)變溫度低)聚合物結(jié)構(gòu)一定后其性能還依賴于T、t。隨T變化其物理性質(zhì)發(fā)生改變現(xiàn)象——轉(zhuǎn)變。隨t變化其物理性質(zhì)發(fā)生改變現(xiàn)象——松馳，具有粘彈性特征。

σ(T.t)=E(T.t)ε在結(jié)構(gòu)不變時(shí)，T.t變化，內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)。1.非晶態(tài)聚合物E(t)——T曲線有三種力學(xué)狀態(tài)：玻璃態(tài)、高彈態(tài)(橡膠態(tài))、粘流態(tài)。1)玻璃態(tài)：保持一定幾何形狀，有一定承載能力。

——整鏈、鏈段凍結(jié)不能運(yùn)動(dòng)，僅是健角、鍵長(zhǎng)變化。2)橡膠態(tài)：高彈性，受力伸長(zhǎng)率可達(dá)100%——1000%。

(卸載后恢復(fù)—皮筋)——發(fā)生鏈內(nèi)旋、鏈段運(yùn)動(dòng)。(短程)3）粘流態(tài)：聚合物加工成形。(整個(gè)鏈運(yùn)動(dòng))2.晶態(tài)聚合物結(jié)晶部分：固定Tm，<Tm無(wú)鏈段運(yùn)動(dòng)，無(wú)玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變和橡膠態(tài)非晶部分：無(wú)固定Tm，>Tg有玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變和橡膠態(tài)。整體：>Tg，由于晶區(qū)對(duì)非晶區(qū)產(chǎn)生約束，較小彈性變形。呈現(xiàn)硬橡膠態(tài)特殊形式——皮革態(tài)。分子量低時(shí)，Tf<Tm，達(dá)到Tf（<Tm），晶區(qū)未破壞，整體不流動(dòng)—玻璃態(tài)達(dá)到Tm

整體流動(dòng)----粘流態(tài)分子量高時(shí)，Tf>Tm，<Tg

玻璃態(tài)達(dá)到Tg—Tm皮革態(tài)

Tm-Tf

橡膠態(tài)>Tf

粘流態(tài)T進(jìn)一步提高（非晶+結(jié)晶共同作用）：3.聚合物使用溫度非結(jié)晶聚合物用作塑料，上限溫度Tg結(jié)晶聚合物用作塑料Tm附近非結(jié)晶聚合物用作橡膠Tf---Tg聚合物加工溫度>Tf1.8.4.聚合物的變形四種應(yīng)力——應(yīng)變曲線類型1.硬玻璃態(tài)(T<Tβ脆化溫度)

斷裂伸長(zhǎng)率很低，無(wú)明顯屈服。如聚苯乙稀，硬、脆材料高模量、高強(qiáng)度2.軟玻璃態(tài)(Tβ<T<Tg)非晶三部分:可恢復(fù)彈性變形、強(qiáng)迫高彈變形、永久變形。聚三氯乙稀。3.橡膠態(tài)下的變形4.粘流態(tài)下的變形

非晶態(tài)和晶態(tài)聚合物拉伸曲線外形相似，但機(jī)理不同。非晶態(tài)→（拉伸）取向變化→σ提高晶態(tài)→（拉伸）結(jié)晶破壞

→取向→再結(jié)晶→σ提高。

1.9.三類材料結(jié)構(gòu)差異及變形、斷裂特點(diǎn)1.結(jié)構(gòu)異同點(diǎn)：共同點(diǎn)：都有晶體結(jié)構(gòu)(晶體缺陷)、非晶體結(jié)構(gòu)。不同點(diǎn)：（1）化學(xué)鍵類型不同。金屬陶瓷聚合物金屬鍵共價(jià)健離子鍵共價(jià)鍵分子鍵鍵能100—34060—740630—105060—740<40（KJ/mol）

（2）晶體結(jié)構(gòu)不同。金屬、簡(jiǎn)單—金屬離子。聚集態(tài)結(jié)晶、非晶陶瓷較復(fù)雜—正、負(fù)離子.晶體+非晶高分子更復(fù)雜(分子內(nèi)、分子間)晶體+非晶體、非晶2.變形與斷裂特點(diǎn)金屬：彈性變形、塑性變形、斷裂(多為韌性斷裂)。陶瓷：只有彈性變形，以脆性斷裂為主(有超塑性)。高分子：有彈、塑性變形、粘性流動(dòng)、粘彈性等多種力學(xué)狀態(tài)。除玻璃態(tài)為脆性斷裂，其余為韌斷。1.9.工程材料的強(qiáng)韌性配合

零件與構(gòu)件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)許用應(yīng)力[σ]=σs/n

材料強(qiáng)度愈高，承載能力越大，許用應(yīng)力愈高：減輕重量、節(jié)約材料；行走機(jī)械節(jié)省動(dòng)力能源。發(fā)展趨勢(shì)：提高材料強(qiáng)度、采用高比強(qiáng)、高比模材料。2.塑性、韌性——防止脆性斷裂經(jīng)驗(yàn)性：把аk、NDT(無(wú)塑性溫度)、FATT(斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度)等指標(biāo)列入設(shè)計(jì)要求。

不能直接應(yīng)用于設(shè)計(jì)計(jì)算、不能保證萬(wàn)無(wú)一失的防止脆性斷裂)——試驗(yàn)條件與工況之間差別。3.斷裂力學(xué)：KIC、JIC、COD進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，建立最低韌性要求，裂紋尺寸與許用應(yīng)力之間的關(guān)系。4.強(qiáng)韌度合理配合：絕大多數(shù)材料，強(qiáng)度和塑韌度互相制約，提高強(qiáng)度犧牲韌性，反之亦然。僅有極少方法可以達(dá)到強(qiáng)韌性同時(shí)提高，如細(xì)化晶粒、Ni合金化，形變熱處理?！に噺?fù)雜，設(shè)備等局限。盡量能保證安全和降低成本前提，如何兼顧材料強(qiáng)度和塑性、韌性?；驹恚簭牧慵蜆?gòu)件的