無機材料物理性能第 講

無機材料物理性能第講第1頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六

斷裂行為理論結(jié)合強度斷裂理論

第二章無機材料脆性斷裂與強度第2頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六§2-1

脆性斷裂現(xiàn)象第3頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六斷裂現(xiàn)象脆性斷裂的斷裂面第4頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六斷裂現(xiàn)象船身斷裂，一分為二的Schenectady號油輪第5頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六垮塌后的彩虹橋脆性斷裂第6頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六

40人死亡；

14人受傷；

直接經(jīng)濟損失631萬元。1999年1月4日，我國重慶市綦江縣彩虹橋發(fā)生垮塌，造成：斷裂現(xiàn)象第7頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六脆性斷裂現(xiàn)象斷裂現(xiàn)象分類:金屬類：先是彈性形變，然后塑性變，直至斷裂。高分子類：先是彈性形變（很大），然后塑性形變，直至斷裂。無機材料：先是彈性形變（較?。?，然后不發(fā)生塑性形變（或很?。┒苯哟嘈詳嗔选５?頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六脆性斷裂現(xiàn)象

脆性斷裂的特點斷裂前無明顯的預兆斷裂處往往存在一定的斷裂源由于斷裂源的存在，實際斷裂強度遠遠小于理論強度第9頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六脆性斷裂現(xiàn)象脆性斷裂的微觀過程突發(fā)性裂紋擴展裂紋的緩慢生長第10頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六§2-2

理論結(jié)合強度固體的強度——固體材料抵抗破壞的能力按破壞形式分：屈服強度

斷裂強度按討論方式分：理論強度

實際強度斷裂理論第11頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六理論結(jié)合強度Orowan模型斷裂理論原子間約束力和距離間的關(guān)系第12頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六理論結(jié)合強度的推導斷裂理論斷裂功

形成兩個新的表面由虎克定律第13頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六理論結(jié)合強度Orowan模型根據(jù)Orowan模型，經(jīng)過推導出：高強度的固體必須要求E、γ大，a小，γ約為aE/100，故理論結(jié)合強度可寫成：

斷裂理論第14頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六理論結(jié)合強度的推導材料thKg/mm2cth/c材料thcth/cAl2O3晶須500015403.3Al2O3寶石500064.477.6鐵晶須300013002.3BeO357023.8150奧氏型鋼20483206.4MgO245030.181.4硼348024014.5Si3N4熱壓385010038.5硬木—10.5—SiC49009551.6玻璃69310.566.0Si3N4燒結(jié)385029.5130NaCl4001040.0AlN280060～10046.7～28.0Al2O3剛玉500044.1113第15頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六線彈性斷裂力學的基本理論

Inglis斷裂理論

Griffith脆斷理論

Irwin-Orowan理論

斷裂理論第16頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六Inglis斷裂理論貢獻：看到了缺陷、解釋了實際強度遠低于理論強度的事實。缺點：沿用了傳統(tǒng)的強度理論，引用了現(xiàn)成的彈性力學應力集中理論，并將缺陷視為橢園孔，未能討論裂紋型的缺陷。

斷裂理論第17頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六Inglis斷裂理論c2cσ微裂紋端部的曲率對應于原子間距斷裂理論第18頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六Inglis斷裂理論

孔洞兩個端部的應力幾乎取決于孔洞的長度和端部的曲率半徑而與孔洞的形狀無關(guān)，依據(jù)彈性理論：考慮到裂紋尖端曲率半徑ρ與晶格常數(shù)相當:故斷裂理論裂紋擴展的條件是：

考慮到:一旦c增加，進一步增大，更大于，裂紋加速擴展第19頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六Griffith斷裂理論裂紋擴散臨界條件的導出

斷裂理論第20頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六Griffith斷裂理論(穩(wěn)定)

(臨界)(擴展)

(為表面能)斷裂理論當裂紋進一步擴展一個微小量時，單位面積釋放的能量為，形成新生的單位表面積所需的表面能為：第21頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六Griffith斷裂理論彈性力學方法可求得裂紋擴展時的彈性能改變量：

由臨界條件得：

斷裂理論平面應力狀態(tài)下裂紋擴展時的臨界裂紋長度或臨界應力：

平面應變狀態(tài)下裂紋擴展時的臨界裂紋長度或臨界應力：

第22頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六Griffith斷裂理論重要意義：

首次確定了載荷、形狀、裂紋長度和材料裂紋抵抗力之間的關(guān)系，為斷裂力學的創(chuàng)立奠定了理論基礎。斷裂理論第23頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六Irwin-Orowan理論

對有塑性性能的金屬材料:

平面應變狀態(tài):平面應力狀態(tài):

斷裂理論第24頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六p為裂紋擴展單位面積在塑性變形中所作的塑性功，由于p>>

(約為的103量級)

Irwin-Orowan理論

斷裂理論第25頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六應力場強度因子和平面應變斷裂韌性第26頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六2002年11月19日，希臘“威望”號油輪在西班牙加利西亞省所屬海域觸礁，斷裂成兩截，隨后逐漸下沉。據(jù)悉，這艘船上共裝有7.7萬噸燃料油。生態(tài)學家稱這可能是世界上最嚴重的燃油泄漏事件之一。第27頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六1912年號稱永不沉沒的豪華的泰坦尼克號(Titanic)沉沒于冰海中。1985年以后，探險家們數(shù)次深潛到海底研究沉船，取出遺物。1995年2月美國《科學大眾》(PopularScience）雜志發(fā)表了RGannon的文章，標題是『WhatReallySankTheTitanic』,回答了80年未解之謎。上圖是兩個沖擊試驗結(jié)果，左面的試樣取自海底的Titanic號，右面的是近代船用鋼板的沖擊試樣。由于早年的Titanic號采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當好的低溫韌性。第28頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六裂紋擴展方式第29頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六裂紋尖端應力場分析掰開型2arxyσσ第30頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六裂紋尖端應力場分析掰開型KI稱為應力場強度因子第31頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六裂紋尖端應力場分析掰開型裂紋尖端處的一點：裂紋擴展的主要動力y即是前述的A所以：第32頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六應力場強度因子大而薄的板，中心穿透裂紋

大而薄的板，邊緣穿透裂紋

單邊直通切口三點彎曲梁試樣

第33頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六線性斷裂力學判據(jù)

KI=KIC

KI—應力強度因子

KIC—斷裂韌性(臨界應力強度因子，由實驗確定)應力場強度因子第34頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六臨界應力場強度因子(平面應力狀態(tài))

(平面應變狀態(tài))

第35頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六斷裂韌性臨界應力強度因子KIC

：當KI隨著外應力增大到某一臨界值，裂紋尖端處的局部應力不斷增大到足以使原子鍵分離的應力th，此時，裂紋快速擴展并導致試樣斷裂。

KIC

=c（c)?由:c=（2E/c)1/2得：KIC=（2E)1/2第36頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六斷裂韌性參數(shù)(KIC)：

是材料固有的性能，也是材料的組成和顯微結(jié)構(gòu)的函數(shù),是材料抵抗裂紋擴展的阻力因素。與裂紋的大小、形狀以及外力無關(guān)。隨著材料的彈性模量和斷裂能的增加而提高.第37頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六經(jīng)典強度理論與斷裂力學強度理論的比較經(jīng)典強度理論斷裂強度理論斷裂準則：b/nK1=（c)?

K1c經(jīng)典強度理論無法保證所設計構(gòu)件的安全，問題出現(xiàn)在哪兒？斷裂強度理論又為什么能夠保證構(gòu)件安全？第38頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六經(jīng)典強度理論設計依據(jù)的b、s是在盡可能排除缺陷的情況下取得的，不反映缺陷對強度的影響。而斷裂強度理論充分考慮了缺陷對強度的影響，并依此設計和使用材料，因此是安全的。第39頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六

有一構(gòu)件，實際使用應力為1.30GPa,有下列兩種鋼供選：甲鋼：f=1.95GPa,K1c=45Mpa·m1\2

乙鋼：f=1.56GPa,K1c=75Mpa·m1\2

傳統(tǒng)設計：甲鋼的安全系數(shù):1.5，乙鋼的安全系數(shù)1.2斷裂力學觀點：最大裂紋尺寸為1mm,Y=1.5

甲鋼的斷裂應力為:1.0GPa

乙鋼的斷裂應力為:1.67GPa第40頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六§2—5

裂紋的起源與快速擴展裂紋的起源

晶體微觀缺陷發(fā)展成裂紋材料表面的機械強度損傷與化學腐蝕形成成的表面裂紋──最危險的的裂紋(裂紋的擴展由表面裂紋開始)熱應力引起裂紋氣體逸出形成的裂紋晶體生長或無定形向晶形轉(zhuǎn)變形成裂紋第41頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六裂紋的起源與快速擴展裂紋的快速擴張（失穩(wěn)擴展）裂紋擴展的動力：裂紋擴展的阻力：

Gc=2超過臨界狀態(tài)后，多余的能量的去向裂紋的加速擴展裂紋的繁殖最后形成復雜的斷面第42頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六防止裂紋擴展的措施使用應力不超過σc

在材料中設置吸收能量的裝置

人為地在材料中造成大量極微細的小于臨界尺寸的裂紋。第43頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六無機材料中裂紋的亞臨界生長

在臨界應力之下，裂紋隨時間的推移而發(fā)生的緩慢擴展的現(xiàn)象稱為亞臨界生長，或稱為靜態(tài)疲勞。材料在循環(huán)應力或漸增應力作用下的延時破壞叫做動態(tài)疲勞。第44頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六裂紋亞臨界生長機制1.應力腐蝕理論要點：在一定的壞境條件和應力場強度因子作用下，材料中關(guān)鍵裂紋尖端處，裂紋擴展的動力與裂紋阻力的相對大小，構(gòu)成裂紋生長或不生長的必要充分條件。起因：材料長期暴露在腐蝕性環(huán)境介質(zhì)中，斷裂強度降低。第45頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六應力腐蝕理論K值隨亞臨界裂紋增長的變化

裂紋亞臨界生長機制第46頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六應力腐蝕理論裂紋尖端吸附介質(zhì)表面能下降新裂紋尖端動力<阻力動力>阻力動力<阻力腐蝕介質(zhì)裂紋停止生長裂紋生長裂紋快速生長斷裂裂紋亞臨界生長機制第47頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六應力腐蝕理論開裂阻力：Gc=dWs/dc=2

開裂動力：G=πσ2c/E

開裂阻力的減小，使得動力大于阻力裂紋亞臨界生長機制第48頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六無機材料強度的統(tǒng)計特性無機材料強度波動原因的分析材料的臨界應力只決定于材料中的最大裂紋長度裂紋的長度c在材料內(nèi)的分布是隨機的體積越大，存在最大裂紋長度的概率也越大。而材料中，只要有一條最大長度的初始裂紋，材料就要失效第49頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六提高強度改進韌性的途徑影響材料強度的因素提高材料的強度是指提高其抵抗彈性、塑性及斷裂形變的能力，這幾項主要決定的指標是E或G、及裂紋長度。彈性模量表示原子間的結(jié)合力，它是一種結(jié)構(gòu)不敏感性能常數(shù)，則與微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)(但單相材料的微觀結(jié)構(gòu)對其影響不大)。關(guān)鍵的因素是裂紋長度。

第50頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六提高強度改進韌性的途徑

微晶，高密度與高純度提高抗裂能力與預加應力化學強化相變增韌彌散增韌復合增韌第51頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六硬度材料抵抗表面局部塑性變形的能力。布氏硬度HB布氏硬度計第52頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六

壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值,符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。如

120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。布氏硬度壓痕第53頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六布氏硬度的優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測量:退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,

鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的b與HB之間的經(jīng)驗關(guān)系：對于低碳鋼:b(MPa)≈3.6HB

對于高碳鋼：b(MPa)≈3.4H