無機(jī)非金屬材料物理性能

無機(jī)非金屬材料物理性能第1頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六《Titanic》

第2頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六第3頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六Titanic近代船用鋼板第4頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六第5頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六2.1脆性斷裂斷裂：塑性斷裂(延性或韌性斷裂)和脆性斷裂兩種類型。塑性斷裂：在斷裂時(shí)伴有宏觀上的塑性變形。第6頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六脆性斷裂：有些材料在應(yīng)力未達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)就會(huì)突然斷裂。不僅是脆性材料才會(huì)產(chǎn)生這種斷裂，材料內(nèi)部存在微裂紋，或者某些材料在低溫下受到?jīng)_擊等都有可能產(chǎn)生脆性斷裂。斷裂發(fā)生在彈性應(yīng)變狀態(tài)下，沒有經(jīng)過塑性形變階段而直接形成的斷裂。第7頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六脆性斷裂的特點(diǎn)：1)斷裂前無明顯的預(yù)兆;2)斷裂處往往存在一定的缺陷(裂紋，傷痕);3)由于缺陷的存在，實(shí)際斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論強(qiáng)度.脆性斷裂的微觀過程：突發(fā)性裂紋擴(kuò)展；裂紋的緩慢生長(zhǎng)。第8頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六斷裂現(xiàn)象：1)金屬類：先是彈性形變，然后是塑性變形，直到斷裂。2)高分子類：先是彈性形變(很大)，然后是塑性變形，直到斷裂。3)無機(jī)材料類：先是彈性形變(較小)，然后不發(fā)生塑性變形(或很小)，直到斷裂。第9頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六2.2理論結(jié)合強(qiáng)度2.2.1能量守衡模型固體受外功作用而變形，在變形過程中，外力所作的功轉(zhuǎn)變?yōu)閮?chǔ)存于固體內(nèi)的能量。斷裂時(shí)，應(yīng)變能提供了新生斷面所需的表面能。thx/2=2

th=E(x/r0)

th=2(E/r0)1/2th第10頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六以應(yīng)力—應(yīng)變正弦函數(shù)曲線的形式近似的描述原子間作用力隨原子間距的變化。=thsin(2x/)2.2.2奧羅萬模型U=SS第11頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六理論結(jié)合強(qiáng)度：通常，γ約為aE/100，th=E/10對(duì)于大部分實(shí)際材料來說，其理論結(jié)合強(qiáng)度與實(shí)際材料有一定的差異。---Griffith微裂紋理論th=2(E/r0)1/2高強(qiáng)度的固體必須要求E、γ大，a小第12頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六材料ThKg/mm2cth/cAl2O3晶須500015403.3鐵晶須300013002.3奧氏型鋼20483206.4硼348024014.5Si3N4熱壓385010038.5玻璃69310.566.0斷裂強(qiáng)度理論值和測(cè)定值第13頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六*理論剪切強(qiáng)度剪切應(yīng)力與位移的關(guān)系：=thsin(2x/b),當(dāng)x<<b時(shí)，=th（2x/b）根據(jù)虎克定律：=Gx/a設(shè)：b=a得：th=G/2第14頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六根據(jù)理論斷裂強(qiáng)度與理論剪切強(qiáng)度之比值大小，可以判斷材料塑性的大小。th/th>10材料為塑性，斷裂前已出現(xiàn)顯著的塑性流變；th/th1材料為脆性；th/th=5需參考其他因素作判斷。

第15頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六2.3Griffith微裂紋理論2.3.1Inglis斷裂理論第16頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六不管孔洞是橢圓還是菱形，只要孔洞的長(zhǎng)度(2C)和端部曲率半徑相同，則A點(diǎn)的應(yīng)力差別不大?！稄椥岳碚摶A(chǔ)》-平板彎曲第17頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六第18頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六第19頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六實(shí)際材料中總是存在許多細(xì)小的裂紋或缺陷，在外力作用下，這些裂紋或缺陷附近會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)力大到一定程度時(shí)，裂紋開始擴(kuò)展而導(dǎo)致材料斷裂。物體內(nèi)儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能的降低，大于等于產(chǎn)生由于開裂形成兩個(gè)新表面所需的表面能，就會(huì)造成裂紋的擴(kuò)展，反之，則裂紋不會(huì)擴(kuò)散。

2.3.2Griffith斷裂理論第20頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六臨界應(yīng)力的推導(dǎo)：We1=(1/2)F△lP33第21頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六在微小位移d(△l)上外力做的功dW=(Fi+1/2dF)d△l第22頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六dW=(Fi+1/2dF)d△ldW=Fid△l第23頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六第24頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六第25頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六P34第26頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六2γ2γ第27頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六重要意義：它建立了工作應(yīng)力、裂紋長(zhǎng)度和材料性能常數(shù)之間的關(guān)系，解釋了脆性材料強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其理論強(qiáng)度的現(xiàn)象，為斷裂力學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。理論適合應(yīng)用：玻璃、陶瓷這類脆性材料。延展性材料：第28頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六2.4.1裂紋擴(kuò)展方式2.4應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子和平面應(yīng)變斷裂韌性第29頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六第30頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六2.4.2裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)分析假設(shè)在離裂紋頂點(diǎn)為r，與裂紋面夾角為（角坐標(biāo)）處有一面單元dx,dy，則作用在面上的應(yīng)力分量為σx,σy,τxy。由于是薄板穿透裂紋A點(diǎn)的三個(gè)應(yīng)力分量，屬平面應(yīng)力問題，故：σz=0，τyz=τxz=0A第31頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六r<<c,θ→0裂紋尖端一點(diǎn)第32頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子P53,3-13式P33,2-9第33頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六第34頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六>斷裂韌性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(kuò)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。2.4.3斷裂韌性KⅠC應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KⅠ隨外應(yīng)力而增大(KⅠ=Yσ√c)，當(dāng)外應(yīng)力大到一定的程度時(shí)，裂紋達(dá)到失穩(wěn)定狀態(tài)，會(huì)迅速擴(kuò)展，直到斷裂，這時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KⅠ叫斷裂韌性(應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子極限)，只有當(dāng)材料的場(chǎng)強(qiáng)因子小于斷裂韌性時(shí)，材料才是安全的。斷裂韌性與其它韌性性能一樣，綜合反映了材料的強(qiáng)度和塑性，在防止低應(yīng)力脆斷選用材料時(shí)，根據(jù)材料的斷裂韌性指標(biāo)，可以對(duì)構(gòu)件允許的工作應(yīng)力和裂紋尺寸進(jìn)行定量計(jì)算。因此，斷裂韌性是斷裂力學(xué)認(rèn)為能反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的性能指標(biāo)，對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)具有十分重要的意義---本征參數(shù)第35頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六>應(yīng)用已知應(yīng)力，材料，確定結(jié)構(gòu)安全的最大裂紋長(zhǎng)度已知裂紋長(zhǎng)度，材料，確定結(jié)構(gòu)安全的最大應(yīng)力第36頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六已知應(yīng)力，裂紋長(zhǎng)度，確定結(jié)構(gòu)安全的材料斷裂韌度是用高強(qiáng)度鋼制造的飛機(jī)、導(dǎo)彈和火箭的零件，及用中低強(qiáng)度鋼制造氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等大型零件的重要性能指標(biāo)。第37頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六>影響斷裂韌性的因素成分組織結(jié)構(gòu)a.化學(xué)成分b.晶粒尺寸c.夾雜及第二相鎂是最有效的韌化元素，它不僅改善鋼的斷裂韌性，還能有效地降低冷脆轉(zhuǎn)化溫度。細(xì)化晶粒，裂紋擴(kuò)展時(shí)所消耗的能量越多夾雜物提高或降低斷裂韌性：脆性相時(shí)↓，韌性相時(shí)↑第38頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六>提高材料的斷裂韌性第39頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六第40頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六>沖擊韌性沖擊吸收功：Ak=mg(h-h’)沖擊韌性：AK/S10×10×55mm的試樣（長(zhǎng)度方向的中間處有“U”型或“V”型缺口，缺口深度2mm）第41頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六韌脆轉(zhuǎn)變溫度材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌第42頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六>斷裂韌性的測(cè)試方法單邊切口梁法(SENB)第43頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六第44頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六第45頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六壓痕法測(cè)試試樣表面先拋光成鏡面，在顯微硬度儀上，以10Kg負(fù)載在拋光表面用硬度計(jì)的錐形金剛石壓頭產(chǎn)生一壓痕，這樣在壓痕的四個(gè)頂點(diǎn)就產(chǎn)生了預(yù)制裂紋。根據(jù)壓痕載荷P和壓痕裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度C計(jì)算出斷裂韌性數(shù)值第46頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六>斷裂（彎曲）強(qiáng)度的測(cè)試三點(diǎn)彎曲：四點(diǎn)彎曲：f=3PL/2bh2f=3P(L-l)/2bh2實(shí)驗(yàn)條件：測(cè)試誤差：P40第47頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六>經(jīng)典強(qiáng)度理論與斷裂力學(xué)強(qiáng)度理論比較

經(jīng)典強(qiáng)度理論

斷裂強(qiáng)度理論斷裂準(zhǔn)則：f/n(

ys/n)KI

KIC

有一構(gòu)件，實(shí)際使用應(yīng)力為1.30GPa,有下列兩種鋼供選：甲鋼：ys=1.95GPa,KIC=45Mpa·m1\2

乙鋼：ys=1.56GPa,KIC=75Mpa·m1\2第48頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六第49頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六P54第50頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六動(dòng)力：由裂紋擴(kuò)展單位面積所降低的彈性應(yīng)變能。2.4.4裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力與阻力第51頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六阻力：KIC或2γ內(nèi)裂的薄板為例KI=π1/2σc1/2.當(dāng)為臨界值時(shí)，有KIC=π1/2σcc1/2,故KIC2=πσc2c代入P55:3-16第52頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六2.5裂紋的起源與擴(kuò)展2.5.1裂紋的起源1)材料結(jié)構(gòu)中存在缺陷，當(dāng)受外力時(shí)，在這些缺陷處引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。位錯(cuò)：2)材料表面的機(jī)械損傷與化學(xué)腐蝕形成表面裂紋。第53頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六3)熱應(yīng)力形成裂紋。第54頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六冰裂紋釉宋朝五大名窯之一的哥窯就是以燒制紋片釉著稱第55頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六第56頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六2.5.2裂紋的擴(kuò)展超過臨界狀態(tài)后，多余能量的去向：裂紋的加速擴(kuò)展；裂紋的繁殖；形成復(fù)雜的斷面。一旦G≥Gc時(shí)，裂紋發(fā)生擴(kuò)展，且由于裂紋擴(kuò)展，使裂紋長(zhǎng)度增大，從而又增大裂紋擴(kuò)展力，其結(jié)果則會(huì)使裂紋的擴(kuò)展越來越劇烈，加速擴(kuò)展進(jìn)行，并產(chǎn)生分枝狀的新表面，以吸收多余的能量。第57頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六2.6顯微結(jié)構(gòu)對(duì)材料脆性斷裂的影響2.6.1晶粒尺寸對(duì)于多晶材料：當(dāng)起始裂紋受晶粒限制，其尺度與晶粒相當(dāng)，則脆性斷裂強(qiáng)度與晶粒粒度的關(guān)系為：第58頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六對(duì)于多晶材料，大量試驗(yàn)證明：晶粒越小，強(qiáng)度越高；微晶材料就成為無機(jī)材料發(fā)展的一個(gè)重要方向MgO第59頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六2.6.2氣孔的影響透明氧化鋁陶瓷斷裂強(qiáng)度與氣孔率有關(guān)系氣孔的存在降低了陶瓷材料的實(shí)際承載面積，并引發(fā)應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致陶瓷的