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1、无机材料物理性能无机材料物理性能2022年年12月月17日日第五讲第五讲n 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 第二章第二章 无机材料脆性断裂与强度无机材料脆性断裂与强度2-12-1 脆性断裂现象脆性断裂现象断裂现象断裂现象脆性断裂的断裂面脆性断裂的断裂面断裂现象断裂现象船身断裂，一分为二的船身断裂，一分为二的Schenectady号油轮号油轮垮塌后的彩虹桥垮塌后的彩虹桥脆脆性性断断裂裂 40人死亡；人死亡；14人受伤；人受伤；直接经济损失直接经济损失631万元。万元。1999年年1月月4日，我国重庆市綦江县日，我国重庆市綦江县彩虹桥发生垮塌，造成：彩虹桥发生垮塌
2、，造成：断裂现象断裂现象脆性断裂现象脆性断裂现象断裂现象分类断裂现象分类:金属类：金属类：先是弹性形变，然后塑性形变，先是弹性形变，然后塑性形变，直至断裂直至断裂高分子类：高分子类：先是弹性形变（很大），然先是弹性形变（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：无机材料：先是弹性形变（较小），然先是弹性形变（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断裂脆性断裂现象脆性断裂现象 脆性断裂的特点脆性断裂的特点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
3、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脆性断裂现象脆性断裂现象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强度强度磨损磨损摩擦摩擦硬度硬度机械冲击机械冲击化学腐蚀化学腐蚀耐热性耐热性热疲劳热疲劳热冲击热冲击断裂断裂强度强度材料的材料的强度强度强度理论强度理论光学材料光学材料多孔质材料多孔质材料高温材料高温材料结构材料结构材料 玻璃玻璃 水泥水泥 耐火材料耐火材料复合材料复合材料电子电器材料电子电器材料生物材料生物材料耐摩擦材料耐摩擦材料耐磨损材料耐磨损材料工具材料工具材料气孔、晶粒、杂质、晶界气孔、晶粒、杂质、晶界(大大
4、小、形状、分布小、形状、分布)等宏观缺陷等宏观缺陷晶体结构晶体结构,单晶多晶和非单晶多晶和非晶体中的微观缺陷晶体中的微观缺陷与强度有关的问题与强度有关的问题（共性，特性）（共性，特性）n哪些因素影响材料的强度？哪些因素影响材料的强度？n这些因素与显微结构间的关系？这些因素与显微结构间的关系？n材料在怎样的状态下断裂材料在怎样的状态下断裂?断裂过程怎样断裂过程怎样？n韧性是什么？韧性是什么？n材料的可靠性？具有怎样的强度？可能材料的可靠性？具有怎样的强度？可能用于什么地方？用于什么地方？与材料强度有关的断裂力学的特点：与材料强度有关的断裂力学的特点：n 着眼于裂纹尖端应力集中区域的力场和着眼于裂
5、纹尖端应力集中区域的力场和应变场分布；应变场分布；n 研究裂纹生长、扩展最终导致断裂的动研究裂纹生长、扩展最终导致断裂的动态过程和规律；态过程和规律；n 研究抑制裂纹扩展、防止断裂的条件。研究抑制裂纹扩展、防止断裂的条件。n 给工程设计、合理选材、质量评价提供给工程设计、合理选材、质量评价提供判据。判据。2-22-2 理论结合强度理论结合强度固体的强度固体的强度固体材料抵抗破坏的能力固体材料抵抗破坏的能力按破坏形式分：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能量守衡理论能量守衡理论n固体在拉伸应力下，由于伸长而储存了
6、弹性应固体在拉伸应力下，由于伸长而储存了弹性应变能，断裂时，应变能提供了新生断面所需的变能，断裂时，应变能提供了新生断面所需的表面能。表面能。n即：即：th x/2=2 sn其中：其中：th 为理论强度；为理论强度；x为平衡时原子间距的为平衡时原子间距的增量；增量；：表面能。：表面能。n虎克定律：虎克定律：th=E(x/r0)n理论断裂强度：理论断裂强度：th=2(s E/r0)1/2理论结合强度理论结合强度（OrowanOrowan近似）近似）Orowan 模模型型断裂理论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Orowan以应力以应力应变正弦函数曲线应变正弦函数曲线的形式近似的
7、描述原子间作用力随原的形式近似的描述原子间作用力随原子间距的变化。子间距的变化。理论结合强度的推导理论结合强度的推导断裂理论断裂功断裂功 形成两个新的表面形成两个新的表面 由虎克定律由虎克定律 理论结合强度理论结合强度Orowan 模模型型根据根据根据根据OrowanOrowanOrowanOrowan 模型，经过推导出：模型，经过推导出：模型，经过推导出：模型，经过推导出：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：断裂理论断裂强度理论值和测定值断裂强度理论值和测定值材料材料ThKg/m
8、m2 c th/c材料材料 th c th/cAl2O3晶须晶须50001540 3.3Al2O3宝石宝石500064.477.6铁晶须铁晶须30001300 2.3BeO357023.8150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500044.1113断裂理论断裂理论v Inglis断裂理论断裂理论 v G
9、riffith脆断理论脆断理论 v Irwin-Orowan 理论理论 断裂理论InglisInglis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InglisInglis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InglisInglis断裂理论断裂理论
10、 孔洞两个端部的应力几乎取决于孔孔洞两个端部的应力几乎取决于孔洞的长度和端部的曲率半径而与孔洞洞的长度和端部的曲率半径而与孔洞的形状无关，即的形状无关，即：近似为近似为故故断裂理论裂纹扩展的条件是：裂纹扩展的条件是：Griffith断裂理论断裂理论应力集中强度理论n应力集中流流体体的的流流动动材料中的裂纹型缺陷：材料中的伤痕、裂材料中的裂纹型缺陷：材料中的伤痕、裂纹、气孔、杂质等宏观缺陷。纹、气孔、杂质等宏观缺陷。平板弹性体的受力情况平板弹性体的受力情况力线力线n力管力管裂纹裂纹长度长度2cn 为了传递力，力线一定穿过材料组织到达固定端为了传递力，力线一定穿过材料组织到达固定端n 力以音速通过
11、力管（截面积为力以音速通过力管（截面积为A），把），把P/n大小的力大小的力传给此端面。传给此端面。n 远离孔的地方，其应力为：远离孔的地方，其应力为：=(P/n)/An 孔周围力管端面积减小为孔周围力管端面积减小为A1，孔周围局部应力为：，孔周围局部应力为：n =(P/n)/A1 n椭圆裂纹椭圆裂纹 越扁平或者尖端半径越小，其效果越明显。越扁平或者尖端半径越小，其效果越明显。n应力集中：材料中存在裂纹时，裂纹尖端处的应力远应力集中：材料中存在裂纹时，裂纹尖端处的应力远超过表观应力。超过表观应力。裂纹尖端处的应力集中裂纹尖端处的应力集中裂纹尖端的弹性应力裂纹尖端的弹性应力用弹性理论计算得：用弹
12、性理论计算得：Ln=1+/(2x+)c 1/2/(2x+)1/2+/(2x+)当当 x=0,Ln=2(c/)1/2+1当当c ，即裂纹为扁平的锐裂纹即裂纹为扁平的锐裂纹 Ln=2 (c/)1/2当当 最小时（为原子间距最小时（为原子间距r0）Ln=2 (c/r0)1/2裂纹尖端的弹性应裂纹尖端的弹性应力沿力沿x分布通式：分布通式：Ln=q(c,x)Lnx 2c Ln0裂纹尖端处的弹性应力分裂纹尖端处的弹性应力分布布应力集中强度理论应力集中强度理论n断裂的条件：当裂纹尖端的局部应力等于理论断裂的条件：当裂纹尖端的局部应力等于理论强度强度 th=(s E/r0)1/2 时，裂纹扩展，沿着横截面分为
13、两部分，此时时，裂纹扩展，沿着横截面分为两部分，此时的外加应力为断裂强度。的外加应力为断裂强度。即即 Ln=2 (c/r0)1/2=th=(s E/r0)1/2n断裂强度断裂强度 c=(s E/4c)1/2n考虑裂纹尖端的曲率半径是一个变数，即不等考虑裂纹尖端的曲率半径是一个变数，即不等于于r0，其一般式为：，其一般式为：c=y(s E/c)1/2ny是裂纹的几何（形状）因子。是裂纹的几何（形状）因子。裂纹模型裂纹模型裂纹模型根据固体的受力状态和形变方式，分为三种基裂纹模型根据固体的受力状态和形变方式，分为三种基本的裂纹模型，其中最危险的是张开型，一般在计算本的裂纹模型，其中最危险的是张开型，
14、一般在计算时，按最危险的计算。时，按最危险的计算。张开型张开型错开型错开型撕开型撕开型裂纹扩展的判据裂纹扩展的判据 (a)(b)(c)(d)(a)平板受力状态平板受力状态 (b)预先开有裂纹的平板受力状态预先开有裂纹的平板受力状态 (c)恒位移式裂纹扩展恒位移式裂纹扩展 (d)恒应力式裂纹扩展恒应力式裂纹扩展裂纹失稳扩展导致材料断裂的必要条件是：在裂纹扩展中，裂纹失稳扩展导致材料断裂的必要条件是：在裂纹扩展中，系统的自由能必须下降。系统的自由能必须下降。2(C+dC)d 2C 2(C+dC)(c)、(d)与与(b)状态相比，自由能发生了三项变化：状态相比，自由能发生了三项变化：裂纹扩展弹性应变
15、能的变化裂纹扩展弹性应变能的变化dUE；裂纹扩展新生表面所增加的表面能裂纹扩展新生表面所增加的表面能dUS=4dC s（产生（产生的新裂纹长度为的新裂纹长度为2dC）；外力对平板作功外力对平板作功dUW。两个状态与两个状态与(b)相比自由能之差分别为：相比自由能之差分别为：UCUB=dUE dUS dUW和和UDUB=dUE dUS dUW裂纹失稳而扩展的能量判据裂纹失稳而扩展的能量判据:dUW-dUE dUS 或或 d (UW UE)/C dUs/C即：d (UW UE)4dC sMJLN2C2(C+dC)应变应变应应力力OK在恒应力状态在恒应力状态(d)下，外力作功：下，外力作功：UW=P
16、 外力作功平板中储存的外力作功平板中储存的弹性应变能：弹性应变能：UE=1/2P 有有 UE=UW/2外力作功一半被吸收成为平板的弹外力作功一半被吸收成为平板的弹性应变能，另一半支付裂纹扩展新性应变能，另一半支付裂纹扩展新生表面所需的表面能，生表面所需的表面能，由裂纹扩展的条件：由裂纹扩展的条件：(UW UE)/C US/C及UE=UW/2 得 UE/C US/C结论：在恒应力状态下，弹性应变能的增量大于扩展单结论：在恒应力状态下，弹性应变能的增量大于扩展单位裂纹长度的表面能增量时，裂纹失稳扩展。位裂纹长度的表面能增量时，裂纹失稳扩展。结论：弹性应变能释放率结论：弹性应变能释放率 UE/C等于
17、或大于裂纹扩等于或大于裂纹扩展单位裂纹长度所需的表面能增量展单位裂纹长度所需的表面能增量 US/C，裂纹失裂纹失稳而扩展。稳而扩展。在恒位移状态下，外力不作功，所以，在恒位移状态下，外力不作功，所以，UW=0得裂纹扩展的条件：得裂纹扩展的条件：-UE/C US/CGriffith提出的关于裂纹扩展的提出的关于裂纹扩展的能量判据能量判据n n弹性应变能的变化率弹性应变能的变化率 UE/C等于或大等于或大于裂纹扩展单位裂纹长度所需的表面能于裂纹扩展单位裂纹长度所需的表面能增量增量 US/C，裂纹失稳而扩展。，裂纹失稳而扩展。断裂强度（临界应力）的计算断裂强度（临界应力）的计算n根据根据Griffi
18、th能量判据计算材料能量判据计算材料断裂强度断裂强度（临界应力）（临界应力）n外力作功，单位体积内储存弹性应变能：外力作功，单位体积内储存弹性应变能：n W=UE/AL=（1/2）P L/A Ln =（1/2）=2/2En设平板的厚度为设平板的厚度为1个单位，半径为个单位，半径为C的裂纹的裂纹其弹性应变能为：其弹性应变能为：n UE=W 裂纹的体积裂纹的体积=W （C21）n =C2 2/2E将该式求导可得：将该式求导可得：平面应力状态下扩展单位长度的微裂纹释放应变能为：平面应力状态下扩展单位长度的微裂纹释放应变能为：dUE/dC=C 2/E（平面应力条件）（平面应力条件）或或 dUE/dC=
19、(1 2)C 2/E （平面应变条（平面应变条件）件）由于扩展单位长度的裂纹所需的表面能为：由于扩展单位长度的裂纹所需的表面能为：US/C（即（即dUS/2dC)=2 s断裂强度（临界应力）的表达式：断裂强度（临界应力）的表达式：f=2E s/C1/2（平面应力条件）（平面应力条件）f=2E s/(1 2)C1/2 （平面应变条件）（平面应变条件）控制强度的三个参数控制强度的三个参数n弹性模量弹性模量E E：取决于材料的组分、晶体的结构、气孔。对其他显微结构较不敏感。n 断裂能断裂能 f f：不仅取决于组分、结构，在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响，是一种织构敏感参数,起着断裂过程的阻力
20、断裂过程的阻力作用。n裂纹半长度裂纹半长度c c：材料中最危险的缺陷，其作用材料中最危险的缺陷，其作用在于导致材料内部的局部应力集中，是断裂的在于导致材料内部的局部应力集中，是断裂的动力因素。动力因素。断裂能断裂能n热力学表面能：热力学表面能：固体内部新生单位原子面所吸固体内部新生单位原子面所吸收的能量。收的能量。n塑性形变能：塑性形变能：发生塑变所需的能量。发生塑变所需的能量。n相变弹性能：相变弹性能：晶粒弹性各向异性、第二弥散质晶粒弹性各向异性、第二弥散质点的可逆相变等特性，在一定的温度下，引起点的可逆相变等特性，在一定的温度下，引起体内应变和相应的内应力。结果在材料内部储体内应变和相应的
21、内应力。结果在材料内部储存了弹性应变能。存了弹性应变能。n微裂纹形成能：微裂纹形成能：在非立方结构的多晶材料中，在非立方结构的多晶材料中，由于弹性和热膨胀各向异性，产生失配应变，由于弹性和热膨胀各向异性，产生失配应变，在晶界处引起内应力。当应变能大于微裂纹形在晶界处引起内应力。当应变能大于微裂纹形成所需的表面能，在晶粒边界处形成微裂纹。成所需的表面能，在晶粒边界处形成微裂纹。径向裂纹径向裂纹侧向裂纹侧向裂纹残余应力残余应力材料表面受材料表面受研磨粒子损研磨粒子损伤后形成的伤后形成的裂纹裂纹工艺缺陷工艺缺陷工艺缺陷包括大孔洞、大晶粒、夹杂物等，形成于材料工艺缺陷包括大孔洞、大晶粒、夹杂物等，形成
22、于材料制备过程中。与原料的纯度、颗粒尺寸、粒度的分布、制备过程中。与原料的纯度、颗粒尺寸、粒度的分布、颗粒形貌等有关。颗粒形貌等有关。裂纹的形成裂纹的形成表面裂纹：一个硬质粒子（如研磨粒子）受到力表面裂纹：一个硬质粒子（如研磨粒子）受到力P的作用的作用而穿入脆性固体的表面，可能引起局部屈服，塑性形变而穿入脆性固体的表面，可能引起局部屈服，塑性形变造成的残余应力将激发出表面裂纹。造成的残余应力将激发出表面裂纹。形成于表面加工（切割、研磨、抛光）或粒子冲刷过程。形成于表面加工（切割、研磨、抛光）或粒子冲刷过程。例例1：由坯釉热膨胀系数不同引起。上釉陶瓷：由坯釉热膨胀系数不同引起。上釉陶瓷:釉的釉的
23、热膨胀系数：热膨胀系数：1；坯体的热膨胀系数：；坯体的热膨胀系数：2坯受较强的拉力作坯受较强的拉力作用釉被拉离坯面用釉被拉离坯面 1 2 1 2釉受较大拉力的作用釉受较大拉力的作用发生龟裂或坯向内侧弯曲发生龟裂或坯向内侧弯曲 陶瓷的无釉坯料与上釉坯料的抗弯强度陶瓷的无釉坯料与上釉坯料的抗弯强度P130陶瓷的种类陶瓷的种类无釉坯料无釉坯料(kg/cm2)上釉坯料上釉坯料(kg/cm2)粘土质绝缘子粘土质绝缘子735910滑石瓷绝缘子滑石瓷绝缘子13301715粘土质化学瓷粘土质化学瓷840925锆英石质化学锆英石质化学瓷瓷17402100瓷砖瓷砖672861硬质瓷硬质瓷364490上釉上釉NaO
24、BaOAl2O3SiO2系微晶玻璃的抗弯强度系微晶玻璃的抗弯强度热膨胀系数热膨胀系数(03000oC)10-7/oC热膨胀热膨胀系数差系数差上釉温上釉温度度 (oC)抗弯强度抗弯强度(kg/cm2)坯料坯料釉釉114.16549.110303520114.18133.11030140096.86531.81030260096.88115.81050140096.84056.81100274091.26526.21030316091.28110.21050126088.66523.610302810107.56542.510303020固定支座对膨胀的约束固定支座对膨胀的约束自由膨胀自由膨胀T0
25、 L0T L0+L（a)(b)有下列关系：有下列关系：=E(-L/L)=E(TTo)T E基体基体夹杂物脱离基夹杂物脱离基体，形成空洞体，形成空洞形成与张应力形成与张应力平行的微裂纹平行的微裂纹形成与张应力形成与张应力垂直的微裂纹垂直的微裂纹基体的切向应力引起切向裂基体的切向应力引起切向裂纹纹,最危险最危险 导致断裂的几率较小导致断裂的几率较小 高断裂几率高断裂几率 高断裂几率危险条件高断裂几率危险条件径向热拉径向热拉应力引起应力引起夹杂物类夹杂物类似于楔子似于楔子夹杂物在夹杂物在张应力的张应力的作用下发作用下发生拉伸生拉伸临界和亚临界夹杂物断裂临界和亚临界夹杂物断裂最危险最危险条件条件位错运
26、动对材料断裂有两方面的作用：位错运动对材料断裂有两方面的作用：引起塑性形变，导致应力松弛和抑制裂引起塑性形变，导致应力松弛和抑制裂纹扩展；纹扩展；位错运动受阻，导致应力集中和裂纹成位错运动受阻，导致应力集中和裂纹成核。核。例如：位错塞积群的前端，可产生使裂纹例如：位错塞积群的前端，可产生使裂纹开裂的应力集中。开裂的应力集中。例例7：位错型缺陷引起微裂纹位错型缺陷引起微裂纹GriffithGriffith断裂理论总结断裂理论总结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GriffithGriffith断裂理论断裂理论(稳定稳定)(临界临界)(扩展扩展)(为表面能为表面能)断裂理论当当
27、裂裂纹纹进进一一步步扩扩展展一一个个微微小小量量时时，单单位位面面积积释释放放的的能能量量为为 ，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：GriffithGriffith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：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：GriffithGriffith断裂理论总结断裂理论总结n
28、重要意义：重要意义：首首次次确确定定了了载载荷荷、形形状状、裂裂纹纹长长度度和和材材料料裂裂纹纹抵抵抗抗力力之之间间的的关关系系，为为断断裂裂力学的创立奠定了理论基础。力学的创立奠定了理论基础。断裂理论Irwin-Orowan理理论论 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:断裂理论 p为裂纹扩展单位面积在塑性变形中所作的为裂纹扩展单位面积在塑性变形中所作的塑性功塑性功，由于，由于 p (约为约为 的的103量级量级)Irwin-Orowan理理论论 断裂理论Irwin-Orowan理论理论 v 特点特点:仍然是未考虑到裂纹存在时的仍然是未考虑到裂纹存在时的 应力集中影响，也未分析裂纹应力集中影响，也未分析裂纹 前缘区内的应力场和应变场特前缘区内的应力场和应变场特 点，故也未揭示出裂纹扩展和点，故也未揭示出裂纹扩展和 断裂的物理本质。断裂的物理本质。断裂理论