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1、无机材料物理性能无机材料物理性能20232023年年6 6月月7 7日日第二讲1n 断裂行为n 理论结合强度n 断裂理论 第二章 无机材料脆性断裂与强度22-1 脆性断裂现象3断裂现象脆性断裂的断裂面4断裂现象船身断裂，一分为二的Schenectady号油轮5垮塌后的彩虹桥脆脆性性断断裂裂6 40人死亡；14人受伤；直接经济损失631万元。1999年1月4日，我国重庆市綦江县彩虹桥发生垮塌，造成：断裂现象7脆性断裂现象断裂现象分类:金属类：先是弹性形变，然后塑性变，直至断裂。高分子类：先是弹性形变（很大），然 后塑性形变，直至断裂。无机材料：先是弹性形变（较小），然 后不发生塑性形变（或很小）
2、而直接脆性断裂。8脆性断裂现象 脆性断裂的特点l断裂前无明显的预兆l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 远远小于理论强度9脆性断裂现象脆性断裂的微观过程突发性裂纹扩展裂纹的缓慢生长102-2 理论结合强度固体的强度固体材料抵抗破坏的能力按破坏形式分：屈服强度 断裂强度按讨论方式分：理论强度 实际强度断裂理论11理论结合强度Orowan 模模型型断裂理论原子间约束力和距离间的关系12理论结合强度的推导断裂理论断裂功 形成两个新的表面 由虎克定律 13理论结合强度Orowan 模模型型根据根据Orowan Orowan 模型，经过推导出：模型，经过推导出：高强度的固体必须要
3、求E、大，a小，约为aE/100，故理论结合强度可写成：断裂理论14理论结合强度的推导材料材料thKg/mm2 c th/c材料材料 th c th/cAl2O3晶须晶须500015403.3Al2O3宝石宝石500064.477.6铁晶须铁晶须300013002.3BeO357023.8150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385029.5130NaCl4001040.0AlN28006010046.72
4、8.0Al2O3刚玉刚玉500044.111315线弹性断裂力学的基本理论v Inglis断裂理论 v Griffith脆断理论 v Irwin-Orowan 理论 断裂理论16Inglis断裂理论贡献：看到了缺陷、解释了实际强度远低于 理论强度的事实。缺点：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 视为椭园孔，未能讨论裂纹型的缺陷。断裂理论17Inglis断裂理论c2c微裂纹端部的曲率对应于原子间距断裂理论18Inglis断裂理论 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的形状无关，依据弹性理论：考虑到裂纹尖端曲率半径与晶格常数 相当:故断裂理
5、论裂纹扩展的条件是：考虑到:一旦一旦c c增加，增加，进一步增大，更大于进一步增大，更大于 ，裂纹加速扩展，裂纹加速扩展19Griffith断裂理论裂纹扩散临界条件的导出 断裂理论20Griffith断裂理论(稳定)(临界)(扩展)(为表面能)断裂理论 当裂纹进一步扩展一个微小量时，单位面积释放的能量为 ，形成新生的单位表面积所需的表面能为：21Griffith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：由临界条件得：断裂理论平面应力状态下裂纹扩展时的临界裂纹长度或临界应力：平面应变状态下裂纹扩展时的临界裂纹长度或临界应力：22Griffith断裂理论n重要意义：首次确定了载荷、形状、
6、裂纹长度和材料裂纹抵抗力之间的关系，为断裂力学的创立奠定了理论基础。断裂理论23Irwin-Orowan理论 n对有塑性性能的金属材料:平面应变状态:平面应力状态:断裂理论24 p为裂纹扩展单位面积在塑性变形中所作的塑性功，由于 p (约为 的103量级)Irwin-Orowan理论 断裂理论25应力场强度因子和平面应变断裂韧性26 2002年11月19日，希腊“威望”号油轮在西班牙加利西亚省所属海域触礁，断裂成两截，随后逐渐下沉。据悉，这艘船上共装有7.7万吨燃料油。生态学家称这可能是世界上最严重的燃油泄漏事件之一。271912年号称永不沉没的豪华的泰坦尼克号(Titanic)沉没于冰海中。
7、1985年以后，探险家们数次深潜到海底研究沉船，取出遗物。1995年2月美国科学大众(Popular Science）杂志发表了R Gannon 的文章，标题是What Really Sank The Titanic,回答了80年未解之谜。上图是两个冲击试验结果，左面的试样取自海底的Titanic号，右面的是近代船用钢板的冲击试样。由于早年的Titanic 号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的低温韧性。28裂纹扩展方式29裂纹尖端应力场分析掰开型2 ar rx xy y 302023/6/731裂纹尖端应力场分
8、析掰开型KI称为应力场强度因子32裂纹尖端应力场分析掰开型裂纹尖端处的一点：裂纹扩展的主要动力 y即是前述的 A所以：33应力场强度因子大而薄的板，大而薄的板，中心穿透裂纹中心穿透裂纹 大而薄的板，大而薄的板，边缘穿透裂纹边缘穿透裂纹 单边直通切口三单边直通切口三点弯曲梁试样点弯曲梁试样 34 线性断裂力学判据 KI=KIC KI应力强度因子应力强度因子 KIC断裂韧性断裂韧性(临界应力强度因子，临界应力强度因子，由实验确定由实验确定)应力场强度因子35临界应力场强度因子(平面应力状态平面应力状态)(平面应变状态平面应变状态)36断裂韧性 临界应力强度因子KIC ：当KI随着外应力增大到某一临
9、界值，裂纹尖端处的局部应力不断增大到足以使原子键分离的应力 th，此时，裂纹快速扩展并导致试样断裂。KIC=c（c)由:c=（2E /c)1/2 得：KIC=（2E )1/237断裂韧性参数(KIC)：是材料固有的性能，也是材料的组成和显微结构的函数,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。随着材料的弹性模量和断裂能的增加而提高.38经典强度理论与断裂力学强度理论的比较 经典强度理论 断裂强度理论断裂准则：b/n K1=（c)K1c 经典强度理论无法保证所设计构件的安全，问题出现在哪儿？断裂强度理论又为什么能够保证构件安全？39 经典强度理论设计依据的 b、s是在尽可能排
10、除缺陷的情况下取得的，不反映缺陷对强度的影响。而断裂强度理论充分考虑了缺陷对强度的影响，并依此设计和使用材料，因此是安全的。40 有一构件，实际使用应力为1.30GPa,有下列两种钢供选：甲钢：f=1.95GPa,K1c=45Mpam 12 乙钢：f=1.56GPa,K1c=75Mpam 12 传统设计：甲钢的安全系数:1.5，乙钢的安全系数 1.2断裂力学观点：最大裂纹尺寸为1mm,Y=1.5 甲钢的断裂应力为:1.0GPa 乙钢的断裂应力为:1.67GPa4125 裂纹的起源与快速扩展裂纹的起源v 晶体微观缺陷发展成裂纹v材料表面的机械强度损伤与化学腐蚀 形成成的表面裂纹最危险的的裂纹 (
11、裂纹的扩展由表面裂纹开始)v热应力引起裂纹v气体逸出形成的裂纹v晶体生长或无定形向晶形转变形成裂纹42裂纹的起源与快速扩展裂纹的快速扩张（失稳扩展）裂纹扩展的动力：裂纹扩展的阻力：Gc=2超过临界状态后，多余的能量的去向裂纹的加速扩展裂纹的繁殖最后形成复杂的断面43防止裂纹扩展的措施 使用应力不超过c 在材料中设置吸收能量的装置 人为地在材料中造成大量极微 细的小于临界尺寸的裂纹。44无机材料中裂纹的亚临界生长 n在临界应力之下，裂纹随时间的推移而发生的缓慢扩展的现象称为亚临界生长，或称为静态疲劳。n材料在循环应力或渐增应力作用下的延时破坏叫做动态疲劳。45裂纹亚临界生长机制1.应力腐蚀理论要
12、 点：在 一 定 的 坏 境 条 件 和 应 力 场 强 度因子作用下，材料中关键裂纹尖端处，裂纹扩展的动力与裂纹阻力的相对大小，构成裂纹生长或不生长的必要充分条件。起 因：材 料 长 期 暴 露 在 腐 蚀 性 环 境 介 质中，断裂强度降低。46应力腐蚀理论K值随亚临界裂纹增长的变化 裂纹亚临界生长机制47应力腐蚀理论裂纹尖端吸附介质表面 能 下 降新裂纹尖 端动力阻力动力阻力腐蚀介质裂纹停止生长裂纹生长裂纹快速生长断裂裂纹亚临界生长机制48应力腐蚀理论n开裂阻力：Gc=dWs/dc=2 n开裂动力：G=2c/E 开裂阻力的减小，使得动力大于阻力裂纹亚临界生长机制49无机材料强度的统计特性
13、无机材料强度波动原因的分析n材料的临界应力只决定于材料中的最大裂纹长度n裂纹的长度c在材料内的分布是随机的体积越大，存在最大裂纹长度的概率也越大。而材料中，只要有一条最大长度的初始裂纹，材料就要失效50提高强度改进韧性的途径n影响材料强度的因素提高材料的强度是指提高其抵抗弹性、塑性及断裂形变的能力，这几项主要决定的指标是E或G、及裂纹长度。弹性模量表示原子间的结合力，它是一种结构不敏感性能常数，则与微观结构有关(但单相材料的微观结构对其影响不大)。关键的因素是裂纹长度。51提高强度改进韧性的途径l 微晶，高密度与高纯度l 提高抗裂能力与预加应力l 化学强化l 相变增韧l 弥散增韧l 复合增韧5
14、2硬度n材料抵抗表面局部塑性变形的能力。n布氏硬度HB布布氏氏硬硬度度计计53 n压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。n压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。l符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值,符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如 120HBS10/1000/30 表 示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布布氏氏硬硬度度压压痕痕54n布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。n缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料
15、。n适于测量:退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。n材料的 b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)3.4HB 对于铸铁：b(MPa)1HB或 b(MPa)0.6(HB-40)HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁55洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛洛氏氏硬硬度度计计n洛 氏 硬 度 用 符 号 HR表 示，HR=k-(h1-h0)/0.002n根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。56n符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于
16、测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。l缺点：测量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕57维氏硬度维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕58n维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。n根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。n维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。小小负负荷荷维维氏氏硬硬度度计计显微维氏硬度计显微维氏硬度计59物性作业二n一、（资料P106-2）n二、（资料P106-4）n三、（资料P107-6）602023/6/761