材料物理性能(第二章材料的脆ppt课件

1、l第一节第一节 脆性断裂景象脆性断裂景象l第二节第二节 实际结合强度实际结合强度l第三节第三节 Griffith微裂纹实际微裂纹实际l第四节第四节 应力场强度因子和平面应变断裂韧性应力场强度因子和平面应变断裂韧性l第五节第五节 裂纹的来源与快速扩展裂纹的来源与快速扩展l第六节第六节 资料中裂纹的亚临界生长资料中裂纹的亚临界生长l第七节第七节 显微构造对资料脆性断裂的影响显微构造对资料脆性断裂的影响l第八节第八节 提高无机资料强度改良资料韧性的途径提高无机资料强度改良资料韧性的途径第二章第二章 资料的脆性断裂与强度资料的脆性断裂与强度蠕 变：随时间而发生变形一一 弹、粘、塑性形变弹、粘、塑性形变

2、弹性形变：剪应力下弹性畸变可以恢复的形变塑性形变：晶粒内部的位错滑移不可恢复的 永久形变粘性形变：不可恢复永久形变第一节第一节 脆性断裂景象脆性断裂景象 在外力作用下，在高度应力集中点内部和外表的缺陷和裂纹附近单元。所受拉应力为平均应力的数倍。假设超越资料的临界拉应力值时，将会产生裂纹或缺陷的扩展，导致脆性断裂。 因此，断裂源往往出如今资料中应力集中度很高的地方，并选择这种地方的某一缺陷或裂纹、伤痕而开裂。二二 脆性断裂行为脆性断裂行为 裂纹的存在及其扩展行为决议了资料抵抗断裂的裂纹的存在及其扩展行为决议了资料抵抗断裂的才干。才干。在临界形状下，断裂源处裂纹尖端的横向拉应力结在临界形状下，断裂

3、源处裂纹尖端的横向拉应力结合强度合强度裂纹扩展裂纹扩展引起周围应力再分配引起周围应力再分配裂纹的裂纹的加速扩展加速扩展突发性断裂。突发性断裂。三三 突发性断裂与裂纹缓慢生长突发性断裂与裂纹缓慢生长l当裂纹尖端处的横向拉应力尚缺乏以引起扩展，但在l 长期受力情况下，会出现裂纹的缓慢生长。 要推导资料的实际强度，应从原子间的结合力入要推导资料的实际强度，应从原子间的结合力入手，只需抑制了原子间的结合力，资料才干断裂。手，只需抑制了原子间的结合力，资料才干断裂。 Orowan提出了以正弦曲线来近似原子间约束力随提出了以正弦曲线来近似原子间约束力随原子间的间隔原子间的间隔X的变化曲线见图的变化曲线见图

4、2.1。第二节 实际结合强度2sinthth得出：thththxdxxV20202cos22sin式中， 为实际结合强度， 为正弦曲线的波长。设分开单位面积原子平面所作的功为 ，那么V设资料构成新外表的外表能为 这里是断裂外表能，不是自在外表能，那么 ， 即2V22thth在接近平衡位置O的区域，曲线可以用直线替代，服从虎克定律：EaxE 可见，实际结合强度只与弹性模量，外表能和晶格间隔等资料常数有关。 通常， 约为 ，这样， xx22sinaEth10Ethax 为原子间距, 很小时,因此，得：100aE要得到高强度的固体，就要求 和 大， 小。Ea 1920年Griffith为了解释玻璃的

5、实际强度与实践强度的差别，提出了微裂纹实际，后来逐渐成为脆性断裂的主要实际根底。一 实际的提出 Griffith 以为实践资料中总是存在许多细小的微裂纹或缺陷，在外力作用下产生应力集中景象，当应力到达一定程度时，裂纹开场扩展,导致断裂。第三节第三节 GriffithGriffith微裂纹实际微裂纹实际 Inglis研讨了具有孔洞的板的应力集中问题，得到结论：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，而与孔洞的外形无关。 Griffith根据弹性实际求得孔洞端部的应力AccaacAA21212，式中， 为外加应力。 假设 ，即为扁平的锐裂纹，那么 很大，这时可略去式中括号内的1，得

6、： cA2thAAcc当 , 裂纹扩展， 增大 添加断裂 。 c1. Inglis只思索了裂纹端部一点的应力，实践上裂 纹端部的应力形状很复杂。2. Griffith从能量的角度研讨裂纹扩展的条件：物体 内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形 成两个新外表所需的外表能。即物体内储存的弹 性应变能的降低或释放就是裂纹扩展的动力。aEacc2cEc4二二 裂纹扩展的临界条件裂纹扩展的临界条件我们用图2.3来阐明这一概念并导出这一临界条件: a.将一单位厚度的薄板拉长到 ，此时板中储存 的弹性应变能为:lFew211lFFew212ll b.人为地在板上割出一条长度为2c的裂纹，产生两 个新外表

7、，此时，板内储存的应变能为: d.欲使裂纹扩展，应变能降低的数量应等于构成新 外表所需的外表能。 由弹性实际，人为割开长 2 的裂纹时，平面应力 形状下应变能的降低为：Ecwe22 c. 应变能降低lFeeewww2121 cws4Ecuwe2221如为厚板，那么属于平面应变形状，那么，产生长度为 2c，厚度为 1 的两个新断面所需的外表能为：式中 为单位面积上的断裂外表能，单位为 。mJ2 裂纹进一步扩展，单位面积所释放的能量为 ，构成新的单位外表积所需的表面能为 ，因此， 当 时，为稳定形状，裂纹不会扩展； 当 时，裂纹失稳，扩展;dcdwe2dcdws2dcdwe2dcdws2dcdwe

8、2dcdws2dcdwe2dcdws2dcdwe224222222cdcddcdEEdcdwccscEEcc222当 = 时，为临界形状。又由于 =因此，临界条件为：临界应力： Griffith采用钠钙玻璃制成的薄壁圆管作了实验研讨，Griffith的微裂纹实际能阐明脆性断裂的本质微裂纹扩展。 对于塑性资料，Griffith公式不再适用，由于塑性资料在微裂纹扩展过程中裂纹尖端的部分区域要发生不可忽略的塑性形变，需要不断耗费能量，假设不能供应所需求的足够的外部能量，裂纹扩展将会停顿。cEc212 假设是平面应变形状， 因此，在讨论能量平衡时，必需思索裂纹在扩展过程中由于塑性变形所引起的能量耗费，

9、有时这种能量耗费要比所需求的外表能大很多几个数量级。一一 裂纹扩展方式裂纹扩展方式 从上世纪四十年代开场，不少学者从上世纪四十年代开场，不少学者基于弹性实际讨论裂纹顶端附近应力分基于弹性实际讨论裂纹顶端附近应力分布问题。普通分为三种重要加载类型。布问题。普通分为三种重要加载类型。 裂纹的三种扩展方式或类型裂纹的三种扩展方式或类型 型掰开型张开或拉伸型，裂纹型掰开型张开或拉伸型，裂纹外表直外表直接分开。接分开。第四节第四节 应力场强度因子和平面应变断裂韧性应力场强度因子和平面应变断裂韧性 型错开型滑开或面内剪切型，两个裂纹外表在垂直于裂纹前缘的方向上相对滑动。 型扯开型外剪切型，两个裂纹外表在平

10、行于裂纹前缘的方向上相对滑动。 裂纹长度与断裂应力的关系： k 是与资料、试件尺寸、外形、受力形状等有关的系数.ckc21二二 裂纹尖端应力场分布裂纹尖端应力场分布 1 9 5 7 年lrwin运用弹性力学的应力场实际对裂纹尖端附近的应力场进展了分析，对型裂纹得到如下结果图2.6。23sin2sin12cos2rKxy23sin2sin12cos2rKyy23cos2sin2cos2rKxy 式中 与外加应力，裂纹长度，裂纹种类和受力 形状有关的系数，称为应力场强度因子。单位为 21mPaK 上式可写成 式中 r 为半径向量，q 为角坐标。 当 r c ， q0 时，即为裂纹尖端处的一点。 是

11、裂纹扩展的主要动力 fKijijr2yyrKyyxx2cYcrrAK222三三. 应力场强度因子及几何外形因子应力场强度因子及几何外形因子 为几何外形因子，它和裂纹型式，试件几何外形有关。Ycr K是反映裂纹延续应力场强度的强度因子, 应力场强度因子有如下的特性：a) 应力场强度因子仅与荷载与裂纹几何尺寸有关，而与坐标无关。b)裂纹顶端附近的应力和位移分布，完全由应力场强度因子来确定。c) 应力场强度因子是裂纹顶端应力场大小的比例因子，由于应力分量正比于应力强度因子。 求 的关键在于求Y： 大而薄的板，中心穿透裂纹， 大而薄的板，边缘穿透裂纹， 三点弯曲切口梁： s/w=4 时 Y12. 1Y

12、wcwcwcwcY/4328 .2507.255 .14/07. 393. 1K图2.7列举出几种情况下的Y值: 四四 临界应力场强度因子及断裂韧性临界应力场强度因子及断裂韧性 反映了裂纹尖端应力场的强度，是反映了裂纹尖端应力场的强度，是决决 定弹性资料中裂纹行为的重要力学参定弹性资料中裂纹行为的重要力学参数。数。1根据经典强度实际，在设计构件时，根据经典强度实际，在设计构件时，断裂准那么是断裂准那么是 ，允许应力，允许应力 或或 , 为断裂强度；为断裂强度； 为屈服为屈服强度；强度；n为平安系数。为平安系数。 这种设计方法和选材的准那么这种设计方法和选材的准那么没有反映断裂的本质。没有反映断

13、裂的本质。 fys nfnysK2按断裂力学的观念，裂纹能否扩展取决于应力场强度因子的大小，当K值到达某一极限值时，裂纹就扩展，即构件发生脆性断裂的条件： 极限值 称为断裂韧性，它是反映资料抗断性能的参数。 因此，应力场强度因子小于或等于资料的平面应变断裂韧性，即 : ，所设计的构件才是平安的，这一判据思索了裂纹尺寸。KKc Kc KKc 五裂纹扩展的动力和阻力五裂纹扩展的动力和阻力 1裂纹扩展的动力裂纹扩展的动力 Irwin将裂纹扩展单位面积所降低的弹将裂纹扩展单位面积所降低的弹性性应变定义为应变能释放率或裂纹扩展力。应变定义为应变能释放率或裂纹扩展力。 对于有内裂纹对于有内裂纹 的薄板：的

14、薄板： 其中其中 G为裂纹扩展的动力。为裂纹扩展的动力。EcdcdGwe22caKc2 对于有内裂的薄板：临界形状： 平面应力形状 平面应变形状2裂纹扩展的阻力 对于脆性资料 ， 由此得 平面应力形状 EcEcKGKGcc22212GcEKc2 平面应变形状 与资料本征参数 等物理量有关，它 反映了具有裂纹的资料对外界作用的一种抵抗才干，也可以说是阻止裂纹扩展的才干，是资料的固有性质。212EKcKc 、E一、一、 裂纹的来源裂纹的来源1 构成缘由构成缘由 由于晶体微观构造中存在缺陷，由于晶体微观构造中存在缺陷，当遭到外力作用时，在这些缺陷当遭到外力作用时，在这些缺陷处就会引起应力集中，导致裂

15、纹处就会引起应力集中，导致裂纹成核。如：位错运动中的塞积，成核。如：位错运动中的塞积，位错组合，交截等。位错组合，交截等。 如图如图2.8第五节第五节 裂纹的来源与快速扩展裂纹的来源与快速扩展 资料外表的机械损伤与化学腐蚀构成外表裂纹。这种外表裂纹最危险，裂纹的扩展经常由外表裂纹开场。 由于热应力构成裂纹 晶粒在资料内部取向不同，热膨胀系数 不同，在晶界或相界出现 应力集中。 高温迅速冷却，内外温度差引起热应力。 温度变化发生晶型转变，体积发生变化。 二、裂纹的快速扩展二、裂纹的快速扩展 按照按照Griffith微裂纹实际，资料的断裂微裂纹实际，资料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决议于强

16、度不是取决于裂纹的数量，而是决议于裂纹的大小。裂纹的大小。1由临界裂纹尺寸决议资料的断裂强度由临界裂纹尺寸决议资料的断裂强度 裂纹扩展力：裂纹扩展力： 假设假设 c 添加，那么添加，那么 G 变大，而变大，而 是是常数。常数。 当当 C C临界临界 ， 2g 时，裂纹扩展时，裂纹扩展 ,资料断裂资料断裂Gc2dcdWsEcG/22G 的增大，释放出多余的能量，一方面使裂纹扩展加速，另一方面能使裂纹增殖，产生分支，构成更多的新外表。或者使断裂面构成复杂的外形，如条纹、波纹、梳刷纹等。 三、 防止裂纹扩展的措施1使作用应力不超越临界应力，裂纹就不会失稳扩展。 2在资料中设置吸收能量的机构阻止裂纹扩

17、展。 陶瓷资料中参与塑性粒子或纤维。 人为地呵斥大量极微细的裂纹小于临界尺寸能吸收能量，阻止裂纹扩展。 如韧性陶瓷，在氧化铝中参与氧化锆。利用氧化锆的相变产生体积变,构成大量微裂纹或挤压内应力，提高资料的韧性。 虽然资料在短时间内可以接受给定的运用应力而不断裂，但假设负荷时间足够长，依然会在较低应力下破坏，即资料断裂强度取决于时间。 裂纹除快速失稳扩展外，裂纹还会在运用应力下，随时间的推移而缓慢扩展。这种缓慢扩展也叫亚临界生长，或称静态疲劳。 例如：同样资料负荷时间 t1t2t3 ，那么 断裂强度 123第六节第六节 资料中裂纹的亚临界生长资料中裂纹的亚临界生长下面引见裂纹缓慢生长的本质。 一

18、、应力腐蚀实际 本质：在一定的环境温度和应力场强度因子作用下，资料中关键裂纹尖端处裂纹扩展动力与裂纹扩展阻力的比较，构成裂纹开裂或止裂的条件。 这一实际的出发点是思索资料长期暴露在腐蚀性环境介质中。 裂纹尖端处的高度应力集中导致较大的裂纹扩展动力。 在裂纹尖端处的离子键遭到破坏，吸收了外表活性物质H2O，OH以及极性液体或气体使资料的自在外表能降低，即裂纹的扩展阻力降低。 新开裂外表的断裂外表，因没来得及被介质腐蚀，其外表能依然大于裂纹扩展动力，裂纹立刻止裂。 周而复始，构成宏观上的裂纹缓慢生长。 由于裂纹长度缓慢地添加，使得应力强度因子也缓慢增大，一旦到达 值，立刻发生快速扩展而断裂。Kc

19、二、高温下裂纹尖端的应力空腔作用二、高温下裂纹尖端的应力空腔作用 1. 多晶多相陶瓷在高温下长期受力的作用时，晶界玻璃相的构造粘度下降，由于该处的应力集中，晶界处于甚高的部分拉应力形状，玻璃相那么会发生蠕变或粘性流动，形变发生在气孔，夹层，晶界层，甚至构造缺陷中，构成空腔。 2这些空腔沿晶界方向长大，联通构成次裂纹，与主要裂纹集合就构成裂纹的缓慢扩展。 三、亚临界裂纹生长速率与应力场强度因 子的关系 起始不同的 ，随时间的推移，会由于裂纹的不断增长而缓慢增大。 反映裂纹生长的速率，KnAKdtdcv v 随 的增大而变大，经大量实验，v 与 的关系可表示为： 或者 式中 : c为裂纹的瞬时长度

20、，A、B 是由资料本质及环境条件决议的常数。KKdtdcv IlnBKAvn 上式用波尔兹曼因子表示为： 式中: 为频率因子， 为断裂激活能，与作用应力无关，与环境和温度有关， n为常数，与应力集中形状下遭到活化的区域的大小有关， R为气体常数，T为热力学温度。RTnvKQvexp0v0Qlnv 与 的关系图K 第一区：随 添加， 将因环境影响而下降因应力腐蚀，lnv添加与 成直线关系。 第二区：原子及空位的分散速度腐蚀介质分散速度，使得新开裂的裂纹端部没有腐蚀介质， 提高，抵消了 添加对lnv 的影响，表现为lnv不随 变化。 第三区： 添加到一定值时不再添加，这样， 将越来越大，lnv又迅

21、速添加。 KKQQKKQQnK 大多数氧化物陶瓷由于含有碱性硅酸盐玻璃相，通常有疲劳景象。疲劳过程受加载速率的影响。加载速率越慢，裂纹缓慢扩展的时间较长，在较低的应力下就能到达临界尺寸。 四、 蠕变断裂1. 定义：多晶资料普通在高温环境中，在恒定应力作用下，由于形变不断添加而断裂，称为蠕变断裂。 主要的形变：晶界滑动 主要断裂方式：沿晶界断裂 2 机理 粘性流动实际 高温下晶界玻璃相粘度降低，在剪应力作用下发生粘性流动，假设在晶界处应力集中使相邻晶粒发生塑性形变而滑移，那么将使应力驰豫，宏观上表现为高温蠕变。假设不能使临近晶粒发生塑性形变，那么应力集中将使晶界处产生裂纹，这种裂纹逐渐扩展导致断

22、裂。 空位聚集实际空位聚集实际 在应力及热振动作用下，受拉的晶界上在应力及热振动作用下，受拉的晶界上空位浓度大大添加，空位大量聚集，构成可空位浓度大大添加，空位大量聚集，构成可观的真空空腔并开展成微裂纹，这种微裂纹观的真空空腔并开展成微裂纹，这种微裂纹逐渐扩展联通导致断裂。逐渐扩展联通导致断裂。 3.蠕变断裂取决于温度和外应力。温度越高蠕变断裂取决于温度和外应力。温度越高应力越小，蠕变断裂所需时间越长。应力越小，蠕变断裂所需时间越长。 蠕变蠕变断裂是一种高温下，较低应力程度的亚临断裂是一种高温下，较低应力程度的亚临界裂纹扩展。界裂纹扩展。一、晶粒尺寸 大量实验证明：晶粒越小，强度越高。断裂强度

23、 与晶粒直径 d 的平方根成反比:式中， 和 为资料常数 假设起始裂纹受晶粒限制，其尺度与晶粒度相当,那么脆性断裂与晶粒度的关系为:fdKf21100K1dkf212第七节第七节 显微构造对资料脆性断裂的影响显微构造对资料脆性断裂的影响 1多晶资料中，由于晶界比晶粒内部弱，破坏多沿晶界断裂。 2细晶资料的晶界比例大，沿晶界破坏时，裂纹的扩展要走迂回曲折的道路，晶粒越细，此路程越长。 3假设初始裂纹尺寸与晶粒度相当，晶粒越细，初始裂纹尺寸就越小，这样就提高了临界应力。 二、气孔的影响 断裂强度与气孔率的P关系: n 为常数，普通为47； 为没有气孔时的强度。 0nPfexp0 2在高应力梯度时，

24、气孔能包容变形，阻止裂纹扩展的作用。 综合思索晶粒尺寸和气孔率的影响 edknPf21101气孔不仅减小了负荷面积，而且在气孔临近区域应力集中，减弱了资料的负荷才干。 资料强度的本质是内部质点间的结合力，从对资料的形变及断裂的分析可知，在晶体构造稳定的情况下，控制强度的主要参数有三个，即弹性模量E，断裂功断裂外表能g 和裂纹尺寸C。其中E是非构造敏感的， g 与微观构造有关，但影响不大。独一可以控制的是资料中的微裂纹，因此，提高无机资料强度，改良资料韧性，从消除缺陷和阻止其开展着手。第八节第八节 提高无机资料强度改良资料韧性的途径提高无机资料强度改良资料韧性的途径一、一、 微晶、高密度与高纯度微晶、高密度与高纯度 提高晶体的完好性，细、密、匀、提高晶体的完好性，细、密、匀、纯是重要方面。纯是重要方面。 纤维资料：将块体资料制成细纤维，强纤维资料：将块体资料制成细纤维，强度大约提高一个数量级。度大约提高一个数量级。 晶须：将块体资料制成晶须，强度约提晶须：将块体资料制成晶须，强度约提高两个数量级。缘由是提高了晶体的完高两个数量级。缘由是提高了晶体的完好性，好性， 晶须强度随晶须截面直径的添加而降低。晶须强度随晶须截面直径的添