材料断裂课件 第一章 材料的结构及其基本力学行为

第一章材料的结构及其基本力学行为1．工程材料的变形行为—应力、应变曲线类型（拉伸曲线）—最简单的表征材料力学特征1.1弹性……第Ⅰ种类型以陶瓷为代表的脆性材料，如，玻璃、岩石、陶瓷；一定条件下的材料，如，低温下金属、横向交联的聚合物。1.Hooke定律拉伸时 剪切时 ①

弹性的特性(1)变形的可逆性(2)应力与应变成正比，比例常数E②弹性的本质：外力作用下，引起原子间距发生可逆变化的结果。即原子间相互作用吸力——斥力间一种平衡。2．弹性模量E(1)

刚度低、过量的弹性变形→失去精度(2)E是原子间结合强度的标志。

随原子间结合键而异，不同材料E不同；随原子间距而变（成反比）----与温度有关。3.各类材料E特点（1）结合键金属：金属键；结合键强，无方向性。变形时只使键改变方向不易破坏，较高的强度和塑性。陶瓷：共价键和离子键，结合强、有方向性。高熔点、高硬度、塑性差。

高分子：低强度、高塑性。（2）E稳定性（3）大小E陶瓷>E金属>E聚合物(4)弹性比功（回弹性）金属吸收弹性变形功的能力。等于应力、应变曲线下所包含的面积弹性元件：应具有高的弹性极限和弹性比功。＊弹性与刚性是两个相反概念3．比例极限和弹性极限比例极限：低于该应力，应力与应变成正比；弹性极限：应变完全可逆的。可见材料具有非线性弹性，如晶须，在大的弹性应变下，E是变化的，大多数情况下，弹性极限近似等于比例极限，弹性极限稍高。1.2弹性—均匀塑性第II种类型具有应变硬化（大多数金属）

弹性区过后，一般光滑抛物线，即随应变增加（塑性）变形抵抗力增加。这是晶体内位错的不可逆运动或是非晶体可能变形机制引起的不可逆变形。（位错或其它机制）经验公式：Hollowon

真应力 真应变

n应变硬化指数n代表材料抵抗塑性变形的能力实际n0~1重要的性能指标：1．屈服极限，是塑性变形开始时的应力值是工程上最重要的力学性能指标。在工程设计和选材上作为衡量指标。因为工程构件在服股过程中不允许有过量的塑性变形，塑性变形等于失效。提高σs

优点:缺点:结论：对于应力集中大(截面形状变化大)、应力状态硬、应变速率高、温度低→应取较低。(crackpropagation)2.塑性与塑性指标……为什么需要塑性工程构件在服役条件下都需要有一定的塑性，当机件遇到过载时，产生塑性变形，①通过形变硬化；②塑性材料，削减应力峰值，使应力重新分布，防止脆性断裂。

塑性重要性：(1)防止脆性断裂：形变硬化、削减应力集中峰值，应力重新分布；(2)材料成型。1912年4月12日是个悲惨的日子——这一天，英国豪华客轮泰坦尼克号在驶往北美洲的处女航行中不幸沉没。这次沉船事件致使1523人葬身鱼腹，是人类航海史上最大的灾难，震惊世界。(重量为6万6千吨/长度为880英尺)。这艘近275米的豪华客轮，被迎面漂来的冰山撞开了约92米长的裂缝后沉没;声波探测仪找到了船的“伤口”有6处小“伤口”，总的损坏面积仅有3.7米—4米。人们很难接受这样一个事实：一艘如此精良的巨轮只撞了6个小洞就沉没了！1992年，俄罗斯科学家约瑟夫麦克尼斯博士写道：“敲击声很脆的船体钢板，或许使人感到它可以在撞击下被分解成一块块。”美国科学家对船体钢板的研究结果也证实了上面的看法，当时的钢板有许多降低钢板硬度的硫磺夹杂物，这是船体钢板非常脆的原因。普遍认为，冰山撞击可能并不是致命原因；冰山撞击来得太突然，加上轮船的速度稍快，再加上钢板较脆，是这一悲剧发生的真正原因。

3.韧性(静力韧度)——拉伸下静力韧度：指静拉伸应力应变曲线下所包围的面积减去断裂前吸收的弹性能。总的能量==弹性比功+静力韧度。韧性是抵抗断裂的能力，是个能量指标取决于强度和韧性最佳配合。说明金属广泛应用，韧性最好的。4.塑性失稳和缩颈工程应力应变曲线的最高点对应着宏观局部塑性变形的开始→导致塑性失稳和缩颈。变形过程：微观局部塑变→强化→循环→强化→应力达到σmax（变形局限于缩颈区）

标距内均匀伸长均匀变形

不再有应变硬化能力→（泊松效应）在颈缩处产生三向拉应力状态，使塑变难以发生→达。

断裂形貌：缩颈的中心，夹杂物、硬相粒子开裂，即微孔形成、生长、汇合、断裂。1.3弹性——不均匀塑变第Ⅲ种类型——锯齿形状的应力应变曲线。包括：在低温和高应变速率下面心立方金属；含碳的体心立方铁合金及铝的低溶质固溶体。原理：通过孪生方式产生间断的变形，或空位、溶质与位错交互作用。(变互作用较强)克服束缚、位错运动→再束缚→再克服运动。1.4弹性-不均匀塑变-均匀塑变第IV种类型（含屈服点）包括：许多体心立方铁基合金和若干铝合金。原理：由位错与溶质原子交互作用造成——柯氏气团。一旦克服束缚，位错就运动下去。

与VI类型比较前者溶质扩散快；后者扩散慢。1.5弹性——不均匀塑性——均匀塑性第V种类型结晶态聚合物材料原理：聚合物内原来结晶结构破坏，随之屈服，载荷下降；然后破坏的结构重新组织成新的、方向性好的、强度高的结构，出现应变硬化直到最后破断。1.6T、对拉伸特性的影响规律：总的塑性流变曲线随T↑、↓而降低。即σ随T↑、↓而↓；σ=f(T、、ε)不同材料对T、敏感程度不同敏感度增加面心立方金属→体心立方金属、陶瓷→聚合物1.7工程陶瓷的组织结构及其变形1.7.1

陶瓷材料的相组成和结构1．相组成及作用

陶瓷的相组成由主晶相、玻璃相和气孔（数量较多且不可避免，因此可看作一相）。(1)晶相：主要组成相，决定着陶瓷的物理化学性能。(2)玻璃相：是一种低熔点固体，起着粘结晶相、填充气孔、降低烧结温度的作用；有时多达20-60%。(3)气相或气孔：是陶瓷生产不可避免的，体积为5-10%或更多。2．相结构生产工艺，粉末按比例混合→成型→烧结陶瓷相组成、相结构、数量、形状分布都受到工艺的强烈影响。(1)晶相：晶体结构比金属复杂。离子键为主晶体MgO、Al2O3等。共价健为主晶体BN、NiC、Si4N3等。（金属结构：---简单结构：面心、密排、体心，密度100%，）两类主要结构

1．氧化物结构—负氧等离子－密排结构，金属离子－空隙。NaCl型结构：CaO,SrO,MnO,FeO,CoO,NaCl,KCl,LiF---面心，八面体中心闪锌矿型结构（ZnS）：BeO,SiC----密排，四面体中心萤石型结构：ThO2,CeO2,PrO2,ZrO2---金属离子－面心立方，O-2，四面体中心逆萤石型结构：LiO2,Na2O,K2O---

O-2，面心立方；金属离子四面体中心，刚玉结构：Al2O3,Fe2O3,Cr2O3,Ti2O3,V2O3等。密排，八面体中心。2．硅酸盐结构——由硅氧四面体（SiO4）4-

四个顶点上氧离子能与周围其它阳离子或另一个硅氧四面体联结（有不同连结方式）岛状结构（SiO4）4-不发生联结，镁橄榄石，Mg2SiO4，锆石英ZrSiO4组群状结构、链状结构、层状结构、架状结构(2)玻璃相，长程无序，各向同性，常分布于主晶相的晶界。(3)气相，5-10%，呈不规则形状（非球状）。

1.7.2陶瓷的变形1．弹性变形变形特点：(1)弹性模量大（强的离子键、共价键）(2)E受气孔影响大

E=E0(1-K1

P+K2

P2)

E0无气孔时弹性模量

P气孔率

K1，K2取决于气孔形状与取向的常数

(3)E压>E拉（不同于金属）2．塑性变形一般陶瓷材料晶体结构复杂，室温下无塑性。陶瓷在室温静拉伸（或弯曲）载荷下，均不出现塑性变形，弹性变形后即发生断裂。原因：（1）滑移系少。

几何条件晶体结构复杂。静电条件，离子键、共价键有方向性，运动阻力大，形成位错困难（2）位错不易传播：

多晶，由于晶体取向或晶界结构性质的差异（气孔、玻璃相，微裂纹）。例外情况：少数具有简单晶体结构陶瓷材料MgO、KCl（NaCl型结构）室温下具有塑性，1.8聚合物的结构和变形1.8.1聚合物的基本概念及分类高分子化合物与聚合物：高聚物(一般所谓聚合物为高聚合物)-------低聚物。由大量的原子组成大分子,分子量>10000—5000。由简单的重复单元连接而成——聚合物，仅仅分子量高——不是聚合物。无严格界限，通常混用。高分子材料——高分子量原子化合物；（大分子量物质或低聚物），低分子量原子高聚物。1.

分类：(1)

热塑性塑料线型或支链型长链聚合物。晶体—线型分子排列整齐非晶体—线型分子排列不整齐。受热时能够熔融，可反复成型。(2)橡胶轻度交联的网状聚合物。变形时，分子相对运动受分子间交联的约束，呈高弹性，不能熔融只降解。(3)热固性塑料高度交联三维空间网状大分子。坚硬、难于加工，加热时与橡胶一样，不能熔融，只能降解。(4)纤维由线性大分子排列、堆砌配合而成长度是直径1000倍以上的纤细物质。1.8.聚合物的结构1.

聚合物的结构参数(1)

聚合度聚合物中重复的结构单元的数量。影响强度、熔点、分子量大小，甚至状态。举例：随着聚合度的提高，聚乙稀由气体、液体、软蜡状态、脆性固体、最后达到分子量>1000坚硬塑料。(2)

结构单元：碳链高分子:主链单独由碳原子组成,如聚乙稀、聚丙稀；杂链高分子:主链除C外，还有S.O.N等，如聚酸胺、聚脂；元素有机高分子:主链中无C，而由Si.O.N.Al.B.Ti.等元素组成，侧基为有机基团，如硅橡胶。(3)

键能：分子内部共价健——(键能大)分子之间或同一分子折叠部分——(键能小)聚合物的强度、熔点和粘性与内部共价健以及分子之间或同一分子的分子键有密切关系。聚合度大分子键>共价键，共价键破坏；聚合度小分子键总和<共价键,分子健发生滑脱→大部分情况。(4)

聚集态结构—分子之间排列。高分子材料结构二部分组成：分子链本身结构：单元体、数量（聚合度）、连接方式、链几何形状、链构型—共价键；链间结构(聚集态结构)：晶态、非晶态、取向结构——分子键。

晶体结构：分子链有规则地来回折叠，以薄片形式构成晶体。非晶体结构：分子链排列短程有序，即分子链一段是有序排列。特点：(a).结晶聚合物都是部分结晶，分为结晶区+非结晶区。

(大分子链全部规则排列困难)

(b).晶区内分子排列紧密，分子间作用力强，聚合物强度、硬度、刚度等性能提高。弹性、延伸率下降。

但与链运动有关的性能为取向结构：在外力作用下分子呈规则排列。(延力方向)——沿一个方向拉伸。1.8.3.聚合物的力学状态(转变温度低)聚合物结构一定后其性能还依赖于T、t。随T变化其物理性质发生改变现象——转变。随t变化其物理性质发生改变现象——松驰，具有粘弹性特征。

σ(T.t)=E(T.t)ε在结构不变时，T.t变化，内部分子运动从一种状态转变为另一种状态。1.非晶态聚合物E(t)——T曲线有三种力学状态：玻璃态、高弹态(橡胶态)、粘流态。1)玻璃态：保持一定几何形状，有一定承载能力。

——整链、链段冻结不能运动，仅是健角、键长变化。2)橡胶态：高弹性，受力伸长率可达100%——1000%。

(卸载后恢复—皮筋)——发生链内旋、链段运动。(短程)3）粘流态：聚合物加工成形。(整个链运动)2.晶态聚合物结晶部分：固定Tm，<Tm无链段运动，无玻璃态转变和橡胶态非晶部分：无固定Tm，>Tg有玻璃态转变和橡胶态。整体：>Tg，由于晶区对非晶区产生约束，较小弹性变形。呈现硬橡胶态特殊形式——皮革态。分子量低时，Tf<Tm，达到Tf（<Tm），晶区未破坏，整体不流动—玻璃态达到Tm

整体流动----粘流态分子量高时，Tf>Tm，<Tg

玻璃态达到Tg—Tm皮革态

Tm-Tf

橡胶态>Tf

粘流态T进一步提高（非晶+结晶共同作用）：3.聚合物使用温度非结晶聚合物用作塑料，上限温度Tg结晶聚合物用作塑料Tm附近非结晶聚合物用作橡胶Tf---Tg聚合物加工温度>Tf1.8.4.聚合物的变形四种应力——应变曲线类型1.硬玻璃态(T<Tβ脆化温度)

断裂伸长率很低，无明显屈服。如聚苯乙稀，硬、脆材料高模量、高强度2.软玻璃态(Tβ<T<Tg)非晶三部分:可恢复弹性变形、强迫高弹变形、永久变形。聚三氯乙稀。3.橡胶态下的变形4.粘流态下的变形

非晶态和晶态聚合物拉伸曲线外形相似，但机理不同。非晶态→（拉伸）取向变化→σ提高晶态→（拉伸）结晶破坏

→取向→再结晶→σ提高。

1.9.三类材料结构差异及变形、断裂特点1.结构异同点：共同点：都有晶体结构(晶体缺陷)、非晶体结构。不同点：（1）化学键类型不同。金属陶瓷聚合物金属键共价健离子键共价键分子键键能100—34060—740630—105060—740<40（KJ/mol）

（2）晶体结构不同。金属、简单—金属离子。聚集态结晶、非晶陶瓷较复杂—正、负离子.晶体+非晶高分子更复杂(分子内、分子间)晶体+非晶体、非晶2.变形与断裂特点金属：弹性变形、塑性变形、断裂(多为韧性断裂)。陶瓷：只有弹性变形，以脆性断裂为主(有超塑性)。高分子：有弹、塑性变形、粘性流动、粘弹性等多种力学状态。除玻璃态为脆性断裂，其余为韧断。1.9.工程材料的强韧性配合

零件与构件的设计强度设计的依据许用应力[σ]=σs/n

材料强度愈高，承载能力越大，许用应力愈高：减轻重量、节约材料；行走机械节省动力能源。发展趋势：提高材料强度、采用高比强、高比模材料。2.塑性、韧性——防止脆性断裂经验性：把аk、NDT(无塑性温度)、FATT(断口形貌转变温度)等指标列入设计要求。

不能直接应用于设计计算、不能保证万无一失的防止脆性断裂)——试验条件与工况之间差别。3.断裂力学：KIC、JIC、COD进行设计计算，建立最低韧性要求，裂纹尺寸与许用应力之间的关系。4.强韧度合理配合：绝大多数材料，强度和塑韧度互相制约，提高强度牺牲韧性，反之亦然。仅有极少方法可以达到强韧性同时提高，如细化晶粒、Ni合金化，形变热处理。——往往工艺复杂，设备等局限。尽量能保证安全和降低成本前提，如何兼顾材料强度和塑性、韧性。基本原理：从零件和构件的