第三章无机材料的脆性断裂与强度

第三章无机材料的脆性断裂与强度第一页，共四十七页，2022年，8月28日第二页，共四十七页，2022年，8月28日第三页，共四十七页，2022年，8月28日第四页，共四十七页，2022年，8月28日第五页，共四十七页，2022年，8月28日常温下，大多数无机材料在外力作用下很少有塑性形变，即呈现出脆性。脆性和材料的成分、结构、受力条件和环境等因素有关。脆性断裂：材料受力后，将在低于其本身结合强度的情况下作应力再分配；当外加应力的速度超过应力再分配的速率时，发生断裂。第六页，共四十七页，2022年，8月28日强度：材料的强度是抵抗外加负荷的能力。强度是极为重要的力学性能，是设计和使用材料的一项重要指标。要求材料具有抵抗拉、压、弯、扭、循环载荷等不同强度指标。第七页，共四十七页，2022年，8月28日强度树图的建立：以强度和断裂强度为树干，理论解释为树皮，支配强度的宏观因素和微观因素为树根，将各种强度特性以树枝形式伸展到各个应用领域。例如：高温材料必须在高温下具有一定的断裂强度，必须掌握如何评价它的耐热性、热冲击、化学腐蚀和机械冲击等特性。

强度树图第八页，共四十七页，2022年，8月28日磨损摩擦硬度机械冲击化学腐蚀耐热性热疲劳热冲击断裂强度材料的强度强度理论光学材料多孔质材料高温材料结构材料玻璃水泥耐火材料复合材料电子电器材料生物材料耐摩擦材料耐磨损材料工具材料第九页，共四十七页，2022年，8月28日解决材料强度的理论：位错理论：微观上抓住位错缺陷，阐明塑性形变的微观机理。断裂力学：宏观上抓住微裂纹缺陷（脆性断裂的主要根源）第十页，共四十七页，2022年，8月28日3.1理论断裂强度从原子间的结合力入手，只有克服原子间结合力，材料才能断裂。即知道原子间应力-应变曲线的精确形式，就可算出理论断裂强度。第十一页，共四十七页，2022年，8月28日Orowan近似正弦曲线来近似原子间约束力随距离变化的曲线图第十二页，共四十七页，2022年，8月28日应力-应变关系：使单位面积的原子平面分开所做的功等于产生两个单位面积的新表面所需的表面能时，材料才能断裂。其中：th

理论强度；x平衡时原子间距的增量；：表面能；λ正弦曲线波长。第十三页，共四十七页，2022年，8月28日平衡距离附件，服从胡克定律，直线代替曲线：第十四页，共四十七页，2022年，8月28日理论断裂强度只与弹性模量E、断裂表面能γ、晶格常数a等材料常数有关。第十五页，共四十七页，2022年，8月28日3.2格里菲斯微裂纹理论格里菲斯认为实际材料中总存在许多细小的裂纹或缺陷，在外力作用下，这些裂纹和缺陷附近就产生应力集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹就开始扩展而导致断裂。格里菲斯从能量的观点来研究裂纹扩展的临界条件。第十六页，共四十七页，2022年，8月28日裂纹扩展单位面积所释放的能量为dWe/dC，而形成新的单位表面积所需的表面能为dWs/dC。dWe/dC＜dWs/dC，稳定状态，裂纹不扩展dWe/dC＞dWs/dC，裂纹迅速扩展dWe/dC＝dWs/dC，临界状态第十七页，共四十七页，2022年，8月28日其中，C为裂纹半长，σ为外加应力，E为弹性模量，γ为断裂表面能。第十八页，共四十七页，2022年，8月28日小结：理论强度公式中a为原子间距，而格里菲斯临界应力公式中C为裂纹半长。可见如果能控制裂纹长度和原子间距同数量级，就可使材料达到理论强度。制备高强度材料的方向：即是E、γ应大，裂纹尺寸应小。第十九页，共四十七页，2022年，8月28日3.3应力强度因子材料结构件中不可避免地存在宏观裂纹这一客观事实。结构件在低应力下脆性破坏正是裂纹扩展的结果。断裂力学——研究裂纹体的强度和裂纹扩展规律的科学。说明断裂是裂纹这种宏观缺陷扩展的结果，阐明了宏观裂纹降低断裂强度的作用。第二十页，共四十七页，2022年，8月28日3.3.1裂纹扩展方式裂纹有三种扩展方式：(I)张开型、(II)错开型、(III)撕开型。其中，张开型是低应力断裂的主要原因，主要介绍这种扩展类型。第二十一页，共四十七页，2022年，8月28日实验总结出的规律：不同裂纹尺寸的试件做拉伸实验（张开型），测出断裂应力σc与裂纹长度C有如下关系：当作用力σ=σc时，断裂就发生。第二十二页，共四十七页，2022年，8月28日3.3.2裂纹尖端应力场分析Cxyrθσ对于I型裂纹的应力场分析：第二十三页，共四十七页，2022年，8月28日第二十四页，共四十七页，2022年，8月28日3.3.3KI与几何形状因子第二十五页，共四十七页，2022年，8月28日3.3.4临界应力场强度因子经典强度理论：许用应力[σ]=σf/n或σys/n，其中σf为断裂应力，σys为屈服强度，n为安全系数。新的表征材料特征的临界值来做判断：此临界值叫做平面应变断裂韧性KIC，判据为应力强度因子应小于或等于材料平面应变断裂韧性，所设计的构件是安全的。第二十六页，共四十七页，2022年，8月28日例题：哪种待选钢是安全的？有一构件，实际使用应力为1.30GPa，有两种钢待选：甲钢σys=1.95GPa，KIC=45MPa·m1/2乙钢σys=1.56GPa，KIC=75MPa·m1/2待选钢的几何形状因子Y=1.5，最大裂纹尺寸为1mm。第二十七页，共四十七页，2022年，8月28日3.3.5裂纹扩展的动力与阻力第二十八页，共四十七页，2022年，8月28日可见KIC是由熟知的弹性模量E、断裂表面能γ等所决定的物理量。反映具有裂纹的材料对外界作用的一种抵抗能力，也可以说是阻止裂纹扩展的能力，是材料固有的性质。KIC和微观结构有很大关系，是结构敏感的。第二十九页，共四十七页，2022年，8月28日3.5裂纹的起源与扩展晶体微观结构中存在缺陷（a）位错组合；（b）晶界障碍；（c）位错交截3.5.1裂纹的起源

实际材料都是裂纹体，这些裂纹如何形成？第三十页，共四十七页，2022年，8月28日材料表面机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹，裂纹的扩展常由表面裂纹开始。热应力形成的裂纹。（各方向膨胀或收缩不同）第三十一页，共四十七页，2022年，8月28日格里菲斯裂纹理论，材料的断裂强度决定于裂纹的大小，一旦裂纹超过临界尺寸，裂纹就快速扩展。3.5.2裂纹的扩展第三十二页，共四十七页，2022年，8月28日作用应力不超过临界应力材料中设置吸收能量的机构（如在陶瓷材料基体中加入塑性粒子或纤维而制成金属陶瓷和复合材料）人为地在材料中造成大量极细微的裂纹，也能吸收能量，阻止裂纹扩展（韧性陶瓷）3.5.3防止裂纹扩展的措施第三十三页，共四十七页，2022年，8月28日3.6无机材料中裂纹的亚临界扩展在使用应力下，裂纹随着时间的推移而缓慢扩展，这种缓慢扩展也叫亚临界扩展，或称为静态疲劳。裂纹缓慢扩展，一旦其尺寸达到临界尺寸就会失稳扩展而破坏。因此提出了构件的寿命问题。第三十四页，共四十七页，2022年，8月28日亚临界裂纹扩展的机理？1.应力腐蚀理论：在一定的环境温度和应力场强度因子作用下，材料中关键裂纹尖端处，裂纹扩展动力与裂纹扩展阻力的比较，构成裂纹开裂或止裂的条件。例如玻璃或陶瓷在OH-介质作用下，裂纹亚临界扩展的机理：裂纹尖端的SiO2与OH-发生化学反应，使裂纹尖端处的离子键受到破坏，自由表面能降低，裂纹扩展阻力降低，小于裂纹扩展动力，导致裂纹在低应力水平下开裂。第三十五页，共四十七页，2022年，8月28日2.高温下裂纹尖端的应力空腔作用：多晶多相陶瓷在高温下长期受力作用时，晶界玻璃相的黏度下降，晶界处于甚高的局部拉应力状态，玻璃相则发生黏性流动，使结构缺陷逐渐长大，形成空腔。第三十六页，共四十七页，2022年，8月28日根据亚临界裂纹扩展预测材料寿命？第三十七页，共四十七页，2022年，8月28日第三十八页，共四十七页，2022年，8月28日3.7蠕变断裂多晶材料在高温和恒定应力作用下，由于形变不断增加而导致断裂称为蠕变断裂。蠕变断裂的主要形式是沿晶断裂。1.黏性流动理论：高温下晶界发生粘性流动，在晶界交界处产生应力集中，并且使晶界交界处产生裂纹，导致断裂。2.空位聚积理论：在应力及热波动作用下，晶界上空位浓度增加，空位大量聚积，形成裂纹，导致断裂。第三十九页，共四十七页，2022年，8月28日3.8显微结构对材料脆性断裂的影响晶粒尺寸

多晶材料破坏多是沿晶界断裂，走迂回曲折的道路，晶粒越细，路程越长，这样就提高了临界应力。第四十页，共四十七页，2022年，8月28日气孔的影响第四十一页，共四十七页，2022年，8月28日3.9提高无机材料强度的几种途径在晶体结构既定情况下，控制强度的主要因素有三个：弹性模量E，断裂表面能γ和裂纹尺寸C。唯一可以控制的是材料中的微裂纹C，可以把微裂纹理解为各种缺陷的总和。第四十二页，共四十七页，2022年，8月28日微晶、高密度与高纯度（消除缺陷）预加应力：人为地在材料表面造成一层压应力层，提高材料的抗张强度。如钢化玻璃：加热，然后淬冷，表面变成刚性的，内部逐渐冷却，比表面有更大速率收缩，此时表面受压，内部受拉，在表面形成压应力。第四十三页，共四十七页，2022年，8月28日化学强化：改变表面的化学组成，使表面的摩尔体积比内部大，产生压应力。通常是用一种大的离子置换小的。相变增韧：利用多晶多相陶瓷中某些相成分在不同温度下的相变。例如ZrO2的相变增韧，由四方相转变为单斜相，体积增大3~5%。弥散增韧：基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微粒粉料，达到增韧效