無(wú)機(jī)材料物理性能第講

無(wú)機(jī)材料物理性能第講第1頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五斷裂行為理論結(jié)合強(qiáng)度斷裂理論

第二章無(wú)機(jī)材料脆性斷裂與強(qiáng)度第2頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五§2-1

脆性斷裂現(xiàn)象第3頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五斷裂現(xiàn)象脆性斷裂的斷裂面第4頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五斷裂現(xiàn)象船身斷裂，一分為二的Schenectady號(hào)油輪第5頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五垮塌后的彩虹橋脆性斷裂第6頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

40人死亡；

14人受傷；

直接經(jīng)濟(jì)損失631萬(wàn)元。1999年1月4日，我國(guó)重慶市綦江縣彩虹橋發(fā)生垮塌，造成：斷裂現(xiàn)象第7頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五脆性斷裂現(xiàn)象斷裂現(xiàn)象分類(lèi):金屬類(lèi)：先是彈性形變，然后塑性變，直至斷裂。高分子類(lèi)：先是彈性形變（很大），然后塑性形變，直至斷裂。無(wú)機(jī)材料：先是彈性形變（較?。缓蟛话l(fā)生塑性形變（或很?。┒苯哟嘈詳嗔选５?頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五脆性斷裂現(xiàn)象

脆性斷裂的特點(diǎn)斷裂前無(wú)明顯的預(yù)兆斷裂處往往存在一定的斷裂源由于斷裂源的存在，實(shí)際斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論強(qiáng)度第9頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五脆性斷裂現(xiàn)象脆性斷裂的微觀過(guò)程突發(fā)性裂紋擴(kuò)展裂紋的緩慢生長(zhǎng)第10頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五§2-2

理論結(jié)合強(qiáng)度固體的強(qiáng)度——固體材料抵抗破壞的能力按破壞形式分：屈服強(qiáng)度

斷裂強(qiáng)度按討論方式分：理論強(qiáng)度

實(shí)際強(qiáng)度斷裂理論第11頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五理論結(jié)合強(qiáng)度Orowan模型斷裂理論原子間約束力和距離間的關(guān)系第12頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五理論結(jié)合強(qiáng)度的推導(dǎo)斷裂理論斷裂功

形成兩個(gè)新的表面由虎克定律第13頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五理論結(jié)合強(qiáng)度Orowan模型根據(jù)Orowan模型，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)出：高強(qiáng)度的固體必須要求E、γ大，a小，γ約為aE/100，故理論結(jié)合強(qiáng)度可寫(xiě)成：

斷裂理論第14頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五理論結(jié)合強(qiáng)度的推導(dǎo)材料thKg/mm2cth/c材料thcth/cAl2O3晶須500015403.3Al2O3寶石500064.477.6鐵晶須300013002.3BeO357023.8150奧氏型鋼20483206.4MgO245030.181.4硼348024014.5Si3N4熱壓385010038.5硬木—10.5—SiC49009551.6玻璃69310.566.0Si3N4燒結(jié)385029.5130NaCl4001040.0AlN280060～10046.7～28.0Al2O3剛玉500044.1113第15頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)的基本理論

Inglis斷裂理論

Griffith脆斷理論

Irwin-Orowan理論

斷裂理論第16頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Inglis斷裂理論貢獻(xiàn)：看到了缺陷、解釋了實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度的事實(shí)。缺點(diǎn)：沿用了傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論，引用了現(xiàn)成的彈性力學(xué)應(yīng)力集中理論，并將缺陷視為橢園孔，未能討論裂紋型的缺陷。

斷裂理論第17頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Inglis斷裂理論c2cσ微裂紋端部的曲率對(duì)應(yīng)于原子間距斷裂理論第18頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Inglis斷裂理論

孔洞兩個(gè)端部的應(yīng)力幾乎取決于孔洞的長(zhǎng)度和端部的曲率半徑而與孔洞的形狀無(wú)關(guān)，依據(jù)彈性理論：考慮到裂紋尖端曲率半徑ρ與晶格常數(shù)相當(dāng):故斷裂理論裂紋擴(kuò)展的條件是：

考慮到:一旦c增加，進(jìn)一步增大，更大于，裂紋加速擴(kuò)展第19頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Griffith斷裂理論裂紋擴(kuò)散臨界條件的導(dǎo)出

斷裂理論第20頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Griffith斷裂理論(穩(wěn)定)

(臨界)(擴(kuò)展)

(為表面能)斷裂理論當(dāng)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展一個(gè)微小量時(shí)，單位面積釋放的能量為，形成新生的單位表面積所需的表面能為：第21頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Griffith斷裂理論彈性力學(xué)方法可求得裂紋擴(kuò)展時(shí)的彈性能改變量：

由臨界條件得：

斷裂理論平面應(yīng)力狀態(tài)下裂紋擴(kuò)展時(shí)的臨界裂紋長(zhǎng)度或臨界應(yīng)力：

平面應(yīng)變狀態(tài)下裂紋擴(kuò)展時(shí)的臨界裂紋長(zhǎng)度或臨界應(yīng)力：

第22頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Griffith斷裂理論重要意義：

首次確定了載荷、形狀、裂紋長(zhǎng)度和材料裂紋抵抗力之間的關(guān)系，為斷裂力學(xué)的創(chuàng)立奠定了理論基礎(chǔ)。斷裂理論第23頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Irwin-Orowan理論

對(duì)有塑性性能的金屬材料:

平面應(yīng)變狀態(tài):平面應(yīng)力狀態(tài):

斷裂理論第24頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五p為裂紋擴(kuò)展單位面積在塑性變形中所作的塑性功，由于p>>

(約為的103量級(jí))

Irwin-Orowan理論

斷裂理論第25頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子和平面應(yīng)變斷裂韌性第26頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2002年11月19日，希臘“威望”號(hào)油輪在西班牙加利西亞省所屬海域觸礁，斷裂成兩截，隨后逐漸下沉。據(jù)悉，這艘船上共裝有7.7萬(wàn)噸燃料油。生態(tài)學(xué)家稱(chēng)這可能是世界上最嚴(yán)重的燃油泄漏事件之一。第27頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五1912年號(hào)稱(chēng)永不沉沒(méi)的豪華的泰坦尼克號(hào)(Titanic)沉沒(méi)于冰海中。1985年以后，探險(xiǎn)家們數(shù)次深潛到海底研究沉船，取出遺物。1995年2月美國(guó)《科學(xué)大眾》(PopularScience）雜志發(fā)表了RGannon的文章，標(biāo)題是『WhatReallySankTheTitanic』,回答了80年未解之謎。上圖是兩個(gè)沖擊試驗(yàn)結(jié)果，左面的試樣取自海底的Titanic號(hào)，右面的是近代船用鋼板的沖擊試樣。由于早年的Titanic號(hào)采用了含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當(dāng)好的低溫韌性。第28頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五裂紋擴(kuò)展方式第29頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)分析掰開(kāi)型2arxyσσ第30頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)分析掰開(kāi)型KI稱(chēng)為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子第31頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)分析掰開(kāi)型裂紋尖端處的一點(diǎn)：裂紋擴(kuò)展的主要?jiǎng)恿即是前述的A所以：第32頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子大而薄的板，中心穿透裂紋

大而薄的板，邊緣穿透裂紋

單邊直通切口三點(diǎn)彎曲梁試樣

第33頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五線(xiàn)性斷裂力學(xué)判據(jù)

KI=KIC

KI—應(yīng)力強(qiáng)度因子

KIC—斷裂韌性(臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，由實(shí)驗(yàn)確定)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子第34頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子(平面應(yīng)力狀態(tài))

(平面應(yīng)變狀態(tài))

第35頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五斷裂韌性臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KIC

：當(dāng)KI隨著外應(yīng)力增大到某一臨界值，裂紋尖端處的局部應(yīng)力不斷增大到足以使原子鍵分離的應(yīng)力th，此時(shí)，裂紋快速擴(kuò)展并導(dǎo)致試樣斷裂。

KIC

=c（c)?由:c=（2E/c)1/2得：KIC=（2E)1/2第36頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五斷裂韌性參數(shù)(KIC)：

是材料固有的性能，也是材料的組成和顯微結(jié)構(gòu)的函數(shù),是材料抵抗裂紋擴(kuò)展的阻力因素。與裂紋的大小、形狀以及外力無(wú)關(guān)。隨著材料的彈性模量和斷裂能的增加而提高.第37頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五經(jīng)典強(qiáng)度理論與斷裂力學(xué)強(qiáng)度理論的比較經(jīng)典強(qiáng)度理論斷裂強(qiáng)度理論斷裂準(zhǔn)則：b/nK1=（c)?

K1c經(jīng)典強(qiáng)度理論無(wú)法保證所設(shè)計(jì)構(gòu)件的安全，問(wèn)題出現(xiàn)在哪兒？斷裂強(qiáng)度理論又為什么能夠保證構(gòu)件安全？第38頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五經(jīng)典強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)依據(jù)的b、s是在盡可能排除缺陷的情況下取得的，不反映缺陷對(duì)強(qiáng)度的影響。而斷裂強(qiáng)度理論充分考慮了缺陷對(duì)強(qiáng)度的影響，并依此設(shè)計(jì)和使用材料，因此是安全的。第39頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

有一構(gòu)件，實(shí)際使用應(yīng)力為1.30GPa,有下列兩種鋼供選：甲鋼：f=1.95GPa,K1c=45Mpa·m1\2

乙鋼：f=1.56GPa,K1c=75Mpa·m1\2

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)：甲鋼的安全系數(shù):1.5，乙鋼的安全系數(shù)1.2斷裂力學(xué)觀點(diǎn)：最大裂紋尺寸為1mm,Y=1.5

甲鋼的斷裂應(yīng)力為:1.0GPa

乙鋼的斷裂應(yīng)力為:1.67GPa第40頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五§2—5

裂紋的起源與快速擴(kuò)展裂紋的起源

晶體微觀缺陷發(fā)展成裂紋材料表面的機(jī)械強(qiáng)度損傷與化學(xué)腐蝕形成成的表面裂紋──最危險(xiǎn)的的裂紋(裂紋的擴(kuò)展由表面裂紋開(kāi)始)熱應(yīng)力引起裂紋氣體逸出形成的裂紋晶體生長(zhǎng)或無(wú)定形向晶形轉(zhuǎn)變形成裂紋第41頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五裂紋的起源與快速擴(kuò)展裂紋的快速擴(kuò)張（失穩(wěn)擴(kuò)展）裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力：裂紋擴(kuò)展的阻力：

Gc=2超過(guò)臨界狀態(tài)后，多余的能量的去向裂紋的加速擴(kuò)展裂紋的繁殖最后形成復(fù)雜的斷面第42頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五防止裂紋擴(kuò)展的措施使用應(yīng)力不超過(guò)σc

在材料中設(shè)置吸收能量的裝置

人為地在材料中造成大量極微細(xì)的小于臨界尺寸的裂紋。第43頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五無(wú)機(jī)材料中裂紋的亞臨界生長(zhǎng)

在臨界應(yīng)力之下，裂紋隨時(shí)間的推移而發(fā)生的緩慢擴(kuò)展的現(xiàn)象稱(chēng)為亞臨界生長(zhǎng)，或稱(chēng)為靜態(tài)疲勞。材料在循環(huán)應(yīng)力或漸增應(yīng)力作用下的延時(shí)破壞叫做動(dòng)態(tài)疲勞。第44頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五裂紋亞臨界生長(zhǎng)機(jī)制1.應(yīng)力腐蝕理論要點(diǎn)：在一定的壞境條件和應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子作用下，材料中關(guān)鍵裂紋尖端處，裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力與裂紋阻力的相對(duì)大小，構(gòu)成裂紋生長(zhǎng)或不生長(zhǎng)的必要充分條件。起因：材料長(zhǎng)期暴露在腐蝕性環(huán)境介質(zhì)中，斷裂強(qiáng)度降低。第45頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五應(yīng)力腐蝕理論K值隨亞臨界裂紋增長(zhǎng)的變化

裂紋亞臨界生長(zhǎng)機(jī)制第46頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五應(yīng)力腐蝕理論裂紋尖端吸附介質(zhì)表面能下降新裂紋尖端動(dòng)力<阻力動(dòng)力>阻力動(dòng)力<阻力腐蝕介質(zhì)裂紋停止生長(zhǎng)裂紋生長(zhǎng)裂紋快速生長(zhǎng)斷裂裂紋亞臨界生長(zhǎng)機(jī)制第47頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五應(yīng)力腐蝕理論開(kāi)裂阻力：Gc=dWs/dc=2

開(kāi)裂動(dòng)力：G=πσ2c/E

開(kāi)裂阻力的減小，使得動(dòng)力大于阻力裂紋亞臨界生長(zhǎng)機(jī)制第48頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五無(wú)機(jī)材料強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)特性無(wú)機(jī)材料強(qiáng)度波動(dòng)原因的分析材料的臨界應(yīng)力只決定于材料中的最大裂紋長(zhǎng)度裂紋的長(zhǎng)度c在材料內(nèi)的分布是隨機(jī)的體積越大，存在最大裂紋長(zhǎng)度的概率也越大。而材料中，只要有一條最大長(zhǎng)度的初始裂紋，材料就要失效第49頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五提高強(qiáng)度改進(jìn)韌性的途徑影響材料強(qiáng)度的因素提高材料的強(qiáng)度是指提高其抵抗彈性、塑性及斷裂形變的能力，這幾項(xiàng)主要決定的指標(biāo)是E或G、及裂紋長(zhǎng)度。彈性模量表示原子間的結(jié)合力，它是一種結(jié)構(gòu)不敏感性能常數(shù)，則與微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)(但單相材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其影響不大)。關(guān)鍵的因素是裂紋長(zhǎng)度。

第50頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五提高強(qiáng)度改進(jìn)韌性的途徑微晶，高密度與高純度提高抗裂能力與預(yù)加應(yīng)力化學(xué)強(qiáng)化相變?cè)鲰g彌散增韌復(fù)合增韌第51頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五硬度材料抵抗表面局部塑性變形的能力。布氏硬度HB布氏硬度計(jì)第52頁(yè)，共56頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值,符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如

120HBS10/1000/30