无机材料物理性能第 2 讲

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,无机材料物理性能,2024年9月13日,第二讲,断裂行为,理论结合强度,断裂理论,第二章,无机材料脆性断裂与强度,2-1,脆性断裂现象,断裂现象,脆性断裂的断裂面,断裂现象,船身断裂，一分为二的,Schenectady,号油轮,垮塌后的彩虹桥,脆性断裂,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,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）,而直接脆性断裂。,脆性断裂现象,脆性断裂的特点,断裂前无明显的预兆,断裂处往往存在一定的断裂源,由于断裂源的存在，实际断裂强度,远远小于理论强度,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,2-2,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,理论结合强度,Orowan,模型,断裂理论,原子间约束力和距离间的关系,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,理论结合强度,Orowan,模型,根据,Orowan,模型，经过推导出：,高强度的固体必须要求,E,、,大，,a,小，,约为,aE/100,，故理论结合强度可写成：,断裂理论,理论结合强度的推导,材料,th,Kg/mm,2,c,th,/,c,材料,th,c,th,/,c,Al,2,O,3,晶须,5000,1540,3.3,Al,2,O,3,宝石,5000,64.4,77.6,铁晶须,3000,1300,2.3,BeO,3570,23.8,150,奥氏型钢,2048,320,6.4,MgO,2450,30.1,81.4,硼,3480,240,14.5,Si,3,N,4,热压,3850,100,38.5,硬木,10.5,SiC,4900,95,51.6,玻璃,693,10.5,66.0,Si,3,N,4,烧结,3850,29.5,130,NaCl,400,10,40.0,AlN,2800,60,100,46.7,28.0,Al,2,O,3,刚玉,5000,44.1,113,线弹性断裂力学的基本理论,Inglis,断裂理论,Griffith,脆断理论,Irwin -,Orowan,理论,断裂理论,Inglis,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,Inglis,断裂理论,c,2,c,微裂纹端部的曲率对应于原子间距,断裂理论,Inglis,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,断裂理论,裂纹扩展的条件是：,考虑到,:,一旦,c,增加， 进一步增大，更大于 ，裂纹加速扩展,Griffith,断裂理论,裂纹扩散临界条件的导出,断裂理论,Griffith,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,：,Griffith,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：,Griffith,断裂理论,重要意义：,首次确定了载荷、形状、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,Irwin -,Orowan,理论,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,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,10,3,量级,),Irwin -,Orowan,理论,断裂理论,应力场强度因子和,平面应变断裂韧性,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。,1912,年号称永不沉没的豪华的泰坦尼克号(,Titanic,)沉没于冰海中。,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,。,裂纹扩展方式,裂纹尖端应力场分析,掰开型,2,a,r,x,y,裂纹尖端应力场分析,掰开型,K,I,称为应力场强度因子,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：,应力场强度因子,大而薄的板，中心穿透裂纹,大而薄的板，边缘穿透裂纹,单边直通切口三点弯曲梁试样,线性断裂力学判据,K,I,=K,IC,K,I,应力强度因子,K,IC,断裂韧性(临界应力强度因子，,由实验确定),应力场强度因子,临界应力场强度因子,(,平面应力状态,),(,平面应变状态,),断裂韧性,临界应力强度因子,K,I,C,：当,K,I,随着外应力增大到某一临界值，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。,K,IC,=,c,（ ,c ),由,: ,c,=,（,2E / c),1/2,得：,K,IC,=,（,2E ),1/2,断裂韧性参数,(K,IC,),：,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,.,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,K,1,= ,（ ,c ),K,1c,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？,经典强度理论设计依据的,b,、,s,是在尽可能排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。,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,K,1c,=45Mpa,m,12,乙钢：,f,=1.56GPa,K,1c,=75Mpa,m,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,: 1.67GPa,25,裂纹的起源与快速扩展,裂纹的起源,晶体微观缺陷发展成裂纹,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,(裂纹的扩展由表面裂纹开始,),热应力引起裂纹,气体逸出形成的裂纹,晶体生长或无定形向晶形转变形成裂纹,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：,G,c,= 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,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。,无机材料中裂纹的亚临界生长,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,。,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,。,裂纹亚临界生长机制,1.应力腐蚀理论,要点：,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,。,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,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,应力腐蚀理论,开裂阻力,：,Gc,=,dW,s,/dc=2,开裂动力：,G =,2,c/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,无机材料强度的统计特性,无机材料强度波动原因的分析,材料的临界应力只决定于材料中的,最大,裂纹长度,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,提高强度改进韧性的途径,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。,提高强度改进韧性的途径,微晶，高密度与高纯度,提高抗裂能力与预加应力,化学强化,相变增韧,弥散增韧,复合增韧,硬度,材料抵抗表面局部塑性变形的能力。,布氏硬度,HB,布氏硬度计,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。,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。,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,。,布氏硬度压痕,布氏硬度的优点：,测量误差小，数据稳定。,缺点：,压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。,适于测量,:,退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。,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,洛氏硬度,h,1,-,h,0,洛氏硬度测试示意图,洛氏硬度计,洛氏硬度用符号,HR,表示，,HR=,k,-(,h,1,-,h,0,)/0.002,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,。,符号,HR,前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。,HRA,用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层,。,HRB,用于测量低硬度材料,如有色金属和退火,、,正火钢等。,HRC,用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。,洛氏硬度的优点：,操作简便，压痕小，适用范围广。,缺点：,测量结果分散度大。,钢球压头与金刚石压头,洛氏硬度压痕,维氏硬度,维氏硬度计,维氏硬度试验原理,维氏硬度压痕,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,。,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。,维氏硬度保留了布氏硬度和,洛氏硬度的优点。,小负荷维氏硬度计,显微维氏硬度计,物性作业二,一、（资料,P106-2,）,二、（资料,P106-4,）,三、（资料,P107-6,）,