材料物理第1章b

1、張萌1.3 材料的斷裂與機械強度材料的斷裂與機械強度v傳統(tǒng)設(shè)計思想傳統(tǒng)設(shè)計思想: 許許s /n; 使用應(yīng)力小于或等于許用應(yīng)力。使用應(yīng)力小于或等于許用應(yīng)力。v隨著高強度材料的使用，尤其在經(jīng)過焊接的大型構(gòu)件中常發(fā)隨著高強度材料的使用，尤其在經(jīng)過焊接的大型構(gòu)件中常發(fā)生斷裂應(yīng)力低于屈服強度的生斷裂應(yīng)力低于屈服強度的低應(yīng)力脆低應(yīng)力脆 斷斷，如列車、輪船、，如列車、輪船、橋梁和飛機等的意外事故。橋梁和飛機等的意外事故。v從大量災(zāi)難性事故分析中發(fā)現(xiàn)，這種低應(yīng)力脆性破壞主要是從大量災(zāi)難性事故分析中發(fā)現(xiàn)，這種低應(yīng)力脆性破壞主要是由宏觀尺寸的由宏觀尺寸的裂紋擴展裂紋擴展而引起的，這些裂紋源可能是因焊接而引起的，這

2、些裂紋源可能是因焊接質(zhì)量不高、內(nèi)部有夾雜或存在應(yīng)質(zhì)量不高、內(nèi)部有夾雜或存在應(yīng) 力集中等原因而引起的。力集中等原因而引起的。v傳統(tǒng)設(shè)計思想沒有考慮實際材料不可避免存在傳統(tǒng)設(shè)計思想沒有考慮實際材料不可避免存在宏觀裂紋宏觀裂紋的事的事實，顯然與工程結(jié)構(gòu)的實際情況不相符合。實，顯然與工程結(jié)構(gòu)的實際情況不相符合。 張萌1.3.1 理論斷裂強度v材料的理論結(jié)合強度，應(yīng)從原子間的結(jié)合力入手，只有克服了原子間的結(jié)合力，材料才能斷裂。v如圖示，外應(yīng)力克服了原子之間 的作用力，達到一個最大值，這一最大值即為理論 斷裂強度th 。v假設(shè)用波長為的正弦波 來近似原子間約束力隨原子間距離x的變化：xth2sin張萌推導

3、（推導（1）v材料的斷裂是在拉應(yīng)力作用下，沿與拉應(yīng)力垂直的原子被拉開的過程。v（1） 在這一過程中，為使斷裂發(fā)生，必須 提供足夠的能量以形成兩個新表面。如材料 的單位表面能為，即外力作功消耗在斷口形成上的能量至少等于2。ththdxx2sin220張萌推導（推導（2）（2）材料在低應(yīng)力作用下應(yīng)該是彈性的，在這一條件下）材料在低應(yīng)力作用下應(yīng)該是彈性的，在這一條件下sinx x，同時，同時，曲線開始部分近似為直線，服從虎克定律，有曲線開始部分近似為直線，服從虎克定律，有va為平衡狀態(tài)時原子間距，為平衡狀態(tài)時原子間距，E為彈性模量，所以：為彈性模量，所以：v可見可見理論結(jié)合理論結(jié)合(斷裂斷裂)強度強

4、度只與彈性模量、表面能和晶格間距等材料只與彈性模量、表面能和晶格間距等材料 常常數(shù)有關(guān)。雖是粗略的估計，但對所有固體均能應(yīng)用而不涉及原子間的數(shù)有關(guān)。雖是粗略的估計，但對所有固體均能應(yīng)用而不涉及原子間的具體結(jié)具體結(jié) 合力。合力。理論斷裂強度一般為材料彈性模量的理論斷裂強度一般為材料彈性模量的1/201/10axEE2/1)(aEth張萌1.3.2 Griffith斷裂理論v材料的應(yīng)力材料的應(yīng)力-應(yīng)變圖應(yīng)變圖v實驗表明：材料實際斷裂強度實驗表明：材料實際斷裂強度一般比理論結(jié)合強度一般比理論結(jié)合強度低幾個數(shù)量級，低幾個數(shù)量級，僅晶須或纖維材料具僅晶須或纖維材料具有接近于理論強度的有接近于理論強度的實

5、際強度。實際強度。WHY?張萌vGriffith在在1921年從能量平衡的觀點出發(fā)，研究了年從能量平衡的觀點出發(fā)，研究了陶瓷、玻璃等脆性材料的斷裂問題。陶瓷、玻璃等脆性材料的斷裂問題。vGriffith假定在實際材料中存在著裂紋，當名義應(yīng)力假定在實際材料中存在著裂紋，當名義應(yīng)力還很低時，裂紋尖端的局部應(yīng)力已達到很高的數(shù)還很低時，裂紋尖端的局部應(yīng)力已達到很高的數(shù) 值，值，從而使裂紋快速擴展，并導致脆性斷裂。在此從而使裂紋快速擴展，并導致脆性斷裂。在此 基礎(chǔ)基礎(chǔ)上，提出了裂紋理論。上，提出了裂紋理論。v裂紋并不是兩部分晶體同時沿整個界面斷開，而裂紋并不是兩部分晶體同時沿整個界面斷開，而 是裂紋擴展

6、的結(jié)果是裂紋擴展的結(jié)果張萌1.3.3 材料的裂紋斷裂理論材料的裂紋斷裂理論v根據(jù)彈性理論求出裂紋尖端應(yīng)力：根據(jù)彈性理論求出裂紋尖端應(yīng)力：v 因為一般因為一般Ca,則則A,即在裂紋即在裂紋 尖端存在應(yīng)力集中效應(yīng)，當尖端存在應(yīng)力集中效應(yīng)，當 Ath時，裂紋就被拉開而擴展，時，裂紋就被拉開而擴展， 裂紋長度裂紋長度C增大，導致增大，導致A更大，更大， 如此惡性循環(huán)，材料很快斷裂。如此惡性循環(huán)，材料很快斷裂。2121)/(2)/(2)/(21 aCRCRCA張萌裂紋的存在使得實際材料的斷裂裂紋的存在使得實際材料的斷裂強度低于理論結(jié)合強度強度低于理論結(jié)合強度v 由由 Ath，有，有v 考慮到裂紋擴展的臨

7、界外加應(yīng)力考慮到裂紋擴展的臨界外加應(yīng)力=f， 由材料的斷裂強度：由材料的斷裂強度： 可知可知 f 銀紋引發(fā)銀紋裂紋擴展斷裂疲勞壽命短，斷面呈鏡面；v 區(qū)：中應(yīng)力區(qū)a1/2-1/4 s 或b 呈線性下降。引發(fā)銀紋裂紋擴展速度v 區(qū): 低應(yīng)力區(qū)a難以引發(fā)銀紋，在交變應(yīng)力下，聚合物損傷積累及微觀結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生了微孔洞和微裂紋。S-N曲線接近于水平狀態(tài)。v聚合物的疲勞強度-1隨分子量的增大而提高，但隨結(jié)晶度的增大而降低。張萌聚苯乙烯拉-壓疲勞時的S-N曲線張萌v對低應(yīng)力下易產(chǎn)生銀紋的結(jié)晶態(tài)聚合物的疲勞過程，會出現(xiàn)以下現(xiàn)象：(1) 常發(fā)生疲勞應(yīng)變軟化，而不出現(xiàn)應(yīng)變硬化。(2) 分子鏈間剪切滑移，分子鏈斷裂

8、，晶體精細結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。(3) 產(chǎn)生顯微孔洞(Micro Void)。(4) 微孔洞復合成微裂紋，微裂紋擴展成宏觀裂紋。v一般剛性聚合物的S-N曲線并不出現(xiàn)圖示的三個階段，而是如下圖所示。張萌幾種剛性聚合物的S-N曲線張萌聚合物的疲勞裂紋擴展v疲勞過程：疲勞過程：疲勞應(yīng)力引發(fā)銀紋疲勞應(yīng)力引發(fā)銀紋裂紋裂紋擴展擴展斷裂斷裂v特點：特點：雖符合雖符合Paris方程，但只出現(xiàn)方程，但只出現(xiàn) 一個階段（第二階段）一個階段（第二階段）v斷口：斷口：1）疲勞輝紋；）疲勞輝紋；2）斑紋；疲勞裂紋不是連續(xù)的，而是呈跳躍式發(fā)展。）斑紋；疲勞裂紋不是連續(xù)的，而是呈跳躍式發(fā)展。張萌 陶瓷材料的疲勞v與金屬材料疲勞（在

9、長期交變應(yīng)力下，耐用應(yīng)力下降及破壞行為 ）相比,陶瓷疲勞含義更廣: 一定載荷作用下，耐用應(yīng)力下降； 靜態(tài)疲勞： 同金屬疲勞； 循環(huán)疲勞： 恒定載荷速率加載，研究材料失效斷裂對加載速率的敏感。動態(tài)疲勞： 張萌靜疲勞v通常用裂紋頂端的應(yīng)力強度因子通常用裂紋頂端的應(yīng)力強度因子KI 和裂紋擴展速率和裂紋擴展速率V 的關(guān)的關(guān)系曲線表示。系曲線表示。陶瓷材料的陶瓷材料的KI -V曲線曲線（1）在區(qū)域）在區(qū)域I，裂紋開始擴展，裂紋尖，裂紋開始擴展，裂紋尖端的水蒸汽引起端的水蒸汽引起Si-O結(jié)合，這種結(jié)合，這種應(yīng)力腐應(yīng)力腐蝕速度控制了裂紋擴展速度蝕速度控制了裂紋擴展速度V。（2）在區(qū)域）在區(qū)域，裂紋尖端水分的

10、擴散，裂紋尖端水分的擴散速度跟上了應(yīng)力腐蝕速度，速度跟上了應(yīng)力腐蝕速度，擴散速度控擴散速度控制了裂紋擴展速度，制了裂紋擴展速度，所以裂紋所以裂紋 擴展速度擴展速度變成了與變成了與KI無關(guān)的恒定值。無關(guān)的恒定值。（3）在區(qū)域）在區(qū)域，腐蝕反應(yīng)時由于材料，腐蝕反應(yīng)時由于材料內(nèi)部缺陷等原因，使內(nèi)部缺陷等原因，使裂紋快速擴展裂紋快速擴展，最，最后當裂紋尖端應(yīng)力強度因子后當裂紋尖端應(yīng)力強度因子 KI達到材料達到材料斷裂韌性斷裂韌性KIC時，材料發(fā)生突然斷裂。時，材料發(fā)生突然斷裂。張萌循環(huán)應(yīng)力疲勞v陶瓷材料的疲勞與金屬材料疲勞有如下差別：(1) 陶瓷材料對交變載荷不敏感，疲勞裂紋擴展速率強烈依賴于最大應(yīng)力

11、強度因子(KImax )，而應(yīng)力強度因子幅(KI )影響較小。(2) 陶瓷斷口中不易觀測到疲勞條紋。(3) 金屬中Paris公式中m值，一般在24的很窄范圍。(4) 陶瓷材料不存在真正的疲勞極限，只有條件疲勞極限，并且陶瓷中疲勞強度的分散性遠大于金屬。(5) 金屬中的疲勞門檻值Kth KIC，Kth值通常只有KIC的5 15。(6) 陶瓷材料KthKIC的范圍很窄，因此可進行疲勞裂紋擴展試驗的應(yīng)力強度因子范圍也很窄。張萌1.5 專題：材料的力學與顯微結(jié)構(gòu)專題：材料的力學與顯微結(jié)構(gòu)v納米陶瓷復合材料顯微結(jié)構(gòu)對力學性能的影響：納米陶瓷復合材料顯微結(jié)構(gòu)對力學性能的影響：v納米陶瓷材料根據(jù)彌散相的不同

12、和基體尺寸為晶內(nèi)型、晶納米陶瓷材料根據(jù)彌散相的不同和基體尺寸為晶內(nèi)型、晶間型、晶向間型、晶向/晶間型和納米晶間型和納米/納米型。納米型。v陶瓷納米復合材料的室溫性能（如硬度、強度、斷裂韌性陶瓷納米復合材料的室溫性能（如硬度、強度、斷裂韌性等）得到顯著改善。等）得到顯著改善。v 納米復合材料在提高室溫力學性能的同時，也顯著的改納米復合材料在提高室溫力學性能的同時，也顯著的改善了高溫性能。相對而言，陶瓷納米材料在高溫力學性能善了高溫性能。相對而言，陶瓷納米材料在高溫力學性能方面的改進更引人注目。方面的改進更引人注目。張萌微米陶瓷復合材料結(jié)構(gòu)對力學性能的影響：微米陶瓷復合材料結(jié)構(gòu)對力學性能的影響：1

13、. SiC晶須對復合材料的微觀結(jié)構(gòu)及力學性能的影響：晶須對復合材料的微觀結(jié)構(gòu)及力學性能的影響：v目前，國內(nèi)外采用目前，國內(nèi)外采用SiC晶須增韌晶須增韌Al2O3已作了大量工作，已作了大量工作，另外也有在另外也有在SiCw/ Al2O3中加入彌散粒子的方法，從而運中加入彌散粒子的方法，從而運用晶須增韌與彌散增韌的協(xié)同手段，使用晶須增韌與彌散增韌的協(xié)同手段，使Al2O3陶瓷的性能陶瓷的性能得到改善。另一方面，得到改善。另一方面，SiC晶須特性也直接影響著復合材晶須特性也直接影響著復合材料的力學性能許多研究都表明料的力學性能許多研究都表明SiC完整的單晶含量與晶須完整的單晶含量與晶須表面物理狀態(tài)有密

14、切關(guān)系。表面光滑的表面物理狀態(tài)有密切關(guān)系。表面光滑的SiC晶須有利于拉晶須有利于拉撥效應(yīng)，而竹節(jié)狀或表面粗糙的晶須則會增加與基體的摩撥效應(yīng)，而竹節(jié)狀或表面粗糙的晶須則會增加與基體的摩擦。擦。張萌2.纖維增強復合材料的微觀結(jié)構(gòu)與力學性能纖維增強復合材料的微觀結(jié)構(gòu)與力學性能v長纖維增強效果明顯但是形狀復雜的零件用長纖維比較困難。長纖維增強效果明顯但是形狀復雜的零件用長纖維比較困難。短纖維的效果不太理想。短纖維的效果不太理想。v基體上所有優(yōu)良的纖維增強復合材料的顯微結(jié)構(gòu)特點是纖維基體上所有優(yōu)良的纖維增強復合材料的顯微結(jié)構(gòu)特點是纖維的取向大致相同，分散均勻，沒有團聚、交叉、扭曲等制造的取向大致相同，分

15、散均勻，沒有團聚、交叉、扭曲等制造缺陷，所有纖維基本上被基體包裹。缺陷，所有纖維基本上被基體包裹。v從一些研究成果來看，纖維長度對復合材料的強度的影響一從一些研究成果來看，纖維長度對復合材料的強度的影響一般隨著長度增加而增大。般隨著長度增加而增大。張萌3.顆粒增強復合材料對材料力學性能的影響顆粒增強復合材料對材料力學性能的影響v復合材料的斷裂韌性隨增強劑顆粒尺寸的變化并不呈現(xiàn)單調(diào)復合材料的斷裂韌性隨增強劑顆粒尺寸的變化并不呈現(xiàn)單調(diào)變化規(guī)律。變化規(guī)律。v 當顆粒尺寸很小時，斷裂韌性隨顆粒尺寸的增加而增加，當顆粒尺寸很小時，斷裂韌性隨顆粒尺寸的增加而增加，但當顆粒尺寸本身很大時，復合材料的斷裂韌性

16、都隨著顆粒但當顆粒尺寸本身很大時，復合材料的斷裂韌性都隨著顆粒的增加而減少。的增加而減少。v 大量研究表明，復合材料的力學性能很大程度上取決于分大量研究表明，復合材料的力學性能很大程度上取決于分散相在基體相中的分散質(zhì)量和二者形成的界面情況，而無機散相在基體相中的分散質(zhì)量和二者形成的界面情況，而無機剛性粒子的加入正好產(chǎn)生特殊的界面結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生增強增剛性粒子的加入正好產(chǎn)生特殊的界面結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生增強增韌的力學性能。韌的力學性能。張萌層狀結(jié)構(gòu)復合材料顯微結(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)復合材料顯微結(jié)構(gòu)對力學性能的影響對力學性能的影響v層狀材料的結(jié)構(gòu)是兩層相同或多層相同或不層狀材料的結(jié)構(gòu)是兩層相同或多層相同或不相同的材

17、料組成，界面可以是強結(jié)合，也可相同的材料組成，界面可以是強結(jié)合，也可以是弱結(jié)合的力學性能材料以是弱結(jié)合的力學性能材料 經(jīng)過設(shè)計的層經(jīng)過設(shè)計的層狀材料可具有在特定方向上對裂紋的容忍性，狀材料可具有在特定方向上對裂紋的容忍性，包括最具破壞性的表面裂紋包括最具破壞性的表面裂紋 層狀結(jié)構(gòu)陶瓷層狀結(jié)構(gòu)陶瓷復合材料分成兩類：弱界面結(jié)合和強界面結(jié)復合材料分成兩類：弱界面結(jié)合和強界面結(jié)合層狀結(jié)構(gòu)陶瓷復合材料合層狀結(jié)構(gòu)陶瓷復合材料張萌相變增韌復合材料結(jié)構(gòu)對力學性能的影響相變增韌復合材料結(jié)構(gòu)對力學性能的影響v相變增韌陶瓷實質(zhì)上是利用多晶多相陶瓷某些相成相變增韌陶瓷實質(zhì)上是利用多晶多相陶瓷某些相成分在不同溫度的相變，達到改了材料的微觀結(jié)構(gòu)，分在不同溫度的相變，達到改了材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生增韌效果。從而產(chǎn)生增韌效果。v 相變增韌的材料中，多相成分有時無法按照某一尺相變增韌的材料中，多相成分有時無法按照某一尺寸或線度去描述，不同的相變陶瓷內(nèi)部是可以出現(xiàn)寸或線度去描述，不同的相變陶瓷內(nèi)部是可以出現(xiàn)不同情況的線度統(tǒng)計。不同情況的線度統(tǒng)計。張萌v從上可以看出材料的力學性能與顯微結(jié)構(gòu)關(guān)系是十分密切的，從上可以看出材料的力學性能與顯微結(jié)構(gòu)關(guān)系是十分密切的，在絕大數(shù)情況下可以說正是微觀結(jié)構(gòu)決定了材料的力學性能。在絕大數(shù)情況下可以說正是微觀結(jié)構(gòu)決定了材料的力