最新-無機(jī)非金屬材料物理性能-PPT精品課件

1、Chapt.2,3無機(jī)材料的脆性斷裂與強(qiáng)度Titanic Titanic近代船用鋼板2.1脆性斷裂斷裂：塑性斷裂(延性或韌性斷裂)和脆性斷裂兩種類型。塑性斷裂：在斷裂時伴有宏觀上的塑性變形。脆性斷裂：有些材料在應(yīng)力未達(dá)到強(qiáng)度極限時就會突然斷裂。不僅是脆性材料才會產(chǎn)生這種斷裂，材料內(nèi)部存在微裂紋，或者某些材料在低溫下受到?jīng)_擊等都有可能產(chǎn)生脆性斷裂。 斷裂發(fā)生在彈性應(yīng)變狀態(tài)下，沒有經(jīng)過塑性形變階段而直接形成的斷裂。脆性斷裂的特點(diǎn)：1)斷裂前無明顯的預(yù)兆;2)斷裂處往往存在一定的缺陷(裂紋，傷痕);3)由于缺陷的存在，實(shí)際斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論強(qiáng)度.脆性斷裂的微觀過程：突發(fā)性裂紋擴(kuò)展；裂紋的緩慢生長。

2、 斷裂現(xiàn)象：1)金屬類：先是彈性形變，然后是塑性變形，直到斷裂。2)高分子類：先是彈性形變(很大)，然后是塑性變形，直到斷裂。3)無機(jī)材料類：先是彈性形變(較小)，然后不發(fā)生塑性變形(或很小)，直到斷裂。 2.2理論結(jié)合強(qiáng)度 2.2.1能量守衡模型固體受外功作用而變形，在變形過程中，外力所作的功轉(zhuǎn)變?yōu)閮Υ嬗诠腆w內(nèi)的能量。斷裂時，應(yīng)變能提供了新生斷面所需的表面能。thx/2=2 th=E(x/r0) th=2(E/r0)1/2th以應(yīng)力應(yīng)變正弦函數(shù)曲線的形式近似的描述原子間作用力隨原子間距的變化。 = thsin(2x/)2.2.2奧羅萬模型U=SS理論結(jié)合強(qiáng)度：通常，約為aE/100，th=E

3、/10對于大部分實(shí)際材料來說，其理論結(jié)合強(qiáng)度與實(shí)際材料有一定的差異。- Griffith微裂紋理論th=2(E/r0)1/2高強(qiáng)度的固體必須要求E、大，a小材料ThKg/mm2 c th/ cAl2O3晶須500015403.3鐵晶須300013002.3奧氏型鋼20483206.4硼348024014.5Si3N4熱壓385010038.5玻璃69310.566.0斷裂強(qiáng)度理論值和測定值*理論剪切強(qiáng)度剪切應(yīng)力與位移的關(guān)系： = th sin(2x/b),當(dāng)x10 材料為塑性，斷裂前已出現(xiàn)顯著的塑性流變； th /th 1 材料為脆性； th /th =5 需參考其他因素作判斷。 2.3 Gr

4、iffith微裂紋理論 2.3.1 Inglis斷裂理論不管孔洞是橢圓還是菱形，只要孔洞的長度(2C)和端部曲率半徑相同，則A點(diǎn)的應(yīng)力差別不大。彈性理論基礎(chǔ)-平板彎曲實(shí)際材料中總是存在許多細(xì)小的裂紋或缺陷，在外力作用下，這些裂紋或缺陷附近會產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)力大到一定程度時，裂紋開始擴(kuò)展而導(dǎo)致材料斷裂。物體內(nèi)儲存的彈性應(yīng)變能的降低，大于等于產(chǎn)生由于開裂形成兩個新表面所需的表面能，就會造成裂紋的擴(kuò)展，反之，則裂紋不會擴(kuò)散。 2.3.2 Griffith斷裂理論臨界應(yīng)力的推導(dǎo)： We1=(1/2) FlP33在微小位移d(l)上外力做的功dW=(Fi+1/2dF)dldW=(Fi+1/2dF

5、)dldW=FidlP3422重要意義：它建立了工作應(yīng)力、裂紋長度和材料性能常數(shù)之間的關(guān)系，解釋了脆性材料強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其理論強(qiáng)度的現(xiàn)象，為斷裂力學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。理論適合應(yīng)用：玻璃、陶瓷這類脆性材料。延展性材料： 2.4.1裂紋擴(kuò)展方式2.4應(yīng)力場強(qiáng)度因子和平面應(yīng)變斷裂韌性2.4.2裂紋尖端的應(yīng)力場分析假設(shè)在離裂紋頂點(diǎn)為r，與裂紋面夾角為（角坐標(biāo)）處有一面單元dx,dy，則作用在面上的應(yīng)力分量為x,y,xy。由于是薄板穿透裂紋A點(diǎn)的三個應(yīng)力分量，屬平面應(yīng)力問題，故：z = 0，yz = xz = 0Ar斷裂韌性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。

6、與裂紋的大小、形狀以及外力無關(guān)。隨著材料的彈性模量和斷裂能的增加而提高。2.4.3斷裂韌性KC應(yīng)力場強(qiáng)度因子K隨外應(yīng)力而增大(K=Yc)，當(dāng)外應(yīng)力大到一定的程度時，裂紋達(dá)到失穩(wěn)定狀態(tài)，會迅速擴(kuò)展，直到斷裂，這時的應(yīng)力場強(qiáng)度因子K叫斷裂韌性(應(yīng)力場強(qiáng)度因子極限)，只有當(dāng)材料的場強(qiáng)因子小于斷裂韌性時，材料才是安全的。斷裂韌性與其它韌性性能一樣，綜合反映了材料的強(qiáng)度和塑性，在防止低應(yīng)力脆斷選用材料時，根據(jù)材料的斷裂韌性指標(biāo)，可以對構(gòu)件允許的工作應(yīng)力和裂紋尺寸進(jìn)行定量計(jì)算。因此，斷裂韌性是斷裂力學(xué)認(rèn)為能反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的性能指標(biāo)，對構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)具有十分重要的意義-本征參數(shù)應(yīng)用已知應(yīng)力，材

7、料，確定結(jié)構(gòu)安全的最大裂紋長度已知裂紋長度，材料，確定結(jié)構(gòu)安全的最大應(yīng)力已知應(yīng)力，裂紋長度，確定結(jié)構(gòu)安全的材料斷裂韌度是用高強(qiáng)度鋼制造的飛機(jī)、導(dǎo)彈和火箭的零件，及用中低強(qiáng)度鋼制造氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等大型零件的重要性能指標(biāo)。影響斷裂韌性的因素成分組織結(jié)構(gòu)a.化學(xué)成分b.晶粒尺寸c.夾雜及第二相 鎂是最有效的韌化元素，它不僅改善鋼的斷裂韌性，還能有效地降低冷脆轉(zhuǎn)化溫度。細(xì)化晶粒，裂紋擴(kuò)展時所消耗的能量越多夾雜物提高或降低斷裂韌性：脆性相時，韌性相時提高材料的斷裂韌性沖擊韌性沖擊吸收功：Ak=mg(h-h)沖擊韌性：AK/S101055mm的試樣（長度方向的中間處有“U”型或“V”型缺口，缺

8、口深度2mm）韌脆轉(zhuǎn)變溫度材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌斷裂韌性的測試方法 單邊切口梁法(SENB) 壓痕法 測試試樣表面先拋光成鏡面，在顯微硬度儀上，以10Kg負(fù)載在拋光表面用硬度計(jì)的錐形金剛石壓頭產(chǎn)生一壓痕，這樣在壓痕的四個頂點(diǎn)就產(chǎn)生了預(yù)制裂紋。根據(jù)壓痕載荷P和壓痕裂紋擴(kuò)展長度C計(jì)算出斷裂韌性數(shù)值 斷裂（彎曲）強(qiáng)度的測試三點(diǎn)彎曲：四點(diǎn)彎曲：f=3PL/2bh2f=3P(L-l)/2bh2實(shí)驗(yàn)條件：測試誤差： P40經(jīng)典強(qiáng)度理論與斷裂力學(xué)強(qiáng)度理論比較 經(jīng)典強(qiáng)度理論

9、斷裂強(qiáng)度理論斷裂準(zhǔn)則： f/n ( ys /n) KI KIC 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： ys =1.95GPa, KIC =45Mpam 12 乙鋼： ys =1.56GPa, KIC =75Mpam 12P54動力：由裂紋擴(kuò)展單位面積所降低的彈性應(yīng)變能。 2.4.4裂紋擴(kuò)展的動力與阻力 阻力：KIC 或 2內(nèi)裂的薄板為例 KI=1/2c1/2. 當(dāng)為臨界值時，有KIC=1/2cc1/2, 故KIC2= c2c代入P55:3-162.5裂紋的起源與擴(kuò)展 2.5.1裂紋的起源1)材料結(jié)構(gòu)中存在缺陷，當(dāng)受外力時，在這些缺陷處引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。位錯

10、：2)材料表面的機(jī)械損傷與化學(xué)腐蝕形成表面裂紋。 3)熱應(yīng)力形成裂紋。 冰裂紋釉宋朝五大名窯之一的哥窯就是以燒制紋片釉著稱2.5.2裂紋的擴(kuò)展 超過臨界狀態(tài)后，多余能量的去向：裂紋的加速擴(kuò)展；裂紋的繁殖；形成復(fù)雜的斷面。一旦G Gc時，裂紋發(fā)生擴(kuò)展，且由于裂紋擴(kuò)展，使裂紋長度增大，從而又增大裂紋擴(kuò)展力，其結(jié)果則會使裂紋的擴(kuò)展越來越劇烈，加速擴(kuò)展進(jìn)行，并產(chǎn)生分枝狀的新表面，以吸收多余的能量。2.6顯微結(jié)構(gòu)對材料脆性斷裂的影響2.6.1晶粒尺寸對于多晶材料： 當(dāng)起始裂紋受晶粒限制，其尺度與晶粒相當(dāng)，則脆性斷裂強(qiáng)度與晶粒粒度的關(guān)系為：對于多晶材料，大量試驗(yàn)證明：晶粒越小，強(qiáng)度越高；微晶材料就成為無機(jī)材料發(fā)展的一個重要方向MgO2.6.2氣孔的影響 透明氧化鋁陶瓷斷裂強(qiáng)度與氣孔率有關(guān)系 氣孔的存在降低了陶瓷材料的實(shí)際承載面積，并引發(fā)應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致陶瓷的強(qiáng)度顯著下降2.6.3溫度的影響對于一些陶瓷材料來說，