第三章無機材料的脆性斷裂與強度

第三章無機材料的脆性斷裂與強度第一頁，共四十七頁，2022年，8月28日第二頁，共四十七頁，2022年，8月28日第三頁，共四十七頁，2022年，8月28日第四頁，共四十七頁，2022年，8月28日第五頁，共四十七頁，2022年，8月28日常溫下，大多數(shù)無機材料在外力作用下很少有塑性形變，即呈現(xiàn)出脆性。脆性和材料的成分、結構、受力條件和環(huán)境等因素有關。脆性斷裂：材料受力后，將在低于其本身結合強度的情況下作應力再分配；當外加應力的速度超過應力再分配的速率時，發(fā)生斷裂。第六頁，共四十七頁，2022年，8月28日強度：材料的強度是抵抗外加負荷的能力。強度是極為重要的力學性能，是設計和使用材料的一項重要指標。要求材料具有抵抗拉、壓、彎、扭、循環(huán)載荷等不同強度指標。第七頁，共四十七頁，2022年，8月28日強度樹圖的建立：以強度和斷裂強度為樹干，理論解釋為樹皮，支配強度的宏觀因素和微觀因素為樹根，將各種強度特性以樹枝形式伸展到各個應用領域。例如：高溫材料必須在高溫下具有一定的斷裂強度，必須掌握如何評價它的耐熱性、熱沖擊、化學腐蝕和機械沖擊等特性。

強度樹圖第八頁，共四十七頁，2022年，8月28日磨損摩擦硬度機械沖擊化學腐蝕耐熱性熱疲勞熱沖擊斷裂強度材料的強度強度理論光學材料多孔質材料高溫材料結構材料玻璃水泥耐火材料復合材料電子電器材料生物材料耐摩擦材料耐磨損材料工具材料第九頁，共四十七頁，2022年，8月28日解決材料強度的理論：位錯理論：微觀上抓住位錯缺陷，闡明塑性形變的微觀機理。斷裂力學：宏觀上抓住微裂紋缺陷（脆性斷裂的主要根源）第十頁，共四十七頁，2022年，8月28日3.1理論斷裂強度從原子間的結合力入手，只有克服原子間結合力，材料才能斷裂。即知道原子間應力-應變曲線的精確形式，就可算出理論斷裂強度。第十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日Orowan近似正弦曲線來近似原子間約束力隨距離變化的曲線圖第十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日應力-應變關系：使單位面積的原子平面分開所做的功等于產生兩個單位面積的新表面所需的表面能時，材料才能斷裂。其中：th

理論強度；x平衡時原子間距的增量；：表面能；λ正弦曲線波長。第十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日平衡距離附件，服從胡克定律，直線代替曲線：第十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日理論斷裂強度只與彈性模量E、斷裂表面能γ、晶格常數(shù)a等材料常數(shù)有關。第十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日3.2格里菲斯微裂紋理論格里菲斯認為實際材料中總存在許多細小的裂紋或缺陷，在外力作用下，這些裂紋和缺陷附近就產生應力集中現(xiàn)象，當應力達到一定程度時，裂紋就開始擴展而導致斷裂。格里菲斯從能量的觀點來研究裂紋擴展的臨界條件。第十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日裂紋擴展單位面積所釋放的能量為dWe/dC，而形成新的單位表面積所需的表面能為dWs/dC。dWe/dC＜dWs/dC，穩(wěn)定狀態(tài)，裂紋不擴展dWe/dC＞dWs/dC，裂紋迅速擴展dWe/dC＝dWs/dC，臨界狀態(tài)第十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日其中，C為裂紋半長，σ為外加應力，E為彈性模量，γ為斷裂表面能。第十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日小結：理論強度公式中a為原子間距，而格里菲斯臨界應力公式中C為裂紋半長?？梢娙绻芸刂屏鸭y長度和原子間距同數(shù)量級，就可使材料達到理論強度。制備高強度材料的方向：即是E、γ應大，裂紋尺寸應小。第十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日3.3應力強度因子材料結構件中不可避免地存在宏觀裂紋這一客觀事實。結構件在低應力下脆性破壞正是裂紋擴展的結果。斷裂力學——研究裂紋體的強度和裂紋擴展規(guī)律的科學。說明斷裂是裂紋這種宏觀缺陷擴展的結果，闡明了宏觀裂紋降低斷裂強度的作用。第二十頁，共四十七頁，2022年，8月28日3.3.1裂紋擴展方式裂紋有三種擴展方式：(I)張開型、(II)錯開型、(III)撕開型。其中，張開型是低應力斷裂的主要原因，主要介紹這種擴展類型。第二十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日實驗總結出的規(guī)律：不同裂紋尺寸的試件做拉伸實驗（張開型），測出斷裂應力σc與裂紋長度C有如下關系：當作用力σ=σc時，斷裂就發(fā)生。第二十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日3.3.2裂紋尖端應力場分析Cxyrθσ對于I型裂紋的應力場分析：第二十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日第二十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日3.3.3KI與幾何形狀因子第二十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日3.3.4臨界應力場強度因子經典強度理論：許用應力[σ]=σf/n或σys/n，其中σf為斷裂應力，σys為屈服強度，n為安全系數(shù)。新的表征材料特征的臨界值來做判斷：此臨界值叫做平面應變斷裂韌性KIC，判據(jù)為應力強度因子應小于或等于材料平面應變斷裂韌性，所設計的構件是安全的。第二十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日例題：哪種待選鋼是安全的？有一構件，實際使用應力為1.30GPa，有兩種鋼待選：甲鋼σys=1.95GPa，KIC=45MPa·m1/2乙鋼σys=1.56GPa，KIC=75MPa·m1/2待選鋼的幾何形狀因子Y=1.5，最大裂紋尺寸為1mm。第二十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日3.3.5裂紋擴展的動力與阻力第二十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日可見KIC是由熟知的彈性模量E、斷裂表面能γ等所決定的物理量。反映具有裂紋的材料對外界作用的一種抵抗能力，也可以說是阻止裂紋擴展的能力，是材料固有的性質。KIC和微觀結構有很大關系，是結構敏感的。第二十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日3.5裂紋的起源與擴展晶體微觀結構中存在缺陷（a）位錯組合；（b）晶界障礙；（c）位錯交截3.5.1裂紋的起源

實際材料都是裂紋體，這些裂紋如何形成？第三十頁，共四十七頁，2022年，8月28日材料表面機械損傷與化學腐蝕形成表面裂紋，裂紋的擴展常由表面裂紋開始。熱應力形成的裂紋。（各方向膨脹或收縮不同）第三十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日格里菲斯裂紋理論，材料的斷裂強度決定于裂紋的大小，一旦裂紋超過臨界尺寸，裂紋就快速擴展。3.5.2裂紋的擴展第三十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日作用應力不超過臨界應力材料中設置吸收能量的機構（如在陶瓷材料基體中加入塑性粒子或纖維而制成金屬陶瓷和復合材料）人為地在材料中造成大量極細微的裂紋，也能吸收能量，阻止裂紋擴展（韌性陶瓷）3.5.3防止裂紋擴展的措施第三十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日3.6無機材料中裂紋的亞臨界擴展在使用應力下，裂紋隨著時間的推移而緩慢擴展，這種緩慢擴展也叫亞臨界擴展，或稱為靜態(tài)疲勞。裂紋緩慢擴展，一旦其尺寸達到臨界尺寸就會失穩(wěn)擴展而破壞。因此提出了構件的壽命問題。第三十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日亞臨界裂紋擴展的機理？1.應力腐蝕理論：在一定的環(huán)境溫度和應力場強度因子作用下，材料中關鍵裂紋尖端處，裂紋擴展動力與裂紋擴展阻力的比較，構成裂紋開裂或止裂的條件。例如玻璃或陶瓷在OH-介質作用下，裂紋亞臨界擴展的機理：裂紋尖端的SiO2與OH-發(fā)生化學反應，使裂紋尖端處的離子鍵受到破壞，自由表面能降低，裂紋擴展阻力降低，小于裂紋擴展動力，導致裂紋在低應力水平下開裂。第三十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日2.高溫下裂紋尖端的應力空腔作用：多晶多相陶瓷在高溫下長期受力作用時，晶界玻璃相的黏度下降，晶界處于甚高的局部拉應力狀態(tài)，玻璃相則發(fā)生黏性流動，使結構缺陷逐漸長大，形成空腔。第三十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日根據(jù)亞臨界裂紋擴展預測材料壽命？第三十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日第三十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日3.7蠕變斷裂多晶材料在高溫和恒定應力作用下，由于形變不斷增加而導致斷裂稱為蠕變斷裂。蠕變斷裂的主要形式是沿晶斷裂。1.黏性流動理論：高溫下晶界發(fā)生粘性流動，在晶界交界處產生應力集中，并且使晶界交界處產生裂紋，導致斷裂。2.空位聚積理論：在應力及熱波動作用下，晶界上空位濃度增加，空位大量聚積，形成裂紋，導致斷裂。第三十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日3.8顯微結構對材料脆性斷裂的影響晶粒尺寸

多晶材料破壞多是沿晶界斷裂，走迂回曲折的道路，晶粒越細，路程越長，這樣就提高了臨界應力。第四十頁，共四十七頁，2022年，8月28日氣孔的影響第四十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日3.9提高無機材料強度的幾種途徑在晶體結構既定情況下，控制強度的主要因素有三個：彈性模量E，斷裂表面能γ和裂紋尺寸C。唯一可以控制的是材料中的微裂紋C，可以把微裂紋理解為各種缺陷的總和。第四十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日微晶、高密度與高純度（消除缺陷）預加應力：人為地在材料表面造成一層壓應力層，提高材料的抗張強度。如鋼化玻璃：加熱，然后淬冷，表面變成剛性的，內部逐漸冷卻，比表面有更大速率收縮，此時表面受壓，內部受拉，在表面形成壓應力。第四十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日化學強化：改變表面的化學組成，使表面的摩爾體積比內部大，產生壓應力。通常是用一種大的離子置換小的。相變增韌：利用多晶多相陶瓷中某些相成分在不同溫度下的相變。例如ZrO2的相變增韌，由四方相轉變?yōu)閱涡毕?，體積增大3~5%。彌散增韌：基體中滲入具有一定顆粒尺寸的微粒粉料，達到增韌效