无机非金属材料物理性能省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

Chapt.2,3Chapt.2,3无机材料脆性断裂与强度无机材料脆性断裂与强度第1页Titanic 第2页第3页Titanic近代船用钢板近代船用钢板第4页第5页2.12.1脆性断裂脆性断裂断裂：断裂：塑性断裂塑性断裂(延性或韧性断裂延性或韧性断裂)和脆性断和脆性断裂两种类型。裂两种类型。塑性断裂：塑性断裂：在断裂时伴有宏观上塑性变形。在断裂时伴有宏观上塑性变形。第6页脆性断裂：脆性断裂：有些材料在应力未到达强度极限有些材料在应力未到达强度极限时就会突然断裂。不但是脆性材料才会产生时就会突然断裂。不但是脆性材料才会产生这种断裂，材料内部存在微裂纹，或者一些这种断裂，材料内部存在微裂纹，或者一些材料在低温下受到冲击等都有可能产生脆性材料在低温下受到冲击等都有可能产生脆性断裂。断裂。断裂发生在弹性断裂发生在弹性应变状态下，没应变状态下，没有经过塑性形变有经过塑性形变阶段而直接形成阶段而直接形成断裂。断裂。第7页脆性断裂特点：脆性断裂特点：1)1)断裂前无显著预兆断裂前无显著预兆;2)2)断裂处往往存在一定缺点断裂处往往存在一定缺点(裂纹，伤痕裂纹，伤痕););3)3)因为缺点存在，实际断裂强度远远小于因为缺点存在，实际断裂强度远远小于理论强度理论强度.脆性断裂微观过程：脆性断裂微观过程：突发性裂纹扩展；突发性裂纹扩展；裂纹迟缓生长。裂纹迟缓生长。第8页断裂现象：断裂现象：1)1)金属类：先是弹性形变，然后是塑性变形，金属类：先是弹性形变，然后是塑性变形，直到断裂。直到断裂。2)2)高分子类：先是弹性形变高分子类：先是弹性形变(很大很大)，然后是，然后是塑性变形，直到断裂。塑性变形，直到断裂。3)3)无机材料类：先是弹性形变无机材料类：先是弹性形变(较小较小)，然后，然后不发生塑性变形不发生塑性变形(或很小或很小)，直到断裂。，直到断裂。第9页2.22.2理论结合强度理论结合强度 2.2.12.2.1能量守衡模型能量守衡模型固体受外功作用而变形，在变形过程中，外固体受外功作用而变形，在变形过程中，外力所作功转变为储存于固体内能量。力所作功转变为储存于固体内能量。断裂时，断裂时，应变能应变能提供了新生断面所需表面能。提供了新生断面所需表面能。thx/2=2 th=E(x/r0)th=2(E/r0)1/2 th第10页以应力以应力应变正弦函数曲线形式近似描述应变正弦函数曲线形式近似描述原子间作用力随原子间距改变。原子间作用力随原子间距改变。=thsin(2 x/)2.2.22.2.2奥罗万模型奥罗万模型U=SS第11页理论结合强度：理论结合强度：通常，通常，约为约为aE/100，th=E/10对于大部分实际材料来说，其理论结合强对于大部分实际材料来说，其理论结合强度与实际材料有一定差异。度与实际材料有一定差异。-Griffith微裂纹理论 th=2(E/r0)1/2高强度固体必须要求E、大，a小第12页材料材料sThKg/mm2 c th/cAl2O3晶须晶须500015403.3铁晶须铁晶须300013002.3奥氏型钢奥氏型钢20483206.4硼硼348024014.5Si3N4热压热压385010038.5玻璃玻璃69310.566.0断裂强度理论值和测定值断裂强度理论值和测定值第13页*理论剪切强度理论剪切强度剪切应力与位移关系：剪切应力与位移关系：=th sin(2 x/b),当当x10 材料为塑性，断裂前已材料为塑性，断裂前已出现显著塑性流变；出现显著塑性流变；th/th 1 材料为脆性；材料为脆性；th/th=5 需参考其它原因作判断。需参考其它原因作判断。第15页2.3 Griffith2.3 Griffith微裂纹理论微裂纹理论 2.3.1 Inglis2.3.1 Inglis断裂理论断裂理论第16页不论孔洞是椭圆还是菱形，只要孔洞长度(2C)和端部曲率半径相同，则A点应力差异不大。弹性理论基础弹性理论基础-平板弯曲平板弯曲第17页第18页第19页实际材料中总是存在许多细小裂纹或缺点，实际材料中总是存在许多细小裂纹或缺点，在外力作用下，这些裂纹或缺点附近会产在外力作用下，这些裂纹或缺点附近会产生应力集中现象。当应力大到一定程度时，生应力集中现象。当应力大到一定程度时，裂纹开始扩展而造成材料断裂。裂纹开始扩展而造成材料断裂。物体内储存弹性应变能降低，大于等于产物体内储存弹性应变能降低，大于等于产生因为开裂形成两个新表面所需表面能，生因为开裂形成两个新表面所需表面能，就会造成裂纹扩展，反之，则裂纹不会扩就会造成裂纹扩展，反之，则裂纹不会扩散。散。2.3.2 Griffith2.3.2 Griffith断裂理论断裂理论第20页临界应力推导：临界应力推导：We1=(1/2)FlP33P33第21页在微小位移d(l)上外力做功dW=(Fi+1/2dF)dl第22页dW=(Fi+1/2dF)dldW=Fidl第23页第24页第25页P34P34第26页22第27页主要意义：主要意义：它建立了工作应力、裂纹长度和材料性能常它建立了工作应力、裂纹长度和材料性能常数之间关系，解释了脆性材料强度远低于其数之间关系，解释了脆性材料强度远低于其理论强度现象，为断裂力学奠定了理论基础。理论强度现象，为断裂力学奠定了理论基础。理论适合应用：玻璃、陶瓷这类脆性材料。理论适合应用：玻璃、陶瓷这类脆性材料。延展性材料：延展性材料：第28页2.4.12.4.1裂纹扩展方式裂纹扩展方式2.42.4应力场强度因子和平面应变断裂韧性应力场强度因子和平面应变断裂韧性第29页第30页2.4.22.4.2裂纹尖端应力场分析裂纹尖端应力场分析假设在离裂纹顶点为假设在离裂纹顶点为r r，与裂，与裂纹面夹角为纹面夹角为（角坐标）处有（角坐标）处有一面单元一面单元dx,dydx,dy，则作用在面，则作用在面上应力分量为上应力分量为x,y,xyx,y,xy。因为是薄板穿透裂纹因为是薄板穿透裂纹A A点三个点三个应力分量，属平面应力问题，应力分量，属平面应力问题，故：故：z=0z=0，yz=xz yz=xz=0=0A A第31页rc,0r 断裂韧性断裂韧性K KICIC是材料固有性能，也是材料组成和显微结是材料固有性能，也是材料组成和显微结构函数构函数,是材料抵抗裂纹扩展阻力原因。与是材料抵抗裂纹扩展阻力原因。与裂纹大小、形状以及外力无关。伴随材料裂纹大小、形状以及外力无关。伴随材料弹性模量和断裂能增加而提升。弹性模量和断裂能增加而提升。2.4.32.4.3断裂韧性断裂韧性K KCC应力场强度因子K随外应力而增大(K=Yc)，当外应力大到一定程度时，裂纹到达失稳定状态，会快速扩展，直到断裂，这时应力场强度因子K叫断裂韧性(应力场强度因子极限)，只有当材料场强因子小于断裂韧性时，材料才是安全。断裂韧性与其它韧性性能一样，综合反应了材料强度和塑性，在预防低应力脆断选取材料时，依据材料断裂韧性指标，能够对构件允许工作应力和裂纹尺寸进行定量计算。所以，断裂韧性是断裂力学认为能反应材料抵抗裂纹失稳扩展能力性能指标，对构件强度设计含有十分主要意义-本征参数第35页 应用应用已知应力，材料，确定结构安全最大裂纹长已知应力，材料，确定结构安全最大裂纹长度度已知裂纹长度，材料，确定结构安全最已知裂纹长度，材料，确定结构安全最大应力大应力第36页已已知知应应力力，裂裂纹纹长长度度，确确定定结结构构安安全全材料材料断断裂裂韧韧度度是是用用高高强强度度钢钢制制造造飞飞机机、导导弹弹和和火火箭箭零零件件，及及用用中中低低强强度度钢钢制制造造气气轮轮机机转转子子、大大型型发发电电机机转转子子等等大大型型零零件件主主要要性性能能指标。指标。第37页 影响断裂韧性原因影响断裂韧性原因成份组织结构成份组织结构a.a.化学成份化学成份b.b.晶粒尺寸晶粒尺寸c.c.夹杂及第二相夹杂及第二相 镁是最有效韧化元素，镁是最有效韧化元素，它不但改进钢断裂韧它不但改进钢断裂韧性，还能有效地降低性，还能有效地降低冷脆转化温度。冷脆转化温度。细化晶粒，裂纹扩细化晶粒，裂纹扩展时所消耗能量越展时所消耗能量越多多夹杂物提升或降低夹杂物提升或降低断裂韧性：脆性相断裂韧性：脆性相时时，韧性相时，韧性相时第38页 提升材料断裂韧性提升材料断裂韧性第39页第40页 冲击韧性冲击韧性冲击吸收功：冲击吸收功：A Ak k=mg(h-h)冲击韧性：冲击韧性：A AK K/S/S101055mm试样（长度方向中间处有“U”型或“V”型缺口，缺口深度2mm）第41页韧脆转变温度韧脆转变温度材料冲击韧性随温材料冲击韧性随温度下降而下降。在某度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧一温度范围内冲击韧性值急剧下降现象性值急剧下降现象称称韧脆转变韧脆转变。发生韧脆转变温度范围称。发生韧脆转变温度范围称韧韧脆转变温度脆转变温度。材料使用温度应高于韧脆转。材料使用温度应高于韧脆转变温度。变温度。韧第42页 断裂韧性测试方法断裂韧性测试方法 单边切口梁法单边切口梁法(SENB)(SENB)第43页第44页第45页压痕法压痕法 测试试样表面先抛光成测试试样表面先抛光成镜面，在显微硬度仪上，镜面，在显微硬度仪上，以以10Kg10Kg负载在抛光表面负载在抛光表面用硬度计锥形金刚石用硬度计锥形金刚石压头产生一压痕，这么在压痕四个顶压头产生一压痕，这么在压痕四个顶点就产生了预制裂纹。依据压痕载荷点就产生了预制裂纹。依据压痕载荷P P和压痕裂纹扩展长度和压痕裂纹扩展长度C C计算出断裂韧性计算出断裂韧性数值数值 第46页 断裂（弯曲）强度测试断裂（弯曲）强度测试三点弯曲：三点弯曲：四点弯曲：四点弯曲：f=3PL/2bh2 f=3P(L-l)/2bh2试验条件：试验条件：测试误差：测试误差：P40第47页 经典强度理论与断裂力学强度理论比较经典强度理论与断裂力学强度理论比较 经典强度理论经典强度理论 断裂强度理论断裂强度理论断裂准则：断裂准则：f/n(ys/n)KI KIC 有一构件，实际使用应力为有一构件，实际使用应力为1.30GPa,1.30GPa,有以有以下两种钢供选：下两种钢供选：甲钢甲钢：ys=1.95GPa,KIC=45Mpam 12 乙钢乙钢：ys=1.56GPa,KIC=75Mpam 12第48页第49页P54P54第50页动力：动力：由裂纹扩展单位面积所降低弹性应由裂纹扩展单位面积所降低弹性应变能。变能。2.4.42.4.4裂纹扩展动力与阻力裂纹扩展动力与阻力 第51页阻力：阻力：K KIC IC 或或 2 2内裂薄板为例内裂薄板为例 KI=1/2c1/2.当为临界值时，当为临界值时，有有KIC=1/2cc1/2,故故KIC2=c2c代入代入P55:3-16第52页2.52.5裂纹起源与扩展裂纹起源与扩展 2.5.12.5.1裂纹起源裂纹起源1)1)材料结构中存在缺点，当受外力时，在材料结构中存在缺点，当受外力时，在这些缺点处引发应力集中，造成裂纹产生。这些缺点处引发应力集中，造成裂纹产生。位错：位错：2)2)材料表面机械损伤与化学腐蚀形成表面材料表面机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹。裂纹。第53页3)3)热应力形成裂纹。热应力形成裂纹。第54页冰裂纹釉宋朝五大名窑之一哥窑就是以烧制纹片釉著称第55页第56页2.5.22.5.2裂纹扩展裂纹扩展 超出临界状态后，多出能量去向：超出临界状态后，多出能量去向：裂纹加速扩展；裂纹加速扩展；裂纹繁殖；裂纹繁殖；形成复杂断面。形成复杂断面。一旦G Gc时，裂纹发生扩展，且因为裂纹扩展，使裂纹长度增大，从而又增大裂纹扩展力，其结果则会使裂纹扩展越来越猛烈，加速扩展进行，并产生分枝状新表面，以吸收多出能量。第57页2.62.6显微结构对材料脆性断裂影响显微结构对材料脆性断裂影响2.6.12.6.1晶粒尺寸晶粒尺寸对于多晶材料：对于多晶材料：当起始裂纹受晶粒限制，其尺度与晶粒相当，当起始裂纹受晶粒限制，其尺度与晶粒相当，则脆性断裂强度与晶粒粒度关系为：则脆性断裂强度与晶粒粒度关系为：第58页对于多晶材料，大量试验证实：晶粒越小，强度越高；微晶材料就成为无机材料发展一个主要方向MgO第59页2.6.22.6.2气孔影响气孔影响 透明氧化铝陶瓷断裂强度与气孔率相关系透明氧化铝陶瓷断裂强度与气孔率相关系 气孔存在降低了陶瓷材料实际承载面积，并引发应力集中，从而造成陶瓷强度显著下降第60页2.6.32.6.3温度影响温度影响对于一些陶瓷材料来说，其强度在温度对于一些陶瓷材料来说，其强度在温度T T 0.5Tm0.5Tm（TmTm为熔点）时，其强度基本不变，为熔点）时，其强度基本不变，当温度高于当温度高于TmTm时，强度将开始下降。时，强度将开始下降。BrownBrown模型：模型：BrownBrown等人提出了陶瓷材料强度与温度关系等人提出了陶瓷材料强度与温度关系曲线。曲线。第61页A A区：低温度区，一定范围内，改变不大。区：低温度区，一定范围内，改变不大。B B区：因为温度提升，强度降低。区：因为温度提升，强度降低。C C区：当温度深入升高，强度有所上升。区：当温度深入升高，强度有所上升。该模型并不适合于全部陶瓷材料，而且有时只出现一区或两区。第62页