2.2. 断裂韧性及测量方法.ppt

无机材料物理性能 邓承继博士 第二章 无机材料的脆性断裂与强度 2.4 应力场强度因子与平面应变断裂韧性 Griffith从能量平衡的观点出发，提出了含裂纹固体的强度和裂纹关系之条件：裂纹失稳扩展。而导致材料断裂的必要条件是：在裂纹扩展过程中系统的自由能必须下降（热力学条件） 三种情况下的Y值 临场应力场强度因子及断裂韧性 KIC 的意义 举例：P51 抓住裂纹本质，提供新的设计思想和选材标准； 表征材料特征的临界值。 Problem The fracture toughness of polycrystaline Alumina(Young’s modulus 306GPa) is about 4MPa·m1/2 while the toughness of MgO partially stabilized zirconia(PSZ)(Young’s modulus 138GPa) is about 10MPa m1/2. a) Estimate the fracture surface energy of (i) alumina and (ii) PSZ assuming these toughness values were obtained under conditions of plane stress. b) Polycrystalline ceramics often have intergranular cracks in them due to thermal expansion mismatch. Their strength is therefore limited by these cracks whose size is on the order of the grain size. Calculate the maximum strength you would expect to observe in (i) alumina with 20-um-diameter grain size and (ii) PSZ with a 50um-diameter grain size. Model the cracks as internal circular cracks with the same size as the grains. 断裂韧性的测量方法 单边切口梁法（SENB） 双扭法（DT） Knoop压痕三点弯曲梁法 山形切口劈裂试件法 2.5 裂纹的起源与快速扩展 一、裂纹的起源 裂纹的三种起源 在外力作用下晶体中的缺陷处形成应力集中，导致裂纹成核； 材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹； 由于晶粒热膨胀系数差异，受热后形成裂纹。 裂纹快速扩展 Griffith微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是取决于裂纹的大小，即由最危险的裂纹尺寸（临界尺寸）决定材料的断裂。 裂纹扩展速度为声速的40%-60%,并会产生新的断裂纹。 裂纹扩展机理 应力腐蚀理论 这种理论的实质在于:在一定环境温度和应力场强度因子作用下,材料中关键裂纹尖端处, 裂纹扩展动力与裂纹扩展阻力的比较,构成裂纹开裂和止裂的条件。 裂纹尖端处的高度的应力集中导致较大的裂纹扩展动力。从物理化学角度分析，在裂纹尖端处的离子键受到破坏，吸附了表面活性物质(H2O、HO-以及极性液体和气体)，使材料的自由表面能降低。也就是说，裂纹的扩展阻力降低了。如果此值小于裂纹扩展动力，就会导致在低应力水平下的开裂。新开裂表面的断裂表面，因为还没有来得及被介质腐蚀，其表面能仍然大于裂纹扩展动力，裂纹立即止裂，接着进行下一个腐蚀-开裂循环，周而复始，形成宏观上的裂纹的缓慢生长。 b) 亚临界裂纹生长速率与应力场强度因子的关系 c) 材料寿命的预测 寿命预计的方法 无损探伤法 可测出比较长的表面裂纹，对小裂纹及小尺寸制品难以测量； 保证试验法 施加界于临界应力和工作应力之间的力。 d) 高温下裂纹尖端的应力空腔作用 蠕变断裂 陶瓷材料的脆性和克服脆性的途径 材料强度的本质(根本):内部质点间的结合力--各种化学键的综合表现,在“固体材料结构基础中已经学习.同学们应该把原来的知识和现在的学习结合起来.材料的“表观”强度是由材料的本征强度和材料的各种“结构”--包括缺陷和强化 脆性是陶瓷的特征，亦是陶瓷的致命弱点，它间接地反映在陶瓷较低的抗机械冲击强度和较差的抗温度骤变性，直观地表现在一旦受到临界的外加负荷，陶瓷的断裂则具有爆发性的特征和灾难性的后果。 2.6 陶瓷增韧 实际材料的强度接近理论强度的途径 提高晶体的完整度，消除缺陷： 细：细晶 微晶 密：高密度 匀：均匀 晶须(Whisker)：和理论强度在一个数量级