材料物理-材料的脆性断裂与强度讲解.ppt

材 料 物 理 ;第3章 材料的脆性断裂与强度;断裂：机械和工程构件失效的主要形式 ; 两相邻原子面在拉力σ作用下，克服原子间键合力作用 ，使原子面分开的应力。;要推导材料的理论强度，应从原子间的结合力入手，只有克服了原子间的结合力，材料才能断裂。;分开单位面积原子平面所作的功为：;理想晶体得理论断裂强度公式：;3.2 Griffith微裂纹理论; Inglis研究了具有孔洞的板的应力集中问题，得到结论：孔洞两个端部的应力几乎取决于孔洞的长度和端部的曲率半径，而与孔洞的形状无关。 Griffith根据弹性理论求得孔洞端部的应力;当 , 裂纹扩展，c 增大→ 增加→断裂。 ;1.?Inglis只考虑了裂纹端部一点的应力，实际上裂纹端部的应力状态很复杂。 2. Griffith从能量的角度研究裂纹扩展的条件：物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能。即物体内储存的弹性应变能的降低（或释放）就是裂纹扩展的动力。;a.将一单位厚度的薄板拉长到 ，此时板中储存的弹性应变能为:; 由弹性理论，人为割开长 2c 的裂纹时，平面应力状态下应变能的降低为：; 裂纹在应力? 的作用下，超过一定值以后，便发生扩展。一方面增大表面能，另一方面又使弹性能减少（释放出弹性能）。 ;讨论：脆性裂纹体的能量判据和应力判据对比。 ;无限大薄板——平面应力状态;塑性变形的影响;③陶瓷材料存在微观尺寸裂纹时便会导致在低于理论强度的应力下发生断裂，而金属材料则要有宏观尺寸的裂纹才能在低应力下断裂。因此，塑性是阻止裂纹扩展的一个重要因素。;这种设计方法和选材的准则没有反映断裂的本质。?;Ⅰ型(张开型):裂纹表面直接分开。 Ⅱ型(滑开型):两个裂纹表面在垂直于裂纹前缘的方向上相对滑动。 Ⅲ型(撕开型):两个裂纹表面在平行于裂纹前缘的方向上相对滑动。;裂纹长度与断裂应力的关系： k 是与材料、试件尺寸、形状、受力状态等有关的系数.;3.3.2 裂纹尖端应力场分布;：裂纹扩展的主要动力;3.3.3 应力场强度因子及几何形状因子;这种设计方法和选材的准则没有反映断裂的本质。?;断裂力学强度理论;KIC含义：平面应变条件下材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。;KI是一个力学参量，表示裂纹中裂纹尖端的应力应变场强度的大小，它决定于外加应力、试样尺寸和裂纹类型，而和材料无关。 KIC是一个是材料的力学性能指标，它决定于材料的成分、组织结构等内在因素，而与外加应力以及试样尺寸等外在因素无关，为平面应变断裂韧度。;应用;例题 ;据计算，Y=1.5，设最大裂纹尺寸为1mm，;3.3.5 裂纹扩展的动力和阻力 1．裂纹扩展的动力 Irwin将裂纹扩展单位面积所降低的弹性应变能定义为应变能释放率或裂纹扩展力。 ? 对于有内裂纹 的薄板：;Gc与K1C间关系： ;2．裂纹扩展的阻力;3.5.1裂纹的起源 1．形成原因 ⑴ 由于晶体微观结构中存在缺陷，当受到外力作用时，在这些缺陷处就会引起应力集中，导致裂纹成核。如：位错运动中的塞积，位错组合，交截等。;⑵ 材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹。这种表面裂纹最危险，裂纹的扩展常常由表面裂纹开始。 ⑶ 由于热应力形成裂纹 ①晶粒在材料内部取向不同，热膨胀系数 不同，在晶界或相界出现应力集中。 ②高温迅速冷却，内外温度差引起热应力。 ③温度变化发生晶型转变，体积发生变化。;3.5.2裂纹的快速扩展 按照Griffith微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小。;3.5.3 防止裂纹扩展的措施 1．使作用应力不超过临界应力，裂纹就不会失稳扩展。;硬度：抵抗局部压入变形或刻划破裂的能力;1.布氏硬度;硬质合金球，硬度符号为HBW；;优点： 压痕面积大，反映较大范围内材料的硬度性能 试验数据稳定，重复性好，应用广泛 适用于晶粒粗大、相组成复杂、相尺寸较大的材料 缺点： 为保证数据可靠，需根据材料的种类和试样的厚薄更换压头。 属有损检测，压痕较大，不能在成品表面进行检测 试验操作和压痕测量费时，工作效率低，不能连续检测，在大批量生产检验时不宜使用;2.洛氏硬度;洛氏硬度定义：;洛氏硬度无单位，须标明硬度标尺符号， 在符号前面写出硬度值，如58HRC、76HRA。 ;*;3.维氏硬度;a. 当试验力F的单位为kgf;(1)压痕几何形状总是相似的，载荷可任选； (2)角锥压痕轮廓清晰，测量精度高； (3)金刚石压头适用范围广; (