材料的力学性能-3-材料的断裂.pdfVIP

4、材料的断裂 4.1 断裂是材料和机件主要的失效形式之一，其危害性极大，特别 是脆性断裂，由于断裂前没有明显的预兆，往往会带来灾难性的后 果。工程断裂事故的出现及其危害性使得人们对断裂问题非常重视。 研究材料的断裂机理、断裂发生的力学条件以及影响材料断裂 的因素，对于机械工程设计、断裂失效分析、材料研究开发等具有 重要意义。 断裂是一个物理过程，在不同的力学、物理和化学环境下会有 不同的断裂形式，如疲劳断裂、蠕变断裂、腐蚀断裂等。 断裂之后断口的宏观和微观特征与断裂的机理紧密相关。 4.2 断裂强度 4.2.1 晶体的理论断裂强度 晶体的理论断裂强度是指将晶体原子分离开所需的最大应力，它与晶体的弹 性模量有一定关系，弹性模量表示原子间结合力的大小，只表示产生一定量的 变形不同晶体所需要的力大小，晶体的理论断裂强度就是这个应力的最大值。 2 x π σ σ sin m λ λ E σ . m 2π a° 1  γ 2 E σm ＝  s  实际金属材料，其断裂应力为理论的值的  a°  1/10～1/1000，潜力巨大。 4.2 断裂强度 4.2.2 材料的实际断裂强度 为了解释玻璃，陶瓷等脆性材料理论断裂强度和实际断裂强度的巨大 差别，格雷菲斯(A.A.Griffith)在1921年提出了断裂强度的裂纹理论。 这一理论的基本出发点是认为实际材料中已经存在裂纹，当平均应力 还很低时，局部应力集中已达到很高数值，从而使裂纹快速扩展并导 致脆性断裂。根据能量平衡原理，由于存在裂纹，系统弹性能降低应 该与因存在裂纹而增加的表面能相平衡。如果弹性能降低足以支付表 面能增加之需要时，裂纹就会失稳扩展引起脆性破坏。 4.2 断裂强度 4.2.2 材料的实际断裂强度 一单位厚度的无限宽薄板，对之施加一拉 应力，而后使其固定并隔绝外界能源。用 无限宽板是为了消除板的自由边界的约束。 这样，在垂直板表面的方向上可以自由位 移，板处于平面应力状态。 单位体积储存的弹性能 σ2 / 2E 2 2 πσ a 割开裂纹释放的弹性能 U − e E 形成裂纹需要的表面功W=4aγs 4.2 断裂强度 4.2.2 材料的实际断裂强度 系统总能量变化及每一项能量均与 裂纹半长有关。 1 2Eγ 2 σc =  s  πa  c  σc 即为有裂纹物体的实际断裂强度，它表明， 在脆性材料中，裂纹扩展所需之应力为裂 纹尺寸之函数。 4.2 断裂强度 4.2.2 材料的实际断裂强度