无机材料力学性能导论第二章.ppt

2 无机材料的脆性断裂与强度 一般固体材料在外力作用下，首先产生正应力下的弹性形变和剪应力下的弹性畸变。随着外力的移去，这两种形变都会完全恢复。 但在足够大的剪应力作用下，材料中的晶体部分会出现位错滑移，宏观上表现为材料的塑性形变；无机材料中的晶界非晶相，以及玻璃、有机高分子材料纯属非晶态形变。这两种形变为不可恢复的永久形变。 当材料长期受载，尤其在高温环境中受载，上述塑性形变及粘性形变将随时间而具有不同的速率，这就是材料的蠕变。蠕变的后期要么蠕变终止，要么导致蠕变断裂。 当剪应力降低时，此塑性形变以及粘性流动减慢，甚至终止。 这就是griffith从能量观点分析得出的结果。(2.12)式和(2.19)式基本一致，只是系数有点差别，而且和(2.6)式理论强度的公式很类似。(2.6)式中a为原子间距，而式(2.19)中c为裂纹半长。可见如果我们能控制裂纹长度和原子间距在同一数量级，就可使材料达到理论强度。 Griffith用刚拉制的玻璃棒做实验，其微裂纹理论能说明脆性断裂的本质——微裂纹扩展，且与实验相符，并能解释强度的尺寸效应。 这一理论应用于玻璃等脆性材料上取得了很大的成功，但用到金属与非晶体聚合物时遇到了新的问题。实验得出的σc值比按(2.19)式算出的大的多。Orowan指出延性材料受力时产生大的塑性形变，要消耗大量能量，因此σc提高。他认为可以在griffith方程中引入扩展单位面积裂纹所需要的塑性功γp来描述延性材料的断裂，即 2.4 应力场强度因子和平面应变断裂韧性 Griffith理论提出后，一直被认为只适用于玻璃、陶瓷这类脆性材料，对其在金属材料中的应用没有受到重视。从上世纪40年代后，金属材料的结构接连发生一系列重大的脆性断裂事故，从大量事故分析中发现，结构件中往往不可避免的存在着宏观裂纹，结构件在低应力下脆性破坏正是这些裂纹扩展的结果。在这种背景下迅速发展了一门心得力学分支——断裂力学。 这里主要介绍一些和材料有关的基本概念。 2.4.1裂纹扩展方式 裂纹有三种扩展方式或类型：掰开型（?型）、错开型（П型）、撕开型（Ш型）见图2.4。 其中掰开型扩展是低应力断裂的主要原因，也是10多年来实验和理论研究的主要对象，这里也主要介绍这种扩展类型。 用不同裂纹尺寸c的试件做拉伸试验，测出断裂应力σc，发现断裂应力与裂纹长度有如图2.5所示的关系。 K为与材料、试件尺寸、形状、受力状态等有关的系数。该式说明，当作用应力σ=σc或K=σcc1/2时，断裂立即发生。这是由实验总结出的规律，说明断裂应力受现有裂纹长度制约。 2.4.2裂纹尖端应力场分析 1957年irwin应用弹性力学的应力场理论对裂纹尖端附近的应力场做了深入的分析，对?型裂纹得到如下结果（图2.6）： 上式也可以写成： 2.4.3应力场强度因子及几何形状因子 2.4.4临界应力场强度因子及断裂韧性 按照经典强度理论，在设计构件时，断裂准则是σ≤[σ] ，即使用应力应小于或等于允许应力（第一强度理论）。允许应力[σ]=σf/n或σys/n，σf是断裂强度，σys为屈服强度，n为安全系数。σf和σys都是材料常数。 第二强度理论，材料脆性断裂是达到最大拉伸长，ε＝εmax，由广义虎克定律得 σ1－μ（σ2＋σ3）＝σ］。 第三强度理论，材料塑性屈服是剪应力达到极限值， τmax=(σ1－σ3)/2。则σ1－σ3≤[σ]。 第四强度理论，认为材料塑性屈服是形状改变比能（变形能）达到某一极限值。 按断裂力学的观点，选择一个新的表征材料特征的临界值—平面应变断裂韧性，可得材料破坏断裂的判据： 2.5.3裂纹扩展的防止措施 首先应使应力不超过临界应力，这样裂纹就不会失稳扩展。其次，在裂纹中设置吸收能量的机构也能阻止裂纹扩展。 例如： 增加断裂表面能：延长裂纹路径（微裂纹）、增加大量的微裂纹、相变（应力诱导相变），增韧降低集中应力。在基体中加入塑性粒子或纤维制成金属陶瓷和复合材料。 近年来出现的韧性陶瓷就是在氧化铝中加入氧化锆，利用氧化锆的相变产生体积变化（在1000－1200℃发生单斜和四方晶相的转变），在基体上形成大量的微裂纹或可