材料的断裂和韧性.pptx

1;一、断裂的类型;1.金属材料的韧性断裂与脆性断裂 韧性断裂（延性断裂）是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。 韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大量塑性变形能。 韧性断裂的断口一般平行于最大切应力，并与主应力成45o角。用肉眼或放大镜观察时，往往呈暗灰色、纤维状．纤维状是塑性变形过程中，众多微细裂纹的不断扩展和相互连接造成的，而暗灰色则是纤维断口表面对光的反射能力很弱所致。; 脆性断裂是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性??形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程，因而具有很大的危险性。 脆性断裂的断口，一般与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状． 淬火钢、灰铸铁、陶瓷、玻璃等脆性材料的断裂过程及断口常具有上述特征。;2.高分子材料的脆性断裂和韧性断裂;第5页/共59页;试样发生脆性断裂或者韧性断裂与材料组成有关，除此之外，同一材料是发生脆性断裂还是韧性断裂还与温度、拉伸速率、试样的几何形状以及所承受的应力状态有关。;第7页/共59页;第8页/共59页;第9页/共59页;二、断裂强度;1. 理论断裂强度;以三维晶体为例，一完整晶体在正应力作用下沿某一原子面被拉断时，推导其断裂强度（称为理论断裂强度） ;（2.1）;由（2.3）和(2.4)得;理论强度与弹性模量、表面能、晶格间距等材料常数有关，要想得到高强度的固体，就要求E、?大，而a小 通常g ，因此一般材料的sth ? 30GPa=E/10，相当高。 材料实际断裂强度一般比理论结合强度低几个数量级（只有理论值的1/100～1/1000），这是由于存在缺陷、裂纹的结果。 仅晶须或一些极细纤维材料具有接近于理论强度的实际强度。;三.格里菲斯（Griffith）裂纹理论;从能量平衡的观点出发，格里菲斯认为裂纹扩展的条件是物体内储存的弹性应变能的减小大于或等于开裂形成两个新表面所需增加的表面能，即认为物体内储存的弹性应变能降低或释放就是裂纹扩展的动力，否则，裂纹不会扩展。 ;更精确的计算求出的值为粗略估计的一倍;在图中We+ Ws出现了一个极大值点。在极大值点左侧(ccc),裂纹不会自动扩大，说明不会发生断裂；在极大值点右侧（c cc）,裂纹会自动扩大，发生断裂。临界状态时：;将裂纹存在时的断裂强度与理论断裂强度对比，得到;;四.奥罗万（Orowan）理论;断裂韧性----是指材料阻止裂纹扩展的韧性指标 从大量的断口分析表明：材料低应力脆性断口没有宏观塑性变形痕迹，因此可以假设该裂纹尖端总是处于弹性状态，因此可以用弹性力学理论来研究该裂纹的扩展与断裂过程。具体有两种方法： 应力应变分析法K判据 能量分析法G判据;Ⅰ型或张开型 Ⅱ型或滑开型 Ⅲ型或撕开型;Ⅰ型或张开型(掰开型)裂纹扩展 外加拉应力与裂纹扩展面垂直 裂纹沿作用力方向张开，沿裂纹面扩展 轴的横向裂纹在轴向拉力或弯曲力作用下的扩展 容器纵向裂纹在内压力的扩展;2) Ⅱ型或滑开型裂纹扩展 外加切应力平行于裂纹面并垂直于裂纹前缘线 裂纹沿裂纹面平行滑开扩展 轮齿或花键根部沿切线方向的裂纹， 或受扭转的薄壁圆筒上的环形裂纹;3) Ⅲ型或撕开型裂纹扩展 外加切应力既平行于裂纹面又平行于裂纹前缘线 裂纹沿裂纹面撕开扩展 圆轴上有一环形切槽，受到扭转作用引起的断裂形式;说明： 实际裂纹的扩展并不局限于这三种形式，往往是它们的组合，如Ⅰ-Ⅱ、Ⅰ-Ⅲ、Ⅱ-Ⅲ型复合型裂纹扩展。 在这些不同的裂纹扩展形式中，以Ⅰ型即张开型裂纹扩展最危险，容易引起低应力脆断;二.裂纹尖端应力场分析;;对于裂纹尖端处的一点，即r?? C，??0，于是：;;;; 根据传统的强度理论，设计构件的断裂准则为使用应力应小于或等于许用应力，即：;;实例分析：;;甲钢的?c?1.30GPa，不安全，会发生底应力下的脆性断裂。 乙钢的?c?1.30GPa，安全可靠。;裂纹扩展单位面积所降低的应变能定义为应变能释放或叫裂纹扩展力。对于有内裂纹（长2C）的薄板，根据计算得到临界状态时的裂纹扩展能力Gc为：;一.裂纹的起源 二.裂纹的快速扩展 三.防止裂纹扩展的措施;一.裂纹的起源;3. 由于热应力形成裂纹。 材料升温或冷却过程中，不同相或不同部位膨胀或收缩不同而引起应力集中，导致裂纹生成。;二.裂纹的快速扩展;当c↑时, G↑，2γ是常数。当G2γ时，裂纹开始扩展，且由于裂纹扩展使裂纹长度增加，从而又增大裂纹扩展力，结果则会使裂纹的扩展越来越剧烈，并产生分枝状的新表面，以吸收多余的能量。;;三.防止裂纹扩展的措施;§1-7 显微结构对材料脆性断裂的影响 (书上第10节);一.晶粒尺寸的影响;实验证明：;;二.气孔的影响;例：;除气孔率外，气孔的性状及分布也很重要