材料的脆性断裂与强度.pptVIP

第一节脆性断裂现象

第二节理论结合强度

第三节Griffith微裂纹理论

第四节应力场强度因子和平面应变断裂韧性

第五节裂纹的起源与快速扩展

第六节材料中裂纹的亚临界生长

第七节显微结构对材料脆性断裂的影响

第八节提高无机材料强度改进材料韧性的途径;蠕变：―――在高温条件，上述的塑性形变和粘性形变将随时间而具有不同的速率。最后发生蠕变后期、蠕变终止或蠕变断裂。;条件：在外力作用下，在高度应力集中点〔内部和外表的缺陷和裂纹〕附近单元,所受拉应力为平均应力的数倍，如果超过材料的临界拉应力值时，将会产生裂纹或缺陷的扩展，而导致脆性断裂。

因此，断裂源往往出现在材料中应力集中度很高

的地方，并选择这种地方的某一缺陷〔或裂纹、伤痕〕

而开裂。;裂纹的存在及其扩展行为决定了材料抵抗断裂的

能力。

在临界状态下，当断裂源处裂纹尖端的横向拉应力＝结合强度→裂纹扩展→引起周围应力再分配→裂纹的加速扩展→突发性断裂。;径向裂纹;;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。;得出：;设材料形成新外表的外表能为〔这里是断裂外表

能，不是自由外表能〕，那么，即;可见，理论结合强度只与弹性模量，外表能和晶

格距离等材料常数有关。通常，约为，这样，;1920年Griffith为了解释玻璃的理论强度与实际强

度的差异，提出了微裂纹理论，后来逐渐成为脆性断

裂的主要理论根底。

一．理论的提出

Griffith认为实际材料中总是存在许多细小的微

裂纹或缺陷，在外力作用下产生应力集中现象，当应

力到达一定程度时，裂纹开始扩展,最终导致断裂。;裂纹尖端处的应力集中;;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;如果，即为扁平的锐裂纹，那么很大，这

时可略去式中括号内的1，得：;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外表所需的外表能，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。;我们用图2.3来说明这一概念并导出这一临界条件:;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:;又由弹性理论可得，人为割开长2c的裂纹时，平面应力状态下应变能的降低为：;

;裂纹进一步扩展，单位面积所释放的能

量〔应变能的释放率〕为；形成新的单位外表积所需的外表能为，因此：

当＜时，为稳定状态，

裂纹不会扩展；

当＞时，裂纹失稳，扩展;;当=时，为临界状态。;Griffith采用钠钙玻璃制成的薄壁圆管作

了实验研究〔P45〕，Griffith的微裂纹理论能说明脆性断裂的本质――微裂纹扩展。

对于塑性材料，Griffith公式不再适用，

因为塑性材料在微裂纹扩展过程中裂纹尖端

的局部区域要发生不可忽略的塑性形变，需

要不断消耗能量，如果不能供给所需要的足

够的外部能量，裂纹扩展将会停止。;

因此，在讨论能量平衡时，必须考虑

裂纹在扩展过程中由于塑性变形所引起的

能量消耗，有时这种能量消耗要比所需要

的外表能大很多〔几个数量级〕。;弹性模量E：取决于材料的组分、晶体的结构、气孔。对其他显微结构较不敏感。

断裂能?f：不仅取决于组分、结构，在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响，是一种织构敏感参数,起着断裂过程的阻力作用。

裂纹半长度c：材料中最危险的缺陷，其作用在于导致材料内部的局部应力集中，是断裂的动力因素。;一．裂纹扩展方式

从上世纪四十年代开始，不少学者基于弹性理论讨论裂纹顶端附近应力分布问题－－－断裂力学