材料结构与性能(第二章力学性能断裂与强度)

•断裂行为•理论结合强度•断裂理论第二章材料的力学性能脆性断裂与强度博学善建|厚德大成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。博学善建|厚德大成2.4断裂的分类韧性断裂与脆性断裂这是根据材料断裂前塑性变形的程度进行的一种分类。韧性断裂是指材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂。这种断裂有一个缓慢的撕裂过程。在裂纹扩展过程中需要不断地消耗能量。由于韧性断裂前已经发生了明显的塑性变形，有一定的预警，所以其危害性不大。脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。通常，脆断前也产生微量塑性变形。一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％者为脆性断裂，该材料即称为脆性材料；反之，大于5%者则为韧性材料。博学善建|厚德大成穿晶断裂与沿晶断裂根据裂纹扩展路径进行的一种分类。穿晶断裂裂纹穿过晶内，沿晶断裂裂纹沿晶界扩展。博学善建|厚德大成穿晶断裂与沿晶断裂从宏观上看，穿晶断裂可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂），也可以是脆性断裂（低温下的穿晶断裂），而沿晶断裂则多数是脆性断裂。沿晶断裂一般是晶界被弱化造成的断裂。相变时产生的领先相如脆性的碳化物、很软的铁素体等沿晶界分布可以使晶界弱化；杂质元素磷、硫等向晶界偏聚也可以引起晶界弱化。应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹等都是沿晶断裂。博学善建|厚德大成解理断裂、纯剪切断裂和微孔聚集型断裂按断裂的晶体学特征分类解理断裂是材料（晶体）在一定条件下(如低温)，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂。因与大理石断裂类似，故称此种晶体学平面为解理面。解理面一般是低指数晶面或表面能最低的晶面。剪切断裂是材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，其中又分滑断（纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。微孔聚集断裂是通过微孔形核长大聚合而导致材料分离的。由于实际材料中常同时形成许多微孔，通过微孔长大互相连接而最终导致断裂，故常用金属材料一般均产生这类性质的断裂，如低碳钢室温下的拉伸断裂。博学善建|厚德大成正断和切断按断裂面的取向可以将断裂分为正断和切断。正断型断裂的断口与最大正应力相垂直，常见于解理断裂或约束较大的塑性变形的场合。切断型断裂的宏观断口的取向与最大切应力方向平行，而与主应力约成450角。切断常发生于塑性变形不受约束或约束较小的情况，如拉伸断口上的剪切唇等。博学善建|厚德大成A博学善建|厚德大成2.5断口的宏观特征材料或构件受力断裂后的自然表面称为断口。断口可以分为宏观断口和微观断口:宏观断口指用肉眼或20倍以下的放大镜观察的断口，它反映了断口的全貌；微观断口是指用光学显微镜或扫描电镜观察的断口。通过对断口微观特征的分析可以揭示材料断裂的本质。博学善建|厚德大成光滑圆柱拉伸试样的宏观韧性断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，这就是断口特征的三要素。博学善建|厚德大成韧性断裂的宏观断口同时具有上述三个区域，而脆性断口纤维区很小，几乎没有剪切唇。上述断口三区域的形态、大小和相对位置会因试样形状、尺寸和材料的性能，以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。一般来说，材料强度提高，塑性降低，则放射区比例增大；试样尺寸加大，放射区增大明显，而纤维区变化不大；试样表面存在缺口不仅改变各区所占比例，而且裂纹形核位置将在表面产生。博学善建|厚德大成§2-6脆性断裂现象博学善建|厚德大成断裂现象脆性断裂的断裂面博学善建|厚德大成船身断裂，一分为二的Schenectady号油轮博学善建|厚德大成垮塌后的彩虹桥博学善建|厚德大成断裂现象分类:–金属类：先是弹性形变，然后塑性形变，直至断裂–高分子类：先是弹性形变（很大），然后塑性形变，直至断裂–无机材料：先是弹性形变（较小），然后不发生塑性形变（或很小）而直接脆性断裂博学善建|厚德大成脆性断裂的特点断裂前无明显的预兆断裂处往往存在一定的断裂源由于断裂源的存在，实际断裂强度远远小于理论强度博学善建|厚德大成脆性断裂的微观过程突发性裂纹扩展裂纹的缓慢生长博学善建|厚德大成断裂强度材料的强度强度理论光学材料多孔质材料高温材料结构材料玻璃水泥耐火材料复合材料电子电器材料生物材料耐摩擦材料耐磨损材料工具材料气孔、晶粒、杂质、晶界(大小、形状、分布)等宏观缺陷晶体结构,单晶多晶和非晶体中的微观缺陷博学善建|厚德大成与强度有关的问题（共性，特性）•哪些因素影响材料的强度？•这些因素与显微结构间的关系？•材料在怎样的状态下断裂?断裂过程怎样？•韧性是什么？•材料的可靠性？具有怎样的强度？可能用于什么地方？博学善建|厚德大成与材料强度有关的断裂力学的特点：•着眼于裂纹尖端应力集中区域的力场和应变场分布；•研究裂纹生长、扩展最终导致断裂的动态过程和规律；•研究抑制裂纹扩展、防止断裂的条件。•给工程设计、合理选材、质量评价提供判据。博学善建|厚德大成§2-6理论结合强度固体的强度——固体材料抵抗破坏的能力–按破坏形式分：屈服强度断裂强度–按讨论方式分：理论强度实际强度断裂理论博学善建|厚德大成能量守衡理论•固体在拉伸应力下，由于伸长而储存了弹性应变能，断裂时，应变能提供了新生断面所需的表面能。•即：thx/2=2s•其中：th为理论强度；x为平衡时原子间距的增量；：表面能。•虎克定律：th=E(x/r0)•理论断裂强度：th=2(sE/r0)1/2博学善建|厚德大成理论结合强度（Orowan近似）Orowan模型xSinth2原子间约束力和距离间的关系Orowan以应力—应变正弦函数曲线的形式近似的描述原子间作用力随原子间距的变化。博学善建|厚德大成thththxCosdxxSinW2200222断裂功2W2th形成两个新的表面xSinth22200axllEaxE由虎克定律xExaxth22000222aEaEth0aEth博学善建|厚德大成Orowan模型根据Orowan模型，经过推导出：高强度的固体必须要求E、γ大，a小，γ约为aE/100，故理论结合强度可写成：10Eth博学善建|厚德大成断裂强度理论值和测定值材料ThKg/mm2cth/c材料thcth/cAl2O3晶须500015403.3Al2O3宝石500064.477.6铁晶须300013002.3BeO357023.8150奥氏型钢20483206.4MgO245030.181.4硼348024014.5Si3N4热压385010038.5硬木—10.5—SiC49009551.6玻璃69310.566.0Si3N4烧结385029.5130NaCl4001040.0AlN280060～10046.7～28.0Al2O3刚玉500044.1113博学善建|厚德大成Inglis断裂理论Griffith脆断理论Irwin-Orowan理论博学善建|厚德大成Inglis断裂理论贡献：看到了缺陷、解释了实际强度远低于理论强度的事实。缺点：沿用了传统的强度理论，引用了现成的弹性力学应力集中理论，并将缺陷视为椭园孔，未能讨论裂纹型的缺陷。博学善建|厚德大成Inglis断裂理论c2cσ微裂纹端部的曲率对应于原子间距博学善建|厚德大成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，根据弹性理论，即：c2A近似为02acA故裂纹扩展的条件是：thA002aEracccErc4cA+21博学善建|厚德大成Griffith断裂理论应力集中强度理论•应力集中流体的流动博学善建|厚德大成材料中的裂纹型缺陷：材料中的伤痕、裂纹、气孔、杂质等宏观缺陷。平板弹性体的受力情况力线n力管裂纹长度2c博学善建|厚德大成•为了传递力，力线一定穿过材料组织到达固定端•力以音速通过力管（截面积为A），把P/n大小的力传给此端面。•远离孔的地方，其应力为：=(P/n)/A•孔周围力管端面积减小为A1，孔周围局部应力为：•=(P/n)/A1•椭圆裂纹越扁平或者尖端半径越小，其效果越明显。•应力集中：材料中存在裂纹时，裂纹尖端处的应力远超过表观应力。博学善建|厚德大成裂纹尖端处的应力集中博学善建|厚德大成裂纹尖端的弹性应力用弹性理论计算得：Ln={[1+/(2x+)]c1/2/(2x+)1/2+/(2x+)}当x=0,Ln=[2(c/)1/2+1]当c，即裂纹为扁平的锐裂纹Ln=2(c/)1/2当最小时（为原子间距r0）Ln=2(c/r0)1/2裂纹尖端的弹性应力沿x分布通式：Ln=q(c,,x)Lnx2cLn0裂纹尖端处的弹性应力分布博学善建|厚德大成应力集中强度理论•断裂的条件：当裂纹尖端的局部应力等于理论强度th=(sE/r0)1/2时，裂纹扩展，沿着横截面分为两部分，此时的外加应力为断裂强度。即Ln=2(c/r0)1/2=th=(sE/r0)1/2•断裂强度c=(sE/4c)1/2•考虑裂纹尖端的曲率半径是一个变数，即不等于r0，其一般式为：c=y(sE/c)1/2•y是裂纹的几何（形状）因子。博学善建|厚德大成裂纹模型裂纹模型根据固体的受力状态和形变方式，分为三种基本的裂纹模型，其中最危险的是张开型，一般在计算时，按最危险的计算。张开型错开型撕开型博学善建|厚德大成Griffith提出的关于裂纹扩展的能量判据•弹性应变能的变化率UE/C等于或大于裂纹扩展单位裂纹长度所需的表面能增量US/C，裂纹失稳而扩展。博学善建|厚德大成断裂强度（临界应力）的计算•根据Griffith能量判据计算材料断裂强度（临界应力）•外力作功，单位体积内储存弹性应变能：•W=UE/AL=（1/2）PL/AL•=（1/2）=2/2E•设平板的厚度为1个单位，半径为C的裂纹其弹性应变能为：•UE=W裂纹的体积=W（C2×1）•=C22/2E将该式求导可得：博学善建|厚德大成平面应力状态下扩展单位长度的微裂纹释放应变能为：dUE/dC=C2/E（平面应力条件）或dUE/dC=(1－2)C2/E（平面应变条件）由于扩展单位长度的裂纹所需的表面能为：US/C（即dUS/2dC)=2s断裂强度（临界应力）的表达式：f=[2Es/C]1/2（平面应力条件）f=[2Es/(1－2)C]1/2（平面应变条件）博学善建|厚德大成控制强度的三个参数•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。博学善建|厚德大成断裂能•热力学表面能：固体内部新生单位原子面所吸收的能量。•塑性形变能：发生塑变所需的能量。•相变弹性能：晶粒弹性各向异性、第二弥散质点的可逆相变等特性，在一定的温度下，引起体内应变和相应的内应力。结果在材料内部储存了弹性应变能。•微裂纹形成能：在非立方结构的多晶材料中，由于弹性和热膨胀各向异性，产生失配应变，在晶界处引起内应力。当应变能大于微裂纹形成所需的表面能，在晶粒边界处形成微裂纹。博学善建|厚德大成径向裂纹侧向裂纹残余应力材料表面受研磨粒子损