第1章-材料的脆性断裂与强度.pptVIP

二．? 裂纹尖端应力场分布 1957年lrwin应用弹性力学的应力场理论对裂纹尖端附近的应力场进行了分析，对Ⅰ型裂纹得到如下结果（图2.6）。 四 临界应力场强度因子及断裂韧性 反映了裂纹尖端应力场的强度，是决 定弹性材料中裂纹行为的重要力学参数。 1．根据经典强度理论，在设计构件时，断裂准则是 ，允许应力 或 , 为断裂强度； 为屈服强度；n为安全系数。 这种设计方法和选材的准则没有反映断裂的本质。? 2．按断裂力学的观点，裂纹是否扩展取决于应力场强度因子的大小，当K值达到某一极限值时，裂纹就扩展，即构件发生脆性断裂的条件： 极限值 称为断裂韧性，它是反映材料抗断性能的参数。 因此，应力场强度因子小于或等于材料的平面应变断裂韧性，即 : ，所设计的构件才是安全的，这一判据考虑了裂纹尺寸。 五．裂纹扩展的动力和阻力 1．裂纹扩展的动力 Irwin将裂纹扩展单位面积所降低的弹性 应变定义为应变能释放率或裂纹扩展力。 ? 对于有内裂纹 的薄板： 其中 G为裂纹扩展的动力。 对于有内裂的薄板： 临界状态： （平面应力状态） （平面应变状态） 2．裂纹扩展的阻力 对于脆性材料 ， 由此得 （平面应力状态） （平面应变状态） 与材料本征参数 等物理 量有关，它 反映了具有裂纹的材料对外界 作用的一种抵抗能力，也可以说是阻止裂 纹扩展的能力，是材料的固有性质。 一、 裂纹的起源 1．? 形成原因 ⑴ 由于晶体微观结构中存在缺陷，当受到外力作用时，在这些缺陷处就会引起应力集中，导致裂纹成核。如：位错运动中的塞积，位错组合，交截等。 如图2.8 第五节 裂纹的起源与快速扩展 ⑵ 材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹。这种表面裂纹最危险，裂纹的扩展常常由表面裂纹开始。 ⑶ 由于热应力形成裂纹 ①晶粒在材料内部取向不同，热膨胀系数 不同，在晶界或相界出现 应力集中。 ②高温迅速冷却，内外温度差引起热应力。 ③温度变化发生晶型转变，体积发生变化。? 二、裂纹的快速扩展 按照Griffith微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小。 1．由临界裂纹尺寸决定材料的断裂强度 裂纹扩展力： 若 c 增加，则 G 变大，而 是常数。 当 C＝ C临界 ， ≥ 2g 时，裂纹扩展 ,材料断裂 2．G 的增大，释放出多余的能量，一方面使裂纹扩展加速，另一方面能使裂纹增殖，产生分支，形成更多的新表面。或者使断裂面形成复杂的形状，如条纹、波纹、梳刷纹等。 ? 三、 防止裂纹扩展的措施 1．使作用应力不超过临界应力，裂纹就不会失稳扩展。 ? 2．在材料中设置吸收能量的机构阻止裂纹 扩展。 ⑴ 陶瓷材料中加入塑性粒子或纤维。 ⑵ 人为地造成大量极微细的裂纹（小于临界尺寸）能吸收能量，阻止裂纹扩展。 如韧性陶瓷，在氧化铝中加入氧化锆。利用氧化锆的相变产生体积变,形成大量微裂纹或挤压内应力，提高材料的韧性。 虽然材料在短时间内可以承受给定的使用应 力而不断裂，但如果负荷时间足够长，仍然会在 较低应力下破坏，即材料断裂强度取决于时间。 裂纹除快速失稳扩展外，还会在使用应力下，随时间的推移而缓慢扩展。这种缓慢扩展也叫亚临界生长，或称静态疲劳。 例如：同样材料负荷时间 t1＞t2＞t3 ，则 断裂强度 第六节 材料中裂纹的亚临界生长 下面介绍裂纹缓慢生长的本质。 ? 一、应力腐蚀理论 实质：在一定的环境温度和应力场强 度因子作用下，材料中关键裂纹尖端处裂 纹扩展动力与裂纹扩展阻力的比较，构成 裂纹开裂或止裂的条件。 这一理论的出发点是