第二章--材料的脆性斷裂與強(qiáng)度

1、第二章材料的脆性斷裂與強(qiáng)度21脆性斷裂現(xiàn)象一、彈、粘、塑性形變在第一章中已闡述的一些基本概念。1彈性形變正應(yīng)力作用下產(chǎn)生彈性形變，剪彩應(yīng)力作用下產(chǎn)生彈性畸變。隨著外力的移去，這兩種形變都會(huì)完全恢復(fù)。2塑性形變是由于晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)滑移產(chǎn)生。晶體部分將選擇最易滑移的系統(tǒng)(當(dāng)然，對陶瓷材料來說，這些系統(tǒng)為數(shù)不多)，出現(xiàn)晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)滑移，宏觀上表現(xiàn)為材料的塑性形變。3粘性形變無機(jī)材料中的晶界非晶相，以及玻璃、有機(jī)高分子材料則會(huì)產(chǎn)生另一種變形，

2、稱為粘性流動(dòng)。塑性形變和粘性形變是不可恢復(fù)的永久形變。4蠕變：當(dāng)材料長期受載，尤其在高溫環(huán)境中受載，塑性形變及粘性形變將隨時(shí)間而具有不同的速率，這就是材料的蠕變。蠕變的后當(dāng)剪應(yīng)力降低(或溫度降低)時(shí)，此塑性形變及粘性流動(dòng)減緩甚至終止。蠕變的最終結(jié)果：①蠕變終止；②蠕變斷裂。二脆性斷裂行為斷裂是材料的主要破壞形式。韌性是材料抵抗斷裂的能力。材料的斷裂可以根據(jù)其斷裂前與斷裂過程中材料的宏觀塑性變形的程度，把斷裂分為脆性斷裂與韌性斷裂。1脆性

3、斷裂脆性斷裂是材料斷裂前基本上不產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，沒有明顯預(yù)兆，往往表現(xiàn)為突然發(fā)生的快速斷裂過程，因而具有很大的危險(xiǎn)性。因此，防止脆斷一直是人們研究的重點(diǎn)。2韌性斷裂韌性斷裂是材料斷裂前及斷裂過程中產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂過程。韌性斷裂時(shí)一般裂紋擴(kuò)展過程較慢，而且要消耗大量塑性變形能。一些塑性較好的金屬材料及高分子材料在室溫下的靜拉伸斷裂具有典型的韌性斷裂特征。3脆性斷裂的原因在外力作用下，任意一個(gè)結(jié)構(gòu)單元上主應(yīng)力面的拉應(yīng)力足夠

4、大時(shí)，尤其在那些高度應(yīng)力集中的特征點(diǎn)(例如內(nèi)部和表面的缺陷和裂紋)附近的單元上，所受到的局部拉應(yīng)力為平均應(yīng)力的數(shù)倍時(shí)，此過分集中的拉應(yīng)力如果超過材料的臨界拉應(yīng)力值時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生裂紋或缺陷的擴(kuò)展，導(dǎo)致脆性斷裂。雖然與此同時(shí)，由于外力引起的平均剪應(yīng)力尚小于臨界值，不足以產(chǎn)生明顯的塑性變形或粘性流動(dòng)。因此，斷裂源往往出現(xiàn)在材料中應(yīng)力集中度很高的地方，并選擇這種地方的某一個(gè)缺陷(或裂紋、傷痕)而開裂。各種材料的斷裂都是其內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的結(jié)果。因而，

5、每種材料抵抗裂紋擴(kuò)展能力的高低，表示了它們韌性的好壞。韌性好的材料，裂紋擴(kuò)展困難，不易斷裂。脆性材料中裂紋擴(kuò)展所需能量很小，容易斷裂；韌性又分?jǐn)嗔秧g性和沖擊韌性兩大類。斷裂韌性是表征材料抵抗其內(nèi)部裂紋擴(kuò)展能力的性能指標(biāo)；沖擊韌性則是對材料在高速?zèng)_擊負(fù)荷下韌性的度量。二者間存在著某種內(nèi)在聯(lián)系。三突發(fā)性斷裂與裂紋的緩慢生長裂紋的存在及其擴(kuò)展行為，決定了材料抵抗斷裂的能力。1突發(fā)性斷裂斷裂時(shí)，材料的實(shí)際平均應(yīng)力尚低于材料的結(jié)合強(qiáng)度(或稱理論結(jié)

6、合強(qiáng)度)。在臨界狀態(tài)下，斷裂源處的裂紋尖端所受的橫向拉應(yīng)力正好等于結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，裂紋產(chǎn)生突發(fā)性擴(kuò)展。一旦擴(kuò)展，引起周圍應(yīng)力的再分配，導(dǎo)致裂紋的加速擴(kuò)展，出現(xiàn)突發(fā)性斷裂，這種斷裂往往并無先兆。3)理論強(qiáng)度?????2th(2.3)對于接近平衡距離（原子間距）a的曲線起始部分，即圖2.1中的平衡位置O的區(qū)域，曲線可以用直線代替，服從虎克定律EaxE?????(2.4)(因?yàn)?LL???)式中，a為原子間距。x很小時(shí)?????x2x2sin(2

7、.5)將(23)，(24)和(25)式代入(21)式，得??????????????????????x2x2x2x2sin2thththththaExEaxxth????????????(2.6)式中，a為晶格常數(shù)，隨材料而異。由此可見，理論結(jié)合強(qiáng)度只與彈性模量、表面能和晶格距離等材料常數(shù)有關(guān)。(26)式雖是粗略的估計(jì)，但對所有固體均能應(yīng)用而不涉及原子間的具體結(jié)合力。通常γ約為aE／100，這樣(26)式可寫成10E100EaaEth?

8、????（2.7）上式是粗略估算，更精確的計(jì)算說明(26)式的估計(jì)稍偏高?！悴牧闲阅艿牡湫蛿?shù)值為：E=300GPa，γ=1J／m2，a=31010m，代入(26)式算出10EGPa30th???3討論從式（2.6）可知，要得到高強(qiáng)度的固體，就要求E和γ大，a小。實(shí)際材料中只有一些極細(xì)的纖維和晶須其強(qiáng)度接近理論強(qiáng)度值。例如熔融石英纖維的強(qiáng)度可達(dá)241GPa，約為E／4，碳化硅晶須強(qiáng)度647GPa，約為E／23，氧化鋁晶須強(qiáng)度為152GP

9、a，約為E／33。尺寸較大的材料的實(shí)際強(qiáng)度比理論值低得多，約為E／100一E／1000，而且實(shí)際材料的強(qiáng)度總在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，即使是用同樣材料在相同的條件下制成的試件，強(qiáng)度值也有波動(dòng)。一般試件尺寸大，強(qiáng)度偏低。為了解釋玻璃、陶瓷等脆性材料的實(shí)際斷裂強(qiáng)度和理論強(qiáng)度之間的差異，1920年Griffith提出了微裂紋理論，后來經(jīng)過不斷的發(fā)展和補(bǔ)充，逐漸成為脆性斷裂的主要理論基礎(chǔ)。23Griffith微裂紋理論一Griffith微裂紋理論要點(diǎn)G

10、riffith認(rèn)為脆性材料發(fā)生斷裂所需的能量在材料中的分布是不均勻的，實(shí)際材料中總是存在許多細(xì)小的裂紋或缺陷，在外力作用下，這些裂紋和缺陷附近產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)名義應(yīng)力還很低時(shí)，局部應(yīng)力集中已經(jīng)達(dá)到很高的數(shù)值，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，裂紋開始擴(kuò)展，最后導(dǎo)致脆性斷裂。所以斷裂過程中表面的分離是逐漸發(fā)生的，裂紋擴(kuò)展的結(jié)果，而不是兩部分晶體同時(shí)沿整個(gè)界面拉斷。從此概念出發(fā)，繼而需要進(jìn)行兩種探討：①直接考察裂紋端部附近的應(yīng)力集中；②考察裂紋的裂