2021/9/25 无机材料的脆性断裂和强度 脆性断裂现象 ·在外力作用下，无机材料首先出现可恢复的弹性形变】 ·在足够大的剪应力作用 美荣籍淡致的茶奖影姿藏为材料的转性形变，这两种形变 ·当材料长期受载，尤其在高温环境中受载，上述塑性形变 材料的蠕变 产生应力 星2器
2021/9/25 1 无机材料的脆性断裂和强度 • 在外力作用下，无机材料首先出现可恢复的弹性形变。 • 在足够大的剪应力作用下(或环境温度较高时)，材料中的 晶体部分将选择最易滑移的系统，出现品较内部的位错滑 移，宏观上表现为材料的塑性形变；无机材料中的晶界非 晶相，以及玻璃、有机高分子材料等非晶态材料，则会产 生粘性流动，宏观上表现为材料的粘性形变。这两种形变 为不可恢复的永久形变。 • 当材料长期受载，尤其在高温环境中受载，上述塑性形变 及粘性形变随时间而具有不同的速率，这就是材料的蠕变。 蠕变的后期或是蠕变终止；或是导致蠕变断裂。 • 在外力作用下，在一些地方（比如缺陷或裂纹）产生应力 集中，超过材料的临界拉应力值，将会产生裂纹或缺陷的 扩展，导致脆性断裂。此时平均剪应力尚小于临界值，不 足以产生明显的塑性变形或粘性流动。 脆性断裂现象
2021/9/25 脆性断裂现象 ·餐纹腐高發料务按等林整费曼杂器 强度)。 ·突发性断裂（瞬时断裂）：在较快速率持续增加的应力下发生 断裂。在临界状态下，断裂源处的裂纹尖端所受的横向拉应力 正好等于结合强度时，裂纹产生突发性扩展。 一旦扩展，引起 樱界密动理外宪失录致裂纹的加速扩展，出现突发性断裂， ·延迟性断裂（或疲劳断裂）：在缓慢速率持续增加的应力，或 理论结合强度 ·固体材料断裂强度理论上可达到的最高值。 ·将预案子间结合力σ与原子间的距离X近似为正弦关系： =Xn2坠 ·将材料拉断时，产生两个新表面，因此使单位面积的原子 平面分开所作的功应等于产生两个单位面积的新表面所需 的表面能.材料才能断裂。此时，分开单位面积原子平面 所作的功为： -∫如2婴4 -[-织]-g 2
2021/9/25 2 • 裂纹的存在及其扩展行为，决定了材料抵抗断裂的能力。断裂 时．材料的实际平均应力尚低于材料的结合强度(或称理论结合 强度)。 • 突发性断裂（瞬时断裂）：在较快速率持续增加的应力下发生 断裂。在临界状态下，断裂源处的裂纹尖端所受的横向拉应力 正好等于结合强度时，裂纹产生突发性扩展。一旦扩展，引起 周围应力的再分配，导致裂纹的加速扩展，出现突发性断裂， 这种断裂往往并无先兆。 • 延迟性断裂（或疲劳断裂）：在缓慢速率持续增加的应力，或 承受恒定应力，或循环应力经过一段事件后发生的断裂。有时 裂纹尖端处的横向拉应力尚不足以引起扩展，但在长期受应力 的情况下，待别是同时处于高温环境中或特殊的环境侵蚀时， 如存在O2 ，H2 ，S02 ，H2 0(汽)等的情况下时，会出现裂纹的缓慢 生长，甚至导致一些材料（比如金属和玻璃）易出现缓慢开裂。 脆性断裂现象 • 固体材料断裂强度理论上可达到的最高值。 • 将预案子间结合力与原子间的距离X近似为正弦关系： • 将材料拉断时，产生两个新表面，因此使单位面积的原子 平面分开所作的功应等于产生两个单位面积的新表面所需 的表面能．材料才能断裂。此时，分开单位面积原子平面 所作的功为： 理论结合强度
2021/9/25 理论结合强度 ·形成的表面的表面能为y,则v=2y 9- -婴 ·在平衡位置附近 0=8e=8 ·将上面最后的三个关系式代入 a-X sin 2ax ·最后得到 E为弹性模量，a为晶格常数。 理论结合强度 ·通常其况下，y约为a/100,所以理论结合强度 0a=0 ·实际材料中只有一些极细的纤维和晶须其强度接近理论强 度值。例如熔融石英纤维的强度约为4，碳化硅晶须强 度约为/23，氧化铝晶须强度为/33。尺寸较大的材料的 实际强度比理论值低得多，约为E/100-E/1000。 实际材料的强度总在一定范围内波动，即使是用同样材料 套相灵的餐树议产的试桥，莲度值他有流动。一校试行 ·主要原因实际材料中存在着裂纹和缺陷-Griffith微裂纹理 论，脆性断裂的理论基础。 3
2021/9/25 3 • 形成的表面的表面能为，则v=2 • 在平衡位置附近 • 将上面最后的三个关系式代入 • 最后得到 E为弹性模量，a为晶格常数。 理论结合强度 • 通常其况下，约为aE/100，所以理论结合强度 • 实际材料中只有一些极细的纤维和晶须其强度接近理论强 度值。例如熔融石英纤维的强度约为E/4，碳化硅晶须强 度约为E/23，氧化铝晶须强度为E/33。尺寸较大的材料的 实际强度比理论值低得多，约为E/100-E/1000。 • 实际材料的强度总在一定范围内波动，即使是用同样材料 在相同的条件下制成的试件，强度值也有波动。一般试件 尺寸大．实测强度低。 • 主要原因实际材料中存在着裂纹和缺陷—Griffith微裂纹理 论，脆性断裂的理论基础。 理论结合强度
2021/9/25 Griffith微裂纹理论 ·实际材料中总是存在许多细小的裂 纹或缺陷，在外力作用下，这些裂 纹和缺陷附近产生应力集中现象。 肖应力达到一定程度时，裂纹开始 扩展而导致断裂。 ·对于一个具有孔洞的板的应力集中， 孔洞端部的应力取决于孔洞的长度 和端部的曲率半径： 图22徽裂纹端部的曲率 g=1+28,p-日 对应于原子闻至 “-小+月 2c为孔洞长度，。为外加应力 Griffith微裂纹理论 =+月 ·如果c>p,为扁平的锐裂纹，此时 -a月 ·p很小，可认为与原子间距数量级相同 =20√ 材料的裂临险方条件为： 如月-s-√ 4
2021/9/25 4 • 实际材料中总是存在许多细小的裂 纹或缺陷，在外力作用下，这些裂 纹和缺陷附近产生应力集中现象。 当应力达到一定程度时，裂纹开始 扩展而导致断裂。 • 对于一个具有孔洞的板的应力集中， 孔洞端部的应力取决于孔洞的长度 和端部的曲率半径： 2c为孔洞长度，为外加应力 Griffith微裂纹理论 • 如果c>>，为扁平的锐裂纹，此时 • 很小，可认为与原子间距数量级相同 • 当A 达到理论结合强度的时，裂纹就被拉开而迅速扩展。 裂纹扩展，c增大, A 又进一步增加。如此恶性循环，导致 材料的断裂。临界应力条件为： Griffith微裂纹理论
2021/9/25 Griffith微裂纹理论 ·从能量角度而言，物体内储存的弹 性应变能大于裂纹开裂形成的两个 新表面所需的表面能，裂纹发生 展，反之，裂纹不扩展 将以单位长度的薄板拉到+A并固 定，储存的弹性能为 长度为性 能变为 W2=1/2(F-F)·M ·弹性能降低了 We=W4-wa=1/2·M 可用于裂纹的扩展 图23裂纹扩微饰界条件的导出 Griffith微裂纹理论 ·对于薄板（平面应力状态） W,= 厚板（平面应变状态） 所=1-内密 ·产生长度为2c,厚度为1的新的断面所需表面能为 W,=4cy ·会<，裂纹不扩展：会>会时，裂纹扩展：临界状态 会袅 5
2021/9/25 5 • 从能量角度而言，物体内储存的弹 性应变能大于裂纹开裂形成的两个 新表面所需的表面能，裂纹发生扩 展，反之，裂纹不扩展 • 将以单位长度的薄板拉到l+l并固 定，储存的弹性能为 • 割出长度为2c的裂纹，储存的弹性 能变为 • 弹性能降低了 可用于裂纹的扩展 Griffith微裂纹理论 • 对于薄板（平面应力状态）， 厚板（平面应变状态） • 产生长度为2c，厚度为1的新的断面所需表面能为 • 时，裂纹不扩展； 时，裂纹扩展；临界状态 Griffith微裂纹理论