课件：材料的脆性断裂与强度.ppt

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,第二章 材料的脆性断裂与强度,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。,一 弹、粘、塑性形变,弹性形变（畸变）：正应力、剪应力作用下可以恢复的形变。（一般固体材料）,塑性形变：晶粒内部的位错滑移不可恢复的 永久形变（晶体材料）,粘性形变：不可恢复永久形变（无机材料中非晶相、玻璃、有机高分子材料、金属材料等）,第一节 脆性断裂现象,条件：在外力作用下，在高度应力集中点（内部和表面的缺陷和裂纹）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。,二 脆性断裂行为,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。,三 突发性断裂与裂纹缓慢生长,当裂纹尖端处的横向拉应力尚不足以引起扩展，但在长期受力情况下（周围高温或腐蚀性气体），会出现裂纹的缓慢生长。,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。,Orowan（奥罗万）提出了以正弦曲线来近似原子间约束力随原子间的距离X的变化曲线（见图2.1）。,第二节 理论结合强度,得出：,式中， 为理论结合强度， 为正弦曲线的波长。 材料断裂时，将产生两个新表面；使单位面积原子平面分开所做的功等于产生两个新表面所需的表面能。,设分开单位面积原子平面所作的功为 ，则,设材料形成新表面的表面能为 （这里是断裂表面 能，不是自由表面能），则 ， 即,在接近平衡位置O的区域，曲线可以用直线代替（弹性形变），服从虎克定律：,可见，理论结合强度只与弹性模量，表面能和晶 格距离等材料常数有关。 通常， 约为 ，这样，,为原子间距, 很小时,因此，得：,要得到高强度的固体，就要求 和 大， 小。,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 裂的主要理论基础。 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 力达到一定程度时，裂纹开始扩展,最终导致断裂。,第三节 Griffith微裂纹理论,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,式中， 为外加应力。,如果 ，即为扁平的锐裂纹，则 很大，这 时可略去式中括号内的1，得：,当 , 裂纹扩 展， 增大 增加断裂 。,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表面所需的表面能，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。,二 裂纹扩展的临界条件,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:,b.人为地在板上割出一条长度为2c的裂纹，产生两 个新表面，此时，板内储存的应变能为:,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：,c. 应变能降低,如为厚板，则属于平面应变状态，则，,另外，产生长度为 2c，厚度为 1 的两个新断面所需的表面能为：,式中 为单位面积上的断裂表面能，单位为 。,临界条件的分析： 欲使裂纹扩展，应变能降低的数量应等于形成新表面所需的表面能。,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 ； 形成新的单位表面积所需的表面能为 ，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。,又因为 =,因此，临界条件为：,临界应力：,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。,如果是平面应变状态，,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 的表面能大很多（几个数量级）。,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,第四节 应力场强度因子和平面应变断裂韧性,裂纹的三种扩展方式或类型 型（掰开型）张开或拉伸型：裂纹表面直 接分开。 型（错开型）滑开或面内剪切型：两个裂 纹表面在垂直于裂纹前缘的方向上相对滑动。 型（撕开型）外剪切型：两个裂纹表面在 平行于裂纹前缘的方向上相对滑动。,其中最危险的是张开型，一般在计算时，按最危险的计算。 裂纹长度与断裂应力的关系： k 是与材料、试件尺寸、形状、受力状态 等有关的系数. 说明，断裂应力受现有的裂纹长度制约,二 裂纹尖端应力场分布,1957年lrwin欧文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，对型裂纹得到如下结果（图2.6）。,式中 与外加应力，裂纹长度，裂纹种类和受力 状态有关的系数，称为应力场强度因子。单位为,上式可写成 式中 r 为半径向量，q 为角坐标。 当 r c ， q0 时，即为裂纹尖端处的一点。 是裂纹扩展的主要动力,三. 应力场强度因子及几何形状因子,为几何形状因子，它和裂纹型式，试件几何形状有关。,是反映裂纹间断应力场强度的强度因子,将 换成,应力场强度因子有如下的特性： a) 应力场强度因子仅与荷载与裂纹几何尺寸有关，而与坐标无关。 b)裂纹顶端附近的应力和位移分布，完全由应力场强度因子来确定。,c) 应力场强度因子是裂纹顶端应力场大小的比例因子，因为应力分量正比于应力强度因子。,求 的关键在于求Y： 大而薄的板，中心穿透裂纹， 大而薄的板，边缘穿透裂纹， 三点弯曲切口梁： s/w=4 时,图2.7列举出几种情况下的Y值:,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。,自学,柔度标定法求Y几何形状因子 线弹性计算公式对试件尺寸的要求 断裂韧性的测试方法,一、 裂纹的起源 1 形成原因 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。,第五节 裂纹的起源与快速扩展,位错塞积,位错交截, 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。 由于热应力形成裂纹 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。 高温迅速冷却，内外温度差引起热应力。 温度变化发生晶型转变，体积发生变化。,各种制备工艺引入的缺陷类型,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,2G 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。 陶瓷材料中加入塑性粒子或纤维。 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。,莫来石晶须,莫来石棒状晶,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 t1t2t3 ，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考虑材料长期暴露在腐蚀性环境介质中。 裂纹尖端处的高度应力集中，导致较大的裂纹扩展动力。 在裂纹尖端处的离子键受到破坏，吸收了表面活性物质（H2O，OH以及极性液体或气体）使材料的自由表面能降低，即裂纹的扩展阻力降低。, 若新开裂表面的断裂表面，因没来得及 被介质腐蚀，其表面能仍然大于裂纹 扩展动力，裂纹立即止裂。 周而复始，形成宏观上的裂纹缓慢生 长。 由于裂纹长度缓慢地增加，使得应力场 强度因子也缓慢增大，一旦达到 值，立即发生快速扩展而断裂。,2019/4/24,68,可编辑,二、高温下裂纹尖端的应力空腔作用,1. 多晶多相陶瓷在高温下长期受力的作用时，晶界玻璃相的结构粘度下降，由于该处的应力集中，晶界处于甚高的局部拉应力状态，玻璃相则会发生蠕变或粘性流动，形变发生在气孔，夹层，晶界层，甚至结构缺陷中，形成空腔。,2这些空腔沿晶界方向长大，联通形成次裂纹，与主要裂纹汇合就形成裂纹的缓慢扩展。 三、亚临界裂纹生长速率与应力场强度因 子的关系 起始不同的 ，随时间的推移，会由于裂纹的不断增长而缓慢增大。 反映裂纹生长的速率，,v 随 的增大而变大，经大量实验，v 与 的关系可表示为： 或者 式中 : c为裂纹的瞬时长度，A、B 是由材料本质及环境条件决定的常数。,上式用波尔兹曼因子表示为： 式中: 为频率因子， 为断裂激活能，与作用应力无关，与环境和温度有关， n为常数，与应力集中状态下受到活化的区域的大小有关， R为气体常数，T为热力学温度。,lnv 与 的关系如图2.11 所示。, 第一区：随 增加， 将因环境影响而下降（因应力腐蚀），lnv增加与 成直线关系。 第二区：原子及空位的扩散速度腐蚀介质扩散速度，使得新开裂的裂纹端部没有腐蚀介质， 提高，抵消了 增加对lnv 的影响，表现为lnv不 随变化。 第三区： 增加到一定值时不再增加，这样， 将越来越大，lnv又迅速增加。,大多数氧化物陶瓷由于含有碱性硅 酸盐玻璃相，通常有疲劳现象。疲劳过 程受加载速率的影响。加载速率越慢， 裂纹缓慢扩展的时间较长。在较低的应 力下就能达到临界尺寸。,四、 蠕变断裂 1. 定义：多晶材料一般在高温环境中，在恒定应力作用下，由于形变不断增加而断裂，称为蠕变断裂。 主要的形变：晶界滑动 主要断裂形式：沿晶界断裂,沿晶断裂与穿晶断裂,2 蠕变断裂机理 粘性流动理论 高温下晶界玻璃相粘度降低，在剪应力作用下发生粘性流动，如果在晶界处应力集中使相邻晶粒发生塑性形变而滑移，则将使应力驰豫，宏观上表现为高温蠕变。如果不能使邻近晶粒发生塑性形变，则应力集中将使晶界处产生裂纹，这种裂纹逐步扩展导致断裂。, 空位聚集理论 在应力及热振动作用下，受拉的晶界上 空位浓度大大增加，空位大量聚集，形成可 观的真空空腔并发展成微裂纹，这种微裂纹 逐步扩展联通导致断裂。 蠕变断裂取决于温度和外应力。温度越高应力越小，蠕变断裂所需时间越长。 蠕变断裂是一种高温下，较低应力水平的亚临界裂纹扩展。,一、晶粒尺寸 大量试验证明：晶粒越小，强度越高。 断裂强度 与晶粒直径 d 的平方根成反比: 式中， 和 为材料常数 如果起始裂纹受晶粒限制，其尺度与晶粒度相当,则脆性断裂与晶粒度的关系为:,第七节 显微结构对材料脆性断裂的影响,1多晶材料中，由于晶界比晶粒内部弱，破坏多沿晶界断裂。 2细晶材料的晶界比例大，沿晶界破坏时，裂纹的扩展要走迂回曲折的道路，晶粒越细，此路程越长。 3若初始裂纹尺寸与晶粒度相当，晶粒越细，初始裂纹尺寸就越小，这样就提高了临界应力。,二、气孔的影响 断裂强度与气孔率的P关系: n 为常数，一般为47； 为没有气孔时 的强度。 1气孔不仅减小了负荷面积，而且在气孔邻近区域应力集中，减弱了材料的负荷能力。,2在高应力梯度时，气孔能容纳变形，阻止裂纹扩展的作用。 综合考虑晶粒尺寸和气孔率的影响,前言 材料强度的本质是内部质点间的结合力，从对材料的形变及断裂的分析可知，在晶体结构稳定的情况下，控制强度的主要参数有三个，即弹性模量E，断裂功（断裂表面能）g 和裂纹尺寸C。其中E是非结构敏感的， g 与微观结构有关，但影响不大。唯一可以控制的是材料中的微裂纹，因此，提高无机材料强度，改进材料韧性，从消除缺陷和阻止其发展着手。,第八节 提高无机材料强度改进材料韧性的途径,一、 微晶、高密度与高纯度 提高晶体的完整性，细、密、匀、纯是重要方面。 纤维材料：将块体材料制成细纤维，强度大约提高一个数量级。 晶须：将块体材料制成晶须，强度约提高两个数量级。原因是提高了晶体的完整性， 晶须强度随晶须截面直径的增加而降低。,纤维的作用：高强度和高模量的纤维能为基体分担大部分外加应力，也可阻碍裂纹的扩展，并能在局部纤维发生断裂时以拔出功的形式消耗部分能量，起到提高断裂能并克服脆性的效果。 纤维复合材料的性能取决于纤维和基体的本性、复合配比、两者的化学相容性和结合强度，即纤维在基体中的分布和排列等。,碳纤维和几种无机材料的弹性模量比,纤维的弹性模量小于基体的弹性模量，纤维所承受的载荷较小，复合材料的强度不可能提高。高弹性模量的纤维可获得更好补强效果。 例如:SiC纤维与CVDSiC基体的复合材料 纤维与基体的热膨胀匹配 纤维与基体的化学相容性 C纤维/SiO2玻璃/SiC, B纤维/PbO玻璃、SiC纤维/PbO玻璃,二、提高抗裂能力与预加应力 脆性断裂通常是在拉应力作用下，自 表面开始断裂。如果在表面造成一层残余 压应力层，则在材料使用过程中，表面受 到拉伸破坏之前首先要克服表面上残余压 应力。, 通过加热、冷却，在表面层中人为引 入残余压应力过程叫做韧化。这种技术 广泛应用于制造安全玻璃（钢化玻璃）。 过程：将玻璃加热到转变温度以上，熔点以 下淬冷。表面立即冷却，内部处于熔 融状态。此时表面受拉，内部受压，因 内部呈软化状态不会破坏，继续冷却中 ，内部将比表面以更大的速率收缩， 使表面受压，内部受拉，结果在面形成 残留应力。见图2.12。, 利用表面与内部的热膨胀系数不同，也可以达到预加应力的效果。 三、 化学强化 如果要求表面残余压应力更高，可采用化学强化（离子交换）的方法。通过改变表面化学的组成，使表面的摩尔体积比内部的大，由于表面体积膨胀受到内部材料的限制，就产生两向状态的压应力。,这种表面压力和体积变化的关系如下： 方法：用一种大的离子置换小的离子 应力分布：压力层的厚度为数百微米， 表面压应力与内部拉应力之 比可达数百倍。,四、相变增韧 利用多晶多相陶瓷中某些相成份在不 同温度的相变，从而增韧的效果，称为相 变增韧。 如ZrO2的相变增韧由四方相转变成单斜 相，体积增大3-5%。（马氏体相变）,马氏体相变的特点： 相变前后无成分变化； 原子的配位不变； 原子的位移不超过一个原子间距； 无热、无扩散、相变激活能小，转变速度快，以近似于声波传播的速度进行，比裂纹扩展速度大23倍，为吸收断裂能和增韧提供必要条件。 相变伴随有体积变化-高温相向低温相转化引起体积膨胀。 相变具有可逆性，并受外界因素（温度、应力等）的 影响，相变发生于一个温度区间内，或相变温度而不是一个特定的温度点。,影响ZrO2相变的因素： 1） ZrO2颗粒在基体中相变的能量条件 在基体中，四方ZrO2是高温稳定相，单斜ZrO2是低温稳定相 在低于相变温度的条件下，由于受到基体约束力的抑制，未转化的四方ZrO2相保持其介稳状态； 当基体的约束力在外力作用下减弱或消失，粒子从高能态转化为低能态的单斜相（发生相变），并在基体中引起微裂纹，吸收主裂纹扩展的能量。,五、弥散增韧 在基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微 细粉料达到增韧的效果，成为弥散增韧。 1方式 金属粉末 加入陶瓷基体，以其塑性变形来吸收弹性应变能的释放量，从而增加断裂表面能。,AlSiC Metal Matrix Composite,金属对材料的增韧具备如下条件： 在显微结构方面金属相与无机相能否均匀分散成彼此交错的网络结构，决定着能否在裂纹尖端区域起到吸收部分能量的作用。 金属对材料具有很好的润湿性。否则，材料自成为连续相，金属成为分散于基体中的粒子，材料的力学行为仍为陶瓷相所控制，脆性改善有限。 有希望的系统：ZrO2TaW系统, (CrAl)2O3CrMoW系统。 此种复合材料的缺点：金属在高温下，易氧化会损害材料的耐热性。, 非金属颗粒 与基体颗粒均匀混合，在烧结或热压时 多半存在与晶界相中，以高弹性模量和高 温强度增加整体的断裂表面能。特别是高 温断裂韧性。,2、增韧颗粒最佳体积分数和均匀弥散程度 体积分数越高，增韧效果越好，但过高，将会导致微裂纹的合并，降低增韧效果，甚至恶化材料的性能。体积分数需控制在最佳值。 不均匀的弥散导致基体中局部的粒子含量过高、或不足，均匀弥散是最佳的体积分数发挥作用的前提。,10 复合材料 在一种基体材料中加入另一种粉末材料或纤 维材料制成复合材料是提高强度和改善脆性的有效 措施。 1. 在陶瓷中加入金属粉末制成金属陶瓷，利用金属 的塑性形变吸收一部分能量达到强化。 2. 在陶瓷中加入高弹性模量的纤维，受力时，大部 分应力由纤维承受，减轻了陶瓷的负担，而且纤 维可以阻止裂纹扩展。,纤维的强化作用取决于纤维与基体的性质， 二者的结合强度以及纤维在基体中的排列方式等。 为了达到强化的目的，必须注意下列几个原则： 1纤维层尽可能多地承担外加负荷，选择 强度及弹性模量比基体高的纤维； 2二者结合强度适当，否则基体中所承受 的应力无法传递到纤维上； 3应力作用的方向应与纤维平行，才能发 挥纤维的作用。,纤维排列方式：单向 十字交叉或按一定角度交错 三维空间 1纤维与基体的热膨胀系数匹配。纤维 的热膨胀系数略大于基体。 2二者在高温下的化学相容性。保证在高 温下不发生纤维性能降低的化学反应。,一、连续纤维单向强化复合材料的强度,纤维单向强化复合材料的纤维排列及受力情况,(一） 设纤维与基体的应变相同，即 则 Ec = Ef Vf + EmV