无机非金属材料物理性能PPT学习教案

1、会计学1 无机非金属材料物理性能无机非金属材料物理性能 第1页/共61页 Titanic 近代船用钢板近代船用钢板 第2页/共61页 第3页/共61页 2.12.1脆性断裂脆性断裂 断裂：断裂：塑性断裂塑性断裂( (延性或韧性断裂延性或韧性断裂) )和脆性断和脆性断 裂两种类型。裂两种类型。 塑性断裂：塑性断裂：在断裂时伴有宏观上的塑性变形在断裂时伴有宏观上的塑性变形 。 第4页/共61页 脆性断裂：脆性断裂：有些材料在应力未达到强度极限有些材料在应力未达到强度极限 时就会突然断裂。不仅是脆性材料才会产生时就会突然断裂。不仅是脆性材料才会产生 这种断裂，材料内部存在微裂纹，或者某些这种断裂，材

2、料内部存在微裂纹，或者某些 材料在低温下受到冲击等都有可能产生脆性材料在低温下受到冲击等都有可能产生脆性 断裂。断裂。 断裂发生在弹性断裂发生在弹性 应变状态下，没应变状态下，没 有经过塑性形变有经过塑性形变 阶段而直接形成阶段而直接形成 的断裂。的断裂。 第5页/共61页 脆性断裂的特点：脆性断裂的特点： 1)1)断裂前无明显的预兆断裂前无明显的预兆; ; 2)2)断裂处往往存在一定的缺陷断裂处往往存在一定的缺陷( (裂纹，伤裂纹，伤 痕痕);); 3)3)由于缺陷的存在，实际断裂强度远远小由于缺陷的存在，实际断裂强度远远小 于理论强度于理论强度. . 脆性断裂的微观过程：脆性断裂的微观过程

3、： 突发性裂纹扩展；突发性裂纹扩展； 裂纹的缓慢生长。裂纹的缓慢生长。 第6页/共61页 断裂现象：断裂现象： 1)1)金属类：先是弹性形变，然后是塑性变金属类：先是弹性形变，然后是塑性变 形，直到断裂。形，直到断裂。 2)2)高分子类：先是弹性形变高分子类：先是弹性形变( (很大很大) )，然后，然后 是塑性变形，直到断裂。是塑性变形，直到断裂。 3)3)无机材料类：先是弹性形变无机材料类：先是弹性形变( (较小较小) )，然，然 后不发生塑性变形后不发生塑性变形( (或很小或很小) )，直到断裂，直到断裂 。 第7页/共61页 2.22.2理论结合强度理论结合强度 2.2.12.2.1能量

4、守衡模型能量守衡模型 固体受外功作用而变形，在变形过程中，固体受外功作用而变形，在变形过程中， 外力所作的功转变为储存于固体内的能量外力所作的功转变为储存于固体内的能量 。断裂时，断裂时，应变能应变能提供了新生断面所需的提供了新生断面所需的 表面能。表面能。 thx/2=2 th=E(x/r0) th=2( E/r0)1/2 th 第8页/共61页 以应力以应力应变正弦函数曲线的形式近似的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。描述原子间作用力随原子间距的变化。 = thsin(2 x/ ) 2.2.22.2.2奥罗万模型奥罗万模型 U=S S 第9页/共61页 理论结

5、合强度：理论结合强度： 通常，通常，约为约为aE/100， th=E/10 对于大部分实际材料来说，其理论结合强对于大部分实际材料来说，其理论结合强 度与实际材料有一定的差异。度与实际材料有一定的差异。 - Griffith微裂纹理论 th=2( E/r0)1/2 高强度的固体必须 要求E、大，a小 第10页/共61页 材料材料 Th Kg/mm2 c th/ c Al2O3晶须晶须500015403.3 铁晶须铁晶须300013002.3 奥氏型钢奥氏型钢20483206.4 硼硼348024014.5 Si3N4热压热压385010038.5 玻璃玻璃69310.566.0 断裂强度理论值

6、和测定值断裂强度理论值和测定值 第11页/共61页 * *理论剪切强度理论剪切强度 剪切应力与位移的关系：剪切应力与位移的关系： = th sin(2 x/b),当当x10 材料为塑性，断裂前已材料为塑性，断裂前已 出现显著的塑性流变；出现显著的塑性流变； th / th 1 材料为脆性；材料为脆性； th / th =5 需参考其他因素作判断需参考其他因素作判断 。 第13页/共61页 2.3 Griffith2.3 Griffith微裂纹理论微裂纹理论 2.3.1 Inglis2.3.1 Inglis断裂理论断裂理论 第14页/共61页 不管孔洞是椭圆还 是菱形，只要孔洞 的长度(2C)和

7、端部 曲率半径相同，则A 点的应力差别不大 。 弹性理论基础弹性理论基础- -平板弯曲平板弯曲 第15页/共61页 第16页/共61页 第17页/共61页 实际材料中总是存在许多细小的裂纹或缺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，这些裂纹或缺陷附近陷，在外力作用下，这些裂纹或缺陷附近 会产生应力集中的现象。当应力大到一定会产生应力集中的现象。当应力大到一定 程度时，裂纹开始扩展而导致材料断裂。程度时，裂纹开始扩展而导致材料断裂。 物体内储存的弹性应变能的降低，大于等物体内储存的弹性应变能的降低，大于等 于产生由于开裂形成两个新表面所需的表于产生由于开裂形成两个新表面所需的表

8、面能，就会造成裂纹的扩展，反之，则裂面能，就会造成裂纹的扩展，反之，则裂 纹不会扩散。纹不会扩散。 2.3.2 Griffith2.3.2 Griffith断裂理论断裂理论 第18页/共61页 临界应力的推导：临界应力的推导： We1=(1/2) Fl P33P33 第19页/共61页 在微小位移d(l)上外力做的功dW=(Fi+1/2dF)dl 第20页/共61页 dW=(Fi+1/2dF)dl dW=Fidl 第21页/共61页 第22页/共61页 第23页/共61页 P34P34 第24页/共61页 2 2 第25页/共61页 重要意义：重要意义： 它建立了工作应力、裂纹长度和材料性能常

9、它建立了工作应力、裂纹长度和材料性能常 数之间的关系，解释了脆性材料强度远低于数之间的关系，解释了脆性材料强度远低于 其理论强度的现象，为断裂力学奠定了理论其理论强度的现象，为断裂力学奠定了理论 基础。基础。 理论适合应用：玻璃、陶瓷这类脆性材料。理论适合应用：玻璃、陶瓷这类脆性材料。 延展性材料：延展性材料： 第26页/共61页 2.4.12.4.1裂纹扩展方式裂纹扩展方式 2.42.4应力场强度因子和平面应变断裂韧性应力场强度因子和平面应变断裂韧性 第27页/共61页 第28页/共61页 2.4.22.4.2裂纹尖端的应力场分析裂纹尖端的应力场分析 假设在离裂纹顶点为假设在离裂纹顶点为r

10、r，与裂纹面夹角为，与裂纹面夹角为 （角坐标）处有一面单元（角坐标）处有一面单元dx,dydx,dy，则作用在面上的应力分量为，则作用在面上的应力分量为x,y,xyx,y,xy。由于是薄板穿透裂纹。由于是薄板穿透裂纹A A点的三个应力分量，属平面应力问题，故：点的三个应力分量，属平面应力问题，故：z = 0z = 0，yz = xz = 0yz = xz = 0 A A 第29页/共61页 rc, 0r 断裂韧性断裂韧性K KIC IC 是材料固有的性能，也是材料的组成和显是材料固有的性能，也是材料的组成和显 微结构的函数微结构的函数, ,是材料抵抗裂纹扩展的阻力是材料抵抗裂纹扩展的阻力 因素

11、。与裂纹的大小、形状以及外力无关因素。与裂纹的大小、形状以及外力无关 。随着材料的弹性模量和断裂能的增加而。随着材料的弹性模量和断裂能的增加而 提高。提高。 2.4.32.4.3断裂韧性断裂韧性K KC C 应力场强度因子K随外应力而 增大(K=Yc)，当外应力 大到一定的程度时，裂纹达到 失稳定状态，会迅速扩展，直 到断裂，这时的应力场强度因 子K叫断裂韧性(应力场强度 因子极限)，只有当材料的场强 因子小于断裂韧性时，材料才 是安全的。 断裂韧性与其它韧性性能一样，综合反 映了材料的强度和塑性，在防止低应力 脆断选用材料时，根据材料的断裂韧性 指标，可以对构件允许的工作应力和裂 纹尺寸进行

12、定量计算。因此，断裂韧性 是断裂力学认为能反映材料抵抗裂纹失 稳扩展能力的性能指标，对构件的强度 设计具有十分重要的意义-本征参数 第33页/共61页 应用应用 已知应力，材料，确定结构安全的最大裂已知应力，材料，确定结构安全的最大裂 纹长度纹长度 2 IC c K a Y 已知裂纹长度，材料，确定结构安全已知裂纹长度，材料，确定结构安全 的最大应力的最大应力 IC c K Ya 第34页/共61页 已知应力，裂纹长度，确定结构安已知应力，裂纹长度，确定结构安 全的材料全的材料 IIC KYaK 断裂韧度是用高强度钢制造的飞机、导弹断裂韧度是用高强度钢制造的飞机、导弹 和火箭的零件，及用中低强

13、度钢制造气轮和火箭的零件，及用中低强度钢制造气轮 机转子、大型发电机转子等大型零件的重机转子、大型发电机转子等大型零件的重 要性能指标。要性能指标。 第35页/共61页 影响断裂韧性的因素影响断裂韧性的因素 成分组织结构成分组织结构 a.a.化学成分化学成分 b.b.晶粒尺寸晶粒尺寸 c.c.夹杂及第二相夹杂及第二相 镁是最有效的韧化元镁是最有效的韧化元 素，它不仅改善钢的素，它不仅改善钢的 断裂韧性，还能有效断裂韧性，还能有效 地降低冷脆转化温度地降低冷脆转化温度 。 细化晶粒，裂纹扩细化晶粒，裂纹扩 展时所消耗的能量展时所消耗的能量 越多越多 夹杂物提高或降低夹杂物提高或降低 断裂韧性：脆

14、性相断裂韧性：脆性相 时时，韧性相时，韧性相时 第36页/共61页 提高材料的断裂韧性提高材料的断裂韧性 第37页/共61页 第38页/共61页 冲击韧性冲击韧性 冲击吸收功：冲击吸收功：A Ak k=mg(h-h) 冲击韧性：冲击韧性：A AK K/S/S 101055mm的试样（长度方向的中间处有 “U”型或“V”型缺口，缺口深度2mm） 第39页/共61页 韧脆转变温度韧脆转变温度 材料的冲击韧性随温材料的冲击韧性随温 度下降而下降。在某度下降而下降。在某 一温度范围内冲击韧一温度范围内冲击韧 性值急剧下降的现象性值急剧下降的现象 称称韧脆转变韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称。发生韧脆

15、转变的温度范围称 韧脆转变温度韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧。材料的使用温度应高于韧 脆转变温度。脆转变温度。 韧 第40页/共61页 断裂韧性的测试方法断裂韧性的测试方法 单边切口梁法单边切口梁法(SENB) (SENB) 第41页/共61页 第42页/共61页 第43页/共61页 压痕法压痕法 测试试样表面先抛光成测试试样表面先抛光成 镜面，在显微硬度仪上，镜面，在显微硬度仪上， 以以10Kg10Kg负载在抛光表面负载在抛光表面 用硬度计的锥形金刚石用硬度计的锥形金刚石 压头产生一压痕，这样在压痕的四个压头产生一压痕，这样在压痕的四个 顶点就产生了预制裂纹。根据压痕载顶点就产生了预制

16、裂纹。根据压痕载 荷荷P P和压痕裂纹扩展长度和压痕裂纹扩展长度C C计算出断裂计算出断裂 韧性数值韧性数值 第44页/共61页 断裂（弯曲）强度的测试断裂（弯曲）强度的测试 三点弯曲：三点弯曲： 四点弯曲：四点弯曲： f=3PL/2bh2 f=3P(L-l)/2bh2 实验条件：实验条件： 测试误差：测试误差： P40 第45页/共61页 经典强度理论与断裂力学强度理论比较经典强度理论与断裂力学强度理论比较 经典强度理论经典强度理论 断裂强度理论断裂强度理论 断裂准则：断裂准则： f/n ( ys /n) KI KIC 有一构件，实际使用应力为有一构件，实际使用应力为1.30GPa,1.30

17、GPa,有下有下 列两种钢供选：列两种钢供选： 甲钢甲钢： ys =1.95GPa, KIC =45Mpam 12 乙钢乙钢： ys =1.56GPa, KIC =75Mpam 12 第46页/共61页 第47页/共61页 P54P54 第48页/共61页 动力：动力：由裂纹扩展单位面积所降低的弹性由裂纹扩展单位面积所降低的弹性 应变能。应变能。 2.4.42.4.4裂纹扩展的动力与阻力裂纹扩展的动力与阻力 第49页/共61页 阻力：阻力：K KIC IC 或 或 22 内裂的薄板为例内裂的薄板为例 KI=1/2c1/2. 当为临界值时，当为临界值时， 有有KIC=1/2cc1/2, 故故KI

18、C2= c2c 代入代入P55:3-16 第50页/共61页 2.52.5裂纹的起源与扩展裂纹的起源与扩展 2.5.12.5.1裂纹的起源裂纹的起源 1)1)材料结构中存在缺陷，当受外力时，在材料结构中存在缺陷，当受外力时，在 这些缺陷处引起应力集中，导致裂纹产生这些缺陷处引起应力集中，导致裂纹产生 。 位错：位错： 2)2)材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表 面裂纹。面裂纹。 第51页/共61页 3)3)热应力形成裂纹。热应力形成裂纹。 第52页/共61页 冰裂纹釉 宋朝五大名窑之一的哥窑就是以烧制纹片釉著称 第53页/共61页 第54页/共61页 2.5.22.5.2裂纹的扩展裂纹的扩展 超过临界状态后，多余能量的去向：超过临界状态后，多余能量的去向： 裂纹的加速扩展；裂纹的加速扩展； 裂纹的繁殖；裂纹的繁殖； 形成复杂的断面。形成复杂的断面。 一旦G Gc时，裂纹发生扩展，且 由于裂纹扩展，使裂纹长度增大， 从而又增大裂纹扩展力，其结果则 会使裂纹的扩展越来越剧烈，加速 扩展进行，并产生分枝状的新表面 ，以吸收多余的能量。 第55页/共61页 2.62.6显微结构对材料脆性断裂的影响显微结构对材料脆性断裂的影响 2.6.12.6.1晶粒尺寸晶粒尺寸 对于多晶材料：对于多晶材料： 当