无机材料的脆性断裂与强度..

1、第二章第二章 无机材料的脆性断裂与强度无机材料的脆性断裂与强度l第一节第一节 脆性断裂现象脆性断裂现象l第二节第二节 理论结合强度理论结合强度l第三节第三节 GriffithGriffith微裂纹理论微裂纹理论l第四节第四节 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l第五节第五节 裂纹的起源与快速扩展裂纹的起源与快速扩展l第六节第六节 无机材料中裂纹的亚临界生长无机材料中裂纹的亚临界生长l第七节第七节 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l第八节第八节 提高无机材料强度改进材料韧性的途径提高无机材料强度改进材料韧性的途径l第九节第九节 复复合材料合材

2、料l第十节第十节 无机材料的硬度无机材料的硬度第一节 脆性断裂现象材料在外力作用下的表现行为材料在外力作用下的表现行为：形变 断裂材料在外力作用下的行为过程材料在外力作用下的行为过程：弹性形变弹性形变塑性形变塑性形变断裂断裂弹性畸变弹性畸变粘性形变粘性形变高温蠕变高温蠕变脆性断裂脆性断裂韧性断裂韧性断裂蠕变断裂蠕变断裂1 1、断裂的定义、断裂的定义固体材料在力的作用下分成若干部分的现象。固体材料在力的作用下分成若干部分的现象。2 2、断裂的分类、断裂的分类根据断裂前发生塑性形变的情况，分为韧性断裂根据断裂前发生塑性形变的情况，分为韧性断裂和脆性断裂两种。和脆性断裂两种。（1）、韧性断裂（延性断

3、裂）、韧性断裂（延性断裂）是材料在断裂前及断裂过程中经历了明显宏观塑是材料在断裂前及断裂过程中经历了明显宏观塑性形变的过程。性形变的过程。（2）、脆性断裂）、脆性断裂是材料在断裂前没有明显的宏观塑性形变，没有明是材料在断裂前没有明显的宏观塑性形变，没有明显的迹象，往往表现为突发的快速断裂过程。显的迹象，往往表现为突发的快速断裂过程。脆性断裂具有很大的危险性！脆性断裂具有很大的危险性！20022002年年1111月月1919日，希腊日，希腊“威望威望”号油轮在西班牙加利号油轮在西班牙加利西亚省所属海域触礁，西亚省所属海域触礁，断裂断裂成两截，随后逐渐下沉。成两截，随后逐渐下沉。据悉，这艘船上共装

4、有据悉，这艘船上共装有7.77.7万吨燃料油，可能是世界万吨燃料油，可能是世界上最严重的燃油泄漏事件之一。上最严重的燃油泄漏事件之一。19121912年号称永不沉没的豪华的泰坦尼克号年号称永不沉没的豪华的泰坦尼克号(Titanic)(Titanic)沉没于冰海中。沉没于冰海中。究竟是什么原因导致这艘巨轮沉没？究竟是什么原因导致这艘巨轮沉没？19951995年年2 2月美国月美国科学大众科学大众( (Popular SciencePopular Science）杂志）杂志发表了发表了R Gannon R Gannon 的文章，标题是的文章，标题是What Really Sank What Rea

5、lly Sank The TitanicThe Titanic, ,回答了回答了8080年未解之谜。上图是两个冲击年未解之谜。上图是两个冲击试验结果，左面的试样取自海底的试验结果，左面的试样取自海底的TitanicTitanic号，右面的号，右面的是近代船用钢板的冲击试样。由于早年的是近代船用钢板的冲击试样。由于早年的Titanic Titanic 号采号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性击试样则具有相当好的韧性

6、。3 3、脆性断裂行为、脆性断裂行为（1）、脆性断裂的步骤）、脆性断裂的步骤 裂纹和缺陷的形成裂纹和缺陷的形成 裂纹或缺陷的扩展裂纹或缺陷的扩展（2）、脆性断裂的形式）、脆性断裂的形式 突发性断裂：材料受力突发性断裂：材料受力断裂源处裂纹尖端的横向断裂源处裂纹尖端的横向拉应力达到材料的结合强度拉应力达到材料的结合强度裂纹扩展裂纹扩展引起周围应力引起周围应力再分配再分配裂纹的加速扩展裂纹的加速扩展突发性断裂突发性断裂 缓慢断裂：材料受力缓慢断裂：材料受力裂纹缓慢生长裂纹缓慢生长缓慢开裂缓慢开裂裂纹的存在及其扩展行为是导致脆性断裂的根本原因，裂纹的存在及其扩展行为是导致脆性断裂的根本原因，并决定材

7、料抵抗断裂的能力！并决定材料抵抗断裂的能力！（3）、断裂的断口形貌）、断裂的断口形貌脆性断裂脆性断裂韧性断裂韧性断裂第二节 理论结合强度l材料强度是材料抵抗外力作用时表现出来的一种性材料强度是材料抵抗外力作用时表现出来的一种性质，决定材料强度的最基本因素是分子、原子（离质，决定材料强度的最基本因素是分子、原子（离子）之间的结合力；子）之间的结合力；l无机材料的抗压强度是抗拉强度的近无机材料的抗压强度是抗拉强度的近1010倍，抗拉强倍，抗拉强度是最值得研究的环节；度是最值得研究的环节；l材料的断裂就是材料中外力克服了原子结合力，形材料的断裂就是材料中外力克服了原子结合力，形成了两个新的表面；在外

8、加正应力作用下，将晶体成了两个新的表面；在外加正应力作用下，将晶体中的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力中的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力称为理论结合强度或理论断裂强度。称为理论结合强度或理论断裂强度。前言：前言：在外力作用下，解理面间的在外力作用下，解理面间的原子结合遭到破坏，从而引起原子结合遭到破坏，从而引起晶体的脆性断裂。所以，晶体晶体的脆性断裂。所以，晶体的的理论强度应由原子间结合的的理论强度应由原子间结合力决定。当原子处于平衡位置力决定。当原子处于平衡位置时，原子间的作用力为零；在时，原子间的作用力为零；在拉应力作用下，原子间距増大，拉应力作用下，原子间距増大，引力也

9、增大。曲线上的最高点引力也增大。曲线上的最高点代表晶体的最大结合力，即理代表晶体的最大结合力，即理论断裂强度论断裂强度 th理论结合强度的物理模型：理论结合强度的物理模型：为了简单、粗略地估算理论结合强度，为了简单、粗略地估算理论结合强度，Orowan（奥罗万）（奥罗万）提出了用正弦曲线来近似原子间约束力与原子间距的关系提出了用正弦曲线来近似原子间约束力与原子间距的关系曲线。即：曲线。即：2sinth 式中式中: th为理论结合强度为理论结合强度 为正弦曲线的波长为正弦曲线的波长理论结合强度的数学模型理论结合强度的数学模型：thththxdxxV20202cos22sin材料断裂时，将产生两个

10、新表面材料断裂时，将产生两个新表面, , 使单位面积原子平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。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设分开单位面积原子平面所作的功为 ，则其值，则其值应等于释放出的弹性应变能，可用图中曲线下所应等于释放出的弹性应变能，可用图中曲线下所包围的面积来计算，有：包围的面积来计算，有：V设材料形成新表面的表面能为设材料形成新表面的表面能为 ，则，则 ， 有：有：2V22thth在接近平衡位置在接近平衡位置O的区域，曲线可以用直线代替（弹的区域，曲线可以用直线代替（弹性形变），服从性形变），服从虎克定律虎克

11、定律：EaxE 可见，理论结合强度只与弹性模量，表面能和晶可见，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格距离等材料常数有关。xx22sinaEthax 为原子间距为原子间距, , 很小时很小时, ,因此，得：因此，得：要得到高强度的固体，就要求要得到高强度的固体，就要求 和和 大，大， 小。小。Ean式中式中a是晶格常数，随材料的种类的不同是晶格常数，随材料的种类的不同而不同。而不同。n通常情况下，通常情况下， 约等于约等于 E/100，这样，这样 th = E/10 n熔融石英纤维熔融石英纤维 =24.1GPa E/4n碳化硅晶须碳化硅晶须 =6.47GPa E/23n氧化

12、铝晶须氧化铝晶须 =15.2GPa E/33n尺寸较大的材料实际强度比理论强度低尺寸较大的材料实际强度比理论强度低得更多，约为得更多，约为E/100 E/1000第三节 Griffith微裂纹理论1920年年Griffith为了解释玻璃的理论强度与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。成为脆性断裂的主要理论基础。一一 理论的出发点理论的出发点Griffith 认为实际材料中总是存在许多细小的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，微裂纹或缺陷，在外力作用下产生应

13、力集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹开始扩展，最终导当应力达到一定程度时，裂纹开始扩展，最终导致断裂。即断裂并不是两部分晶体同时沿整个界致断裂。即断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面拉断，而是裂纹扩展的结果。面拉断，而是裂纹扩展的结果。二二 Inglis裂纹尖端应力集中理论裂纹尖端应力集中理论 Inglis （英格里斯）于（英格里斯）于1913年研究了带孔洞板的应力年研究了带孔洞板的应力集中问题，形成了裂纹尖端的应力集中理论。集中问题，形成了裂纹尖端的应力集中理论。 该理论考该理论考虑了裂纹端部一点的应力，认为当虑了裂纹端部一点的应力，认为当 tip等于材等于材料的理论强度时，裂纹就会被拉开，

14、料的理论强度时，裂纹就会被拉开，c 随之变大，随之变大， tip又又进一步增加。如此恶性循环，导致材料迅速断裂。即进一步增加。如此恶性循环，导致材料迅速断裂。即裂纹裂纹扩展的临界条件扩展的临界条件为：为：tiptip2cthtipaEac 2这时的应力这时的应力 就是临界应力就是临界应力 c，有：，有： cEc4 Griffith 借鉴上述理论结果，从能量的角度研究了裂借鉴上述理论结果，从能量的角度研究了裂纹扩展的条件：物体内储存的弹性应变能的降低大于等纹扩展的条件：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，即物体内储于由于开裂形成两个新表面所需的表面能，即物体内

15、储存的弹性应变能的降低（或释放）是裂纹扩展的动力。存的弹性应变能的降低（或释放）是裂纹扩展的动力。三三 Griffith理论模型理论模型单位厚度、无限宽薄板，单位厚度、无限宽薄板，板内有一长度为板内有一长度为2c、并、并垂直于应力的裂纹，仅垂直于应力的裂纹，仅施加一拉应力。施加一拉应力。四四 Griffith理论公式理论公式cEc2如果是平面应变如果是平面应变状态，临界应力状态，临界应力则表示为：则表示为：cEc212 该公式与理论结合强度比较，在形式上两者是相该公式与理论结合强度比较，在形式上两者是相同的，只是后者用同的，只是后者用c/2代替了前者的代替了前者的a。但裂纹半长。但裂纹半长c比

16、原子间距比原子间距a要大几个量级，从而解释了材料的实际要大几个量级，从而解释了材料的实际强度何以比理论强度低强度何以比理论强度低12个量级。同时，该公式也个量级。同时，该公式也表明了制备高强度材料的基本方向：提高材料的模表明了制备高强度材料的基本方向：提高材料的模量量E和断裂表面能和断裂表面能 ，降低裂纹尺寸，降低裂纹尺寸c。nGriffith 的微裂纹理论能说明材料脆性断的微裂纹理论能说明材料脆性断裂的本质裂的本质 微裂纹扩展，且能够解释材料微裂纹扩展，且能够解释材料强度的尺寸效应。强度的尺寸效应。n所谓的材料强度尺寸效应就是指：材料的所谓的材料强度尺寸效应就是指：材料的强度随尺寸的增大而减

17、小，随尺寸的减小强度随尺寸的增大而减小，随尺寸的减小而增大。而增大。nGriffith 微裂纹理论对尺寸效应的解释就微裂纹理论对尺寸效应的解释就是材料的强度是由材料内部的缺陷即微裂是材料的强度是由材料内部的缺陷即微裂纹来控制的，材料的尺寸变大的同时内部纹来控制的，材料的尺寸变大的同时内部的微裂纹也在增多，因此材料的强度会随的微裂纹也在增多，因此材料的强度会随之下降。反之，依然。之下降。反之，依然。五五 Griffith 微裂纹理论的不足与微裂纹理论的不足与Orowan的改进的改进 对于塑性材料，对于塑性材料，Griffith公式不再适用，因为塑性公式不再适用，因为塑性材料在微裂纹扩展过程中裂纹

18、尖端的局部区域要发生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。供给所需要的足够的外部能量，裂纹扩展将会停止。针对这种情况，针对这种情况， Orowan改进了改进了Griffith公式，即公式，即在在Griffith公式中引入扩展单位公式中引入扩展单位面积裂纹所需的塑性功面积裂纹所需的塑性功 p而获而获得塑性材料的裂纹扩展所需的得塑性材料的裂纹扩展所需的临界应力的计算公式。临界应力的计算公式。cEpc该公式应用范围：塑性材该公式应用范围：塑性材的断裂。通常

19、，的断裂。通常， p远远大远远大于于 ，因此，塑性材料的，因此，塑性材料的断断裂受裂受 p控制。控制。第四节 应力场强度因子和平面应变断裂韧性 近百年时间里，近百年时间里，Griffith Griffith 微裂纹理论得到了广微裂纹理论得到了广泛的应用。上个世纪前半期，人们一直认为这一理泛的应用。上个世纪前半期，人们一直认为这一理论只适用于玻璃陶瓷等的脆性材料领域，随着二战论只适用于玻璃陶瓷等的脆性材料领域，随着二战时期美国的近千艘全焊接时期美国的近千艘全焊接“自由轮自由轮”发生了发生了10001000多多次脆性断裂事故，人们用原有的金属材料理论无法次脆性断裂事故，人们用原有的金属材料理论无法

20、解释这些灾难事故发生的原因，于是人们开始用解释这些灾难事故发生的原因，于是人们开始用Griffith Griffith 的微裂纹理论来解释这些断裂现象并且得的微裂纹理论来解释这些断裂现象并且得到了合理的结论。从此，发展起来一门新的力学分到了合理的结论。从此，发展起来一门新的力学分支支断裂力学断裂力学。它是研究含裂纹体的强度和裂纹扩。它是研究含裂纹体的强度和裂纹扩展规律的科学，又称为展规律的科学，又称为裂纹力学裂纹力学。一一 裂纹扩展方式裂纹扩展方式掰开型掰开型错开型错开型撕开型撕开型掰开型（掰开型（型）：裂纹表面直接分开；型）：裂纹表面直接分开；错开型（错开型（ 型）：两个裂纹表面在垂直于裂纹

21、前缘方向型）：两个裂纹表面在垂直于裂纹前缘方向上相对滑动；上相对滑动；撕开型（撕开型（ 型）：两个裂纹表面在平行于裂纹前缘的方型）：两个裂纹表面在平行于裂纹前缘的方向上相对滑动。向上相对滑动。最危险的是掰开型！最危险的是掰开型！n试验：用不同裂纹尺寸的试件做拉伸试试验：用不同裂纹尺寸的试件做拉伸试验，测试出断裂应力，结果发现断裂应验，测试出断裂应力，结果发现断裂应力与裂纹尺寸之间存在如下的关系式：力与裂纹尺寸之间存在如下的关系式：21 Kcc这是实验规律，但能够说明断裂应力受材料这是实验规律，但能够说明断裂应力受材料中微裂纹的控制。中微裂纹的控制。二二 裂纹尖端应力场分析裂纹尖端应力场分析2

22、arxy1957年年Irwin（欧文）（欧文） 应用弹性力学的应力场理论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深入分析，得出对裂纹尖端附近的应力场进行深入分析，得出I型型裂纹的如下结果：裂纹的如下结果：0zzK为与外加应力、为与外加应力、裂纹长度裂纹长度c、裂纹种、裂纹种类和受力状态有关类和受力状态有关的系数，称为的系数，称为应力应力场强度因子场强度因子，其下，其下标标I表示裂纹扩展类表示裂纹扩展类型为型为I型，单位为型，单位为21mPa 3cos1 sinsin2222xxKr3cos1 sinsin2222yyKr3cossincos2222xyKr（薄板，平面应力状态）（薄板

23、，平面应力状态）0zz()z zx xy y（厚板，平面应变状态）（厚板，平面应变状态）上式可写成上式可写成式中：式中：r r 为半径向量，为半径向量， 为角坐标。为角坐标。当当 r c ， 0 时，即为裂纹时，即为裂纹尖端处的一点。尖端处的一点。 fKijijr2yyrKyyxx2cYcrrAK222 为几何形状因子，它和裂纹型式、试件几何为几何形状因子，它和裂纹型式、试件几何形状有关。形状有关。 Ycr Kyy是反映裂纹尖端应力场强度的强度因子；是反映裂纹尖端应力场强度的强度因子；将将 换成换成A三三 应力场强度因子及几何形状因子应力场强度因子及几何形状因子a)a) 应力场强度因子仅与荷载

24、与裂纹几何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。尺寸有关，而与坐标无关。b)b)裂纹顶端附近的应力和位移分布，完全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。由应力场强度因子来确定。c)c) 应力场强度因子是裂纹尖端应力场大小应力场强度因子是裂纹尖端应力场大小的比例因子，因为应力分量正比于应力强的比例因子，因为应力分量正比于应力强度因子。度因子。应力场强度因子有如下的特性应力场强度因子有如下的特性：n求求K的关键在于求几何形状因子的关键在于求几何形状因子Y，可以通过实验，可以通过实验得到，也可查询几何形状因子数据手册。得到，也可查询几何形状因子数据手册。图图2.

25、72.7列举出几种情况下的列举出几种情况下的Y Y值值: :四四 临界应力场强度因子及断裂韧性临界应力场强度因子及断裂韧性根据经典强度理论，设计构件的断裂准则根据经典强度理论，设计构件的断裂准则为使用应力小于或等于允许应力，即：为使用应力小于或等于允许应力，即： ysn允许应力：允许应力：或或 nf为屈服强度，为屈服强度，f为断裂强度，为断裂强度，ys n为安全系数。为安全系数。缺点缺点没有反映断裂的本质，不能防止低没有反映断裂的本质，不能防止低低应力下的脆性断裂。低应力下的脆性断裂。 按断裂力学的观点，裂纹是否扩展取决于按断裂力学的观点，裂纹是否扩展取决于应力场强度因子的大小，当应力场强度因

26、子的大小，当K值达到某一极限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值时，裂纹就扩展，即构件发生脆性断裂的条件：件： 极限值极限值 称为称为断裂韧性断裂韧性，它是反映材料抗，它是反映材料抗断性能的参数。断性能的参数。 因此，应力场强度因子小于或等于材料的因此，应力场强度因子小于或等于材料的平面应变断裂韧性，即平面应变断裂韧性，即 : 时时 ，所设，所设计的构件才是安全的，这一判据考虑了裂纹尺计的构件才是安全的，这一判据考虑了裂纹尺寸。寸。KKc Kc KKc 经典强度理论与断裂力学强度理论的比较经典强度理论与断裂力学强度理论的比较 经典强度理论经典强度理论 断裂强度理论断裂强度理

27、论断裂准则： f/n K1 = （ c ) K1c 有一构件，实际使用应力为有一构件，实际使用应力为1.30GPa,有下列两种钢供有下列两种钢供选：选： 甲钢：甲钢： f =1.95GPa, Kc =45MPam 12 乙钢：乙钢： f =1.56GPa, Kc =75MPam 12 传统设计：甲钢的安全系数传统设计：甲钢的安全系数: 1.5， 乙钢的安全系数乙钢的安全系数 1.2 选择甲钢比选择乙钢更安全选择甲钢比选择乙钢更安全断裂力学观点：断裂力学观点： 最大裂纹尺寸为最大裂纹尺寸为1mm, Y=1.5 甲钢的断裂应力为甲钢的断裂应力为: c1.0GPa 乙钢的断裂应力为乙钢的断裂应力为:

28、 c 1.67GPa 甲钢的甲钢的 c1.30GPa，不安全，不安全 乙钢的乙钢的 c1.30GPa，安全，安全 选择乙钢比选择甲钢更安全选择乙钢比选择甲钢更安全 根据断裂力学观点设计，既安全可靠，又能充分发挥材根据断裂力学观点设计，既安全可靠，又能充分发挥材料的强度，合理使用材料。料的强度，合理使用材料。传统观点：追求高强度，不安全。传统观点：追求高强度，不安全。 脆性和韧性脆性和韧性脆性、韧性和断裂之间的关系：脆性、韧性和断裂之间的关系：（1）微裂纹决定了材料的实际断裂强度；）微裂纹决定了材料的实际断裂强度；（2）断裂韧性因材料种类的不同而有极大的差异）断裂韧性因材料种类的不同而有极大的差

29、异 ； （3）材料的断裂韧性低，它的断裂就是脆性断裂。）材料的断裂韧性低，它的断裂就是脆性断裂。这个差异是由于不同材料中断裂韧性有明显这个差异是由于不同材料中断裂韧性有明显的不同的不同为什么金属有较好的韧性，而陶瓷和玻璃韧性很差？为什么金属有较好的韧性，而陶瓷和玻璃韧性很差？因为陶瓷和玻璃材料里有裂纹所形成的应力集中区，因为陶瓷和玻璃材料里有裂纹所形成的应力集中区，无法产生大量的位错，不像金属那样通过塑性形变无法产生大量的位错，不像金属那样通过塑性形变把集中的应力释放掉，裂纹发展得很迅速就显得很把集中的应力释放掉，裂纹发展得很迅速就显得很脆。脆。五裂纹扩展的动力和阻力五裂纹扩展的动力和阻力 1

30、裂纹扩展的动力裂纹扩展的动力 Irwin将裂纹扩展单位面积所降低的弹性应变将裂纹扩展单位面积所降低的弹性应变能定义为能定义为应变能释放率或裂纹扩展力应变能释放率或裂纹扩展力。 对于有内裂纹对于有内裂纹 的薄板：的薄板： 其中其中 G为为裂纹扩展的动力裂纹扩展的动力。EcdcdGwe22caKc2 对于有内裂的薄板：对于有内裂的薄板：临界状态：临界状态： （平面应力状态）（平面应力状态） （平面应变状态）（平面应变状态）2裂纹扩展的阻力裂纹扩展的阻力 对于脆性材料对于脆性材料 ， 由此得由此得 （平面应力状态）（平面应力状态） EcEcKGKGcc22212GcEKc2（平面应变状态）（平面应变

31、状态） 与材料本征参数与材料本征参数 等物理等物理量有关，它反映了具有裂纹的材料对外界量有关，它反映了具有裂纹的材料对外界作用的一种抵抗能力，也可以说是作用的一种抵抗能力，也可以说是阻止裂阻止裂纹扩展的能力纹扩展的能力，是材料的固有性质。，是材料的固有性质。212EKcKc 、E自学n柔度标定法求几何形状因子柔度标定法求几何形状因子n线弹性计算公式对试件尺寸的要求线弹性计算公式对试件尺寸的要求六断裂韧性的测试方法六断裂韧性的测试方法单边直通切口梁法（单边直通切口梁法（SENB法）法）双扭法（双扭法（DT法）法）Knoop压痕三点弯曲梁法压痕三点弯曲梁法山形切口劈裂试件法山形切口劈裂试件法研究较

32、成熟且使用最多的方法是单边直通切口研究较成熟且使用最多的方法是单边直通切口梁法梁法1、单边直通切口梁法、单边直通切口梁法（1）试样形状及尺寸）试样形状及尺寸WBP, SP/2P/2c试样几何形状及受力状态试样几何形状及受力状态试样尺寸的比例及要求：试样尺寸的比例及要求： c/w = 0.4 - 0.6; w/s = 1/4; B 0.5 w（2）试样制备）试样制备用金刚石内圆切割机切割成长条状试样用金刚石内圆切割机切割成长条状试样打磨抛光打磨抛光保证试样受拉表面的光洁度达到保证试样受拉表面的光洁度达到7棱角相互垂直，边棱纵向导角棱角相互垂直，边棱纵向导角45试样高度和宽度在整个试样长度范围内的

33、变化试样高度和宽度在整个试样长度范围内的变化不超过不超过0.2mm用金刚石内圆切割机切口用金刚石内圆切割机切口切口深度为切口深度为c金刚石锯片厚度不超过金刚石锯片厚度不超过0.25mm（3）计算公式）计算公式三点弯曲受力时，计算公式如下：三点弯曲受力时，计算公式如下：wcfWSBPYaKccc/2/31MPam1/2其中其中Pc为临界载荷为临界载荷2/92/72/52/32/1/7.38/6.37/8.21/6.4/9.2/wcwcwcwcwcwcf 实验机压头的加载速度按形变速率来控制，一般规实验机压头的加载速度按形变速率来控制，一般规定为：定为：0.05mm/min。测试试样一般为。测试试

34、样一般为4-6个，然后个，然后取其平均值。取其平均值。此法只适用于平均粒径为20 40m的粗晶粒陶瓷。如果是细晶粒陶瓷（平均粒径小于2 4m），测得的Kc数值偏大。第五节 裂纹的起源与快速扩展一一n晶体微观缺陷发展成裂纹晶体微观缺陷发展成裂纹n材料表面的机械强度损伤与化学腐蚀形成的材料表面的机械强度损伤与化学腐蚀形成的表面裂纹表面裂纹最危险的的裂纹最危险的的裂纹 (裂纹的扩展由表面裂纹开始裂纹的扩展由表面裂纹开始) n热应力引起裂纹热应力引起裂纹n气体逸出形成的裂纹气体逸出形成的裂纹n晶体生长或无定形向晶形转变形成裂纹晶体生长或无定形向晶形转变形成裂纹热应力形成裂纹 （1）晶粒在材料内部取向不

35、同，热膨胀系数）晶粒在材料内部取向不同，热膨胀系数 不同，在晶界或相界出现不同，在晶界或相界出现 应力集中。应力集中。 （2）高温迅速冷却，内外温度差引起热应力。）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。）温度变化发生晶型转变，体积发生变化。裂纹的快速扩展（失稳扩展）裂纹的快速扩展（失稳扩展）n裂纹扩展的动力：裂纹扩展的动力：n裂纹扩展的阻力：裂纹扩展的阻力：Gc = 2 裂纹一旦达到临界尺寸开始扩展，裂纹一旦达到临界尺寸开始扩展，G越越来越大来越大2 ，裂纹快速扩展，直至破坏。，裂纹快速扩展，直至破坏。超过临界状态后，多余的能量的去向超过临界状态后，多

36、余的能量的去向n加速裂纹的扩展加速裂纹的扩展n裂纹的繁殖裂纹的繁殖n最后形成复杂的断面最后形成复杂的断面EcG/2二二三三n 使用应力不超过使用应力不超过c ；n 在材料中设置吸收能量的装置（如金属在材料中设置吸收能量的装置（如金属陶瓷和复合材料）；陶瓷和复合材料）； n 人为地在材料中造成大量极微细的小于人为地在材料中造成大量极微细的小于临界尺寸的裂纹（如氧化锆增韧氧化铝临界尺寸的裂纹（如氧化锆增韧氧化铝陶瓷）。陶瓷）。思考题：思考题：n同一种材料作强度测试时，大小试样的强同一种材料作强度测试时，大小试样的强度是否相同？为什么？度是否相同？为什么？n如何防止低应力下的脆性断裂？如何防止低应力

37、下的脆性断裂？n为什么裂纹一旦达到临界尺寸，就迅速扩为什么裂纹一旦达到临界尺寸，就迅速扩展？展？n防止裂纹扩展的措施有哪些？防止裂纹扩展的措施有哪些？第六节 无机材料中裂纹的亚临界生长n在临界应力之下，裂纹随时间的推移而发在临界应力之下，裂纹随时间的推移而发生的缓慢扩展的现象称为生的缓慢扩展的现象称为亚临界生长亚临界生长，或，或称为称为静态疲劳静态疲劳 。n材料在循环应力或渐增应力作用下的延时材料在循环应力或渐增应力作用下的延时破坏叫做破坏叫做动态疲劳动态疲劳。疲劳阶段，材料虽在短时间内可以承受给定疲劳阶段，材料虽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，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，即仍然会在较低应力下破坏，即材料断裂强