第二章--材料的脆性斷裂與強度

1、第二章材料的脆性斷裂與強度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彈性形變正應力作用下產生彈性形變，剪彩應力作用下產生彈性畸變。隨著外力的移去，這兩種形變都會完全恢復。2塑性形變是由于晶粒內部的位錯滑移產生。晶體部分將選擇最易滑移的系統(tǒng)(當然，對陶瓷材料來說，這些系統(tǒng)為數(shù)不多)，出現(xiàn)晶粒內部的位錯滑移，宏觀上表現(xiàn)為材料的塑性形變。3粘性形變無機材料中的晶界非晶相，以及玻璃、有機高分子材料則會產生另一種變形，

2、稱為粘性流動。塑性形變和粘性形變是不可恢復的永久形變。4蠕變：當材料長期受載，尤其在高溫環(huán)境中受載，塑性形變及粘性形變將隨時間而具有不同的速率，這就是材料的蠕變。蠕變的后當剪應力降低(或溫度降低)時，此塑性形變及粘性流動減緩甚至終止。蠕變的最終結果：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生明顯的宏觀塑性變形，沒有明顯預兆，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性。因此，防止脆斷一直是人們研究的重點。2韌性斷裂韌性斷裂是材料斷裂前及斷裂過程中產生明顯宏觀塑性變形的斷裂過程。韌性斷裂時一般裂紋擴展過程較慢，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，任意一個結構單元上主應力面的拉應力足夠

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

5、每種材料抵抗裂紋擴展能力的高低，表示了它們韌性的好壞。韌性好的材料，裂紋擴展困難，不易斷裂。脆性材料中裂紋擴展所需能量很小，容易斷裂；韌性又分斷裂韌性和沖擊韌性兩大類。斷裂韌性是表征材料抵抗其內部裂紋擴展能力的性能指標；沖擊韌性則是對材料在高速沖擊負荷下韌性的度量。二者間存在著某種內在聯(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，材料的實際平均應力尚低于材料的結合強度(或稱理論結

6、合強度)。在臨界狀態(tài)下，斷裂源處的裂紋尖端所受的橫向拉應力正好等于結合強度時，裂紋產生突發(fā)性擴展。一旦擴展，引起周圍應力的再分配，導致裂紋的加速擴展，出現(xiàn)突發(fā)性斷裂，這種斷裂往往并無先兆。3)理論強度?????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)(因為0LL???)式中，a為原子間距。x很小時?????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，理論結合強度只與彈性模量、表面能和晶格距離等材料常數(shù)有關。(26)式雖是粗略的估計，但對所有固體均能應用而不涉及原子間的具體結合力。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，更精確的計算說明(26)式的估計稍偏高?！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，要得到高強度的固體，就要求E和γ大，a小。實際材料中只有一些極細的纖維和晶須其強度接近理論強度值。例如熔融石英纖維的強度可達241GPa，約為E／4，碳化硅晶須強度647GPa，約為E／23，氧化鋁晶須強度為152GP

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

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