最新无机材料脆性断裂与强度2PPT课件.ppt

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1、无机材料脆性断裂与强度2材料中的裂纹型缺陷：材料中的伤痕、裂纹、气孔、杂质等宏观缺陷。平板弹性体的受力情况力线n力管裂纹长度2c为了传递力，力线一定穿过材料组织到达固定端力以音速通过力管（截面积为A），把P/n大小的力传给此端面。远离孔的地方，其应力为：=(P/n)/A孔周围力管端面积减小为A1，孔周围局部应力为：=(P/n)/A1椭圆裂纹越扁平或者尖端半径越小，其效果越明显。应力集中：材料中存在裂纹时，裂纹尖端处的应力远超过表观应力。裂纹模型根据固体的受力状态和形变方式，分为三种基本的裂纹模型，其中最危险的是张开型，一般在计算时，按最危险的

2、计算。张开型错开型撕开型（1）裂纹模型2.2.2Griffith微裂纹脆断理论(a)(b)(C)(d)(a)平板受力状态(b)预先开有裂纹的平板受力状态(c)恒位移式裂纹扩展(d)恒应力式裂纹扩展裂纹失稳扩展导致材料断裂的必要条件是：在裂纹扩展中，系统的自由能必须下降。2(C+dC)d2C2(C+dC)（2）裂纹扩展的判据(c)、(d)与(b)状态相比，自由能发生了三项变化：裂纹扩展弹性应变能的变化dUE；裂纹扩展新生表面所增加的表面能dUS=4dCs；外力对平板作功dUW。两个状态与(b)相比自由能之差分别为：UC－UB=dUE＋dUS＋dUW

3、和UD－UB=dUE＋dUS＋dUW裂纹失稳而扩展的能量判据:dUW-dUEdUS或d(UW－UE)/CdUs/C即：d(UW－UE)4dCsMJLN2C2(C+dC)应变应力OK在恒应力状态(d)下，外力作功：UW=P说明：外力作功的一部分被吸收成为平板的弹性应变能，另一部分支付裂纹扩展新生表面所需的表面能。外力作功平板中储存的弹性应变能：UE=P当预置裂纹时：拉力降低△F有UE=P-△F×△LUs=△F×△L由裂纹扩展的条件：(UW－UE)/CUS/C得UE/CUS/C结论：在恒应力状态下，弹性应变能的增量大于扩

4、展单位裂纹长度的表面能增量时，裂纹失稳扩展。结论：弹性应变能释放率UE/C等于或大于裂纹扩展单位裂纹长度所需的表面能增量US/C，裂纹失稳而扩展。在恒位移状态下，外力不作功，所以，UW=0得裂纹扩展的条件：-UE/CUS/CGriffith提出的关于裂纹扩展的能量判据弹性应变能的变化率UE/C等于或大于裂纹扩展单位裂纹长度所需的表面能增量US/C，裂纹失稳而扩展。根据Griffith能量判据计算材料断裂强度（临界应力）外力作功，单位体积内储存弹性应变能：W=UE/AL（1/2）PL/AL=（1/2）=（1/2）E设平板的

5、厚度为1个单位，半径为C的裂纹其弹性应变能为：UE=W裂纹的体积=W（C2×1）=（1/2）C2E（3）断裂强度（临界应力）的计算平面应力状态下扩展单位长度的微裂纹释放应变能为：dUE/dC=C2/E（平面应力条件）或dUE/dC=(1－2)C2/E（平面应变条件）由于扩展单位长度的裂纹所需的表面能为：US/C=2s断裂强度（临界应力）的表达式：f=[2Es/C]1/2（平面应力条件）f=[2Es/(1－2)C]1/2（平面应变条件）弹性模量E：取决于材料的组分、晶体的结构、气孔。对其他显微结构较不敏感。断裂能f

6、：不仅取决于组分、结构，在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响，是一种织构敏感参数,起着断裂过程的阻力作用。裂纹半长度c：材料中最危险的缺陷，其作用在于导致材料内部的局部应力集中，是断裂的动力因素。（4）控制强度的三个参数断裂能热力学表面能：固体内部新生单位原子面所吸收的能量。塑性形变能：发生塑变所需的能量。相变弹性能：晶粒弹性各向异性、第二弥散质点的可逆相变等特性，在一定的温度下，引起体内应变和相应的内应力。结果在材料内部储存了弹性应变能。微裂纹形成能：在非立方结构的多晶材料中，由于弹性和热膨胀各向异性，产生失配应变，在晶界处引起内应力。当应变能大

7、于微裂纹形成所需的表面能，在晶粒边界处形成微裂纹。径向裂纹侧向裂纹残余应力材料表面受研磨粒子损伤后形成的裂纹工艺缺陷工艺缺陷包括大孔洞、大晶粒、夹杂物等，形成于材料制备过程中。与原料的纯度、颗粒尺寸、粒度的分布、颗粒形貌等有关。裂纹的形成表面裂纹：一个硬质粒子（如研磨粒子）受到力P的作用而穿入脆性固体的表面，可能引起局部屈服，塑性形变造成的残余应力将激发出表面裂纹。形成于表面加工（切割、研磨、抛光）或粒子冲刷过程。例1：由坯釉热膨胀系数不同引起。上釉陶瓷:釉的热膨胀系数：1；坯体的热膨胀系数：2坯受较强的拉力作用釉被拉离坯面1>21<2釉受

8、较大拉力的作用发生龟裂或坯向内侧弯曲陶瓷的无釉坯料与上釉坯料的抗弯强度陶瓷的种类