材料結(jié)構(gòu)與性能(第二章力學(xué)性能斷裂與強(qiáng)度)

1、 斷裂行為斷裂行為 理論結(jié)合強(qiáng)度理論結(jié)合強(qiáng)度 斷裂理論斷裂理論 博學(xué)善建 | | 厚德大成 斷裂是材料和機(jī)件主要的失效形式之一，其危害性極大，特別斷裂是材料和機(jī)件主要的失效形式之一，其危害性極大，特別是脆性斷裂，由于斷裂前沒有明顯的預(yù)兆，往往會帶來災(zāi)難性的后是脆性斷裂，由于斷裂前沒有明顯的預(yù)兆，往往會帶來災(zāi)難性的后果。工程斷裂事故的出現(xiàn)及其危害性使得人們對斷裂問題非常重視。果。工程斷裂事故的出現(xiàn)及其危害性使得人們對斷裂問題非常重視。 研究材料的斷裂機(jī)理、斷裂發(fā)生的力學(xué)條件以及影響材料斷裂研究材料的斷裂機(jī)理、斷裂發(fā)生的力學(xué)條件以及影響材料斷裂的因素，對于機(jī)械工程設(shè)計、斷裂失效分析、材料研究開發(fā)等

2、具有的因素，對于機(jī)械工程設(shè)計、斷裂失效分析、材料研究開發(fā)等具有重要意義。重要意義。 斷裂是一個物理過程，在不同的力學(xué)、物理和化學(xué)環(huán)境下會有斷裂是一個物理過程，在不同的力學(xué)、物理和化學(xué)環(huán)境下會有不同的斷裂形式，如疲勞斷裂、蠕變斷裂、腐蝕斷裂等。不同的斷裂形式，如疲勞斷裂、蠕變斷裂、腐蝕斷裂等。 斷裂之后斷口的宏觀和微觀特征與斷裂的機(jī)理緊密相關(guān)。斷裂之后斷口的宏觀和微觀特征與斷裂的機(jī)理緊密相關(guān)。 博學(xué)善建 | | 厚德大成2 .4 斷裂的分類斷裂的分類 韌性斷裂與脆性斷裂韌性斷裂與脆性斷裂 這是根據(jù)材料斷裂前塑性變形的程度進(jìn)行的一種分類。這是根據(jù)材料斷裂前塑性變形的程度進(jìn)行的一種分類。 韌性斷裂是

3、指材料斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂。這種斷裂有韌性斷裂是指材料斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂。這種斷裂有一個緩慢的撕裂過程。在裂紋擴(kuò)展過程中需要不斷地消耗能量。由于韌性一個緩慢的撕裂過程。在裂紋擴(kuò)展過程中需要不斷地消耗能量。由于韌性斷裂前已經(jīng)發(fā)生了明顯的塑性變形，有一定的預(yù)警，所以其危害性不大。斷裂前已經(jīng)發(fā)生了明顯的塑性變形，有一定的預(yù)警，所以其危害性不大。 脆性斷裂是突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，沒有明脆性斷裂是突然發(fā)生的斷裂，斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形，沒有明顯征兆，因而危害性很大。通常，脆斷前也產(chǎn)生微量塑性變形。一般規(guī)定顯征兆，因而危害性很大。通常，脆斷前也產(chǎn)生微量塑

4、性變形。一般規(guī)定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5 5者為脆性斷裂，該材料即稱為脆性材料；者為脆性斷裂，該材料即稱為脆性材料；反之，大于反之，大于5%5%者則為韌性材料。者則為韌性材料。博學(xué)善建 | | 厚德大成穿晶斷裂與沿晶斷裂穿晶斷裂與沿晶斷裂 根據(jù)裂紋擴(kuò)展路徑進(jìn)行的一種分類。根據(jù)裂紋擴(kuò)展路徑進(jìn)行的一種分類。 穿晶斷裂裂紋穿過晶內(nèi)，沿晶斷裂裂紋沿晶界擴(kuò)展。穿晶斷裂裂紋穿過晶內(nèi)，沿晶斷裂裂紋沿晶界擴(kuò)展。博學(xué)善建 | | 厚德大成穿晶斷裂與沿晶斷裂穿晶斷裂與沿晶斷裂 從宏觀上看，穿晶斷裂可以是韌性斷裂（如室溫下的穿晶斷裂），也從宏觀上看，穿晶斷裂可以是韌性斷裂（如室溫下

5、的穿晶斷裂），也可以是脆性斷裂（低溫下的穿晶斷裂），而沿晶斷裂則多數(shù)是脆性斷裂?？梢允谴嘈詳嗔眩ǖ蜏叵碌拇┚嗔眩?，而沿晶斷裂則多數(shù)是脆性斷裂。 沿晶斷裂一般是晶界被弱化造成的斷裂。相變時產(chǎn)生的領(lǐng)先相如脆性沿晶斷裂一般是晶界被弱化造成的斷裂。相變時產(chǎn)生的領(lǐng)先相如脆性的碳化物、很軟的鐵素體等沿晶界分布可以使晶界弱化；雜質(zhì)元素磷、硫的碳化物、很軟的鐵素體等沿晶界分布可以使晶界弱化；雜質(zhì)元素磷、硫等向晶界偏聚也可以引起晶界弱化。應(yīng)力腐蝕、氫脆、回火脆性、淬火裂等向晶界偏聚也可以引起晶界弱化。應(yīng)力腐蝕、氫脆、回火脆性、淬火裂紋、磨削裂紋等都是沿晶斷裂。紋、磨削裂紋等都是沿晶斷裂。博學(xué)善建 | | 厚德

6、大成解理斷裂、純剪切斷裂和微孔聚集型斷裂解理斷裂、純剪切斷裂和微孔聚集型斷裂 按斷裂的晶體學(xué)特征分類按斷裂的晶體學(xué)特征分類 解理斷裂是材料（晶體）在一定條件下解理斷裂是材料（晶體）在一定條件下(如低溫如低溫)，當(dāng)外加正應(yīng)力達(dá)到，當(dāng)外加正應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學(xué)平面產(chǎn)生的穿晶斷裂。因與大理石一定數(shù)值后，以極快速率沿一定晶體學(xué)平面產(chǎn)生的穿晶斷裂。因與大理石斷裂類似，故稱此種晶體學(xué)平面為解理面。解理面一般是低指數(shù)晶面或表斷裂類似，故稱此種晶體學(xué)平面為解理面。解理面一般是低指數(shù)晶面或表面能最低的晶面。面能最低的晶面。 剪切斷裂是材料在切應(yīng)力作用下，沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷剪切

7、斷裂是材料在切應(yīng)力作用下，沿滑移面分離而造成的滑移面分離斷裂，其中又分滑斷（純剪切斷裂）和微孔聚集型斷裂裂，其中又分滑斷（純剪切斷裂）和微孔聚集型斷裂。 微孔聚集斷裂是通過微孔形核長大聚合而導(dǎo)致材料分離的。由于實際材微孔聚集斷裂是通過微孔形核長大聚合而導(dǎo)致材料分離的。由于實際材料中常同時形成許多微孔，通過微孔長大互相連接而最終導(dǎo)致斷裂，故常料中常同時形成許多微孔，通過微孔長大互相連接而最終導(dǎo)致斷裂，故常用金屬材料一般均產(chǎn)生這類性質(zhì)的斷裂，如低碳鋼室溫下的拉伸斷裂。用金屬材料一般均產(chǎn)生這類性質(zhì)的斷裂，如低碳鋼室溫下的拉伸斷裂。博學(xué)善建 | | 厚德大成正斷和切斷正斷和切斷 按斷裂面的取向可以將斷

8、裂分為正斷和切斷。按斷裂面的取向可以將斷裂分為正斷和切斷。正斷型斷裂的斷口與最大正應(yīng)力相垂直，常見于解理斷裂或約束較大正斷型斷裂的斷口與最大正應(yīng)力相垂直，常見于解理斷裂或約束較大的塑性變形的場合。的塑性變形的場合。切斷型斷裂的宏觀斷口的取向與最大切應(yīng)力方向平行，而與主應(yīng)力約切斷型斷裂的宏觀斷口的取向與最大切應(yīng)力方向平行，而與主應(yīng)力約成成45450 0 角。切斷常發(fā)生于塑性變形不受約束或約束較小的情況，如拉角。切斷常發(fā)生于塑性變形不受約束或約束較小的情況，如拉伸斷口上的剪切唇等。伸斷口上的剪切唇等。博學(xué)善建 | | 厚德大成A博學(xué)善建 | | 厚德大成2.5 斷口的宏觀特征斷口的宏觀特征 材料或

9、構(gòu)件受力斷裂后的自然表面稱為斷口。材料或構(gòu)件受力斷裂后的自然表面稱為斷口。 斷口可以分為宏觀斷口和微觀斷口斷口可以分為宏觀斷口和微觀斷口: 宏觀斷口指用肉眼或宏觀斷口指用肉眼或20倍以下的放大鏡觀察的斷口，它反映了斷倍以下的放大鏡觀察的斷口，它反映了斷口的全貌；口的全貌； 微觀斷口是指用光學(xué)顯微鏡或掃描電鏡觀察的斷口。微觀斷口是指用光學(xué)顯微鏡或掃描電鏡觀察的斷口。 通過對斷口微觀特征的分析可以揭示材料斷裂的本質(zhì)。通過對斷口微觀特征的分析可以揭示材料斷裂的本質(zhì)。 博學(xué)善建 | | 厚德大成 光滑圓柱拉伸試樣的宏觀韌性斷口呈杯錐形，由纖維區(qū)、放射區(qū)光滑圓柱拉伸試樣的宏觀韌性斷口呈杯錐形，由纖維區(qū)、

10、放射區(qū)和剪切唇三個區(qū)域組成，這就是斷口特征的三要素。和剪切唇三個區(qū)域組成，這就是斷口特征的三要素。 博學(xué)善建 | | 厚德大成 韌性斷裂的宏觀斷口同時具有上述三個區(qū)域，而脆性斷口纖維區(qū)韌性斷裂的宏觀斷口同時具有上述三個區(qū)域，而脆性斷口纖維區(qū)很小，幾乎沒有剪切唇。很小，幾乎沒有剪切唇。 上述斷口三區(qū)域的形態(tài)、大小和相對位置會因試樣形狀、尺寸和上述斷口三區(qū)域的形態(tài)、大小和相對位置會因試樣形狀、尺寸和材料的性能，以及試驗溫度、加載速率和受力狀態(tài)不同而變化。材料的性能，以及試驗溫度、加載速率和受力狀態(tài)不同而變化。 一般來說，材料強(qiáng)度提高，塑性降低，則放射區(qū)比例增大；一般來說，材料強(qiáng)度提高，塑性降低，則

11、放射區(qū)比例增大； 試樣尺寸加大，放射區(qū)增大明顯，而纖維區(qū)變化不大；試樣尺寸加大，放射區(qū)增大明顯，而纖維區(qū)變化不大； 試樣表面存在缺口不僅改變各區(qū)所占比例，而且裂紋形核位置將試樣表面存在缺口不僅改變各區(qū)所占比例，而且裂紋形核位置將在表面產(chǎn)生。在表面產(chǎn)生。博學(xué)善建 | | 厚德大成博學(xué)善建 | | 厚德大成脆性斷裂的斷裂面脆性斷裂的斷裂面博學(xué)善建 | | 厚德大成船身斷裂，一分為二的船身斷裂，一分為二的Schenectady號油輪號油輪博學(xué)善建 | | 厚德大成垮塌后的彩虹橋垮塌后的彩虹橋博學(xué)善建 | | 厚德大成金屬類：金屬類：先是彈性形變，然后塑性形變，先是彈性形變，然后塑性形變，直至斷裂直至

12、斷裂高分子類：高分子類：先是彈性形變（很大），然先是彈性形變（很大），然 后塑性形變，直至斷裂后塑性形變，直至斷裂無機(jī)材料：無機(jī)材料：先是彈性形變（較?。?，然先是彈性形變（較?。?，然 后不發(fā)生塑性形變（或很?。┖蟛话l(fā)生塑性形變（或很?。?而直接脆性斷裂而直接脆性斷裂博學(xué)善建 | | 厚德大成 l 斷裂前無明顯的預(yù)兆斷裂前無明顯的預(yù)兆l 斷裂處往往存在一定的斷裂源斷裂處往往存在一定的斷裂源l 由于斷裂源的存在，實際斷裂強(qiáng)度由于斷裂源的存在，實際斷裂強(qiáng)度 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論強(qiáng)度博學(xué)善建 | | 厚德大成突發(fā)性裂紋擴(kuò)展突發(fā)性裂紋擴(kuò)展裂紋的緩慢生長裂紋的緩慢生長博學(xué)善建 | | 厚德大成磨損

13、磨損摩擦摩擦硬度硬度機(jī)械沖擊機(jī)械沖擊化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕耐熱性耐熱性熱疲勞熱疲勞熱沖擊熱沖擊斷裂斷裂強(qiáng)度強(qiáng)度材料的材料的強(qiáng)度強(qiáng)度強(qiáng)度理論強(qiáng)度理論光學(xué)材料光學(xué)材料多孔質(zhì)材料多孔質(zhì)材料高溫材料高溫材料結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料 玻璃玻璃 水泥水泥 耐火材料耐火材料復(fù)合材料復(fù)合材料電子電器材料電子電器材料生物材料生物材料耐摩擦材料耐摩擦材料耐磨損材料耐磨損材料工具材料工具材料氣孔、晶粒、雜質(zhì)、晶界氣孔、晶粒、雜質(zhì)、晶界(大小、形狀、分布大小、形狀、分布)等宏觀等宏觀缺陷缺陷晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu),單晶多晶和非單晶多晶和非晶體中的微觀缺陷晶體中的微觀缺陷博學(xué)善建 | | 厚德大成與強(qiáng)度有關(guān)的問題與強(qiáng)度有關(guān)的問題（共性，特

14、性）（共性，特性） 哪些因素影響材料的強(qiáng)度？哪些因素影響材料的強(qiáng)度？ 這些因素與顯微結(jié)構(gòu)間的關(guān)系？這些因素與顯微結(jié)構(gòu)間的關(guān)系？ 材料在怎樣的狀態(tài)下斷裂材料在怎樣的狀態(tài)下斷裂?斷裂過程怎樣？斷裂過程怎樣？ 韌性是什么？韌性是什么？ 材料的可靠性？具有怎樣的強(qiáng)度？可能用材料的可靠性？具有怎樣的強(qiáng)度？可能用于什么地方？于什么地方？博學(xué)善建 | | 厚德大成與材料強(qiáng)度有關(guān)的斷裂力學(xué)的特點：與材料強(qiáng)度有關(guān)的斷裂力學(xué)的特點： 著眼于裂紋尖端應(yīng)力集中區(qū)域的力場和應(yīng)著眼于裂紋尖端應(yīng)力集中區(qū)域的力場和應(yīng)變場分布；變場分布； 研究裂紋生長、擴(kuò)展最終導(dǎo)致斷裂的動態(tài)研究裂紋生長、擴(kuò)展最終導(dǎo)致斷裂的動態(tài)過程和規(guī)律；過程

15、和規(guī)律； 研究抑制裂紋擴(kuò)展、防止斷裂的條件。研究抑制裂紋擴(kuò)展、防止斷裂的條件。 給工程設(shè)計、合理選材、質(zhì)量評價提供判給工程設(shè)計、合理選材、質(zhì)量評價提供判據(jù)。據(jù)。博學(xué)善建 | | 厚德大成按破壞形式分：屈服強(qiáng)度按破壞形式分：屈服強(qiáng)度 斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度按討論方式分：理論強(qiáng)度按討論方式分：理論強(qiáng)度 實際強(qiáng)度實際強(qiáng)度斷裂理論博學(xué)善建 | | 厚德大成能量守衡理論能量守衡理論 固體在拉伸應(yīng)力下，由于伸長而儲存了彈性應(yīng)變固體在拉伸應(yīng)力下，由于伸長而儲存了彈性應(yīng)變能，斷裂時，應(yīng)變能提供了新生斷面所需的表面能，斷裂時，應(yīng)變能提供了新生斷面所需的表面能。能。 即：即： th x/2=2 s 其中：其中： th

16、為理論強(qiáng)度；為理論強(qiáng)度； x為平衡時原子間距的增為平衡時原子間距的增量；量； ：表面能。：表面能。 虎克定律：虎克定律： th =E (x/r0) 理論斷裂強(qiáng)度：理論斷裂強(qiáng)度： th =2 ( s E/ r0 )1/2博學(xué)善建 | | 厚德大成Orowan 模型模型xSinth2原子間約束力和距離間的關(guān)系原子間約束力和距離間的關(guān)系Orowan以應(yīng)力以應(yīng)力應(yīng)變正弦函數(shù)曲線應(yīng)變正弦函數(shù)曲線的形式近似的描述原子間作用力隨原的形式近似的描述原子間作用力隨原子間距的變化。子間距的變化。博學(xué)善建 | | 厚德大成thththxCosdxxSinW2200222斷裂功斷裂功 2W2 th形成兩個新的表面形成

17、兩個新的表面 xSinth22 2 00axllEaxE由虎克定律由虎克定律 xExaxth22000222aEaEth0aEth博學(xué)善建 | | 厚德大成Orowan 模型模型高強(qiáng)度的固體必須要求高強(qiáng)度的固體必須要求E E、大，大，a a小，小，約為約為aE/100aE/100，故理論結(jié)合強(qiáng)度可寫成：，故理論結(jié)合強(qiáng)度可寫成： 10EthaEth博學(xué)善建 | | 厚德大成斷裂強(qiáng)度理論值和測定值斷裂強(qiáng)度理論值和測定值材料材料ThKg/mm2 c th/ c材料材料 th c th/ cAl2O3晶須晶須50001540 3.3Al2O3寶石寶石500064.477.6鐵晶須鐵晶須30001300

18、 2.3BeO357023.8150奧氏型鋼奧氏型鋼20483206.4MgO245030.181.4硼硼348024014.5Si3N4熱壓熱壓385010038.5硬木硬木10.5SiC49009551.6玻璃玻璃69310.566.0Si3N4燒結(jié)燒結(jié)385029.5130NaCl4001040.0AlN28006010046.728.0Al2O3剛玉剛玉500044.1113博學(xué)善建 | | 厚德大成v Inglis斷裂理論斷裂理論 v Griffith脆斷理論脆斷理論 v Irwin - Orowan 理論理論 博學(xué)善建 | | 厚德大成InglisInglis斷裂理論斷裂理論貢獻(xiàn)貢

19、獻(xiàn)：看到了缺陷、解釋了實際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于看到了缺陷、解釋了實際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于 理論強(qiáng)度的事實。理論強(qiáng)度的事實。缺點缺點：沿用了傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論，引用了現(xiàn)成沿用了傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論，引用了現(xiàn)成 的彈性力學(xué)應(yīng)力集中理論，并將缺陷的彈性力學(xué)應(yīng)力集中理論，并將缺陷 視為橢園孔，未能討論裂紋型的缺陷。視為橢園孔，未能討論裂紋型的缺陷。 博學(xué)善建 | | 厚德大成InglisInglis斷裂理論斷裂理論c2c微裂紋端部的曲率對應(yīng)于原子間距微裂紋端部的曲率對應(yīng)于原子間距博學(xué)善建 | | 厚德大成 孔洞兩個端部的應(yīng)力幾乎取決于孔孔洞兩個端部的應(yīng)力幾乎取決于孔洞的長度和端部的曲率半徑而與孔洞洞的長度和端部的曲率半徑而與孔洞的

20、形狀無關(guān)，根據(jù)彈性理論，即的形狀無關(guān)，根據(jù)彈性理論，即：c2A近似為近似為02acA故故裂紋擴(kuò)展的條件是：裂紋擴(kuò)展的條件是： thA002aEracccErc4cA+ 21博學(xué)善建 | | 厚德大成Griffith斷裂理論斷裂理論應(yīng)力集中強(qiáng)度理論 應(yīng)力集中流流體體的的流流動動博學(xué)善建 | | 厚德大成材料中的裂紋型缺陷：材料中的傷痕、裂紋、材料中的裂紋型缺陷：材料中的傷痕、裂紋、氣孔、雜質(zhì)等宏觀缺陷。氣孔、雜質(zhì)等宏觀缺陷。平板彈性體的受力情況平板彈性體的受力情況力線力線n力管力管裂紋裂紋長度長度2c博學(xué)善建 | | 厚德大成 為了傳遞力，力線一定穿過材料組織到達(dá)固定端為了傳遞力，力線一定穿過材

21、料組織到達(dá)固定端 力以音速通過力管（截面積為力以音速通過力管（截面積為A），把），把P/n大小的力傳給大小的力傳給此端面。此端面。 遠(yuǎn)離孔的地方，其應(yīng)力為：遠(yuǎn)離孔的地方，其應(yīng)力為： =(P/n)/A 孔周圍力管端面積減小為孔周圍力管端面積減小為A1 ，孔周圍局部應(yīng)力為：，孔周圍局部應(yīng)力為： =(P/n)/A1 橢圓裂紋橢圓裂紋 越扁平或者尖端半徑越小，其效果越明顯。越扁平或者尖端半徑越小，其效果越明顯。 應(yīng)力集中：材料中存在裂紋時，裂紋尖端處的應(yīng)力遠(yuǎn)超過應(yīng)力集中：材料中存在裂紋時，裂紋尖端處的應(yīng)力遠(yuǎn)超過表觀應(yīng)力。表觀應(yīng)力。博學(xué)善建 | | 厚德大成裂紋尖端處的應(yīng)力集中裂紋尖端處的應(yīng)力集中博學(xué)善

22、建 | | 厚德大成裂紋尖端的彈性應(yīng)力裂紋尖端的彈性應(yīng)力用彈性理論計算得：用彈性理論計算得： Ln = 1+ /(2x+ ) c 1/2 / (2x+ )1/2 + /(2x+ )當(dāng)當(dāng) x=0, Ln = 2(c/ )1/2+1當(dāng)當(dāng)c ，即裂紋為扁平的銳裂紋即裂紋為扁平的銳裂紋 Ln = 2 (c/ )1/2當(dāng)當(dāng) 最小時（為原子間距最小時（為原子間距r0） Ln = 2 (c/ r0)1/2裂紋尖端的彈性應(yīng)裂紋尖端的彈性應(yīng)力沿力沿x分布通式：分布通式： Ln =q(c, , x) Lnx 2c Ln0裂紋尖端處的彈性應(yīng)力分裂紋尖端處的彈性應(yīng)力分布布博學(xué)善建 | | 厚德大成應(yīng)力集中強(qiáng)度理論應(yīng)力

23、集中強(qiáng)度理論 斷裂的條件：當(dāng)裂紋尖端的局部應(yīng)力等于理論斷裂的條件：當(dāng)裂紋尖端的局部應(yīng)力等于理論強(qiáng)度強(qiáng)度 th = ( s E/ r0 )1/2 時，裂紋擴(kuò)展，沿著橫截面分為兩部分，此時時，裂紋擴(kuò)展，沿著橫截面分為兩部分，此時的外加應(yīng)力為斷裂強(qiáng)度。的外加應(yīng)力為斷裂強(qiáng)度。即即 Ln = 2 (c/ r0)1/2= th = ( s E/ r0 )1/2 斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度 c = ( s E / 4c )1/2 考慮裂紋尖端的曲率半徑是一個變數(shù)，即不等考慮裂紋尖端的曲率半徑是一個變數(shù)，即不等于于r0 ，其一般式為：，其一般式為： c =y ( s E / c )1/2 y是裂紋的幾何（形狀）因子。是

24、裂紋的幾何（形狀）因子。博學(xué)善建 | | 厚德大成裂紋模型裂紋模型裂紋模型根據(jù)固體的受力狀態(tài)和形變方式，分為三種基本的裂紋模型根據(jù)固體的受力狀態(tài)和形變方式，分為三種基本的裂紋模型，其中最危險的是張開型，一般在計算時，按最裂紋模型，其中最危險的是張開型，一般在計算時，按最危險的計算。危險的計算。張開型張開型錯開型錯開型撕開型撕開型博學(xué)善建 | | 厚德大成博學(xué)善建 | | 厚德大成斷裂強(qiáng)度（臨界應(yīng)力）的計算斷裂強(qiáng)度（臨界應(yīng)力）的計算 根據(jù)根據(jù)Griffith能量判據(jù)計算材料能量判據(jù)計算材料斷裂強(qiáng)度（臨斷裂強(qiáng)度（臨界應(yīng)力）界應(yīng)力） 外力作功，單位體積內(nèi)儲存彈性應(yīng)變能：外力作功，單位體積內(nèi)儲存彈性應(yīng)

25、變能： W=UE/AL=（1/2）P L/A L =（1/2）= 2/2E 設(shè)平板的厚度為設(shè)平板的厚度為1個單位，半徑為個單位，半徑為C的裂紋其的裂紋其彈性應(yīng)變能為：彈性應(yīng)變能為： UE = W 裂紋的體積裂紋的體積=W （ C21） = C2 2/2E將該式求導(dǎo)可得：將該式求導(dǎo)可得：博學(xué)善建 | | 厚德大成平面應(yīng)力狀態(tài)下擴(kuò)展單位長度的微裂紋釋放應(yīng)變能為：平面應(yīng)力狀態(tài)下擴(kuò)展單位長度的微裂紋釋放應(yīng)變能為： dUE / dC= C 2/E（平面應(yīng)力條件）（平面應(yīng)力條件）或或 dUE / dC = (1 2 )C 2/E （平面應(yīng)變條（平面應(yīng)變條件）件）由于擴(kuò)展單位長度的裂紋所需的表面能為：由于擴(kuò)

26、展單位長度的裂紋所需的表面能為： US / C （即（即dUS/ 2dC)=2 s斷裂強(qiáng)度（臨界應(yīng)力）的表達(dá)式：斷裂強(qiáng)度（臨界應(yīng)力）的表達(dá)式： f= 2E s / C1/2 （平面應(yīng)力條件）（平面應(yīng)力條件） f= 2E s / (1 2 ) C1/2 （平面應(yīng)變條件）（平面應(yīng)變條件）博學(xué)善建 | | 厚德大成控制強(qiáng)度的三個參數(shù)控制強(qiáng)度的三個參數(shù) 彈性模量彈性模量E E：取決于材料的組分、晶體的結(jié)構(gòu)、氣孔。對其他顯微結(jié)構(gòu)較不敏感。 斷裂能斷裂能 f f ：不僅取決于組分、結(jié)構(gòu)，在很大程度上受到微觀缺陷、顯微結(jié)構(gòu)的影響，是一種織構(gòu)敏感參數(shù),起著斷裂過程的阻力斷裂過程的阻力作用。 裂紋半長度裂紋半長

27、度c c：材料中最危險的缺陷，其作用在于材料中最危險的缺陷，其作用在于導(dǎo)致材料內(nèi)部的局部應(yīng)力集中，是斷裂的動力因?qū)е虏牧蟽?nèi)部的局部應(yīng)力集中，是斷裂的動力因素。素。博學(xué)善建 | | 厚德大成斷裂能斷裂能 熱力學(xué)表面能：熱力學(xué)表面能：固體內(nèi)部新生單位原子面所吸收固體內(nèi)部新生單位原子面所吸收的能量。的能量。 塑性形變能：塑性形變能：發(fā)生塑變所需的能量。發(fā)生塑變所需的能量。 相變彈性能：相變彈性能：晶粒彈性各向異性、第二彌散質(zhì)點晶粒彈性各向異性、第二彌散質(zhì)點的可逆相變等特性，在一定的溫度下，引起體內(nèi)的可逆相變等特性，在一定的溫度下，引起體內(nèi)應(yīng)變和相應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力。結(jié)果在材料內(nèi)部儲存了彈應(yīng)變和相應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力。

28、結(jié)果在材料內(nèi)部儲存了彈性應(yīng)變能。性應(yīng)變能。 微裂紋形成能：微裂紋形成能：在非立方結(jié)構(gòu)的多晶材料中，由在非立方結(jié)構(gòu)的多晶材料中，由于彈性和熱膨脹各向異性，產(chǎn)生失配應(yīng)變，在晶于彈性和熱膨脹各向異性，產(chǎn)生失配應(yīng)變，在晶界處引起內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)變能大于微裂紋形成所需界處引起內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)變能大于微裂紋形成所需的表面能，在晶粒邊界處形成微裂紋。的表面能，在晶粒邊界處形成微裂紋。博學(xué)善建 | | 厚德大成徑向裂紋徑向裂紋側(cè)向裂紋側(cè)向裂紋殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力材料表面受材料表面受研磨粒子損研磨粒子損傷后形成的傷后形成的裂紋裂紋工藝缺陷工藝缺陷工藝缺陷包括大孔洞、大晶粒、夾雜物等，形成于材料工藝缺陷包括大孔洞、大晶粒、夾

29、雜物等，形成于材料制備過程中。與原料的純度、顆粒尺寸、粒度的分布、制備過程中。與原料的純度、顆粒尺寸、粒度的分布、顆粒形貌等有關(guān)。顆粒形貌等有關(guān)。 裂紋的形成裂紋的形成表面裂紋：一個硬質(zhì)粒子（如研磨粒子）受到力表面裂紋：一個硬質(zhì)粒子（如研磨粒子）受到力P的作用的作用而穿入脆性固體的表面，可能引起局部屈服，塑性形變而穿入脆性固體的表面，可能引起局部屈服，塑性形變造成的殘余應(yīng)力將激發(fā)出表面裂紋。造成的殘余應(yīng)力將激發(fā)出表面裂紋。形成于表面加工（切割、研磨、拋光）或粒子沖刷過程。形成于表面加工（切割、研磨、拋光）或粒子沖刷過程。例例1：由坯釉熱膨脹系數(shù)不同引起。上釉陶瓷：由坯釉熱膨脹系數(shù)不同引起。上釉

30、陶瓷: 釉的釉的熱膨脹系數(shù)：熱膨脹系數(shù)： 1 ；坯體的熱膨脹系數(shù)：；坯體的熱膨脹系數(shù)： 2坯受較強(qiáng)的拉力作坯受較強(qiáng)的拉力作用釉被拉離坯面用釉被拉離坯面 1 2 1 2釉受較大拉力的作用釉受較大拉力的作用發(fā)生龜裂或坯向內(nèi)側(cè)彎曲發(fā)生龜裂或坯向內(nèi)側(cè)彎曲 陶瓷的無釉坯料與上釉坯料的抗彎強(qiáng)度陶瓷的無釉坯料與上釉坯料的抗彎強(qiáng)度P130陶瓷的種類陶瓷的種類無釉坯料無釉坯料(kg/cm2)上釉坯料上釉坯料(kg/cm2)粘土質(zhì)絕緣子粘土質(zhì)絕緣子735910滑石瓷絕緣子滑石瓷絕緣子13301715粘土質(zhì)化學(xué)瓷粘土質(zhì)化學(xué)瓷840925鋯英石質(zhì)化學(xué)鋯英石質(zhì)化學(xué)瓷瓷17402100瓷磚瓷磚672861硬質(zhì)瓷硬質(zhì)瓷36

31、4490固定支座對膨脹的約束固定支座對膨脹的約束自由膨脹自由膨脹T0 L0T L0+L（a)(b)有下列關(guān)系：有下列關(guān)系： =E(- L/L)=E (TTo)T E基體基體夾雜物脫離基夾雜物脫離基體，形成空洞體，形成空洞形成與張應(yīng)力形成與張應(yīng)力平行的微裂紋平行的微裂紋形成與張應(yīng)力形成與張應(yīng)力垂直的微裂紋垂直的微裂紋基體的切向應(yīng)力引起切向裂基體的切向應(yīng)力引起切向裂紋紋,最危險最危險 導(dǎo)致斷裂的幾率較小導(dǎo)致斷裂的幾率較小 高斷裂幾率高斷裂幾率 高斷裂幾率危險條件高斷裂幾率危險條件徑向熱拉徑向熱拉應(yīng)力引起應(yīng)力引起夾雜物類夾雜物類似于楔子似于楔子夾雜物在夾雜物在張應(yīng)力的張應(yīng)力的作用下發(fā)作用下發(fā)生拉伸生拉伸臨界和亞臨界夾雜物斷裂臨界和亞臨界夾雜物斷裂最危險最危險條件條件位錯運動對材料斷裂有兩方面的作用：位錯運動對材料斷裂有兩方面的作用： 引起塑性形變，導(dǎo)致應(yīng)力松弛和抑制裂引起塑性形變，導(dǎo)致應(yīng)力松弛和抑制裂