無機(jī)材料力學(xué)性能總復(fù)習(xí)

1、第1章 無機(jī)材料的受力形變田傳進(jìn)材料科學(xué)與工程學(xué)院不同材料的拉伸應(yīng)力不同材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線一、一、 無機(jī)材料的應(yīng)力、應(yīng)變無機(jī)材料的應(yīng)力、應(yīng)變材料科學(xué)與工程學(xué)院 （1.） 應(yīng)力的定義：應(yīng)力的定義： 工程應(yīng)力（名義應(yīng)力）： 真實(shí)應(yīng)力（真應(yīng)力）:FA00FAFA材料科學(xué)與工程學(xué)院單位：Pa（2.） 應(yīng)力的描述應(yīng)力的描述材料科學(xué)與工程學(xué)院應(yīng)變：應(yīng)變：描述物體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間的相對位移。 名義應(yīng)變和真實(shí)應(yīng)變名義應(yīng)變和真實(shí)應(yīng)變應(yīng)變的定義為（名義應(yīng)變或工程應(yīng)變）（名義應(yīng)變或工程應(yīng)變）： 真實(shí)應(yīng)變真實(shí)應(yīng)變?yōu)?0001)(LLLLL01ln10LLLdLLLtrue2. 應(yīng)變應(yīng)變拉伸應(yīng)變拉伸應(yīng)變PS

2、LoL1So伸長伸長材料科學(xué)與工程學(xué)院二、二、 無機(jī)材料的彈性形變無機(jī)材料的彈性形變 1.1.彈性變形的概念彈性變形的概念 材料的彈性變形是指材料在外力作用下發(fā)生一定材料的彈性變形是指材料在外力作用下發(fā)生一定量的變形，當(dāng)外力去除后，材料能夠恢復(fù)原來形狀的量的變形，當(dāng)外力去除后，材料能夠恢復(fù)原來形狀的變形。變形。彈性變形的基本特點(diǎn)彈性變形的基本特點(diǎn) 變形變形可逆可逆 應(yīng)力與應(yīng)變保持直線關(guān)系應(yīng)力與應(yīng)變保持直線關(guān)系 變形總量?。鹤冃慰偭啃。?.5%-1%0.5%-1%材料科學(xué)與工程學(xué)院對于各向同性體各向同性體，這些正應(yīng)力不會引起長方體的角度改變，長方體在x軸的相對伸長可表示為： 式中 為彈性模量，對

3、各向同性體為一常數(shù)，表示材料抵抗變形的能力。當(dāng)長方體伸長時，側(cè)向要發(fā)生橫向收縮Exx。LLxEbbbbbccccczy材料科學(xué)與工程學(xué)院 橫向變形系數(shù)，叫做泊松比。泊松比。 EExzxxyxzxyzyx，材料科學(xué)與工程學(xué)院3.彈性模量的影響因素彈性模量的影響因素(1) E與結(jié)構(gòu)的關(guān)系彈性變形起源于晶體點(diǎn)陣中原子間的相互作用，是晶格中原子彈性變形起源于晶體點(diǎn)陣中原子間的相互作用，是晶格中原子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映，自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映，彈性模量彈性模量E是原子間結(jié)合強(qiáng)是原子間結(jié)合強(qiáng)度的一個標(biāo)志。度的一個標(biāo)志。材料科學(xué)與工程學(xué)院rrror12FUm （a）原子間相互作用力和彈性常數(shù)的

4、關(guān)系K是在作用力曲線r=ro時的斜率，因此K的大小反映了原子間的作用力曲線在r=ro處斜率的大小.（b）原子間的勢能與彈性常數(shù)的關(guān)系彈性常數(shù)的大小實(shí)質(zhì)上反映了原子間勢能曲線極彈性常數(shù)的大小實(shí)質(zhì)上反映了原子間勢能曲線極小值尖峭度的大小。小值尖峭度的大小。材料2曲線徒 tga2大，E大；材料1tga1小， E小；tg1 tg2 （1 2) E1 E2（1）兩相應(yīng)變相同）兩相應(yīng)變相同2211VEVEEU式中：式中：E1，E2分別為第一相與第二相的彈性模量；分別為第一相與第二相的彈性模量；V1，V2分別為第一相與第二相的體積分?jǐn)?shù)；分別為第一相與第二相的體積分?jǐn)?shù)；EU為兩相系統(tǒng)彈性模量的最高值，也稱上限

5、模量。為兩相系統(tǒng)彈性模量的最高值，也稱上限模量。 （2）兩相應(yīng)力相同兩相應(yīng)力相同 12212111221VEVEEEEorEVEVELL式中：式中：EL為兩相系統(tǒng)彈性模量的最低值，也稱下為兩相系統(tǒng)彈性模量的最低值，也稱下限模量。限模量。(2) 復(fù)合材料的彈性模量復(fù)合材料的彈性模量 對連續(xù)基體內(nèi)的密閉氣孔，可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算彈性模量：對連續(xù)基體內(nèi)的密閉氣孔，可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算彈性模量： )9 . 09 . 11 (20ppEE 式中，式中，E0為無氣孔時材料的彈性模量為無氣孔時材料的彈性模量 p為氣孔率為氣孔率(3) E與氣孔率的關(guān)系（一）基本概念 塑性形變及其特點(diǎn)塑性形變及其特點(diǎn)指外力

6、去除后不能恢復(fù)原狀的形變（也叫永久形變）或范性形變。v A.非線性（不服從虎克定律）v B. 形變量較大;v C.形變是不可逆的;塑性形變塑性形變特點(diǎn)：晶體中的塑性形變有兩種基本方式：滑移和孿晶。晶體的塑性形變的主要方式是通過滑移來實(shí)現(xiàn)。滑移晶體受到力的作用時，晶體的一部分相對于另一部分發(fā)生平行滑動的現(xiàn)象。2. 塑性形變的主要方式塑性形變的主要方式滑移及其特點(diǎn)滑移及其特點(diǎn)3. 滑移系統(tǒng)滑移系統(tǒng)滑移面與滑移方向的組合稱之為滑移系統(tǒng)。 其組合的數(shù)目愈多，則滑移系統(tǒng)愈多，易于滑移，則塑性形變也明顯?；剖茄刂饕婧途蛏习l(fā)生的。作為滑移面的條件：晶面指數(shù)??；晶面間距小（b?。?；原子密度大；（能量

7、低，阻力?。?面間距大； 每個面上是同一種電荷的原子，相對滑動面上的電荷相反； 滑移矢量（柏格斯矢量）小。 晶格滑移的特點(diǎn)晶格滑移的特點(diǎn): :l由左圖可知，滑移面上F方向的應(yīng)力為：l此應(yīng)力在滑移方向上的分剪應(yīng)力為：AFAF/coscos/coscos/FA剪應(yīng)力多大能引起滑移？coscos/FACOS. COS該乘積是取決于滑移面和滑移方向的因子，稱為方位因子。公式的意義：在不同的滑移面及滑移方向上不同的滑移面及滑移方向上（,不同）則不同；同一滑移面上同一滑移面上不同的滑移方向（不同）也不同；方位因子數(shù)值大則也大，易發(fā)生滑移；金屬與非金屬晶體滑移難易的比較金屬與非金屬晶體滑移難易的比較 金屬金

8、屬 非金屬非金屬由一種離子組成由一種離子組成 組成復(fù)雜組成復(fù)雜金屬鍵無方向性金屬鍵無方向性 共價鍵或離子鍵有方向共價鍵或離子鍵有方向 結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單 結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)雜 滑移系統(tǒng)多滑移系統(tǒng)多 滑移系統(tǒng)少滑移系統(tǒng)少（二）（二） 塑性形變的位錯運(yùn)動理塑性形變的位錯運(yùn)動理論論從原子尺度變化解釋塑性形變：當(dāng)構(gòu)成晶體的一部分原子相對于另一部分原子轉(zhuǎn)移到新平衡位置時，晶體出現(xiàn)永久形變，晶體體積沒有變化，僅是形狀發(fā)生變化。如果所有原子同時移動，需要很大能量才出現(xiàn)滑動，該能量接近于所有這些鍵同時斷裂時所需的離解能總和；由此推斷產(chǎn)生塑變所需能量與晶由此推斷產(chǎn)生塑變所需能量與晶格能同一數(shù)量級；格能同一數(shù)量級；實(shí)際

9、測試結(jié)果：晶格能超過產(chǎn)生塑變所需能量幾個數(shù)量級。式中，比例常數(shù)式中，比例常數(shù) 為粘性系數(shù)或粘度，是材料的性為粘性系數(shù)或粘度，是材料的性能參數(shù)，單位為能參數(shù)，單位為dtdrdxdvdxdv或sPa 這一定律稱為牛頓定律，符合這一定律的流體叫這一定律稱為牛頓定律，符合這一定律的流體叫牛頓液體，其特點(diǎn)是應(yīng)力與應(yīng)變率之間呈直線關(guān)系。牛頓液體，其特點(diǎn)是應(yīng)力與應(yīng)變率之間呈直線關(guān)系。（1）溫度）溫度 溫度升高，粘度下降。溫度升高，粘度下降。 （2）時間）時間 高溫高溫低溫低溫 ， 液體體積減少，自由體液體體積減少，自由體 積也減少，積也減少，增大，而預(yù)先加熱一定時間，則使熱增大，而預(yù)先加熱一定時間，則使熱膨

10、脹加大，自由體積增加，膨脹加大，自由體積增加，下降。下降。 （3）組成）組成 硅酸鹽材料的粘度隨著不同陽離子的加入而變硅酸鹽材料的粘度隨著不同陽離子的加入而變化。氧化物玻璃中，改性陽離子的加入在任何給定化。氧化物玻璃中，改性陽離子的加入在任何給定溫度下總會使粘度降低。溫度下總會使粘度降低。 2 影響粘度的因素影響粘度的因素四、 1.概念概念對于恒定應(yīng)力（蠕變），應(yīng)力和應(yīng)變有對于恒定應(yīng)力（蠕變），應(yīng)力和應(yīng)變有 Ec(t)= 0/ (t)對于恒定應(yīng)變（弛豫），應(yīng)力和應(yīng)變有對于恒定應(yīng)變（弛豫），應(yīng)力和應(yīng)變有 Er(t)= (t)/ 0 也即彈性模量隨時間而變化，并不是一個常數(shù)。也即彈性模量隨時間而變

11、化，并不是一個常數(shù)。蠕變?nèi)渥? :當(dāng)對材料施加恒定應(yīng)力當(dāng)對材料施加恒定應(yīng)力0時，其時，其 應(yīng)變隨時間而增加的現(xiàn)象應(yīng)變隨時間而增加的現(xiàn)象材料科學(xué)與工程學(xué)院第一章第一章 無機(jī)材料的受力形變無機(jī)材料的受力形變2.高溫蠕變理論高溫蠕變理論材料科學(xué)與工程學(xué)院第一章第一章 無機(jī)材料的受力形變無機(jī)材料的受力形變?nèi)渥儥C(jī)理晶格蠕變晶格蠕變 (晶體內(nèi)部晶體內(nèi)部)晶界蠕變晶界蠕變 （非晶態(tài)晶界相）（非晶態(tài)晶界相）晶格蠕變晶格蠕變位錯滑移蠕變位錯滑移蠕變 擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變3. 影響蠕變的因素影響蠕變的因素材料科學(xué)與工程學(xué)院第一章第一章 無機(jī)材料的受力形變無機(jī)材料的受力形變溫度和應(yīng)力對蠕變曲線的影響第二章 無機(jī)材料的斷

12、裂強(qiáng)度材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院第二章第二章 無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度斷裂斷裂瞬時斷裂（脆性斷裂）延遲斷裂（韌性斷裂）材料科學(xué)與工程學(xué)院第二章第二章 無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度aEthu th只與材料常數(shù)E、a有關(guān)，E大、大、 a小則th 大； 排列緊密的晶體 th大。二二 Griffith微裂紋理論微裂紋理論材料科學(xué)與工程學(xué)院第二章第二章 無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度為了解釋固體材料實(shí)際斷裂強(qiáng)度實(shí)際斷裂強(qiáng)度與理論值理論值之間存在的差異差異， Griffith 1920年提出了著名的Griffith微裂紋理論。微裂紋理論。（一）微裂紋理論及應(yīng)力集中現(xiàn)象（

13、一）微裂紋理論及應(yīng)力集中現(xiàn)象 理論要點(diǎn)：理論要點(diǎn)：實(shí)際材料總是含裂紋、氣孔、傷痕及缺陷即實(shí)際材料是裂紋體。由于宏觀缺陷的存在，當(dāng)材料受外力作用時，在這些缺陷的周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到一定程度時，裂紋將擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料的斷裂。即斷裂是材料中裂紋擴(kuò)展的結(jié)果。（并不是晶體的兩部分同時沿橫截面拉開）材料科學(xué)與工程學(xué)院第二章第二章 無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度裂紋擴(kuò)展過程為：這說明： 材料中總是有缺陷的，但并不一定都會斷裂； 只有當(dāng)應(yīng)力集中超過某一程度時才會擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂；為什么缺陷存在會導(dǎo)致應(yīng)力集中？材料科學(xué)與工程學(xué)院第二章第二章 無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度2. 應(yīng)力集中現(xiàn)象

14、應(yīng)力集中現(xiàn)象 裂紋尖端或孔洞的局部應(yīng)力大于外加平均應(yīng)力的現(xiàn)象。材料科學(xué)與工程學(xué)院第二章第二章 無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度微裂紋端部的曲率對應(yīng)于原子間距acA2奧羅萬改進(jìn)奧羅萬改進(jìn)材料科學(xué)與工程學(xué)院第二章第二章 無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度thAaErac2cErc4acA23. 臨界應(yīng)力的計(jì)算臨界應(yīng)力的計(jì)算裂紋擴(kuò)展的臨界條件：caErth材料科學(xué)與工程學(xué)院第二章第二章 無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度Griffith認(rèn)為：材料內(nèi)部儲存的彈性應(yīng)變能的降低大于由于開裂形成兩個新表面所需的表面能時，裂紋將發(fā)生擴(kuò)展；反之，裂紋不會擴(kuò)展。 （二）（二）應(yīng)變能理論應(yīng)變能理論裂紋擴(kuò)展的

15、能量判據(jù)裂紋擴(kuò)展的能量判據(jù)1. 應(yīng)變能理論要點(diǎn)應(yīng)變能理論要點(diǎn) 所有固體受到作用力后都含有應(yīng)變能。它可通過各種方式轉(zhuǎn)變 成其他的能量如表面能、光能、聲能；對于脆性材料，可看作是完全的彈性體不產(chǎn)生塑性變形即不消耗應(yīng)變能，使材料內(nèi)部能量增大。材料中彈性應(yīng)變能增大是不穩(wěn)定的，必定要釋放以斷裂表面能存在。材料科學(xué)與工程學(xué)院第二章第二章 無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度 認(rèn)為： 彈性應(yīng)變能降低=斷裂表面能增加； 彈性應(yīng)變能釋放是裂紋擴(kuò)展的動力； 斷裂表面能則是裂紋擴(kuò)展的阻力；材料科學(xué)與工程學(xué)院第二章第二章 無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度2.裂紋擴(kuò)展的臨界條件裂紋擴(kuò)展的臨界條件產(chǎn)生長度為2c，厚度

16、為1的兩個新斷面所需的表面能為：cWs4dcdwe2當(dāng)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展一個微小量時2dc單位面積所釋放的能量為：（動力）形成新的單位表面積所需的表面能為：（阻力）dcdws2 材料科學(xué)與工程學(xué)院第二章第二章 無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度 dcdwe2dcdws2(穩(wěn)定穩(wěn)定) dcdwe2dcdws2dcdwe2dcdws2=(擴(kuò)展擴(kuò)展) (臨界臨界) 材料科學(xué)與工程學(xué)院第二章第二章 無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度EcEcdcddcdwe222)(22 2)4(22cdcddcdws 臨界條件可寫成： 22Ecc平面應(yīng)力狀態(tài)下裂平面應(yīng)力狀態(tài)下裂紋擴(kuò)展時的臨界裂紋擴(kuò)展時的臨界裂紋長度或

17、臨界應(yīng)力：紋長度或臨界應(yīng)力： 平面應(yīng)變狀態(tài)下裂平面應(yīng)變狀態(tài)下裂紋擴(kuò)展時的臨界裂紋擴(kuò)展時的臨界裂紋長度或臨界應(yīng)力：紋長度或臨界應(yīng)力： 22ECCcEC2)1(222ECCcEC)1(22材料科學(xué)與工程學(xué)院第二章第二章 無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度aEthcEc4cEC2奧羅萬格里菲斯英格里斯材料科學(xué)與工程學(xué)院第二章第二章 無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度可見，如果我們能控制裂紋長度和原子間距在同一數(shù)量級，就可使材料達(dá)到理論強(qiáng)度。制備高強(qiáng)材料的方向：制備高強(qiáng)材料的方向：E 大大 大大C 小小材料科學(xué)與工程學(xué)院第二章第二章 無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度奧羅萬對斷裂強(qiáng)度的修正平面應(yīng)

18、變狀態(tài):平面應(yīng)力狀態(tài): 2)(2pCECcEpC)(2)1 ()(222pCECcEpC)1 ()(22塑性是阻止裂紋擴(kuò)展的一個重要因素。塑性是阻止裂紋擴(kuò)展的一個重要因素。通常通常 p ，因此，對于因此，對于金屬和陶瓷金屬和陶瓷材料，當(dāng)材料，當(dāng)E和和 c相同的相同的情況下，其情況下，其臨界裂紋長臨界裂紋長度相差度相差103數(shù)數(shù)量級。量級。材料科學(xué)與工程學(xué)院51第二章第二章 無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度三、無機(jī)材料中微裂紋的起源三、無機(jī)材料中微裂紋的起源裂紋本征裂紋非本征裂紋氣孔夾雜分層內(nèi)部裂紋異常長大的晶粒形成機(jī)制碰撞表面裂紋使用過程中產(chǎn)生的缺陷材料科學(xué)與工程學(xué)院第二章第二章 無機(jī)材料

19、的斷裂強(qiáng)度無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度四、顯微結(jié)構(gòu)對無機(jī)材料斷裂強(qiáng)度的影響四、顯微結(jié)構(gòu)對無機(jī)材料斷裂強(qiáng)度的影響1 氣孔率的影響氣孔率的影響cEC2氣孔率P無機(jī)材料斷裂強(qiáng)度隨氣孔率P的變化關(guān)系可以用如下經(jīng)驗(yàn)方程加以描述： n=47氣孔形狀也有影響氣孔形狀也有影響材料科學(xué)與工程學(xué)院第二章第二章 無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度2 晶粒尺寸的影響晶粒尺寸的影響對于多晶材料，大量實(shí)驗(yàn)證明：晶粒尺寸越小，材料的強(qiáng)度就越高。無機(jī)材料斷裂強(qiáng)度隨晶粒尺寸的增大而降低，主要是因?yàn)椴牧蟽?nèi)部固有裂紋的尺寸很大程度上取決于晶粒尺寸取決于晶粒尺寸。由于晶界比晶粒內(nèi)部原子間的結(jié)合晶界比晶粒內(nèi)部原子間的結(jié)合弱的多弱的多,多晶材料

20、破壞多是沿晶界斷裂。細(xì)晶材料晶界比例大，沿晶破壞時，裂紋的擴(kuò)展要走迂回曲折的道路，晶粒愈細(xì)，初始裂紋尺寸就愈小，晶粒愈細(xì)，初始裂紋尺寸就愈小，這樣就提高了臨界應(yīng)力提高了臨界應(yīng)力。其他情況：其他情況：v雜質(zhì)雜質(zhì)存在，也會由于應(yīng)力集中而降低存在，也會由于應(yīng)力集中而降低強(qiáng)度。強(qiáng)度。v彈性模量低的彈性模量低的第二相第二相的存在也降低強(qiáng)的存在也降低強(qiáng)度。度。第三章第三章 無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展裂紋尖端處的應(yīng)力場強(qiáng)度裂紋尖端處的應(yīng)力場強(qiáng)度第三章第三章 無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展掰開型掰開型錯開型錯開型撕開型撕開型低應(yīng)力斷裂的主要原因低應(yīng)力斷裂的主要原因第三章

21、第三章 無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展裂紋尖端附近的應(yīng)力場為裂紋尖端附近的應(yīng)力場為)(2ijIijfrK通式：通式：式中：式中：K KI I反映裂紋尖端應(yīng)力場大小的比例因子。與外加反映裂紋尖端應(yīng)力場大小的比例因子。與外加應(yīng)力應(yīng)力 、裂紋長度、裂紋種類和受力狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)，稱為、裂紋長度、裂紋種類和受力狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)，稱為應(yīng)力場強(qiáng)度因子。應(yīng)力場強(qiáng)度因子。其下標(biāo)表示其下標(biāo)表示I I型擴(kuò)展類型，單位為型擴(kuò)展類型，單位為PaPam m1/21/2。r r為半徑向量，為半徑向量， 為角坐標(biāo)。為角坐標(biāo)。第三章第三章 無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展3 3、應(yīng)力場強(qiáng)度因子與

22、幾何形狀因子、應(yīng)力場強(qiáng)度因子與幾何形狀因子rKIyyxx2根據(jù)上式，可以推導(dǎo)出裂紋尖端的應(yīng)力場強(qiáng)度因子為：根據(jù)上式，可以推導(dǎo)出裂紋尖端的應(yīng)力場強(qiáng)度因子為：cYrKAI2Y Y為幾何形狀因子，取決于：為幾何形狀因子，取決于：裂紋型式、位置；裂紋型式、位置； 試件幾何形狀試件幾何形狀acA2二、臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子及斷裂韌性二、臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子及斷裂韌性第三章第三章 無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展描述材料瞬間斷裂時的裂紋尖端臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子，描述材料瞬間斷裂時的裂紋尖端臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子，也叫平面應(yīng)變斷裂韌性。也叫平面應(yīng)變斷裂韌性。強(qiáng)度與韌性：強(qiáng)度與韌性：斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度使材料

23、斷裂時所需應(yīng)力；使材料斷裂時所需應(yīng)力；斷裂韌性斷裂韌性使材料斷裂時所需能量指標(biāo)；使材料斷裂時所需能量指標(biāo)；臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子K1C第三章第三章 無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展提出新的設(shè)計(jì)思想和選材原則，采用提出新的設(shè)計(jì)思想和選材原則，采用斷裂韌性斷裂韌性KIc，它，它也是一個材料常數(shù)，從破壞方式為斷裂出發(fā)，判據(jù)為：也是一個材料常數(shù)，從破壞方式為斷裂出發(fā)，判據(jù)為：IcIKcYK即應(yīng)力場強(qiáng)度因子小于或等于材料的平面應(yīng)變斷裂韌性，所設(shè)即應(yīng)力場強(qiáng)度因子小于或等于材料的平面應(yīng)變斷裂韌性，所設(shè)計(jì)的構(gòu)件才是安全的，這一判據(jù)考慮了裂紋尺寸。計(jì)的構(gòu)件才是安全的，這一判據(jù)考慮了

24、裂紋尺寸。三、三、裂紋擴(kuò)展的動力與阻力裂紋擴(kuò)展的動力與阻力第三章第三章 無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展Irwin將裂紋擴(kuò)展單位面積所降低的彈性應(yīng)變能定義為應(yīng)變能釋放率或裂紋擴(kuò)展動力裂紋擴(kuò)展動力，對于有內(nèi)裂的薄板，裂紋擴(kuò)展動力：EcEcdcddcdWGe222)(22臨界狀態(tài)，即外加應(yīng)力達(dá)到系統(tǒng)的斷裂強(qiáng)度cEcGcc2KIC反映具有裂紋的材料對于外界作用的一種抵抗能力，即阻止反映具有裂紋的材料對于外界作用的一種抵抗能力，即阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是材料的固有性質(zhì)裂紋擴(kuò)展的能力，是材料的固有性質(zhì)。第三章第三章 無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展EKC2對于脆性材料，GC

25、 = 2 ，由此可得：KIC與材料本征參數(shù)E，物理量有直接關(guān)系，也是材料的本征物理量。第三章第三章 無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展vKI應(yīng)力場強(qiáng)度因子：反映裂紋尖端應(yīng)力場強(qiáng)度的參量。vKIC斷裂韌度：當(dāng)應(yīng)力場強(qiáng)度因子增大到一臨界值時，帶裂紋的材料發(fā)生斷裂，該臨界值稱為斷裂韌性。vKI是力學(xué)度量，它不僅隨外加應(yīng)力和裂紋長度的變化而變化，也和裂紋的形狀類型，以及加載方式有關(guān)，但它和材料本身的固有性能無關(guān)。而斷裂韌性KIC則是反映材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，因此是材料的固有性質(zhì)。KI與與KIC四顯微結(jié)構(gòu)對斷裂韌性的影響四顯微結(jié)構(gòu)對斷裂韌性的影響第三章第三章 無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展無機(jī)

26、材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展無機(jī)材料的增韌設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)：無機(jī)材料的增韌設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)：通過調(diào)整材料的顯微結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步提高材料的裂紋擴(kuò)展阻力。無機(jī)材料增韌設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)：無機(jī)材料增韌設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)：從斷裂力學(xué)角度研究顯微結(jié)構(gòu)與裂紋擴(kuò)展阻力之間的關(guān)系。無機(jī)材料斷裂韌性低無機(jī)材料斷裂韌性低根本原因：根本原因：在裂紋擴(kuò)展過程中，除了形成新表面消耗能量之外，傳統(tǒng)無機(jī)材料幾乎就沒有任何其他可以顯著消耗能量的機(jī)制。1. 裂紋偏轉(zhuǎn)與裂紋偏轉(zhuǎn)增韌裂紋偏轉(zhuǎn)與裂紋偏轉(zhuǎn)增韌第三章第三章 無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展裂紋裂紋偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)和彎曲增韌機(jī)制是指基體中第二彌散相的存在會擾和彎曲增韌機(jī)制是指基體中第二彌散相的

27、存在會擾動裂紋尖端附近應(yīng)力場，使裂紋產(chǎn)生偏折和彎曲，從而減小動裂紋尖端附近應(yīng)力場，使裂紋產(chǎn)生偏折和彎曲，從而減小了驅(qū)動力，增加了新生表面區(qū)域，提高了韌性。了驅(qū)動力，增加了新生表面區(qū)域，提高了韌性。裂紋偏折不受溫度和粒子尺寸的影響裂紋偏折不受溫度和粒子尺寸的影響優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到不可穿越障礙物（當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到不可穿越障礙物（impenetrable）時，有兩）時，有兩種并存的主要擾動作用，即裂紋偏折和裂紋彎曲。種并存的主要擾動作用，即裂紋偏折和裂紋彎曲。裂紋偏折產(chǎn)生裂紋偏折產(chǎn)生非平面裂紋非平面裂紋，而裂紋彎曲產(chǎn)生，而裂紋彎曲產(chǎn)生非線形裂紋前沿。非線形裂紋前沿。 2. 裂紋橋接與裂紋橋接增韌裂

28、紋橋接與裂紋橋接增韌第三章第三章 無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展裂紋尖端后部區(qū)域的第二增強(qiáng)相或（和）大的晶粒會橋聯(lián)裂紋面，對裂紋尖端后部區(qū)域的第二增強(qiáng)相或（和）大的晶粒會橋聯(lián)裂紋面，對裂紋產(chǎn)生一個閉合力，在裂紋擴(kuò)展使橋聯(lián)遭到破壞時，橋聯(lián)相一般還裂紋產(chǎn)生一個閉合力，在裂紋擴(kuò)展使橋聯(lián)遭到破壞時，橋聯(lián)相一般還會進(jìn)一步產(chǎn)生拔出作用。橋聯(lián)和拔出消耗了額外的能量，從而提高了會進(jìn)一步產(chǎn)生拔出作用。橋聯(lián)和拔出消耗了額外的能量，從而提高了材料的斷裂韌性。材料的斷裂韌性。 3. 微裂紋增韌與相變增韌微裂紋增韌與相變增韌第三章第三章 無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展微裂紋增韌（微裂

29、紋增韌（microcrack toughening）是指因熱膨）是指因熱膨脹失配或相變誘發(fā)出顯微裂紋，這些尺寸很小的微脹失配或相變誘發(fā)出顯微裂紋，這些尺寸很小的微裂紋在主裂紋尖端過程區(qū)內(nèi)張開而分散和吸收能量，裂紋在主裂紋尖端過程區(qū)內(nèi)張開而分散和吸收能量，使主裂紋擴(kuò)展阻力增大，從而使斷裂韌性提高。使主裂紋擴(kuò)展阻力增大，從而使斷裂韌性提高。 微裂紋增韌微裂紋增韌第三章第三章 無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展 損耗裂紋擴(kuò)展能量使裂紋不能繼續(xù)擴(kuò)展 用多條微裂紋的擴(kuò)展分散化解一條裂紋擴(kuò)展的能量 控制微裂紋的尺寸使之不能超過材料允許的臨界裂紋尺寸 微裂紋增韌 第三章第三章 無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展無機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展相變增韌相變增韌ZrO2由四方轉(zhuǎn)變成單斜相的相變過程中,體積增加3-5%，這體積效應(yīng)使得材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力或者微裂紋。當(dāng)材料受到外力作用時，材料內(nèi)部因?yàn)閼?yīng)力集中或者微裂紋可以部分或者全部抵抗外力作用，從而