材料斷裂課件 第一章 材料的結構及其基本力學行為

第一章材料的結構及其基本力學行為1．工程材料的變形行為—應力、應變曲線類型（拉伸曲線）—最簡單的表征材料力學特征1.1彈性……第Ⅰ種類型以陶瓷為代表的脆性材料，如，玻璃、巖石、陶瓷；一定條件下的材料，如，低溫下金屬、橫向交聯(lián)的聚合物。1.Hooke定律拉伸時 剪切時 ①

彈性的特性(1)變形的可逆性(2)應力與應變成正比，比例常數(shù)E②彈性的本質(zhì)：外力作用下，引起原子間距發(fā)生可逆變化的結果。即原子間相互作用吸力——斥力間一種平衡。2．彈性模量E(1)

剛度低、過量的彈性變形→失去精度(2)E是原子間結合強度的標志。

隨原子間結合鍵而異，不同材料E不同；隨原子間距而變（成反比）----與溫度有關。3.各類材料E特點（1）結合鍵金屬：金屬鍵；結合鍵強，無方向性。變形時只使鍵改變方向不易破壞，較高的強度和塑性。陶瓷：共價鍵和離子鍵，結合強、有方向性。高熔點、高硬度、塑性差。

高分子：低強度、高塑性。（2）E穩(wěn)定性（3）大小E陶瓷>E金屬>E聚合物(4)彈性比功（回彈性）金屬吸收彈性變形功的能力。等于應力、應變曲線下所包含的面積彈性元件：應具有高的彈性極限和彈性比功。＊彈性與剛性是兩個相反概念3．比例極限和彈性極限比例極限：低于該應力，應力與應變成正比；彈性極限：應變完全可逆的?？梢姴牧暇哂蟹蔷€性彈性，如晶須，在大的彈性應變下，E是變化的，大多數(shù)情況下，彈性極限近似等于比例極限，彈性極限稍高。1.2彈性—均勻塑性第II種類型具有應變硬化（大多數(shù)金屬）

彈性區(qū)過后，一般光滑拋物線，即隨應變增加（塑性）變形抵抗力增加。這是晶體內(nèi)位錯的不可逆運動或是非晶體可能變形機制引起的不可逆變形。（位錯或其它機制）經(jīng)驗公式：Hollowon

真應力 真應變

n應變硬化指數(shù)n代表材料抵抗塑性變形的能力實際n0~1重要的性能指標：1．屈服極限，是塑性變形開始時的應力值是工程上最重要的力學性能指標。在工程設計和選材上作為衡量指標。因為工程構件在服股過程中不允許有過量的塑性變形，塑性變形等于失效。提高σs

優(yōu)點:缺點:結論：對于應力集中大(截面形狀變化大)、應力狀態(tài)硬、應變速率高、溫度低→應取較低。(crackpropagation)2.塑性與塑性指標……為什么需要塑性工程構件在服役條件下都需要有一定的塑性，當機件遇到過載時，產(chǎn)生塑性變形，①通過形變硬化；②塑性材料，削減應力峰值，使應力重新分布，防止脆性斷裂。

塑性重要性：(1)防止脆性斷裂：形變硬化、削減應力集中峰值，應力重新分布；(2)材料成型。1912年4月12日是個悲慘的日子——這一天，英國豪華客輪泰坦尼克號在駛往北美洲的處女航行中不幸沉沒。這次沉船事件致使1523人葬身魚腹，是人類航海史上最大的災難，震驚世界。(重量為6萬6千噸/長度為880英尺)。這艘近275米的豪華客輪，被迎面漂來的冰山撞開了約92米長的裂縫后沉沒;聲波探測儀找到了船的“傷口”有6處小“傷口”，總的損壞面積僅有3.7米—4米。人們很難接受這樣一個事實：一艘如此精良的巨輪只撞了6個小洞就沉沒了！1992年，俄羅斯科學家約瑟夫麥克尼斯博士寫道：“敲擊聲很脆的船體鋼板，或許使人感到它可以在撞擊下被分解成一塊塊?！泵绹茖W家對船體鋼板的研究結果也證實了上面的看法，當時的鋼板有許多降低鋼板硬度的硫磺夾雜物，這是船體鋼板非常脆的原因。普遍認為，冰山撞擊可能并不是致命原因；冰山撞擊來得太突然，加上輪船的速度稍快，再加上鋼板較脆，是這一悲劇發(fā)生的真正原因。

3.韌性(靜力韌度)——拉伸下靜力韌度：指靜拉伸應力應變曲線下所包圍的面積減去斷裂前吸收的彈性能。總的能量==彈性比功+靜力韌度。韌性是抵抗斷裂的能力，是個能量指標取決于強度和韌性最佳配合。說明金屬廣泛應用，韌性最好的。4.塑性失穩(wěn)和縮頸工程應力應變曲線的最高點對應著宏觀局部塑性變形的開始→導致塑性失穩(wěn)和縮頸。變形過程：微觀局部塑變→強化→循環(huán)→強化→應力達到σmax（變形局限于縮頸區(qū)）

標距內(nèi)均勻伸長均勻變形

不再有應變硬化能力→（泊松效應）在頸縮處產(chǎn)生三向拉應力狀態(tài)，使塑變難以發(fā)生→達。

斷裂形貌：縮頸的中心，夾雜物、硬相粒子開裂，即微孔形成、生長、匯合、斷裂。1.3彈性——不均勻塑變第Ⅲ種類型——鋸齒形狀的應力應變曲線。包括：在低溫和高應變速率下面心立方金屬；含碳的體心立方鐵合金及鋁的低溶質(zhì)固溶體。原理：通過孿生方式產(chǎn)生間斷的變形，或空位、溶質(zhì)與位錯交互作用。(變互作用較強)克服束縛、位錯運動→再束縛→再克服運動。1.4彈性-不均勻塑變-均勻塑變第IV種類型（含屈服點）包括：許多體心立方鐵基合金和若干鋁合金。原理：由位錯與溶質(zhì)原子交互作用造成——柯氏氣團。一旦克服束縛，位錯就運動下去。

與VI類型比較前者溶質(zhì)擴散快；后者擴散慢。1.5彈性——不均勻塑性——均勻塑性第V種類型結晶態(tài)聚合物材料原理：聚合物內(nèi)原來結晶結構破壞，隨之屈服，載荷下降；然后破壞的結構重新組織成新的、方向性好的、強度高的結構，出現(xiàn)應變硬化直到最后破斷。1.6T、對拉伸特性的影響規(guī)律：總的塑性流變曲線隨T↑、↓而降低。即σ隨T↑、↓而↓；σ=f(T、、ε)不同材料對T、敏感程度不同敏感度增加面心立方金屬→體心立方金屬、陶瓷→聚合物1.7工程陶瓷的組織結構及其變形1.7.1

陶瓷材料的相組成和結構1．相組成及作用

陶瓷的相組成由主晶相、玻璃相和氣孔（數(shù)量較多且不可避免，因此可看作一相）。(1)晶相：主要組成相，決定著陶瓷的物理化學性能。(2)玻璃相：是一種低熔點固體，起著粘結晶相、填充氣孔、降低燒結溫度的作用；有時多達20-60%。(3)氣相或氣孔：是陶瓷生產(chǎn)不可避免的，體積為5-10%或更多。2．相結構生產(chǎn)工藝，粉末按比例混合→成型→燒結陶瓷相組成、相結構、數(shù)量、形狀分布都受到工藝的強烈影響。(1)晶相：晶體結構比金屬復雜。離子鍵為主晶體MgO、Al2O3等。共價健為主晶體BN、NiC、Si4N3等。（金屬結構：---簡單結構：面心、密排、體心，密度100%，）兩類主要結構

1．氧化物結構—負氧等離子－密排結構，金屬離子－空隙。NaCl型結構：CaO,SrO,MnO,FeO,CoO,NaCl,KCl,LiF---面心，八面體中心閃鋅礦型結構（ZnS）：BeO,SiC----密排，四面體中心螢石型結構：ThO2,CeO2,PrO2,ZrO2---金屬離子－面心立方，O-2，四面體中心逆螢石型結構：LiO2,Na2O,K2O---

O-2，面心立方；金屬離子四面體中心，剛玉結構：Al2O3,Fe2O3,Cr2O3,Ti2O3,V2O3等。密排，八面體中心。2．硅酸鹽結構——由硅氧四面體（SiO4）4-

四個頂點上氧離子能與周圍其它陽離子或另一個硅氧四面體聯(lián)結（有不同連結方式）島狀結構（SiO4）4-不發(fā)生聯(lián)結，鎂橄欖石，Mg2SiO4，鋯石英ZrSiO4組群狀結構、鏈狀結構、層狀結構、架狀結構(2)玻璃相，長程無序，各向同性，常分布于主晶相的晶界。(3)氣相，5-10%，呈不規(guī)則形狀（非球狀）。

1.7.2陶瓷的變形1．彈性變形變形特點：(1)彈性模量大（強的離子鍵、共價鍵）(2)E受氣孔影響大

E=E0(1-K1

P+K2

P2)

E0無氣孔時彈性模量

P氣孔率

K1，K2取決于氣孔形狀與取向的常數(shù)

(3)E壓>E拉（不同于金屬）2．塑性變形一般陶瓷材料晶體結構復雜，室溫下無塑性。陶瓷在室溫靜拉伸（或彎曲）載荷下，均不出現(xiàn)塑性變形，彈性變形后即發(fā)生斷裂。原因：（1）滑移系少。

幾何條件晶體結構復雜。靜電條件，離子鍵、共價鍵有方向性，運動阻力大，形成位錯困難（2）位錯不易傳播：

多晶，由于晶體取向或晶界結構性質(zhì)的差異（氣孔、玻璃相，微裂紋）。例外情況：少數(shù)具有簡單晶體結構陶瓷材料MgO、KCl（NaCl型結構）室溫下具有塑性，1.8聚合物的結構和變形1.8.1聚合物的基本概念及分類高分子化合物與聚合物：高聚物(一般所謂聚合物為高聚合物)-------低聚物。由大量的原子組成大分子,分子量>10000—5000。由簡單的重復單元連接而成——聚合物，僅僅分子量高——不是聚合物。無嚴格界限，通?；煊?。高分子材料——高分子量原子化合物；（大分子量物質(zhì)或低聚物），低分子量原子高聚物。1.

分類：(1)

熱塑性塑料線型或支鏈型長鏈聚合物。晶體—線型分子排列整齊非晶體—線型分子排列不整齊。受熱時能夠熔融，可反復成型。(2)橡膠輕度交聯(lián)的網(wǎng)狀聚合物。變形時，分子相對運動受分子間交聯(lián)的約束，呈高彈性，不能熔融只降解。(3)熱固性塑料高度交聯(lián)三維空間網(wǎng)狀大分子。堅硬、難于加工，加熱時與橡膠一樣，不能熔融，只能降解。(4)纖維由線性大分子排列、堆砌配合而成長度是直徑1000倍以上的纖細物質(zhì)。1.8.聚合物的結構1.

聚合物的結構參數(shù)(1)

聚合度聚合物中重復的結構單元的數(shù)量。影響強度、熔點、分子量大小，甚至狀態(tài)。舉例：隨著聚合度的提高，聚乙稀由氣體、液體、軟蠟狀態(tài)、脆性固體、最后達到分子量>1000堅硬塑料。(2)

結構單元：碳鏈高分子:主鏈單獨由碳原子組成,如聚乙稀、聚丙??；雜鏈高分子:主鏈除C外，還有S.O.N等，如聚酸胺、聚脂；元素有機高分子:主鏈中無C，而由Si.O.N.Al.B.Ti.等元素組成，側(cè)基為有機基團，如硅橡膠。(3)

鍵能：分子內(nèi)部共價健——(鍵能大)分子之間或同一分子折疊部分——(鍵能小)聚合物的強度、熔點和粘性與內(nèi)部共價健以及分子之間或同一分子的分子鍵有密切關系。聚合度大分子鍵>共價鍵，共價鍵破壞；聚合度小分子鍵總和<共價鍵,分子健發(fā)生滑脫→大部分情況。(4)

聚集態(tài)結構—分子之間排列。高分子材料結構二部分組成：分子鏈本身結構：單元體、數(shù)量（聚合度）、連接方式、鏈幾何形狀、鏈構型—共價鍵；鏈間結構(聚集態(tài)結構)：晶態(tài)、非晶態(tài)、取向結構——分子鍵。

晶體結構：分子鏈有規(guī)則地來回折疊，以薄片形式構成晶體。非晶體結構：分子鏈排列短程有序，即分子鏈一段是有序排列。特點：(a).結晶聚合物都是部分結晶，分為結晶區(qū)+非結晶區(qū)。

(大分子鏈全部規(guī)則排列困難)

(b).晶區(qū)內(nèi)分子排列緊密，分子間作用力強，聚合物強度、硬度、剛度等性能提高。彈性、延伸率下降。

但與鏈運動有關的性能為取向結構：在外力作用下分子呈規(guī)則排列。(延力方向)——沿一個方向拉伸。1.8.3.聚合物的力學狀態(tài)(轉(zhuǎn)變溫度低)聚合物結構一定后其性能還依賴于T、t。隨T變化其物理性質(zhì)發(fā)生改變現(xiàn)象——轉(zhuǎn)變。隨t變化其物理性質(zhì)發(fā)生改變現(xiàn)象——松馳，具有粘彈性特征。

σ(T.t)=E(T.t)ε在結構不變時，T.t變化，內(nèi)部分子運動從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)。1.非晶態(tài)聚合物E(t)——T曲線有三種力學狀態(tài)：玻璃態(tài)、高彈態(tài)(橡膠態(tài))、粘流態(tài)。1)玻璃態(tài)：保持一定幾何形狀，有一定承載能力。

——整鏈、鏈段凍結不能運動，僅是健角、鍵長變化。2)橡膠態(tài)：高彈性，受力伸長率可達100%——1000%。

(卸載后恢復—皮筋)——發(fā)生鏈內(nèi)旋、鏈段運動。(短程)3）粘流態(tài)：聚合物加工成形。(整個鏈運動)2.晶態(tài)聚合物結晶部分：固定Tm，<Tm無鏈段運動，無玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變和橡膠態(tài)非晶部分：無固定Tm，>Tg有玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變和橡膠態(tài)。整體：>Tg，由于晶區(qū)對非晶區(qū)產(chǎn)生約束，較小彈性變形。呈現(xiàn)硬橡膠態(tài)特殊形式——皮革態(tài)。分子量低時，Tf<Tm，達到Tf（<Tm），晶區(qū)未破壞，整體不流動—玻璃態(tài)達到Tm

整體流動----粘流態(tài)分子量高時，Tf>Tm，<Tg

玻璃態(tài)達到Tg—Tm皮革態(tài)

Tm-Tf

橡膠態(tài)>Tf

粘流態(tài)T進一步提高（非晶+結晶共同作用）：3.聚合物使用溫度非結晶聚合物用作塑料，上限溫度Tg結晶聚合物用作塑料Tm附近非結晶聚合物用作橡膠Tf---Tg聚合物加工溫度>Tf1.8.4.聚合物的變形四種應力——應變曲線類型1.硬玻璃態(tài)(T<Tβ脆化溫度)

斷裂伸長率很低，無明顯屈服。如聚苯乙稀，硬、脆材料高模量、高強度2.軟玻璃態(tài)(Tβ<T<Tg)非晶三部分:可恢復彈性變形、強迫高彈變形、永久變形。聚三氯乙稀。3.橡膠態(tài)下的變形4.粘流態(tài)下的變形

非晶態(tài)和晶態(tài)聚合物拉伸曲線外形相似，但機理不同。非晶態(tài)→（拉伸）取向變化→σ提高晶態(tài)→（拉伸）結晶破壞

→取向→再結晶→σ提高。

1.9.三類材料結構差異及變形、斷裂特點1.結構異同點：共同點：都有晶體結構(晶體缺陷)、非晶體結構。不同點：（1）化學鍵類型不同。金屬陶瓷聚合物金屬鍵共價健離子鍵共價鍵分子鍵鍵能100—34060—740630—105060—740<40（KJ/mol）

（2）晶體結構不同。金屬、簡單—金屬離子。聚集態(tài)結晶、非晶陶瓷較復雜—正、負離子.晶體+非晶高分子更復雜(分子內(nèi)、分子間)晶體+非晶體、非晶2.變形與斷裂特點金屬：彈性變形、塑性變形、斷裂(多為韌性斷裂)。陶瓷：只有彈性變形，以脆性斷裂為主(有超塑性)。高分子：有彈、塑性變形、粘性流動、粘彈性等多種力學狀態(tài)。除玻璃態(tài)為脆性斷裂，其余為韌斷。1.9.工程材料的強韌性配合

零件與構件的設計強度設計的依據(jù)許用應力[σ]=σs/n

材料強度愈高，承載能力越大，許用應力愈高：減輕重量、節(jié)約材料；行走機械節(jié)省動力能源。發(fā)展趨勢：提高材料強度、采用高比強、高比模材料。2.塑性、韌性——防止脆性斷裂經(jīng)驗性：把аk、NDT(無塑性溫度)、FATT(斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度)等指標列入設計要求。

不能直接應用于設計計算、不能保證萬無一失的防止脆性斷裂)——試驗條件與工況之間差別。3.斷裂力學：KIC、JIC、COD進行設計計算，建立最低韌性要求，裂紋尺寸與許用應力之間的關系。4.強韌度合理配合：絕大多數(shù)材料，強度和塑韌度互相制約，提高強度犧牲韌性，反之亦然。僅有極少方法可以達到強韌性同時提高，如細化晶粒、Ni合金化，形變熱處理。——往往工藝復雜，設備等局限。盡量能保證安全和降低成本前提，如何兼顧材料強度和塑性、韌性?；驹恚簭牧慵蜆嫾?/p>