《脆性断裂与强度》PPT课件

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1、无机材料物理性能主讲教师：杨金萍联系电话：15612875388E—mail:imjp_yang@163.com第二章脆性断裂与强度第一节格里菲斯微裂纹理论第二节G判据与K判据第三节平面应变断裂韧性的意义第四节脆性材料补强增韧途径第五节静态疲劳第六节强度的统计本质河北联合大学材料科学与工程学院强度树图的建立：以强度和断裂强度为树干，理论解释为树皮，支配强度的宏观因素和微观因素为树根，将各种强度特性以树枝形式伸展到各个应用领域。例如：高温材料必须在高温下具有一定的断裂强度，必须掌握如何评价它的耐热性、

2、热冲击、化学腐蚀和机械冲击等特性。强度树图一、无机材料的理论强度河北联合大学材料科学与工程学院磨损摩擦硬度机械冲击化学腐蚀耐热性热疲劳热冲击断裂强度材料的强度强度理论光学材料多孔质材料高温材料结构材料玻璃水泥耐火材料复合材料电子电器材料生物材料耐摩擦材料耐磨损材料工具材料河北联合大学材料科学与工程学院第一节格里菲斯微裂纹理论气孔、晶粒、杂质、晶界(大小、形状、分布)等宏观缺陷晶体结构,单晶多晶和非晶体中的微观缺陷河北联合大学材料科学与工程学院第一节格里菲斯微裂纹理论那些因素影响材料的强度？这些因素与

3、显微结构间的关系？材料在怎样的状态下断裂?断裂过程怎样？韧性是什么？材料的可靠性？具有怎样的强度？可能用于什么地方？与强度有关的问题（共性，特性）河北联合大学材料科学与工程学院第一节格里菲斯微裂纹理论与材料强度有关的断裂力学的特点：着眼于裂纹尖端应力集中区域的力场和应变场分布；研究裂纹生长、扩展最终导致断裂的动态过程和规律；研究抑制裂纹扩展、防止断裂的条件。给工程设计、合理选材、质量评价提供判据。断裂力学的分类：断裂力学根据裂纹尖端塑性区域的范围，分为两大类：（1）线弹性断裂力学---当裂纹尖端塑性

4、区的尺寸远小于裂纹长度，可根据线弹性理论来分析裂纹扩展行为。（2）弹塑性断裂力学---当裂纹尖端塑性区尺寸不限于小范围屈服，而是呈现适量的塑性，以弹塑性理论来处理。河北联合大学材料科学与工程学院第一节格里菲斯微裂纹理论固体在拉伸应力下，由于伸长而储存了弹性应变能，断裂时，应变能提供了新生断面所需的表面能。即：thx/2=2其中：th为理论强度；x为平衡时原子间距的增量；：表面能。虎克定律：th=E(x/r0)理论断裂强度：th=2(E/r0)1/2一、理论断裂强度(1)能量守衡理论河北

5、联合大学材料科学与工程学院第一节格里菲斯微裂纹理论河北联合大学材料科学与工程学院第一节格里菲斯微裂纹理论奥洛万模型：假设完整的晶体（内部没有结构缺陷），晶体的断裂是指有一个贯穿整体晶体的一个晶面的裂纹，导致两侧原子分离。Orowan以应力—应变正弦函数曲线的形式近似的描述原子间作用力随原子间距的变化。(2)Orowan近似假设x=r-r0（相当于以r0为原点，建立坐标轴）河北联合大学材料科学与工程学院第一节格里菲斯微裂纹理论计算理论断裂强度的依据：将材料拉断时，产生两个新表面，因此单位面积的原子平面

6、分开所做的功（W）应等于产生两个单位面积的新表面所需的表面能。即：因为：所以：则：（1）河北联合大学材料科学与工程学院第一节格里菲斯微裂纹理论（1）在接近平衡位置O的区域，服从虎克定律：（2）因为，原子间距的微小增量(x很小），则有：（3）式（2）=式（3）得：（4）将上式（4）代入式（1）得：则：Logo河北联合大学材料科学与工程学院第一节格里菲斯微裂纹理论与th=2(E/r0)1/2相比两者结果是一致的。理论强度取决于键强，键强越大，E越大，表面能γ越大，原子平衡距离r0越小，晶体的理论断裂

7、强度越大。Logo河北联合大学材料科学与工程学院第一节格里菲斯微裂纹理论材料ThKg/mm2cth/c材料thcth/cAl2O3晶须500015403.3Al2O3宝石500064.477.6铁晶须300013002.3BeO357023.8150奥氏型钢20483206.4MgO245030.181.4硼348024014.5Si3N4热压385010038.5硬木—10.5—SiC49009551.6玻璃69310.566.0Si3N4烧结385029.5130NaCl40010

8、40.0AlN280060～10046.7～28.0Al2O3刚玉500044.1113断裂强度理论值和测定值河北联合大学材料科学与工程学院第一节格里菲斯微裂纹理论一般固体材料的理论强度相当于弹性模量得1/10，实际上强度在之间，一般材料的典型数值则而实际上得强度在300-3000Mpa。理论值与实际值为什么有如此大的差距呢？河北联合大学材料科学与工程学院第一节格里菲斯微裂纹理论二、实际抗张强度远低于理论抗张强度的原因材料中的裂纹型缺陷：材料中的伤痕、裂纹、气孔、杂质