断裂韧性及测量方法

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1、第二章无机材料的脆性断裂与强度主讲：李享成博士电话：027-68862616材冶学院6256办公室http://www.yjsc.wust.edu.cn/old/teacher/dsinfo.aspx?dsbh=d1382.4应力场强度因子与平面应变断裂韧性Griffith从能量平衡的观点出发，提出了含裂纹固体的强度和裂纹关系之条件：裂纹失稳扩展。而导致材料断裂的必要条件是：在裂纹扩展过程中系统的自由能必须下降（热力学条件）K与外加应力、裂纹长度、裂纹种类及受力状态等有关的系数，称为应力场强度因子，它反映裂纹尖端应力场

2、强度。Griffith方程：2裂纹的三种类型对1型有：Y为几何形状因子，它和裂纹型式、试件几何形状有关，各种情况的Y已汇制成册，供检索。3三种情况下的Y值4临场应力场强度因子及断裂韧性断裂判据：K1c为平面应变断裂韧性，为材料常数，其值为：K1c与材料本征参数E,γ，μ等物理量相关，反映具有裂纹的材料对外界作用的一种抵抗能力，即阻止裂纹扩展能力，是材料固有性质。5KIC的意义举例：P51抓住裂纹本质，提供新的设计思想和选材标准；表征材料特征的临界值。6ProblemThefracturetoughnessofpolyc

3、rystalineAlumina(Young’smodulus306GPa)isabout4MPa·m1/2whilethetoughnessofMgOpartiallystabilizedzirconia(PSZ)(Young’smodulus138GPa)isabout10MPam1/2.a)Estimatethefracturesurfaceenergyof(i)aluminaand(ii)PSZassumingthesetoughnessvalueswereobtainedunderconditionsofpl

4、anestress.b)Polycrystallineceramicsoftenhaveintergranularcracksinthemduetothermalexpansionmismatch.Theirstrengthisthereforelimitedbythesecrackswhosesizeisontheorderofthegrainsize.Calculatethemaximumstrengthyouwouldexpecttoobservein(i)aluminawith20-um-diametergra

5、insizeand(ii)PSZwitha50um-diametergrainsize.Modelthecracksasinternalcircularcrackswiththesamesizeasthegrains.7断裂韧性的测量方法单边切口梁法（SENB）双扭法（DT）Knoop压痕三点弯曲梁法山形切口劈裂试件法标准尺寸，K1c的表达式，单位MPa·m-1/282.5裂纹的起源与快速扩展一、裂纹的起源缺陷表面热应力10裂纹的三种起源在外力作用下晶体中的缺陷处形成应力集中，导致裂纹成核；材料表面的机械损伤与化学腐蚀

6、形成表面裂纹；由于晶粒热膨胀系数差异，受热后形成裂纹。11裂纹快速扩展Griffith微裂纹理论，材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是取决于裂纹的大小，即由最危险的裂纹尺寸（临界尺寸）决定材料的断裂。裂纹扩展速度为声速的40%-60%,并会产生新的断裂纹。12裂纹扩展机理应力腐蚀理论这种理论的实质在于:在一定环境温度和应力场强度因子作用下,材料中关键裂纹尖端处,裂纹扩展动力与裂纹扩展阻力的比较,构成裂纹开裂和止裂的条件。裂纹尖端处的高度的应力集中导致较大的裂纹扩展动力。从物理化学角度分析，在裂纹尖端处的离子键受到破

7、坏，吸附了表面活性物质(H2O、HO-以及极性液体和气体)，使材料的自由表面能降低。也就是说，裂纹的扩展阻力降低了。如果此值小于裂纹扩展动力，就会导致在低应力水平下的开裂。新开裂表面的断裂表面，因为还没有来得及被介质腐蚀，其表面能仍然大于裂纹扩展动力，裂纹立即止裂，接着进行下一个腐蚀-开裂循环，周而复始，形成宏观上的裂纹的缓慢生长。13图1-43K值随亚临界裂纹增长的变化低Ki阶段，速率与Ki成正比，由水与玻璃表面的化学反应所控制，随着蒸汽压增加，速率增大；高Ki阶段，扩散速率与蒸汽压相关，但与Ki的关系减弱，仍受水与

8、玻璃反应控制，并受水传输到裂纹尖端的速率控制。更高Ki阶段，裂纹扩展与环境无关，而受材料组成与温度的影响。14b)亚临界裂纹生长速率与应力场强度因子的关系图1-45亚临界裂纹扩展的三个阶段15c)材料寿命的预测Y值变化很小，可忽略，裂纹扩展速率v=dc/dt，则有裂纹扩展1阶段，v=AKIn由起始裂纹状态，经受力后缓慢扩展直到临界