《无机材料物理性能》第5讲

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1、无机材料物理性能2021年6月11日第五讲断裂行为理论结合强度断裂理论第二章无机材料脆性断裂与强度§2-1脆性断裂现象断裂现象脆性断裂的断裂面断裂现象船身断裂，一分为二的Schenectady号油轮垮塌后的彩虹桥脆性断裂40人死亡；14人受伤；直接经济损失631万元。1999年1月4日，我国重庆市綦江县彩虹桥发生垮塌，造成：断裂现象脆性断裂现象断裂现象分类:金属类：先是弹性形变，然后塑性形变，直至断裂高分子类：先是弹性形变（很大），然后塑性形变，直至断裂无机材料：先是弹性形变（较小），然后不发生塑性形变（或很小）而直接脆性断裂脆性断裂现象脆性断裂的

2、特点断裂前无明显的预兆断裂处往往存在一定的断裂源由于断裂源的存在，实际断裂强度远远小于理论强度脆性断裂现象脆性断裂的微观过程突发性裂纹扩展裂纹的缓慢生长强度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与强度有关的问题（共性，特性）哪些因素影响材料的强度？这些因素与显微结构间的关系？材料在怎样的状态下断裂?断裂过程怎样？韧性是什么？材料

3、的可靠性？具有怎样的强度？可能用于什么地方？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。§2-2理论结合强度固体的强度——固体材料抵抗破坏的能力按破坏形式分：屈服强度断裂强度按讨论方式分：理论强度实际强度断裂理论能量守衡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s其中：th为理论强度；x为平衡时原子间距的增量；：表面能。虎

4、克定律：th=E(x/r0)理论断裂强度：th=2(sE/r0)1/2理论结合强度（Orowan近似）Orowan模型断裂理论原子间约束力和距离间的关系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。理论结合强度的推导断裂理论断裂功形成两个新的表面由虎克定律理论结合强度Orowan模型根据Orowan模型，经过推导出：高强度的固体必须要求E、γ大，a小，γ约为aE/100，故理论结合强度可写成：断裂理论断裂强度理论值和测定值材料ThKg/mm2cth/c材料thcth/cAl2O3晶须50001540

5、3.3Al2O3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385029.5130NaCl4001040.0AlN280060～10046.7～28.0Al2O3刚玉500044.1113断裂理论Inglis断裂理论Griffith脆断理论Irwin-Orowan理论断裂理论Inglis断裂理论贡献：看到了缺陷、解释了

6、实际强度远低于理论强度的事实。缺点：沿用了传统的强度理论，引用了现成的弹性力学应力集中理论，并将缺陷视为椭园孔，未能讨论裂纹型的缺陷。断裂理论Inglis断裂理论c2cσ微裂纹端部的曲率对应于原子间距断裂理论Inglis断裂理论孔洞两个端部的应力几乎取决于孔洞的长度和端部的曲率半径而与孔洞的形状无关，即：近似为故断裂理论裂纹扩展的条件是：Griffith断裂理论应力集中强度理论应力集中流体的流动材料中的裂纹型缺陷：材料中的伤痕、裂纹、气孔、杂质等宏观缺陷。平板弹性体的受力情况力线n力管裂纹长度2c为了传递力，力线一定穿过材料组织到达固定端力以音速通过力

7、管（截面积为A），把P/n大小的力传给此端面。远离孔的地方，其应力为：=(P/n)/A孔周围力管端面积减小为A1，孔周围局部应力为：=(P/n)/A1椭圆裂纹越扁平或者尖端半径越小，其效果越明显。应力集中：材料中存在裂纹时，裂纹尖端处的应力远超过表观应力。裂纹尖端处的应力集中裂纹尖端的弹性应力用弹性理论计算得：Ln={[1+/(2x+)]c1/2/(2x+)1/2+/(2x+)}当x=0,Ln=[2(c/)1/2+1]当c>>，即裂纹为扁平的锐裂纹Ln=2(c/)1/2当最小时（为原子间距r0）Ln=2(c/r0)1

8、/2裂纹尖端的弹性应力沿x分布通式：Ln=q(c,,x)Lnx2c