无机非金属材料物理性能

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1、Chapt.2,3无机材料的脆性断裂与强度《Titanic》Titanic近代船用钢板2.1脆性断裂断裂：塑性断裂(延性或韧性断裂)和脆性断裂两种类型。塑性断裂：在断裂时伴有宏观上的塑性变形。脆性断裂：有些材料在应力未达到强度极限时就会突然断裂。不仅是脆性材料才会产生这种断裂，材料内部存在微裂纹，或者某些材料在低温下受到冲击等都有可能产生脆性断裂。断裂发生在弹性应变状态下，没有经过塑性形变阶段而直接形成的断裂。脆性断裂的特点：1)断裂前无明显的预兆;2)断裂处往往存在一定的缺陷(裂纹，伤痕);3)由于缺陷的存在，实际断裂强度远远小于理论强度.脆性断裂的微观过程：突

2、发性裂纹扩展；裂纹的缓慢生长。断裂现象：1)金属类：先是弹性形变，然后是塑性变形，直到断裂。2)高分子类：先是弹性形变(很大)，然后是塑性变形，直到断裂。3)无机材料类：先是弹性形变(较小)，然后不发生塑性变形(或很小)，直到断裂。2.2理论结合强度2.2.1能量守衡模型固体受外功作用而变形，在变形过程中，外力所作的功转变为储存于固体内的能量。断裂时，应变能提供了新生断面所需的表面能。thx/2=2th=E(x/r0)th=2(E/r0)1/2th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。=thsin(2x/)2.2

3、.2奥罗万模型U=SS理论结合强度：通常，γ约为aE/100，th=E/10对于大部分实际材料来说，其理论结合强度与实际材料有一定的差异。---Griffith微裂纹理论th=2(E/r0)1/2高强度的固体必须要求E、γ大，a小材料ThKg/mm2cth/cAl2O3晶须500015403.3铁晶须300013002.3奥氏型钢20483206.4硼348024014.5Si3N4热压385010038.5玻璃69310.566.0断裂强度理论值和测定值*理论剪切强度剪切应力与位移的关系：=thsin(2x/b),当x<

4、x/b）根据虎克定律：=Gx/a设：b=a得：th=G/2根据理论断裂强度与理论剪切强度之比值大小，可以判断材料塑性的大小。th/th>10材料为塑性，断裂前已出现显著的塑性流变；th/th1材料为脆性；th/th=5需参考其他因素作判断。2.3Griffith微裂纹理论2.3.1Inglis断裂理论不管孔洞是椭圆还是菱形，只要孔洞的长度(2C)和端部曲率半径相同，则A点的应力差别不大。《弹性理论基础》-平板弯曲实际材料中总是存在许多细小的裂纹或缺陷，在外力作用下，这些裂纹或缺陷附近会产生应力集中的现象。当应力大到一定程度时，裂纹开始扩展

5、而导致材料断裂。物体内储存的弹性应变能的降低，大于等于产生由于开裂形成两个新表面所需的表面能，就会造成裂纹的扩展，反之，则裂纹不会扩散。2.3.2Griffith断裂理论临界应力的推导：We1=(1/2)F△lP33在微小位移d(△l)上外力做的功dW=(Fi+1/2dF)d△ldW=(Fi+1/2dF)d△ldW=Fid△lP342γ2γ重要意义：它建立了工作应力、裂纹长度和材料性能常数之间的关系，解释了脆性材料强度远低于其理论强度的现象，为断裂力学奠定了理论基础。理论适合应用：玻璃、陶瓷这类脆性材料。延展性材料：2.4.1裂纹扩展方式2.4应力场强度因子和平面

6、应变断裂韧性2.4.2裂纹尖端的应力场分析假设在离裂纹顶点为r，与裂纹面夹角为（角坐标）处有一面单元dx,dy，则作用在面上的应力分量为σx,σy,τxy。由于是薄板穿透裂纹A点的三个应力分量，属平面应力问题，故：σz=0，τyz=τxz=0Ar<断裂韧性KIC是材料固有的性能，也是材料的组成和显微结构的函数,是材料抵抗裂纹扩展的阻力因素。与裂纹的大小、形状以及外力无关。随着材料的弹性模量和断裂能的增加而提高。2.4.3断裂韧性KⅠC应力场强度因子KⅠ随外应力而增大(KⅠ=Yσ√c)，当外应

7、力大到一定的程度时，裂纹达到失稳定状态，会迅速扩展，直到断裂，这时的应力场强度因子KⅠ叫断裂韧性(应力场强度因子极限)，只有当材料的场强因子小于断裂韧性时，材料才是安全的。断裂韧性与其它韧性性能一样，综合反映了材料的强度和塑性，在防止低应力脆断选用材料时，根据材料的断裂韧性指标，可以对构件允许的工作应力和裂纹尺寸进行定量计算。因此，断裂韧性是断裂力学认为能反映材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标，对构件的强度设计具有十分重要的意义---本征参数>应用已知应力，材料，确定结构安全的最大裂纹长度已知裂纹长度，材料，确定结构安全的最大应力已知应力，裂纹长度，确定结构安全的

8、材料断裂韧