材料断裂和韧性.ppt

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1、固体材料在力的作用下分成若干部分的现象称为断裂。材料的断裂是力对材料作用的最终结束，它意味着材料的彻底失效。因材料断裂而导致的机件失效与其他失效方式(如磨拙、腐蚀等)相比危害性最大，并且可能出现灾难性的后果。因此，研究材料断裂的宏观与微观构征、断裂机理、断裂的力学条件，以及影响材料断裂的各种因素不仅具有重要的科学意义，而且也有很大的实用价值。§1-5材料的断裂和强度一、断裂的类型材料的断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段。随着材料温度、应力状态、加载速度的不同，材料的断裂表现出多种类型。按照不同的分类方法，将断裂分为以下几种：根据断裂前

2、与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度脆性断裂；韧性断裂；按照晶体材料断裂时裂纹扩展的途径穿晶断裂；沿晶断裂；根据断裂机理分类解理断裂；剪切断裂；根据断裂面的取向分类正断；切断。1.金属材料的韧性断裂与脆性断裂韧性断裂（延性断裂）是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大量塑性变形能。韧性断裂的断口一般平行于最大切应力，并与主应力成45o角。用肉眼或放大镜观察时，往往呈暗灰色、纤维状．纤维状是塑性变形过程中，众多微细裂纹的不断扩展和相互连接造成的，而暗灰色则是纤维断口表面对光的反射能力

3、很弱所致。脆性断裂是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程，因而具有很大的危险性。脆性断裂的断口，一般与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状．淬火钢、灰铸铁、陶瓷、玻璃等脆性材料的断裂过程及断口常具有上述特征。2.高分子材料的脆性断裂和韧性断裂脆韧判据：断裂面形貌σ-ε曲线断裂伸长率或断裂能试样发生脆性断裂或者韧性断裂与材料组成有关，除此之外，同一材料是发生脆性断裂还是韧性断裂还与温度、拉伸速率、试样的几何形状以及所承受的应力状态有关。注意二、断裂强度强度是材料抵抗外力破坏的能

4、力。对于各种不同的破坏力，有不同的强度指标：拉伸强度、弯曲强度、冲击强度、压缩强度。一般材料的抗压强度远大于抗拉强度，如陶瓷抗压强度约为抗拉强度的10倍，所以强度的研究大都集中在抗拉强度上，也就是研究其最薄弱的环节。如2001年开始统一使用的拉伸强度：1.理论断裂强度对于完整晶体材料，在外加正应力作用下，将晶体中的两个原子面沿垂直于外力方向拉断所需的应力就成为理论断裂强度。材料强度是材料抵抗外力作用时表现出来的一种性质。决定材料强度的最基本的因素是分子、原子（离子）之间结合力。结合力越高，则强度越高，相应地弹性模量及熔点也越高。σa0mn以

5、三维晶体为例，一完整晶体在正应力作用下沿某一原子面被拉断时，推导其断裂强度（称为理论断裂强度）可作简单估计如下。（如图所示）完整晶体拉断示意图，mn为断裂面的迹线，a0表示原子面间距.晶体中的内聚力与原子间距的关系.σa0mnσxa0σth设被mn解理面分开的两半晶体原子层间距为a0，沿着拉力方向发生相对位移χ（即原子间的位移），则应变x/aoX=0为正弦曲线的波长σth为最大结合力，即理论断裂强度当x＝/2时，σ0，原子已基本分开。（2.1）（2.2）将材料拉断时产生两个新表面，使单位面积的原子平面分开所作的功等于产生两个单位面积的

6、新表面所需的表面能时，材料才能断裂。设材料形成新表面的表面能为γ(断裂表面能)。在拉伸过程中，应力所作的功就应等于2γ。原子层间的应力可近似用右面的函数表示：曲线下的面积就是应力所作的功，因此当x很小时,sinxx（2.1）式可简化为（2.3）此时应力-应变服从胡克定律（2.4）由（2.3）和(2.4)得（2.5）将（2.5）代入（2.2）得（2.6）例如铁，γ≈2J/m2，E≈2×102Gpa，a≈2.5×10-10m求：铁的最大断裂强度σth解：根据(2.6)式得若用E的百分数表示，则σth≈40GPa=E/5.a为晶格常数理论强度与

7、弹性模量、表面能、晶格间距等材料常数有关，要想得到高强度的固体，就要求E、大，而a小通常g0.01aE，因此一般材料的sth30GPa=E/10，相当高。材料实际断裂强度一般比理论结合强度低几个数量级（只有理论值的1/100～1/1000），这是由于存在缺陷、裂纹的结果。仅晶须或一些极细纤维材料具有接近于理论强度的实际强度。结论：三.格里菲斯（Griffith）裂纹理论为了解释实际材料的断裂强度和理论断裂强度的差异，格里菲斯提出：①在外力作用下，材料中有微裂纹和缺陷存在引起应力集中，当应力达到一定程度时，裂纹就开始扩展而导致断裂，即使

8、得断裂强度大为下降。所以实际断裂并不是两相邻原子面的分离，而是现成微裂纹扩展的结果。②对应于一定尺寸的裂纹，有一临界应力值σC。当外加应力低于σC时，裂纹不能扩大；当应力超过σC