第二章材料的脆性断裂与强度VIP免费

第一节脆性断裂现象第第第第第第第第第第三节Griffith微裂纹理论第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第五节裂纹的起源与快速扩展第第第第第第第第第第第第第第第七节显微结构对材料脆性断裂的影响第八节提高无机材料强度改进材料韧性的途径第第第第第第第第第第蠕变：―――随时间而发生变形第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第―――第第第第第第第第第第第第第第第第第第第―――第第第第粘性形变：―――不可恢复永久形变第一节脆性断裂现象在外力作用下，在高度应力集中点（内部和表面的缺陷和裂纹）附近单元。所受拉应力为平均应力的数倍。如果超过材料的临界拉应力值时，将会产生裂纹或缺陷的扩展，导致脆性断裂。因此，断裂源往往出现在材料中应力集中度很高的地方，并选择这种地方的某一缺陷（或裂纹、伤痕）而开裂。二．脆性断裂行为裂纹的存在及其扩展行为决定了材料抵抗断裂的能力。在临界状态下，断裂源处裂纹尖端的横向拉应力＝结合强度→裂纹扩展→引起周围应力再分配→裂纹的加速扩展→突发性断裂。第第第第第第第第第第第第第第当裂纹尖端处的横向拉应力尚不足以引起扩展，但在长期受力情况下，会出现裂纹的缓慢生长。要推导材料的理论强度，应从原子间的结合力入手，只有克服了原子间的结合力，材料才能断裂。Orowan提出了以正弦曲线来近似原子间约束力随原子间的距离X的变化曲线（见图2.1）。第第第第第第第第第2sinthth第第第thththxdxxV20202cos22sin第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第V设材料形成新表面的表面能为（这里是断裂表面能，不是自由表面能），则，即2V22thth在接近平衡位置O的区域，曲线可以用直线代替，服从虎克定律：EaxE可见，理论结合强度只与弹性模量，表面能和晶格距离等材料常数有关。通常，约为，这样，xx22sinaEth10Ethax第第第第第第第第第第第第第100aE要得到高强度的固体，就要求和大，小。Ea1920年Griffith为了解释玻璃的理论强度与实际强度的差异，提出了微裂纹理论，后来逐渐成为脆性断裂的主要理论基础。一．理论的提出Griffith认为实际材料中总是存在许多细小的微裂纹或缺陷，在外力作用下产生应力集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹开始扩展,导致断裂。第三节Griffith微裂纹理论Inglis研究了具有孔洞的板的应力集中问题，得到结论：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。Griffith根据弹性理论求得孔洞端部的应力AccaacAA21212，式中，为外加应力第如果，即为扁平的锐裂纹，则很大，这时可略去式中括号内的1，得：cA2thAAcc第第第第第第第第→第第→第第第c1.Inglis只考虑了裂纹端部一点的应力，实际上裂纹端部的应力状态很复杂。2.Griffith从能量的角度研究裂纹扩展的条件：物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需的表面能。即物体内储存的弹性应变能的降低（或释放）就是裂纹扩展的动力。aEacc2cEc4二．裂纹扩展的临界条件第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第•a.将一单位厚度的薄板拉长到，此时板中储存的弹性应变能为:lFew211lFFew212ll•b.人为地在板上割出一条长度为2c的裂纹，产生两个新表面，此时，板内储存的应变能为:•d.欲使裂纹扩展，应变能降低的数量应等于形成新表面所需的表面能。第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第第Ecwe22•c.应变能降低lFeeewww2121cws4Ecuwe2221如为厚板，则属于平面应变状态，则，产生长度为2c，厚度为1的两个新断面所需的表面能为：第第第第第第第第第第第第第第第第第第第mJ2裂纹进一步扩展，单位面积所释放的能量为，形成新的单位表面积所需的表面能为，因...