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《斷裂韌性及測量方法》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、第二章無機材料的脆性斷裂與強度主講：李享成博士電話：027-68862616材冶學院6256辦公室http://www.yjsc.wust.edu.cn/old/teacher/dsinfo.aspx?dsbh=d1382.4應(yīng)力場強度因子與平面應(yīng)變斷裂韌性Griffith從能量平衡的觀點出發(fā)，提出了含裂紋固體的強度和裂紋關(guān)系之條件：裂紋失穩(wěn)擴展。而導致材料斷裂的必要條件是：在裂紋擴展過程中系統(tǒng)的自由能必須下降（熱力學條件）K與外加應(yīng)力、裂紋長度、裂紋種類及受力狀態(tài)等有關(guān)的系數(shù)，稱為應(yīng)力場強度因子，它反映裂
2、紋尖端應(yīng)力場強度。Griffith方程：2裂紋的三種類型對1型有：Y為幾何形狀因子，它和裂紋型式、試件幾何形狀有關(guān)，各種情況的Y已匯制成冊，供檢索。3三種情況下的Y值4臨場應(yīng)力場強度因子及斷裂韌性斷裂判據(jù)：K1c為平面應(yīng)變斷裂韌性，為材料常數(shù)，其值為：K1c與材料本征參數(shù)E,γ，μ等物理量相關(guān)，反映具有裂紋的材料對外界作用的一種抵抗能力，即阻止裂紋擴展能力，是材料固有性質(zhì)。5KIC的意義舉例：P51抓住裂紋本質(zhì)，提供新的設(shè)計思想和選材標準；表征材料特征的臨界值。6ProblemThefracturetoug
3、hnessofpolycrystalineAlumina(Young’smodulus306GPa)isabout4MPa·m1/2whilethetoughnessofMgOpartiallystabilizedzirconia(PSZ)(Young’smodulus138GPa)isabout10MPam1/2.a)Estimatethefracturesurfaceenergyof(i)aluminaand(ii)PSZassumingthesetoughnessvalueswereobtainedu
4、nderconditionsofplanestress.b)Polycrystallineceramicsoftenhaveintergranularcracksinthemduetothermalexpansionmismatch.Theirstrengthisthereforelimitedbythesecrackswhosesizeisontheorderofthegrainsize.Calculatethemaximumstrengthyouwouldexpecttoobservein(i)alum
5、inawith20-um-diametergrainsizeand(ii)PSZwitha50um-diametergrainsize.Modelthecracksasinternalcircularcrackswiththesamesizeasthegrains.7斷裂韌性的測量方法單邊切口梁法（SENB）雙扭法（DT）Knoop壓痕三點彎曲梁法山形切口劈裂試件法標準尺寸，K1c的表達式，單位MPa·m-1/282.5裂紋的起源與快速擴展一、裂紋的起源缺陷表面熱應(yīng)力10裂紋的三種起源在外力作用下晶體中的缺
6、陷處形成應(yīng)力集中，導致裂紋成核；材料表面的機械損傷與化學腐蝕形成表面裂紋；由于晶粒熱膨脹系數(shù)差異，受熱后形成裂紋。11裂紋快速擴展Griffith微裂紋理論，材料的斷裂強度不是取決于裂紋的數(shù)量，而是取決于裂紋的大小，即由最危險的裂紋尺寸（臨界尺寸）決定材料的斷裂。裂紋擴展速度為聲速的40%-60%,并會產(chǎn)生新的斷裂紋。12裂紋擴展機理應(yīng)力腐蝕理論這種理論的實質(zhì)在于:在一定環(huán)境溫度和應(yīng)力場強度因子作用下,材料中關(guān)鍵裂紋尖端處,裂紋擴展動力與裂紋擴展阻力的比較,構(gòu)成裂紋開裂和止裂的條件。裂紋尖端處的高度的應(yīng)力集
7、中導致較大的裂紋擴展動力。從物理化學角度分析，在裂紋尖端處的離子鍵受到破壞，吸附了表面活性物質(zhì)(H2O、HO-以及極性液體和氣體)，使材料的自由表面能降低。也就是說，裂紋的擴展阻力降低了。如果此值小于裂紋擴展動力，就會導致在低應(yīng)力水平下的開裂。新開裂表面的斷裂表面，因為還沒有來得及被介質(zhì)腐蝕，其表面能仍然大于裂紋擴展動力，裂紋立即止裂，接著進行下一個腐蝕-開裂循環(huán)，周而復(fù)始，形成宏觀上的裂紋的緩慢生長。13圖1-43K值隨亞臨界裂紋增長的變化低Ki階段，速率與Ki成正比，由水與玻璃表面的化學反應(yīng)所控制，隨著
8、蒸汽壓增加，速率增大；高Ki階段，擴散速率與蒸汽壓相關(guān)，但與Ki的關(guān)系減弱，仍受水與玻璃反應(yīng)控制，并受水傳輸?shù)搅鸭y尖端的速率控制。更高Ki階段，裂紋擴展與環(huán)境無關(guān)，而受材料組成與溫度的影響。14b)亞臨界裂紋生長速率與應(yīng)力場強度因子的關(guān)系圖1-45亞臨界裂紋擴展的三個階段15c)材料壽命的預(yù)測Y值變化很小，可忽略，裂紋擴展速率v=dc/dt，則有裂紋擴展1階段，v=AKIn由起始裂紋狀態(tài)，經(jīng)受力后緩慢擴展直到臨界
