首页 第二章无机材料的断裂与强度_材料物理

第二章无机材料的断裂与强度_材料物理

举报
开通vip

第二章无机材料的断裂与强度_材料物理nullnull第二章 无机材料的断裂与强度△§2.1 断裂(书[关振铎著,以后同]上第1、2、3节) §2.2 应力场强度因子和平面应变断裂韧性 §2.3 裂纹的起源与快速扩展 §2.4 显微结构对材料脆性断裂的影响 △§2.5 无机材料的强化和增韧 §2.6 复合材料 §2.7 无机材料的硬度(实验)null§2.1 断裂(书上第1,2,3节)一.断裂现象 二.理论断裂强度 三.格里菲斯(Griffith)裂纹理论 四.格里菲斯(Griffith)裂纹理论拓展null一.断裂现象 ...

第二章无机材料的断裂与强度_材料物理
nullnull第二章 无机材料的断裂与强度△§2.1 断裂(书[关振铎著,以后同]上第1、2、3节) §2.2 应力场强度因子和平面应变断裂韧性 §2.3 裂纹的起源与快速扩展 §2.4 显微结构对材料脆性断裂的影响 △§2.5 无机材料的强化和增韧 §2.6 复合材料 §2.7 无机材料的硬度(实验)null§2.1 断裂(书上第1,2,3节)一.断裂现象 二.理论断裂强度 三.格里菲斯(Griffith)裂纹理论 四.格里菲斯(Griffith)裂纹理论拓展null一.断裂现象 随着材料温度、应力状态、加载速度的不同,材料的断裂 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现出多种类型。 固体材料在力的作用下分成若干部分的现象. 1.断裂 2.断裂的分类 §2.1 断裂(书上第1,2,3节)null根据断裂前发生塑性形变的情况,大体上可把材料分为: (1)延性断裂(韧性断裂) 是材料在断裂前及断裂过程中已经经历了明显宏观塑性变形的过程.(2)脆性断裂 是材料断裂前没有明显的宏观塑性变形,没有明显的迹象,往往表现为突然发生的快速断裂过程。 因而此种断裂具有很大的危险性! null3.脆性断裂行为 材料在外力作用下,任意一个结构单元上主应力面的拉应力足够大时,尤其在那些应力高度集中的地方,所受的局部拉应力为平均应力的数倍时,将会产生裂纹或缺陷的扩展,导致脆性断裂. 二.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。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。null以三维晶体为例,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.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。 当位移χ很大时, 位移和作用力的关系就不是线性的。 null原子间的交互作用最初是随χ增加而增大,达到一峰值σm后就逐渐下降(见上图), σm就是理论断裂强度。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(2.1)(2.2)对无限小的位移, (2.1)式可简化为(2.3)根据胡克定律(2.4)null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σm 解: 根据(2.6)式得若用E的百分数表示,则σm≈40GPa=E/5 .通常,一般材料的σm≈30GPa=E/10.但实际材料的断裂强度要比这个估计值低得多 (只有理论值的1/100~1/1000), 这是由于存在缺陷的结果。 null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,格里菲斯提出这样的假设,在外力作用下,即材料中有微裂纹存在引起应力集中,使得断裂强度大为下降。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时,裂纹迅速扩展导致断裂。假设试样为一薄板,中间有一长度为2c裂纹(靠近边上长度为c的裂纹的情况是和它相似的)贯穿其间,如右图。null设板受到均匀张应力σ的作用,它和裂纹面正交。在裂纹面两侧的应力被松驰掉了 (应力比σ低),而在裂纹两端局部地区引起应力集中 (应力远超过σ). 格里菲斯用能量条件导出σc,即裂纹扩展所降低的弹性应变能恰好等于形成新表面所需要的表面能。 裂纹所松弛的弹性应变能可以近似地看作形成直径为2c的无应力区域所释放出的能量(单位厚度), 被松弛区域的体积为πc2 null更精确的计算求出的值为粗略估计的一倍裂纹所增加的表面能(单位厚度)为Ws=4cγ其中γ为单位面积的断裂表面能。 We、Ws及We+ Ws和裂纹长度c的关系见下图null在图中We+ Ws出现了一个极大值点。在极大值点左侧(c cc),裂纹会自动扩大,发生断裂。临界状态时:格里菲斯公式 (2.7)平面应变状态:临界应力为:脆性材料null将裂纹存在时的断裂强度与理论断裂强度对比,得到上式说明: (2.8)结果使局部地区达到理论强度,而导致断裂。 null如何控制裂纹就可以使材料的实际断裂强度达到理论强度?控制裂纹的长度和原子间距在同一数量级,就可以使材料的实际断裂强度达到理论强度.实际操作能达到吗? 提高材料强度的措施: 降低裂纹尺寸 提高材料的E 提高γnull四.格里菲斯(Griffith)裂纹理论拓展其中,γp为扩展单位面积裂纹所需要的塑性功。 通常,γp γ公式应用范围:延性材料的断裂。实例 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 :例如高强度金属,其γp≈103γ普通强度钢,其γp≈(104-106)γ。因此,延性材料,γp控制着断裂过程。延性材料(2.9)null§2.2 应力场强度因子和平面应变断裂韧性一.裂纹扩展方式 二.裂纹尖端应力场分析 三.临界应力场强度因子及断裂韧性 四.脆性与韧性 五.断裂韧性的测试方法null一.裂纹扩展方式1. 掰开型 2. 错开型 3. 撕开型 裂纹有三种扩展方式或类型:低应力断裂的主要原因null二.裂纹尖端应力场分析根据弹性力学的应力场理论,分析裂纹尖端附近的应力场。裂纹尖端附近的应力场null(2.10)式中:KI为与外加应力、裂纹长度、裂纹种类和受力状态有关的系数,称为应力场强度因子,其下标表示I型扩展类型,单位为Pa·m1/2。r为半径向量,为角坐标。(2.11)null对于裂纹尖端处的一点,r,即0,于是:(2.12)使裂纹扩展的主要动力是yy。根据式(2.12),可以推导出裂纹尖端的应力场强度因子为:(2.13)Y为几何形状因子,与裂纹型式、试件几何形状有关。null根据近经典强度理论,设计构件的断裂准则为使用应力应小于或等于允许应力,即:  []f 为断裂强度,ys 为屈服强度,为安全系数。没有抓住断裂的本质,不能防止低应力下的脆性断裂。三.临界应力场强度因子及断裂韧性null 提出新的设计 思想 教师资格思想品德鉴定表下载浅论红楼梦的主题思想员工思想动态调查问卷论语教育思想学生思想教育讲话稿 和选材原则,采用一个新的表征材料特征的临界值:平面断裂韧性KIc,它也是一个材料常数,从破坏方式为断裂出发,新的判据为:(2.14)即应力场强度因子小于或等于材料的平面应变断裂韧性,所设计的构件才是安全的,这一判据考虑了裂纹尺寸。null实例分析:一实际构件,实际使用应力=1.30GPa, Y=1.5,有两种钢待选:甲钢:ys=1.95GPa ,KIc=45MPa·m1/2 乙钢:ys=1.56GPa ,KIc=75MPa·m1/2分析选择那种钢更为合理。分析:根据传统设计:甲钢的安全系数:n=ys/=1.95/1.30=1.5 乙钢的安全系数:n=ys/=1.56/1.30=1.2可见选择甲钢比选择乙钢安全。null根据断裂力学观点,构件的断裂是裂纹扩展的结果,所以应该计算KI是否超过KIc。设最大裂纹尺寸为1mm,则:甲钢的断裂应力:乙钢的断裂应力:null甲钢的c1.30GPa,不安全。 乙钢的c1.30GPa,安全可靠。根据断裂力学观点设计,既安全可靠,又能充分发挥材料的强度,合理使用材料。 传统观点:追求高强度,不安全。null四.脆性与韧性 (1)微裂纹决定了材料实际断裂强度。 1.脆性 2.韧性 3.脆性、韧性与断裂之间的关系 (2)断裂性质因材料种类的不同而有极大的差异。 这个差异是由于不同材料中断裂韧性有明显的不同 因为这些材料里有裂纹所形成的应力集中区无法产生大量的位错,不像金属那样通过塑性形变把集中的应力释放掉,裂纹发展得很迅速就显得很脆。(3)材料的断裂韧性低,它的断裂就是脆性断裂为什么金属有较好的韧性,而陶瓷和玻璃韧性很差呢?null五.断裂韧性的测试方法单边切口梁法(SENB法) 双扭法(DT法) Knoop压痕三点弯曲梁法 山形切口劈裂试件法null单边切口梁法(SENB法)1. 试样形状及尺寸null2. 试样制备 用金刚石内圆切割机切割成长条状试样 打磨抛光 保证试样受拉表面的光洁度达到7; 棱角互相垂直,边棱纵向导角45; 试样高度和宽度在整个试样长度范围内的变化不超过0.2mm。 用金刚石内圆切割机切口 切口深度为c; 金刚石锯片厚度不超过0.25mm。null3. 计算公式 三点弯曲受力下,试样断裂韧性的计算公式为:Pc — 临界载荷(最大载荷)试样加载速率:0.05mm/min,测试试样一般为4~6个,然后取其平均值。此方法只适用于晶粒度在20~40m的粗晶粒陶瓷。null一.裂纹的起源 二.裂纹的快速扩展 三.防止裂纹扩展的措施§2.3 裂纹的起源与快速扩展 (书上第5节)null一.裂纹的起源1. 由于晶体微观结构中存在缺陷,当受到外力作用时,在这些缺陷处就会引起应力集中,导致裂纹成核。裂纹的形成原因主要有三种:nullnullnull3. 由于热应力形成裂纹。2. 材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹。二.裂纹的快速扩展按照格里菲斯(Griffith)微裂纹理论,材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量,而是取决于裂纹的大小,即由最危险的裂纹尺寸(临界裂纹尺寸)决定材料的断裂强度。裂纹一旦超过临界尺寸就迅速扩展使材料断裂。讨论:裂纹迅速扩展的条件:参阅书上P44null当c↑时, G↑,2γ是常数,当G>2γ时,裂纹开始扩展,直到材料破坏。对于脆性材料,裂纹的起始扩展就是破坏过程的临界阶段,因为脆性材料基本上没有吸收大量能量的塑性形变。当G>2γ时,释放出的多余能量(1)加速裂纹的扩展 (2)使裂纹增殖,产生分枝形成更多的新表面。 (扩展的速度一般可达到材料中声速的40%―60%)null(3)使断裂面形成复杂的形状,如条纹、波纹、梳刷状等。nullnullnull三.防止裂纹扩展的措施1. 作用力不超过临界应力;2. 在材料中设置能吸收能量的机构(金属陶瓷或复合材料);3. 人为地在材料中造成大量极细的裂纹来吸收能量。 (ZrO2增韧Al2O3陶瓷)null§2.4 显微结构对材料脆性断裂的影响 (书上第7节)一.晶粒尺寸的影响 二.气孔的影响 三.同时考虑晶粒尺寸和气孔的影响null一.晶粒尺寸的影响对于多晶体,大量的实验证明晶粒愈小,强度愈高,因此微晶材料就成为无机材料发展的一个重要方向。近年来已出现许多晶粒小于1μm,气孔率近于0的高强度高致密无机材料,如表2.4所示。null实验证明:断裂强度σf与晶粒直径的关系为:其中σ0和K1均为材料常数断裂强度σf与晶粒直径的关系为:1. 起始裂纹不受晶粒的限制2. 起始裂纹受晶粒的限制(其尺度与晶粒相当)(2.15)(2.16)null解释:例如多晶AL2O3的断裂表面能γcry=46J/m2,而晶界的γint=18J/m2。由于晶界比晶粒内部弱,多晶材料的破坏多是沿晶界断裂。若细晶材料晶界比例大,那么沿晶界破坏时,裂纹的扩展要走迂回曲折的路径;晶粒愈细,此路径愈长。若初始裂纹与晶粒尺寸相当,晶粒愈细,初始裂纹尺寸就愈小,这样临界应力就愈高。null二.气孔的影响由实验测得:断裂强度σf与气孔率P的关系为其中σ0为没有气孔时的强度,n为常数(一般为4—7)(2.17)讨论:当气孔率约为10%时,强度下降多少?强度下降为没有气孔时的一半。null例:透明氧化铝陶瓷的断裂强度与气孔率的关系三.同时考虑晶粒尺寸和气孔的影响(2.18)null除气孔率外,气孔的性状及分布也很重要。气孔多存在于晶界上,往往成为裂缝的开裂源利处:存在高热应力梯度时,气孔能起到容纳变形,阻止裂纹扩展的作用。害处:null§2.5 无机材料的强化和增韧 (书上第9节)一.问题的提出 二.材料的强化 三.陶瓷材料的增韧null人们在利用材料的力学性质时,总是希望所使用的材料既有足够的强度,又有较好的韧性。但通常的材料往往二者只能居其一,要么是强度高,韧性差;要么是韧性好,但强度却达不到要求。寻找办法来弥补材料各自的缺点,这就是材料强化和增韧所要解决的问题。一.问题的提出例金属材料有较好的韧性,可以拉伸得很长,但是强度不高,所以对金属材料而言,需要增加的是强度,强化成为关键的问题;而陶瓷材料本身的强度很高,其弹性模量比金属高得多,但缺乏韧性,会脆断,所以陶瓷材料要解决的是增韧的问题。如果能成功地实现材料的强化或增韧,就可以弥补上述两种材料各自所缺的性能。 null二.材料的强化从理论上来看,提高材料强度有两条途径:完全消除内部的位错和其它缺陷,使材料的强度接近理论强度。在材料中引入大量的缺陷,以阻碍位错的运动。第一种方法目前已制出无位错高强度的晶须,但实际应用还存在困难。因为这样获得的高强度是不稳定的,对于操作效应和表面情况非常敏感,而且一旦位错产生后,强度就大大下降。在实际生产中,强化材料走的是第二种途径。 第二种引入大量缺陷的方法又细分为:加工硬化、合金强化、细晶强化、化学强化、沉淀强化等。对陶瓷来说,为了消除缺陷,提高晶体的完整性,细、密、匀、纯是发展的一个重要方向.null例如:用热压工艺制造的Si3N4陶瓷,当密度接近理论值时几乎没有气孔。(1)加工硬化:金属材料大量形变以后强度会提高例如:一根铜丝经过适当弯折后会变硬,这是因为发生的塑性形变产生了大量的位错,位错密度的提高使得金属强度提高。是指通过晶粒粒度的细化来提高金属的强度。这种提高金属强度的方法内在的原因是晶界对位错滑移的阻滞效应。(2)细晶强化:(3)合金强化:实际使用的金属材料多半是合金。合金元素的作用主要是改善金属的力学性质,即提高强度或改善塑性。 null是利用点缺陷对金属基体进行的强化。具体的方式是通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属强度、硬度升高。 是指沉淀颗粒的引入,使得材料强度在时效温度下随时间而变化的现象。该方法是铝合金和高温合金的主要强化手段。 (4)固溶强化(5)沉淀强化高温下金属材料的强化开始是通过使用高熔点或扩散激活能大的金属和合金来实现的。 (6)高温强化:镍基高温合金材料的使用就是一个成功的例子 null(7)化学强化:是采用离子交换的办法(通常用一种大的离子置换小的离子)。 这种技术是通过改变表面化学的组成,使表面的摩尔体积比内部大。表面体积膨大受到内部材料的限制,就产生两相状态的压应力。 若: 则: 此外, 将表面抛光及化学处理以消除表面缺陷也能提高强度。(2.19)null三.陶瓷材料的增韧 相变增韧 微裂纹增韧 裂纹偏折和弯曲增韧 裂纹分支增韧 桥联与拔出增韧 延性颗粒增韧 残余热应力增韧 压电效应损耗能量增韧 电畴翻转增韧 复合韧化机制 null1.相变增韧第二相颗粒相变韧化(transformation toughening)是指将亚稳的四方ZrO2颗粒引入到陶瓷基体中,当裂纹扩展进入含有t-ZrO2晶粒的区域时,在裂纹尖端应力场的作用下,将会导致t-ZrO2发生t­m相变,因而除了产生新的断裂表面而吸收能量外,还因相变时的体积效应(膨胀)而吸收能量,可见,应力诱发的这种组织转变消耗了外加应力。同时由于相变粒子的体积膨胀而对裂纹产生压应力,阻碍裂纹扩展。结果这种相变韧化作用使在该应力水平下在无相变粒子的基体中可以扩展的裂纹在含有氧化锆 t­m相变粒子的复合材料中停止扩展,如要使其继续扩展,必须提高外加应力水平,具体体现在提高了材料的断裂韧性。nullt相的晶粒尺寸是影响t-m相变的一个重要因素,Ms点随晶粒尺寸的减少而降低。氧化锆的室温组织存在一个临界粒径dc,ddc的晶粒室温下已经转变成m相;ddc的晶粒冷却到室温仍保留为t相。所以只有ddc的晶粒才有可能(但不一定)产生相变韧化作用。 当裂纹尖端应力场最高值一定的情况下,应力诱发t-m相变存在一个临界晶粒直径d1。只有d1ddc的晶粒才会应力诱发相变(stress induced phase transformation),即这部分晶粒才对相变韧化有贡献。 必要条件有亚稳的四方氧化锆颗粒存在null(a)裂纹尖端应力场引起的转变区,(b)典型马氏体相变应力应变行为,(c)裂纹尖端应力场变化,(d)裂纹扩展进入转变区受到残余应力作用null应力诱发t-m相变的增韧公式 相变增韧的贡献 null微裂纹增韧(microcrack toughening)是指因热膨胀失配或相变诱发出显微裂纹,这些尺寸很小的微裂纹在主裂纹尖端过程区内张开而分散和吸收能量,使主裂纹扩展阻力增大,从而使断裂韧性提高。 2.微裂纹增韧过程区内微裂纹吸收能量与微裂纹的表面积即裂纹密度呈正比,所以由微裂纹韧化所产生的韧性增量在微裂纹不相互连接的情况下,随微裂纹的密度增加而增大。显微裂纹的密度与两相的膨胀系数之差引起的残余应力的大小及第二相粒子的尺寸和含量有关。 null微裂纹韧化导致断裂韧性的增量为式中E1为主裂纹尖端含有微裂纹材料的弹性模量,fs为显微裂纹密度,W为过程区宽度的一半,为显微裂纹引起的膨胀应变。 微裂纹增韧同样对温度和粒子尺寸很敏感,合适的颗粒尺寸是大于应力诱发相变的临界尺寸而小于自发产生危险裂纹的临界尺寸,并且应减小基质与粒子间的热失配,使其产生最大的相变张应力。 微裂纹的密度大到一定程度后,就会使裂纹相互连接,形成大裂纹,反而使韧性下降。 null裂纹尖端过程区的应力分布及第二相粒子诱发微裂纹示意图null裂纹偏折和弯曲增韧机制是指基体中第二弥散相的存在会扰动裂纹尖端附近应力场,使裂纹产生偏折和弯曲,从而减小了驱动力,增加了新生表面区域,提高了韧性。3.裂纹偏折和弯曲增韧裂纹偏折和弯曲不受温度和粒子尺寸的影响优点当裂纹扩展遇到不可穿越障碍物(impenetrable)时,有两种并存的主要扰动作用,即裂纹偏折和裂纹弯曲。裂纹偏折产生非平面裂纹,而裂纹弯曲产生非线形裂纹前沿。 null裂纹偏折 裂纹偏折过程可以看作分两步进行(1)首先是裂纹尖端的倾斜(tilt),产生裂纹偏转(图(a)); (2)随后由于裂纹前沿的不同部分向不同方向倾斜,进一步的裂纹扩展将导致裂纹面的扭曲(twist),产生非平面裂纹(图(b))。裂纹偏折示意图 (a)裂纹倾斜,(b)裂纹扭转null裂纹偏折增韧的效果依赖于第二相粒子的体积分数和形状,特别是第二相粒子的纵横比(R)。纵横比为121时棒状粒子的增韧效果为佳,并在10%体积分数时达到饱和。 裂纹弯曲 裂纹端与细分散第二相粒子间的相互作用,弥散分布的第二相有钉扎裂纹端的作用,使裂纹前端在两粒子间向外突出弯曲。裂纹前端形状的改变、长度的增加以及新裂纹表面的形成都消耗了能量。弥散颗粒含量大、平均间距小且颗粒半径较大时,微裂纹弯曲增韧作用较大。nullnull200MPa冷等静压成型然后1300℃无压烧结LTA陶瓷复合材料的裂纹扩展路径SEM照片nullnull4.裂纹分支增韧裂纹分支增韧机制是指材料中主裂纹端产生微裂纹后,使某些晶界变弱和分离,并与主裂纹交互作用促使裂纹分支、晶界启裂和伸展。在拉伸应力的作用下,弱晶界裂开,增加了表面积,并且晶界上存在的细小粒子使裂纹产生弯曲,随后如果裂纹发展到切开或剥离粒子时,需要消耗更多的能量,从而提高了韧性。裂纹分支的最大贡献在于与其它机制的相互复合作用,这在两相或多相材料中更为有效。 null动态拉伸后15LTA陶瓷复合材料试样中LiTaO3颗粒内裂纹扩展的TEM观察  裂纹偏转和分支null5.桥联与拔出增韧 裂纹尖端后部区域的第二增强相或(和)大的晶粒会桥联裂纹面,对裂纹产生一个闭合力,在裂纹扩展使桥联遭到破坏时,桥联相一般还会进一步产生拔出作用。桥联和拔出消耗了额外的能量,从而提高了材料的断裂韧性。 微裂纹韧化导致断裂韧性的增量为null桥联相与基体界面间分离长度以及拔出相长度的大小直接影响到桥联和拔出作用的增韧效果,因此桥联相与基体在物理和化学性质上的相互匹配十分重要,合理的两相界面设计是提高桥联和拔出增韧作用的关键。 null6.延性颗粒增韧 延性颗粒增韧机制是指在脆性陶瓷基体中加入第二相延性颗粒,利用其塑性变形来缓解裂纹尖端高度的应力集中,可以明显提高材料的断裂韧性。金属陶瓷是这一增韧方法的典型代表。金属能否对陶瓷润湿良好,从而形成彼此交错的均匀网络结构对增韧效果起决定性作用。在适当的条件下,如果形成延性裂纹桥联会进一步提高增韧效果。 null具有延性颗粒裂纹桥联的复合材料的断裂韧性为当基体与延性颗粒的a、E相等时,延性裂纹桥联的增韧效果最佳,而当a、E相差足够大时,裂纹将绕过金属颗粒扩展,不能充分发挥金属的延性性能,增韧效果较差。考虑到裂纹尖端形成的塑性变形过程区,延性裂纹桥联增韧效果比上式所预测的更大。 null延性颗粒裂纹桥联示意图null7.残余热应力增韧当裂纹扩展进入残余热应力区时,残余热应力释放,同时有闭合阻碍裂纹扩展的作用,从而提高了材料的断裂韧性。 平均残余热应力q引起的断裂韧性变化量为第二相颗粒越粗,平均残余热应力对材料断裂韧性的影响越大。另外,当q为负值时,平均残余热应力对材料的断裂韧性不利。 null残余热应力引起的裂纹偏折示意图null8.压电效应损耗能量增韧 压电效应损耗能量增韧是由Chen和Yang新近提出的一种陶瓷增韧机制,他们把具有压电效应的第二相粒子引入陶瓷基体,当裂纹扩展遇到压电相粒子时,会引起压电效应,这样一部分引起裂纹扩展的机械能转化成电能,从而提高了陶瓷材料的断裂抗力。 平均残余热应力q引起的断裂韧性变化量为null9.电畴翻转增韧 对铁电陶瓷的研究表明,外加电场和机械应力均可使电畴发生翻转,电畴翻转在铁电陶瓷的断裂行为中具有非常重要的作用。根据文献,外加电场既能引起电畴的90翻转,也能引起电畴的180翻转。但电畴的180翻转和应力无关,也就是说,机械应力只能引起电畴的90翻转。电畴翻转同样需要消耗能量,而且电畴翻转存在一个临界能量值。nullHwang给出的电畴翻转的“应力型”能量标准为:null裂纹尖端应力诱发90畴翻转及相应的应力变化电畴翻转一方面需要消耗能量,另一方面电畴翻造成裂纹尖端的应力场发生了变化,结果使材料的韧性提高。nullLiTaO3颗粒内裂纹扩展引起电畴翻转的TEM照片 裂纹扩展引起的电畴翻转null10.复合韧化机制 复合韧化机制(multiple toughening mechanism)是指上述几种韧化机制相伴而生的韧化机制。如裂纹扩展时,伴随相变增韧的还有微裂纹萌生、裂纹偏折和弯曲、裂纹分支以及残余热应力韧化等情况。几种机制的相互作用使增韧效果变得复杂,有的韧化机制可以相互叠加,有的却是相消的。一般说来,相变增韧与裂纹偏折增韧是严格相加的,而相变增韧与微裂纹增韧则是非加性的。虽然转变所产生的膨胀在转变区边界与微裂纹产生的膨胀基本上是可加的,但微裂纹产生后的材料有更低的弹性模量,致使永久变形变小,因此应力诱发相变后再发生微裂纹比无微裂纹时的韧化效果要小,强度要低。利用第二相粒子韧化陶瓷基体时,经常是几种韧化机制同时在起作用,要根据具体的情况而定。 null§2.6 复合材料 (书上第10节) 复合材料的概念与优点 复合材料的分类 纤维复合材料的复合原则 复合材料的增强机制null一.复合材料的概念也可以说,将两种或两种以上性能不同的材料组合为一个整体,从而表现出某些优于其中任何一种材料性能的材料。是将两种或两种以上物理和化学本质不同的物质人工制成的一种多相固体材料。2. 优点复合材料的性能比其组成材料好得多。(1) 它可改善或克服组成材料的弱点,充分发挥们的优点。例如玻璃和树脂的韧性和强度都不高,可是它们组成的复合材料(即玻璃钢)却有很高的强度和韧性,而且重量很轻。1. 概念null(2)它可以按照构件的结构和受力要求,给出预定的、分布合理的配套性能,并进行材料的最佳设计。例如用缠绕法制造容器或火箭发动机壳体,使玻璃纤维的方向与主应力方向一致时,可将这个方向的强度提高到树脂的20倍以上,最大限度地发挥了材料的潜力,并减轻了构件的重量。(3)它可以创造单一材料不已具备的性能或功能。所以,复合材料开拓了一条创造材料的新途径。例如:有一铜片和一铁片组成的双金属片复合材料,就具有可控制温度开关的功能(如下图)。null再如:由两层塑料和中间夹一层铜片所构成的复合材料,能在同一时间里在不同方向上具有导电和隔热的双重功能(如下图),而这些功能是单一材料无法实现的。二.复合材料的分类总的来分功能性复合材料结构性复合材料(研究较少)(研究较多)null按照增强相的性质和形态分细粒复合材料√短切纤维复合材料√连续纤维复合材料√层叠复合材料√骨架复合材料涂层复合材料null三.纤维复合材料的复合原则(参考书P96)1. 使纤维尽可能多地承担外加负荷。2. 二者的结合强适当,否则基体中所承受的应力无法传递到纤维上。3. 应力作用的方向应与纤维平行,才能发挥纤维 的作用,因此应注意纤维在基体中的排列。4. 纤维与基体的热膨胀系数匹配,最好是纤维的 热膨胀系数大于基体的。5. 还要考虑二者在高温下的化学相容性。null四.复合材料的增强机制1. 连续纤维单向强化复合材料的强度连续纤维单向强化复合材料的纤维排列及受力情况见下图null(2.20)(2.21)(2.22)其中,Ec,σc分别为复合材料的弹性模量及强度。Ef,σf ,Vf分别为纤维的弹性模量、强度及体积分数。Em,σm,Vm分别为基体的弹性模量、强度及体积分数。又因为(2.23)上限模量上限强度设εm超过基体的临界应变时,复合材料就破坏,但此时纤维还未充分发挥作用,并没有达到它的临界应力。根据这一条件,将(2.23)代入(2.21)。null即可求得复合材料的下限强度为:(2.24)如果纤维与基体共同承受外力,实际的σf及σm总会比单独测定时的临界值要高,所以对实际的复合材料强度数值介于上限和下限之间。2. 短纤维单向强化复合材料如果用短纤维来强化,则纤维的长度必须大于临界长度Lc才能起到增强作用。此临界长度可根据力的平衡条件求得。下图为一根短纤维基体受均匀拉应力σm的情况.null此时纤维表面作用是由基体引起的剪应力,纤维断面上的作用力σf,如右图(b),(c),(d)所示。图中(b)为纤维与基体接触面上的剪应力,二者大小相等,方向相反。图中(c),(d)分别为纤维表面剪应力和截面拉应力沿纤维长度的分布。null随着作用力m的增加,剪应力沿纤维全长达到界面的结合强度或基体的屈服强度my。由my引起的纤维截面拉应力等于纤维的拉伸屈服应力fy时所需的纤维长度,即临界长度lc。null由此得d为纤维直径 my基体的屈服强度 fy纤维的拉伸屈服应力根据力的平衡条件当l>>lc时,其效果接近连续纤维;当l=10lc时,可达连续纤维强化效果的95%。短纤维复合材料的强度为:null为实验内容:自己阅读△ 1.测定材料硬度的技术 2.Vicker压痕法测定无机材料的断裂韧性§2.7 无机材料的硬度 (书上第11节)要求:看懂null硬度:材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。固体对外界物体入侵的局部抵抗能力,是比较各种材料软硬的指标。由于规定了不同的测试方法,所以有不同的硬度标准。各种硬度标准的力学含义不同,相互不能直接换算,但可通过试验加以对比。早在1822年,Friedrich mohs提出用10种矿物来衡量世界上最硬的和最软的物体,按照他们的软硬程度分为十级:   1)滑石 2)石膏 3)方解石 4)萤石 5)磷灰石   6)正长石 7)石英8)黄玉 9)刚玉 10)金刚石 简单记忆方法:滑石方、萤磷长、石英黄玉刚金刚。   各级之间硬度的差异不是均等的,等级之间只表示硬度的相对大小。 null 硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标,它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力,也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。硬度不是一个简单的物理概念,而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。硬度试验根据其测试方法的不同可分为静压法(如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等)、划痕法(如莫氏硬度)、回跳法(如肖氏硬度)及显微硬度、高温硬度等多种方法。 null硬度分为:①划痕硬度。主要用于比较不同矿物的软硬程度,方法是选一根一端硬一端软的棒,将被测材料沿棒划过,根据出现划痕的位置确定被测材料的软硬。定性地说,硬物体划出的划痕长,软物体划出的划痕短。②压入硬度。主要用于金属材料,方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料,以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。由于压头、载荷以及载荷持续时间的不同,压入硬度有多种,主要是布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等几种。③回跳硬度。主要用于金属材料,方法是使一特制的小锤从一定高度自由下落冲击被测材料的试样,并以试样在冲击过程中储存(继而释放)应变能的多少(通过小锤的回跳高度测定)确定材料的硬度。 硬度分类硬度分类1.洛氏硬度   是以压痕塑性变形深度来确定硬度值指标。以0.002毫米作为一个硬度单位。当HB>450或者试样过小时,不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球,在一定载荷下压入被测材料表面,由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同,分三种不同的标度来表示:   HRA:是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度,用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。   HRB:是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球,求得的硬度,用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。   HRC:是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度,用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。   null2.布氏硬度 布氏硬度(HB)一般用于材料较软的时候,如有色金属、热处理之前或退火后的钢铁。洛氏硬度(HRC)一般用于硬度较高的材料,如热处理后的硬度等等。   布氏硬度(HB)是以一定大小的试验载荷,将一定直径的淬硬钢球或硬质合金球压入被测金属表面,保持规定时间,然后卸荷,测量被测表面压痕直径。布氏硬度值是载荷除以压痕球形表面积所得的商。一般为:以一定的载荷将一定大小的淬硬钢球压入材料表面,保持一段时间,去载后,负荷与其压痕面积之比值,即为布氏硬度值(HB),单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。   测试载荷与测试钢球的直径需根据材料的实际性能再确定。  null3.维氏硬度 维氏硬度试验方法是英国史密斯(R.L.Smith)和塞德兰德(C.E.Sandland)于1925年提出的。英国的维克斯—阿姆斯特朗(Vickers-Armstrong)公司试制了第一台以此方法进行试验的硬度计。和布氏、洛氏硬度试验相比,维氏硬度试验测量范围较宽,从较软材料到超硬材料,几乎涵盖各种材料。   null4.里氏硬度 里氏硬度是以HL表示,里氏硬度测试技术是由瑞士狄尔马,里伯博士发明的,它是用一定质量的装有碳化钨球头的冲击体,在一定力的作用下冲击试件表面,然后反弹。由于材料硬度不同,撞击后的反弹速度也不同。在冲击装置上安装有永磁材料,当冲击体上下运动时,其外围线圈便感应出与速度成正比的电磁信号,再通过电子线路转换成里氏硬度值。    null5.肖氏硬度   简称HS。表示材料硬度的一种标准。由英国人肖尔(Albert F.Shore)首先提出。   应用弹性回跳法将撞销从一定高度落到所试材料的表面上而发生回跳。撞销是一只具有尖端的小锥,尖端上常镶有金刚钻。测试数值为1000x撞销返回速度/撞销初始速度(即为碰撞前后的速度比乘以1000)null6.巴氏硬度 巴柯尔(Barcol)硬度(简称巴氏硬度), 最早由美国 Barber-Colman公司提出,是近代国际上广泛采用的一种硬度门类, 一定形状的硬钢压针,在标准弹簧试验力作用下,压入试样表面,用压针的压入深度确定材料硬度,定义每压入0.0076mm为一个巴氏硬度单位。巴氏硬度单位表示为HBa。   null7.努氏硬度 是作为绝对数值而测得的硬度,主要在加工方面使用该数值。一般来说,金刚石的努氏硬度为7000~8000千克/平方毫米 8.韦氏硬度   一定形状的硬钢压针,在标准弹簧试验力作用下压入试样表面,用压针的压入深度确定材料硬度,定义0.01mm的压入深度为一个韦氏硬度单位。韦氏硬度单位表示为HW。 null小 结受力形变应力应变虎克定律弹性模量塑性变形高温蠕变null小 结断裂强度断裂韧性强化韧化应用复合材料nullKI与KIC KI应力场强度因子:反映裂纹尖端应力场强度的参量。 KIC断裂韧度:当应力场强度因子增大到一临界值时,带裂纹的材料发生断裂,该临界值称为断裂韧性。 KI是力学度量,它不仅随外加应力和裂纹长度的变化而变化,也和裂纹的形状类型,以及加载方式有关,但它和材料本身的固有性能无关。而断裂韧性KIC则是反映材料阻止裂纹扩展的能力,因此是材料的固有性质。null1、简述KI和KIC的区别。 2、有一大型板件,材料的KIC=115MPa·m1/2,经探伤发现有一30mm长的横向穿透裂纹,若工作应力为500MPa,试计算KI并判断该零件是否安全,见右图。第二章作业null3、计算: a.有一材料,模量E=200GPa,单位面积的表面能γЅ=8J/m2,试计算在70MPa的拉应力作用下,该裂纹的临界裂纹长度?若该材料裂纹尖端的变形塑性功γp =400J/m2,该裂纹的临界裂纹长度又为多少?(利用Griffith公式和Orowan修正公式计算) b.已知α-Fe的(100)晶面是解理面,其表面能是2J/m2,杨氏模量E=200GPa,晶格常数ao=0.25nm,试计算其理论断裂强度?nullc.马氏体时效钢的屈服强度是2100MPa,断裂韧度66MPa·m1/2,用这种材料制造飞机起落架,最大设计应力为屈服强度的70%,若可检测到的裂纹长度为2.5mm,试计算其应力场强度因子,判断材料的使用安全性。(提示:假设存在的是小的边缘裂纹,采用有限宽板单边直裂纹模型,2b>>c;若存在的是穿透裂纹,则应用无限大板穿透裂纹模型计算)null4、求融熔石英的结合强度,设估计的表面能为1.75J/m2;Si-O的平衡原子间距为1.6×10-8cm;弹性模量值从60到75GPa。 5、融熔石英玻璃的性能参数为:E=73GPa;γ=1.56J/m2;理论强度σth=28GPa。如材料中存在最大长度为2μm的內裂,且此内裂垂直于作用力的方向,计算由此而导致的强度折减系数。null(1)裂纹扩展的动力是物体内储存的 的 。 (2)对于中心穿透裂纹的大而薄的板,其几何形状因子Y= ;对于边缘穿透裂纹的大而薄的板,其几何形状因子Y= 。 (3)广义虎克定律适用于 的材料。 6、填空题7、论述题 论述大多数无机非金属材料在常温下不能产生塑性形变的原因。
本文档为【第二章无机材料的断裂与强度_材料物理】,请使用软件OFFICE或WPS软件打开。作品中的文字与图均可以修改和编辑, 图片更改请在作品中右键图片并更换,文字修改请直接点击文字进行修改,也可以新增和删除文档中的内容。
该文档来自用户分享,如有侵权行为请发邮件ishare@vip.sina.com联系网站客服,我们会及时删除。
[版权声明] 本站所有资料为用户分享产生,若发现您的权利被侵害,请联系客服邮件isharekefu@iask.cn,我们尽快处理。
本作品所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用。
网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽..)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
下载需要: 免费 已有0 人下载
最新资料
资料动态
专题动态
is_169988
暂无简介~
格式:ppt
大小:7MB
软件:PowerPoint
页数:0
分类:理学
上传时间:2011-04-13
浏览量:43