材料的脆性断裂与强度
脆性材料的力学性能与应用研究
脆性材料的力学性能与应用研究脆性材料是指在受到应力作用时会发生不可逆性断裂的材料。
与韧性材料相比，脆性材料的断裂过程没有明显的塑性变形，即材料极易发生断裂。
在工程领域中，对脆性材料的力学性能和应用进行深入的研究与探索具有重要意义。
一、脆性材料的力学性能分析脆性材料的力学性能主要包括强度、硬度、韧性和断裂韧度等方面的指标。
1. 强度：脆性材料的强度指标主要包括抗拉强度、抗压强度和抗剪强度等。
由于脆性材料的断裂本质上是由于局部破坏引起的，因此其抗拉强度和抗压强度相对较高。
2.硬度：硬度是衡量材料抵抗局部破坏的能力。
脆性材料通常具有较高的硬度，即对外界施加的压力具有较高的抵抗能力。
3. 韧性：与韧性材料相比，脆性材料的韧性较低。
脆性材料在受到应力作用时，往往很快就发生断裂，表现出脆性断裂的特征。
4. 断裂韧度：断裂韧度是指材料在断裂时吸收的能量。
脆性材料的断裂韧度较低，即在断裂前很少能量被吸收。
二、脆性材料的应用研究与发展脆性材料在工程实践中有着广泛的应用，其中一些常见的脆性材料包括陶瓷材料、玻璃和岩石等。
1. 陶瓷材料：陶瓷材料是一类典型的脆性材料，具有优异的耐高温、耐磨损和绝缘性能，因此广泛应用于航空航天、机械制造和电子等领域。
2. 玻璃：玻璃是一种无晶态的非晶态材料，具有高硬度、透明性和化学稳定性等特点，被广泛应用于建筑、光学和电子等领域。
3. 岩石：岩石是地质构造中的主要组成部分，也是一种常见的脆性材料。
岩石在地质勘探、矿山开采和土木工程中发挥着重要作用。
三、脆性材料的研究挑战与发展趋势尽管脆性材料在各个领域有着广泛的应用，但其研究仍然面临许多挑战和问题。
1. 增强韧性：目前，增强脆性材料的韧性是一个研究的热点。
通过添加增韧相或设计多层复合结构等方式来提高脆性材料的韧性，是当前的研究重点。
2. 断裂力学理论：对于脆性材料的断裂行为的理解仍然不够深入。
进一步深入研究脆性材料的断裂力学理论，有助于揭示脆性材料的破裂机制。
材料强度和断裂特性测试方法概述
材料强度和断裂特性测试方法概述材料强度和断裂特性是评估材料性能和可靠性的重要指标。
在工程领域中，如果材料无法经受住所需的力量或无法在适当的载荷条件下延展，可能导致结构和功能的失败。
因此，了解材料的强度和断裂特性对于设计和制造过程至关重要。
本文将概述几种常见的材料强度和断裂特性测试方法。
一、材料强度测试方法1. 拉伸测试：拉伸测试是最常见和基础的材料强度测试方法之一。
这种测试方法通过将材料置于拉伸设备中，施加一个持续增加的拉伸载荷，直到材料发生断裂。
拉伸测试可以确定材料的拉伸强度、屈服强度、断裂强度等力学性能。
2. 压缩测试：压缩测试是另一种常见的材料强度测试方法，它与拉伸测试相反。
在压缩测试中，材料被放置在压缩设备中，施加一个持续增加的压缩载荷，直到材料发生压缩变形或破坏。
压缩测试可以评估材料的压缩强度、屈服强度以及抗压性能。
3. 弯曲测试：弯曲测试常用于评估材料在受弯曲载荷下的性能。
在弯曲测试中，材料被放置在一个弯曲设备中，施加一个持续增加的弯曲载荷，直到材料产生弯曲或破坏。
弯曲测试可以测量材料的弯曲强度、弯曲刚度以及抗弯刚性。
二、材料断裂特性测试方法1. 断裂韧性测试：断裂韧性是评估材料在受到撞击或快速载荷下承载能力的能力。
常见的断裂韧性测试方法包括冲击试验和拉伸试验。
- 冲击试验：冲击试验通过施加一个快速、高能量的外力来模拟撞击条件。
常用的冲击试验方法有冲击强度试验和冲击韧性试验。
这些试验可以评估材料在受到冲击载荷时的断裂特性。
- 拉伸试验：拉伸试验用于评估材料在肯尼迪构面的韧性。
这种试验方法会施加一个快速增加的拉伸载荷，以模拟材料在快速载荷下的响应。
拉伸试验可以通过测量材料断口面积的增加和断口延伸来评估材料的断裂韧性。
2. 断裂韧性测试：断裂韧性是评估材料在受到撞击或快速载荷下承载能力的能力。
常见的断裂韧性测试方法包括冲击试验和拉伸试验。
- 冲击试验：冲击试验通过施加一个快速、高能量的外力来模拟撞击条件。
理论断裂强度与脆断理论
01
断裂强度分析
根据实验数据计算不同材料的断裂强度，并比较其差异。结合材料成分、
结构和力学性能等因素，分析影响断裂强度的主要因素。
02 03
脆断行为分析
通过观察断口形貌、分析裂纹扩展路径等手段，研究材料的脆断行为。 探讨脆断机制与材料性质之间的关系，以及温度、应变速率等外部条件 对脆断行为的影响。
理论验证与模型建立
02
研究内容
03
分析材料微观结构对理论断裂强度的影响，包括晶粒尺寸 、相组成、缺陷等因素。
04
探讨裂纹扩展过程中的能量转化和耗散机制，以及裂纹尖 端应力场的分布和演化规律。
05
建立基于脆断理论的裂纹扩展模型，预测不同材料和不同 条件下的裂纹扩展速率和断裂韧性。
06
通过实验验证理论模型的准确性和可靠性，为工程应用提 供可靠的预测方法。
通过实验和理论分析，我们得到了 材料在不同条件下的理论断裂强度 ，并验证了脆断理论的适用性。
研究发现，材料的微观结构、化学 成分、加工工艺等因素对理论断裂 强度和脆断行为具有重要影响。
对未来研究的展望与建议
深入研究材料的微观结构与理论 断裂强度之间的关系，揭示材料 断裂的本质机制。
加强跨学科合作，将理论断裂强度与脆 断理论与力学、物理学、化学等相关学 科紧密结合，推动材料科学领域的发展 。
数据采集与处理
STEP 01
数据采集
STEP 02
数据处理
通过力学试验机记录实验 过程中的载荷、位移、时 间等数据。
STEP 03
数据分析
运用统计学方法对实验数据进 行处理和分析，得出断裂强度 和脆断行为的统计规律。
对实验数据进行整理、筛选 和分类，提取出与断裂强度 和脆断相关的关键信息。
材料的脆性断裂与强度
材料的脆性断裂与强度§2．1 脆性断裂现象⼀、弹、粘、塑性形变在第⼀章中已阐述的⼀些基本概念。
1．弹性形变正应⼒作⽤下产⽣弹性形变，剪彩应⼒作⽤下产⽣弹性畸变。
随着外⼒的移去，这两种形变都会完全恢复。
2．塑性形变是由于晶粒内部的位错滑移产⽣。
晶体部分将选择最易滑移的系统(当然，对陶瓷材料来说，这些系统为数不多)，出现晶粒内部的位错滑移，宏观上表现为材料的塑性形变。
3．粘性形变⽆机材料中的晶界⾮晶相，以及玻璃、有机⾼分⼦材料则会产⽣另⼀种变形，称为粘性流动。
塑性形变和粘性形变是不可恢复的永久形变。
4．蠕变：当材料长期受载，尤其在⾼温环境中受载，塑性形变及粘性形变将随时间⽽具有不同的速率，这就是材料的蠕变。
蠕变的后当剪应⼒降低(或温度降低)时，此塑性形变及粘性流动减缓甚⾄终⽌。
蠕变的最终结果：①蠕变终⽌；②蠕变断裂。
⼆．脆性断裂⾏为断裂是材料的主要破坏形式。
韧性是材料抵抗断裂的能⼒。
材料的断裂可以根据其断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度，把断裂分为脆性断裂与韧性断裂。
1．脆性断裂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。
因此，防⽌脆断⼀直是⼈们研究的重点。
2．韧性断裂韧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。
⼀些塑性较好的⾦属材料及⾼分⼦材料在室温下的静拉伸断裂具有典型的韧性断裂特征。
3．脆性断裂的原因在外⼒作⽤下，任意⼀个结构单元上主应⼒⾯的拉应⼒⾜够⼤时，尤其在那些⾼度应⼒集中的特征点(例如内部和表⾯的缺陷和裂纹)附近的单元上，所受到的局部拉应⼒为平均应⼒的数倍时，此过分集中的拉应⼒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。
虽然与此同时，由于外⼒引起的平均剪应⼒尚⼩于临界值，不⾜以产⽣明显的塑性变形或粘性流动。
金属材料力学性能的五个指标
金属材料力学性能的五个指标
力学性能的五个指标：
1、脆性
脆性是指材料在损坏之前没有发生塑性变形的一种特性。
它与韧性和塑性相反。
脆性材料没有屈服点，有断裂强度和极限强度，并且二者几乎一样。
铸铁、陶瓷、混凝土及石头都是脆性材料。
与其他许多工程材料相比，脆性材料在拉伸方面的性能较弱，对脆性材料通常采用压缩试验进行评定。
2、强度
金属材料在静载荷作用下抵抗永久变形或断裂的能力。
同时，它也可以定义为比例极限、屈服
强度、断裂强度或极限强度。
没有一个确切的单一参数能够准确定义这个特性。
因为金属的行为随着应力种类的变化和它应用形式的变化而变化。
强度是一个很常用的术语。
3、塑性
金属材料在载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力。
塑性变形发生在金属材料承受的应力超过弹性极限并且载荷去除之后，此时材料保留了一部分或全部载荷时的变形。
4、硬度
金属材料表面抵抗比他更硬的物体压入的能力。
5、韧性
金属材料抵抗冲击载荷而不被破坏的能力。
韧性是指金属材料在拉应力的作用下，在发生断裂前有一定塑性变形的特性。
金、铝、铜是韧性材料，它们很容易被拉成导线。
材料物理第3章材料的脆性断裂和强度计算
th
s
in
2
x
近似为：
th
2x
由虎克定律知：
E E x
a
将式（2）带入式（1）得：
（式1） （式2）
x：原子位移；λ：正弦曲线波长； th : 理论断裂强度 a：晶格常数
th
2
E a
（式3）
分开单位面积原子平面所作的功为：
U
2 0
实际应用中，材料的屈服、断裂是最值得引起注意的两个问题.
3.1 理论断裂强度
理论断裂强度：完整晶体在正应力作用下沿某一晶面 拉断的强度。
两相邻原子面在拉力σ作用下，克 服原子间键合力作用 ，使原子面分开 的应力。
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。
薄板
由弹性理论，人为割开长 2c 的裂纹时，平面应力 状态下应变能的降低为：
ws 4c
2 2
c
we
E
ws we
产生长度为 2c，厚度为 1 的 c 两个新断面所需的表面能为：
cc
ws 4c
2 2
c
we
E
式中为单位面积上的断裂表面能
裂纹在应力 的作用下，超过一定值以后，便发生扩展。 一方面增大表面能，另一方面又使弹性能减少（释放出弹性 能）。
E
a
2
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。要得到高强度的固体，就要求E和 大，a小。
一般地，理论断裂强度
th
E 10
实际断裂强度
E~ E 100 1000
陶瓷材料的断裂行为与强度分析
陶瓷材料的断裂行为与强度分析近年来，陶瓷材料在工业、家居等领域得到了广泛应用。
然而，陶瓷材料的脆性特性使其容易发生断裂，导致产品的损坏和无法使用。
因此，深入研究陶瓷材料的断裂行为和强度分析具有重要意义。
首先，我们需了解陶瓷材料的断裂行为。
陶瓷材料的断裂行为可以通过应力-应变曲线来揭示。
在材料受力作用下，会先出现线弹性阶段，即应变与应力成正比。
随后，会进入非线性弹性阶段，应变增大但应力增长较为缓慢。
最后，在达到某个应变值后，材料会突然断裂。
断裂前的应变称为断裂应变，而断裂前的应力称为断裂强度。
对于陶瓷材料来说，其断裂行为主要受到两个因素的影响：内在缺陷和外部应力。
内在缺陷是指材料内部的微观缺陷，如裂纹、气泡等。
这些内在缺陷会导致应力集中，从而促使断裂发生。
而外部应力则是指作用在材料上的外界力量，如拉力、压力等。
当外部应力超过材料的抗弯强度时，就会发生断裂。
通过强度分析可以求得陶瓷材料的抗弯强度和抗拉强度等参数。
其中，抗弯强度是指材料在受到弯曲作用时能够承受的最大应力。
抗拉强度则是指材料在受到拉伸作用时能够承受的最大应力。
通过测定这些强度参数，可以评估陶瓷材料的质量和可靠性，并在实际应用中指导产品的设计和使用。
此外，断裂韧性也是评估陶瓷材料性能的重要指标之一。
断裂韧性描述了材料在断裂前的抗拉伸能力，即材料能够吸收多少能量才能破坏。
断裂韧性越高，代表材料越能够抵抗断裂，具有更好的耐用性。
因此，通过对陶瓷材料的断裂韧性进行分析和研究，可以进一步了解其性能特点和适用范围。
然而，陶瓷材料的断裂行为和强度分析也面临一些挑战。
首先，由于陶瓷材料的脆性特性，其断裂过程往往是迅速而突然的，难以进行实时观察和测试。
其次，在实际应用中，陶瓷材料通常处于多种应力的综合作用之下，如拉力、压力、扭力等，这增加了对其断裂行为和强度的分析难度。
因此，研究者们一直在努力寻找更准确的测试方法和分析模型，以进一步提高陶瓷材料的强度分析水平。
脆性材料的断裂韧性评估与材料选择
脆性材料的断裂韧性评估与材料选择脆性材料的断裂韧性评估与材料选择摘要：本文重点探讨了脆性材料的断裂韧性评估与材料选择。
首先，介绍了脆性材料的基本概念和特征。
然后，介绍了常用的断裂韧性评估方法，包括断口形貌观察、断口扩展试验以及断裂韧性参数的计算等。
接下来，讨论了材料选择的关键因素，包括载荷条件、工作温度、环境影响以及成本等。
最后，以航空航天工业为例，探讨了材料选择方法的应用和实践。
关键词：脆性材料；断裂韧性；评估方法；材料选择1. 引言脆性材料在很多领域具有重要应用，如航空、航天、汽车等工业。
然而，脆性材料的一个主要缺点是其断裂韧性较低，容易发生断裂事故。
因此，评估脆性材料的断裂韧性，选择合适的材料对应用至关重要。
2. 脆性材料的特征脆性材料的特点是在受到一定应力后，容易发生突然而不可逆的断裂。
脆性材料的断裂是由于晶体结构破坏或断裂面上的裂纹扩展引起的，而不是材料内部的变形。
脆性材料通常具有较高的弹性模量和脆性断裂特征。
3. 断裂韧性评估方法3.1 断口形貌观察断口形貌观察是一种直观评估材料断裂韧性的方法。
通过观察断口形貌的特点，可以初步了解材料的断裂机制和韧性。
一般来说，具有韧性的材料的断口呈现出韧突银河状结构，而脆性材料的断口则呈现出平整的类似于玻璃的断口。
3.2 断口扩展试验断口扩展试验是一种定量评估材料断裂韧性的方法。
常用的断口扩展试验方法包括冲击试验和拉伸试验。
通过测量断裂韧性参数，如断裂延伸率、断裂强度和断裂韧性等，可以评估材料的断裂性能。
3.3 断裂韧性参数计算断裂韧性参数是评估材料断裂韧性的重要指标。
常用的断裂韧性参数包括断裂延伸率、能量吸收能力、断裂扩展速率等。
通过实验测量数据，可以利用应力-应变曲线计算出这些参数。
4. 材料选择的关键因素4.1 载荷条件材料的选择与所受载荷条件密切相关。
对于静态载荷，应选择具有高强度和高韧性的材料，以抵御外部应力的作用。
对于动态载荷，应选择具有良好的冲击韧性和疲劳韧性的材料，以承受突发和重复的载荷。
无机材料的脆性断裂与强度
无机材料的脆性断裂与强度脆性断裂是指在受力条件下，无机材料会发生不可逆的破裂现象，而无法发生塑性变形。
与之相对的是韧性断裂，韧性断裂发生在材料能够发生塑性变形的情况下。
无机材料的脆性断裂与强度有密切关系。
强度是指材料抵抗外力的能力，是一个评价材料抗拉、抗压、抗弯等载荷的指标。
脆性材料的强度主要受材料内部微观缺陷和断裂导致的应力集中影响。
下面分三个方面介绍无机材料的脆性断裂与强度的关系。
首先，无机材料的脆性断裂与晶体结构有关。
无机材料的晶体结构决定了材料的原子排列和键合情况，从而影响了材料的力学性能。
晶体结构中的离子键、共价键或金属键不易发生移动，因此无机材料的塑性变形能力较弱。
当材料受到外力作用时，由于无法有效地分散应力，应力会在缺陷处或晶界处集中，导致材料的断裂。
例如，金刚石具有非常坚硬的晶体结构，但其断裂韧性很低，容易在受力时发生脆性断裂。
其次，无机材料的脆性断裂与材料的纯度和缺陷有关。
纯度高的材料内部缺陷较少，力学性能较好，强度较高。
材料的缺陷可以包括晶界、孔洞、裂纹等，这些缺陷会导致应力的集中。
晶界是由于晶体的生长形成的界面，常常是材料中最脆弱的部分。
孔洞和裂纹是材料中的缺陷，它们会在受力时成为应力集中的位置，从而导致材料的脆性断裂。
因此，提高无机材料的纯度，减少缺陷的存在，可以提高材料的强度和抗断裂能力。
最后，无机材料的脆性断裂与外界温度和应力速率有关。
温度对材料的强度和断裂行为有很大影响。
低温会导致材料的强度和韧性下降，使得材料更容易发生脆性断裂。
高温会增加材料的塑性，降低材料的强度，使得材料更容易发生韧性断裂。
应力速率也是影响材料脆性断裂的因素之一、应力速率较快时，材料不容易发生塑性变形，从而容易发生脆性断裂。
应力速率较慢时，材料有足够的时间进行塑性变形，从而能够发生韧性断裂。
综上所述，无机材料的脆性断裂与强度有着紧密的关系。
晶体结构、纯度和缺陷、温度以及应力速率都会对材料的强度和断裂行为产生影响。
金属材料的损伤和断裂(韧性、脆性)
原创小刘-LZP08-07原文一、“彗星号”大型客机失事惨剧促发金属断裂行为研究史的开端1954年1月10日，一架英国海外航空公司（BOAC）的一架“彗星”1型客机（航班编号781号）从意大利罗马起飞，飞往目的地是英国伦敦。
飞机起飞后26分钟，机身在空中解体，坠入地中海，机上所有乘客和机组人员全部遇难。
这次事故震惊了全世界，英国成立了专门的调查组调查事故。
该型客机停飞两个月。
就在英国海外航空公司总裁保证该机型不会再出事并复飞后不久，另一架“彗星”型客机也发生了同样的空中解体事故，坠毁在意大利那不勒斯附近海中。
在此一年的时间里，共有3架“彗星”型客机在空中先后解体坠毁。
此惨剧令当时英国为之骄傲的“彗星号”大型客机寿终正寝，也促发了科学家研究低应力断裂的“裂纹力学”，此即断裂力学诞生的由来。
“彗星号”大型民航客机对事故的调查发现，“彗星”客机采用的是方形舷窗。
经多次起降后，在方形舷窗拐角（直角）处会出现金属疲劳导致的裂纹（裂隙）。
正是这个小小的裂纹引起了灾难事故。
后来，所有客机舷窗均采用圆形或设计有很大的圆角，以减小应力集中，提高金属疲劳强度；延缓疲劳裂纹的发生，此系后话。
进一步研究证明，裂纹的存在，引起飞机结构发生低应力破坏，通行的设计准则遇到极大挑战。
这个研究孕育了断裂力学的诞生，并促进了其快速发展。
到1957年，美国科学家欧文（G.R.Irwin）提出应力强度因子的概念，从此线弹性断裂力学基本建立起来。
断裂力学诞生并用于结构设计后，源于裂纹引发的灾难事故大大减少，可见断裂力学是破解结构低应力破坏的金钥匙。
再看一组图片所有的工程结构都是由工程材料制造而成；所有的断裂事故，均源于材料的微、细、宏观的损伤和断裂。
材料与结构的损伤断裂引发的事故实在太多。
二、材料的力学性能参数：强度、塑性、韧性、脆性、弹性从应力应变曲线上也可看出脆性或韧性材料材料的力学性能指的是材料在给定的外界条件下所表现的行为，完全由材料的微观组织结构决定。
材料力学断裂强度知识点总结
材料力学断裂强度知识点总结材料力学是研究材料在受外力作用下的变形和破坏行为的学科。
其中，断裂强度是衡量材料抵抗断裂破坏的能力。
本文将针对材料力学断裂强度的相关知识点进行总结，以帮助读者深入了解该领域。
一、断裂强度的定义断裂强度是指材料在受到外力作用下发生断裂破坏之前所承受的最大应力。
它是材料抵抗断裂破坏的极限，具有重要的工程应用价值。
二、断裂机制1. 韧性断裂：材料在受到外力作用下具有较好的塑性变形能力，断裂过程相对缓慢，常发生在高韧性材料中。
2. 脆性断裂：材料在受到外力作用下的变形能力较差，断裂破坏往往发生得较为迅速，常见于高强度材料。
三、断裂强度的评定方法1. 拉伸试验：通过对材料进行拉伸，测量在断裂破坏前所承受的最大拉力，得到材料的抗拉强度和断裂强度。
2. 断面分析：观察断裂面的形貌，分析断裂模式，如韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂等，从而判断材料的断裂强度。
四、影响断裂强度的因素1. 材料类型：不同材料的断裂强度存在较大差异，如金属材料、陶瓷材料和复合材料等。
2. 材料组织结构：材料的晶粒尺寸、相含量和晶界等微观结构对断裂强度具有重要影响。
3. 温度和湿度：在高温、湿度条件下，材料的断裂强度往往会降低。
4. 外加应力：外部施加的应力大小和方向对材料的断裂强度产生显著影响。
五、断裂强度的应用领域1. 工程结构设计：合理评估材料的断裂强度，明确工程结构的安全性能，为工程设计提供依据。
2. 材料选型：考虑到不同材料的断裂强度差异，可根据具体工程需求选择合适的材料。
3. 损伤评定：通过对材料断裂强度的评估，可判断材料结构中的损伤程度，为维修和保养提供指导。
结语材料力学断裂强度是一个涉及多个知识点的重要概念。
本文从断裂强度的定义、断裂机制、评定方法、影响因素以及应用领域等方面进行了总结。
通过深入理解和应用这些知识，可以更好地应对工程设计、材料选型和损伤评定等相关问题，提升工程结构的安全性能。
注意：以上为根据题目要求所写的文章正文，不包含其他任何内容。
脆性材料的断裂韧性评估与材料选择
脆性材料的断裂韧性评估与材料选择1. 引言脆性材料的断裂韧性评估与材料选择是工程领域中的重要课题。
脆性材料在受到外力作用时容易发生断裂，这对于工程结构的安全性和可靠性造成了威胁。
因此，对于脆性材料的断裂韧性进行评估，并选择合适的材料应用于工程实践具有重要意义。
本文将对脆性材料的断裂韧性评估方法和影响因素进行探讨，并介绍一些常用的具有良好断裂韧性特征的材料。
2. 脆性材料的特点在了解如何评估和选择脆性材料之前，我们首先需要了解这些材料具有哪些特点。
与其他类型的材料相比，脆性材料在受到外力作用时容易发生突然而严重的破坏。
其破坏方式通常是由于应力集中引起局部破坏而导致全面破坏。
此外，由于其内部结构通常较为致密，其承载能力较低，容易受到热应力和冲击应力的影响。
3. 脆性材料的断裂韧性评估方法3.1 断裂韧性的定义断裂韧性是材料在受到外力作用下能够抵抗破坏的能力。
在脆性材料中，断裂韧性是指材料在破坏前能够吸收的能量。
通常用断裂韧性指数来表示，即材料在破坏前吸收的单位体积能量。
3.2 断裂韧性评估方法脆性材料的断裂韧性评估方法主要分为宏观和微观两个层面。
宏观层面主要通过对脆性材料进行试验来评估其断裂韧性。
常用试验包括冲击试验、拉伸试验、弯曲试验等。
通过测量试样在加载过程中产生的应变和应力，可以计算出其断裂韧性指数。
微观数学模型可以对脆弱材料进行更精确地分析和计算。
其中最常用的方法是有限元分析法。
有限元法可以模拟加载过程中复杂数学模型的响应，从而计算出材料的断裂韧性。
4. 影响脆性材料断裂韧性的因素脆性材料的断裂韧性受到多种因素的影响，下面将介绍其中一些主要因素。
4.1 材料结构脆性材料的结构对其断裂韧性有着重要影响。
一些脆性材料具有较大的晶粒尺寸和较高的晶界能量，这样可以提高其断裂韧性。
此外，添加一些细小尺寸和高强度相可以增加材料的强度和塑性。
4.2 温度温度对脆弱材料的断裂韧性也有显著影响。
在低温下，由于晶格振动减小，原子间结合力增强，使得脆弱材料更容易发生破坏。
材料物理第3章材料脆性断裂与强度计算
材料物理第3章材料的脆性断裂和 强度计算
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
材料物理第3章材料的脆性断裂和 强度计算
a.将一单位厚度的薄板拉长到 l l ，此时板
中储存的弹性应变能为:
we1
1Fl
2
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:
we212FFl
c. 应变能降低
w ew e1w e21 2Fl
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。
c E(2cp)12 Ecp12
p 为塑性变形功， p ＞＞ s
材料物理第3章材料的脆性断裂和 强度计算
举例说明：
1
c
E p a
2
①典型陶瓷材料： E 3G 0,0 P 1 J a /m 2 , c 1m
临界断裂强度 c 0.4GPa
②高强度钢 E 3G 0,0 P p a 10 J/m 0 2 ,0c 0 .4 GP
断裂
韧性断裂 脆性断裂
判定依据：“断裂前是否 发生明显的塑性变形”。
效
腐蚀
变形失效
实际应用中，材料的屈服、断裂是最值得引起注意的两个问题.
材料物理第3章材料的脆性断裂和 强度计算
3.1 理论断裂强度
理论断裂强度：完整晶体在正应力作用下沿某一晶面 拉断的强度。
两相邻原子面在拉力σ作用下，克 服原子间键合力作用 ，使原子面分开 的应力。
第三章 无机材料的脆性断裂与强度
裂纹的亚临界生长（静态疲劳）
1. 亚临界生长：在应力作用下，随着时间的 推移，裂纹缓慢扩展。也叫静态疲劳。 动态疲劳：材料在循环应力或渐增应力 作用下的延时破坏。 2 裂纹缓慢生长的结果是裂纹尺寸加大，一 旦达到临界尺寸，就会失稳扩展而破坏。 研究意义：构件的使用寿命问题。
应力腐蚀理论
几种常用材料的断裂韧性
材料
M时效钢 铝合金
KIC(MP a/m)
１００ ４４
材料
Si3N4
KIC(MPa/m)
5-6
高强度合金钢 ９２
Al2O3 SiC
环氧树脂 聚苯乙烯
4-4.5
Al2O3-ZrO2 4-4.5
SiAlON
Ti6Al4V ZrO2-Y2O3
5-7
40 6-15
3.5-6
０.８ ０.７－１.１
阻力：
断裂韧性的测试方法
1、单边直通切口梁(SENB)法 测试方法及数据处理试样要求：光滑，要用 W7#研磨膏研磨，棱角相互垂直，B/W尺寸要 求严格，在整个试件长度范围内的变化不超过 0.02mm。用不超过0.25mm厚的锯片切口。 试件尺寸比例：a/W = 0.4～0.6， W/L = 1/4; B≈W/2。加载速度按形变速度来控制，规 定为0.05mm/min. 该方法只适合于晶粒大小在20-40μm的粗晶粒 陶瓷。对细晶粒的陶瓷，测得的数值偏大。
在一定的环境温度和应力场强度因子作用下，材料 中关键裂纹尖端处， 扩展动力与裂纹扩展阻力的 比较，构成裂纹开裂和止裂的条件。 １. 裂纹尖端处的高度的应力集中导致较大的裂纹 扩展动力。裂纹尖端处的离子键受到破坏，吸附了 表面活性物质，使材料的自由表面能降低。裂纹的 扩展阻力降低。导致低应力水平下的开裂。 ２. 新开裂的断裂表面，还没来得及被介质腐蚀， 其表面能仍然大于裂纹扩展动力，裂纹立即止裂。 接着是下一个腐蚀-开裂-止裂循环。导致宏观上的 裂纹缓慢生长。
材料的断裂与脆性
材料物理
静载压入试验
(a) 布氏硬度 (b) 维氏硬度
Chap.1 材料的力学
材料物理
静载压入试验
(c) 洛氏硬度 (d) 努普硬度
Chap.1 材料的力学
材料物理
材料硬度的影响因素
材料的硬度取决于其组成和结构：
➢离子半径 ➢材料的显微结构、裂纹、杂质等 ➢温度等环境条件
➢韧性断裂（高温） B点以后 ➢应变硬化 D点以后
应变硬化
Chap.1 材料的力学
材料物理
1.3.3 材料的裂纹断裂理论
微裂纹理论：
•实际的材料中总是存在许多细小的裂纹和缺陷， 在应力作用下，这些裂纹和缺陷附近产生应力
集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹开始 扩展而导致断裂。 ➢所以，断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面 拉断，而是裂纹扩展的结果。
传统的设计观点：
•甲钢：
的构件，可选
•乙钢：
Chap.1 材料的力学
材料物理
按照断裂力学的观点：
甲钢： f
KIC YC
4.5107 1.5 1103
1.0109 (Pa)
乙钢： f
KIC YC
7.5107 1.5 1103
1.67 109 (Pa)
➢乙钢比甲钢安全
Chap.1 材料的力学
•允许的最大应力[σ]=σf/n或 σys/n ，
• σf为断裂强度，σys为屈服强度， n为安全系数。
断裂力学：引入一个考虑了裂
纹尺寸，并表征材料特征的常数KIC，称作
平面应变断裂韧性。 断裂判据可表示为：
Chap.1 材料的力学
材料物理
经典理论与断裂力学设计选材的差异
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第二章材料的脆性断裂与强度§2．1 脆性断裂现象一、弹、粘、塑性形变在第一章中已阐述的一些基本概念。
1．弹性形变正应力作用下产生弹性形变，剪彩应力作用下产生弹性畸变。
随着外力的移去，这两种形变都会完全恢复。
2．塑性形变是由于晶粒内部的位错滑移产生。
晶体部分将选择最易滑移的系统（当然，对陶瓷材料来说，这些系统为数不多），出现晶粒内部的位错滑移，宏观上表现为材料的塑性形变。
3．粘性形变无机材料中的晶界非晶相，以及玻璃、有机高分子材料则会产生另一种变形，称为粘性流动。
塑性形变和粘性形变是不可恢复的永久形变。
4．蠕变：当材料长期受载，尤其在高温环境中受载，塑性形变及粘性形变将随时间而具有不同的速率，这就是材料的蠕变。
蠕变的后当剪应力降低（或温度降低）时，此塑性形变及粘性流动减缓甚至终止。
蠕变的最终结果：①蠕变终止；②蠕变断裂。
二．脆性断裂行为断裂是材料的主要破坏形式。
韧性是材料抵抗断裂的能力。
材料的断裂可以根据其断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度，把断裂分为脆性断裂与韧性断裂。
1．脆性断裂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。
因此，防止脆断一直是人们研究的重点。
2．韧性断裂韧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。
一些塑性较好的金属材料及高分子材料在室温下的静拉伸断裂具有典型的韧性断裂特征。
3．脆性断裂的原因在外力作用下，任意一个结构单元上主应力面的拉应力足够大时，尤其在那些高度应力集中的特征点（例如内部和表面的缺陷和裂纹）附近的单元上，所受到的局部拉应力为平均应力的数倍时，此过分集中的拉应力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。
虽然与此同时，由于外力引起的平均剪应力尚小于临界值，不足以产生明显的塑性变形或粘性流动。
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个缺陷（或裂纹、伤痕）而开裂。
各种材料的断裂都是其内部裂纹扩展的结果。
因而，每种材料抵抗裂纹扩展能力的高低，表示了它们韧性的好坏。
韧性好的材料，裂纹扩展困难，不易断裂。
脆性材料中裂纹扩展所需能量很小，容易断裂；韧性又分断裂韧性和冲击韧性两大类。
断裂韧性是表征材料抵抗其内部裂纹扩展能力的性能指标；冲击韧性则是对材料在高速冲击负荷下韧性的度量。
二者间存在着某种内在联系。
三．突发性断裂与裂纹的缓慢生长裂纹的存在及其扩展行为，决定了材料抵抗断裂的能力。
1．突发性断裂断裂时，材料的实际平均应力尚低于材料的结合强度（或称理论结合强度）。
在临界状态下，断裂源处的裂纹尖端所受的横向拉应力正好等于结合强度时，裂纹产生突发性扩展。
一旦扩展，引起周围应力的再分配，导致裂纹的加速扩展，出现突发性断裂，这种断裂往往并无先兆。
2．裂纹的生长当裂纹尖端处的横向拉应力尚不足以引起扩展，但在长期受应力的情况下，特别是同时处于高温环境中时，还会出现裂纹的缓慢生长，尤其在有环境侵蚀，如存在O2，H2，SO：，H2O（汽）等的情况下，对金属及玻璃更易出现缓慢开裂。
§ 2．2 理论结合强度一. 理论强度的概念无机材料的抗压强度约为抗拉强度的10 倍。
所以一般集中在抗拉强度上进行研究，也就是研究其最薄弱的环节。
材料的理论强度，就是从理论角度上材料所能随的最大应力。
我们可以这样考虑：①当一对原子相距无限远时，不发生相互作用，当它们接近到一定程度时，吸引力开始显著起来，随着距离的缩短而吸引力增大。
当距离r 达到某一值时，原子间的合力（引力和斥力之和）最大，此时表示物质具有最大的强度。
即理论强度。
②从原子结合的情况来看，理论强度就是分离原子（或离子）所需的最小应力。
所以，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。
如果知道原子间结合力的细节，即知道应力一应变曲线的精确形式，就可算出理论结合强度。
这在原则上是可行的，就是说固体的强度都能够根据化学组成、晶体结构与强度之间的关系来计算。
但不同的材料有不同的组成、不同的结构及不同的键合方式，因此这种理论计算是十分复杂的，而且对各种材料都不一样。
二．理论强度的计算1．计算依据为了能简单、粗略地估计各种情况都适用的理论强度，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）。
2．计算公式推导1）以上曲线的一部分可近似地由下式表示：2X th sin（2.1）式中，σth 为理论结合强度，λ为正弦曲线的波长。
2）产生新表面所需的表面能众所周知，将材料拉断时，产生两个新表面，因此使单位面积的原子平面分开所作的功应等于产生两个单位面积的新表面所需的表面能，材料才能断裂。
设分开单位面积原子平面所作的功为v ，根据功=力×距离，则表面的表面能2γ相等，即v=2γ，则th3）理论强度thsin2xdx th22 x 2cos设材料形成新表面的表面能为γ（这里是断裂表面能，th（2.2）不是自由表面能），使功与两个新式中， a 为晶格常数，随材料而异。
由此可见，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。
（2 ．6） 式虽是粗略的估计，但对所有固体均能应用而不涉及原子间的具体结合力。
通常γ约为 aE ／ 100，这样（2 ． 6）式可写成3．讨论从式（ 2.6 ）可知，要得到高强度的固体，就要求E 和γ大， a 小。
实际材料中只有一些极细的纤维和晶须其强度接近理论强度值。
15．2GPa ，约为 E ／33。
尺寸较大的材料的实际强度比理论值低得多， 约为 E ／100一 E ／1000， 而且实际材料的强度总在一定范围内波动，即使是用同样材料在相同的条件下制成的试件， 强度值也有波动。
一般试件尺寸大，强度偏低。
为了解释玻璃、陶瓷等脆性材料的实际断裂强度和理论强度之间的差异， 1920 年Griffith 提出了微裂纹理论，后来经过不断的发展和补充，逐渐成为脆性断裂的主要理论 基础。
§ 2．3 Griffith 微裂纹理论一． Griffith 微裂纹理论要点Griffith 认为脆性材料发生断裂所需的能量在材料中的分布是不均匀的，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，这些裂纹和缺陷附近产生应力集中现象。
当名义应力还很低时， 局部应力集中已经达到很高的数值， 当应力达到一定程度时， 裂纹开 始扩展，最后导致脆性断裂。
所以断裂过程中表面的分离是逐渐发生的，裂纹扩展的结果， 而不是两部分晶体同时沿整个界面拉断。
从此概念出发， 继而需要进行两种探讨： ①直接考察裂纹端部附近的应力集中； ②考察 裂纹的裂纹的扩展过程： 当和裂纹的伸长有关的储存于材料中的弹性能降低和新表面的形成 有关的表面能增加时，裂纹就扩展。
二．裂纹端部的应力集中—般材料性能的典型数值为：E=300GPa， γ=1／J m 2， a=3×10-10m ，代入 (2． 6)式算出 thEa a100E1E上式是粗略估算，更精确的计算说明（2 ． 6） 式的估计稍偏高。
2.7)th30GPaE10th(2.3)对于接近平衡距离（原子间距） 曲线可以用直线代替，服从虎克定律a 的曲线起始部分，即图 2.1 中的平衡位置 O 的区域，xE a(2.4)(L 因为 L0 )式中， a 为原子间距。
x 很小时2 x 2 xsin（2.5）将（2．3），（2．4）和（2．5）式代入 （2 ．1）式，得2xth(2.6)例如熔融石英纤维的强 度可达 24． 1GPa ，约为 E ／ 4，碳化硅晶须强度 6．47GPa ，约为 E ／23，氧化铝晶须强度为 2x 2th1．Inglis 的研究Inglis 研究了具有孔洞的板的应力集中问题，得到的一个重要结论是：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。
在一个大而薄的平板上，设有一穿透孔洞，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ρ不变，则孔洞端部的应力不会有很大的改变。
2．Griffith 的研究2.9)3．Orowan 的研究可近似认为与原子间距a 的数量级相同。
如图2．2 所示，由裂纹引起的应力集中设薄板的裂纹为一个扁平椭圆形，长度为2c，宽度为a，裂纹端部的曲率半径为ρ （如上图），则可根据弹性理论求得孔洞端部的应力σA 为：A1 2ca 称为应力集中系数）a22c式中，σ为外加应力，即垂直作用于此裂纹的平均应力，（2.8）相当于无应力集中区作用的名义应力。
从上式可见，c/ ρ比值增大，很大，这时可略去式中括号内的σA 亦增大，如果c 》1，得ρ，即为扁平的锐裂纹，则c／ρ将Orowan注意到ρ是很小的，这样可将（2．9）式写成A2a（2.10 ）σA等于（2 ．6）式中的理论结合强度σth时，裂纹就被拉开而迅速扩展。
裂纹扩展，使c 增大，σA 又进一步增加。
如此恶性循环，材料很快断裂。
4．裂纹扩展的临界条件从以上推导可知，裂纹扩展的临界条件是：裂纹端部的应力等于理论强度，即2 c E2.11 )设临界应力为σc，故4c（1.12 ）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是很复杂的。
三．裂纹扩展过程中的能量平衡Grfffith 从能量的角度来研究裂纹扩展的条件。
1．裂纹扩展的能量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。
反前者小于后者，则裂纹不会扩展。
临界应力的推导材料内储存的弹性应变能（１）根据平板模型计算在求理论强度时曾将此概念用于理想的完整晶体。
Griffith 将此概念用于有裂纹的物体，认为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。
我们用图2．3来说明这一概念并导出这一临界条件。
将一单位厚度的薄板拉长到l+ Δ l ，然后将两端固定。
此时板中储存的弹性应变能为W e1=1／2（F ·Δ）l 然后人为地在板上割出一条长度为2c 的裂纹，产生两个新表面，原来储存的弹性应变能就要降低，有裂纹后板内储存的应变能为W e2=1／2（F－Δ F）·ΔlW e＝W e1－W e2=1／2Δ F ·Δl欲使裂纹进一步扩展，应变能将进一步降低。
降低的数量应等于形成新表面所需的表面能。
（２）根据弹性理论计算由弹性理论可以算出，当人为割开长2c 的裂纹时，平面应力状态下（薄板条件，应力仅存在于板面上，而板厚方向的应力可以忽略）应变能的降低（也就是释放出的弹性能）为22cE（2.13 ）式中，c 为裂纹半长；σ为外加应力；Ｅ是弹性模量。