无机材料的脆性断裂与

裂纹的快速扩展
按照Griffith理论，材料的断裂强度不是 取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大 小，即由最危险的裂纹尺寸（临界尺寸） 决定材料的断裂强度。对于脆性材料而言， 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。
裂纹扩展力是随C增加而变大的。而裂纹 扩展阻力即形成新表面能是一定的。因 此，裂纹扩展，释放出来的多余能量一 方面使裂纹加速扩展；还能使裂纹增殖， 产生分枝形成更多新表面；另外一方面， 也可能使断裂面形成复杂的形状，如条 纹、波纹、梳刷状等。这种表面极不平 整，表面积比平的表面大得多，因此能 消耗较多能量。
裂纹缓慢生长的结果是裂纹尺寸逐渐加大， 一旦达到临界尺寸就会失稳扩展而破坏。 也就是说，虽然材料在短时间内可以承受 给定的使用应力而不断裂，但如果负荷时 间足够长，仍然会在较低应力下破坏。而 且是无先兆的。
这具有很大的实际意义。提出了构件 的使用寿命问题，就是在一定的使用应力 下，构件能使用多长时间就要破坏。如果 寿命能预先推测，就可以限制使用应力使 之延长，或用到一定时间立即进行检修， 撤换超役构件。
§2.8 陶瓷材料强度的影响因素
1.温度的影响：
ZTA
温度对陶瓷材料的影响其
实是很复杂的，会牵涉到
热膨胀失配，相变，位错
激活，晶界软化，塑性流
动，晶界滑移，氧化，腐
蚀等许多问题。一般温度
提高，塑性形变增大。高
温环境下会产生可观的塑
性形变。强度对温度的依
赖取决于化学组成键能，
晶体结构，相组成，晶粒
等材料常数有关。
§3.3 Griffith 微裂纹理论
应力集中与低应力破坏：
Inglis分析表明，存在椭圆穿透孔时，孔
尖端上应力 tip为：
tip
2c b
a
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。
Griffith从能量的角度来研究裂纹扩展的条 件：物体内存储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。反之，前者小于后者，则裂纹 不会扩展。
下面主要讨论晶粒大小和形状、气 孔的影响以及多相材料中不同相的影响。
（1）晶粒大小及其分布对强度的影响： 一般来说，多晶的断裂能比单晶大许多，最主要
的原因是裂纹在多晶体内扩展是曲折不平的。因此， 实际断裂表面积要比单晶大许多。
晶粒大小对强度的影响比较复杂的，因此无法 在理 论上建立一个明确的关系式，只能是从实验中 总结出一条经验公式：
19世纪20年代，Griiffith理论提出后，一直 被认为只适用于玻璃、陶瓷这类的脆性材 料，对于在金属材料中的应用最初并没有 引起人们的注意。
按断裂力学的观点，提出一个新的表征材 料特征的临界值－ 平面应变断裂韧性，它 也是一个材料常数。从破坏方式为断裂出 发，这一判据可表示为：
KI Y c Kc
防止裂纹扩展的措施
1.使用应力不超过临界应力，使裂纹不会失 稳扩展。
2.在材料中设置吸收能量的机构。 如在陶瓷材料基体中加入塑性的粒子或纤 维制成金属陶瓷和复合材料。 利用相变增韧，在基体上形成大量微裂纹 或客观的挤压内应力，从而提高材料的韧 性。（后面会详细讲述）
裂纹的亚临界生长
亚临界生长：裂纹除上述的快速失稳扩展 外，还会在使用应力下，随着试件的推移 而缓慢扩展。也称为静态疲劳。
Griffith推出的临界应力为
c
2E s c
如果是平面应力状态，则
c
2E s （1－ 2）c
如何制备高强材料？ E， s 要大，而裂纹尺寸要小，
尽量向原子间距靠近
th
C =
C=
Er a ——Orowan
Er
4c
——Inglis
2E c ——Griffith
§3.4 应力场强度因子和平面应变断裂韧性
K小于或等于材料的K1C，所设计的构 件才是安全的。过程中考虑了裂纹尺寸的 影响。
断裂韧性 KI C Y f c
Irwin将裂纹扩展单位面积所降低的弹性应变能定 义为裂纹扩展动力，而形成新的表面所需的表面能 为裂纹扩展阻力。推导得出，对于脆性材料
KI C 2E
(平面应力状态）
KIC
2E 1 2
大小，气孔，环境介质等
多个方面。
2.显微结构的影响： 材料性能决定于组成和结构。对于一
定组成的多晶材料来说，就是决定于材料 的结构，包括晶体结构和显微结构。
晶体结构的影响主要体现在两个方面： (1)结合键的强度：决定了E和sth (2)各向异性：产生内应力，在大多数情 况下对性能不利。
对于具体的材料来说，材料的强度在 很大程度上取决于显微结构。实际上， 所有显微结构因素都会对材料强度产生 影响，如：晶粒大小、形状、取向，气 孔的大小、形状、含量和分布，晶相、 晶界、杂质，缺陷（表面、内部、裂纹） 等等。
无机材料的脆性断裂与强度
Leabharlann Baidu
§3.2 理论强度
无机材料的抗压强度远大于抗张
强度，抗压强度约为抗张强度的10
倍，所以强度的研究大都集中在抗张 强度上。
要推导理论强度：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。
将（1－3）代入，消去，整理后得到
th
E
a
（1－5）
a：晶格常数
th ：与弹性模量E，表面能 ,晶格间距
③对表面结构敏感，故也是结构敏感的；
④是反映了强度和韧性的综合指标；
§3.7 裂纹的起源与扩展
断裂力学认为断裂的本质是裂纹的扩 展，那么我们就来探讨下裂纹的起源以及 它的扩展方式。
实际材料均带有或大或小、或多或少的 裂纹，其形成原因有：
由于晶体微观 结构中存在 缺陷，当受 到外力作用 时，在些缺 陷处就会引 起应力集中， 导致裂纹成 核。
（平面应变状态）
可见K1C与材料本征参数等物理量有直接关系，因 而其也是材料的本征参数，它反映了具有裂纹的材
料对外界作用的一种抵抗能力，是材料阻止宏观裂
纹失稳扩展能力的度量（抵抗裂纹扩展的阻力），
与裂纹的大小、形状以及外力无关。
K1C的物理意义： ①是抵抗裂纹扩展的阻力[是瞬间裂纹扩展的
阻力]
②它由材料常数E、所决定，是材料固有的 特性；
1
f 0 K1d 2
晶粒大小大多是指平均晶粒尺寸。但实际 上，对强度的影响只有最大的晶粒尺寸才是重 要的。因此，即使平均晶粒尺寸一样，如果晶 粒尺寸的分布不同，则强度是有差异的，分布 宽的材料性能要低于分布窄的。