浙大材料力学9-材料力学性能

E：弹性模量 H：显微硬度 P：载荷 C：裂纹长度 ：常数,0.018
影响KIc的因素
如何提高KIc ？ 什么材料需要提高KIc？
铸造铝合金A356.0断裂韧性研究---2008 测定了A356.0铝合金铸件断裂韧性,KIC=18.5 MPa·m1/2 断口观察和能谱分析表明：断口脆性特征明显，宏观铸 造缺陷对其断裂韧性造成很大影响
1、应力强度因子KI 欧文研究结果：存在某一常数KI
KI a
裂纹体材料一定、则裂纹尖端某确定位置的应力唯一地取决于KI KI越大，该点应力值越大。反映了裂纹尖端区域应力场的强度 KI值可查手册。单位：MPa m1/2
中国航空研究院等: 应力强度因子手册，北京，科学出版社，(1981) 不同零部件形状、不同裂纹形状等
脆性、高强度材料研究较多
六、陶瓷增韧
1、机理
表 几种材料的断裂韧性
减少裂纹形成 抑制裂纹的扩展
材料
断裂韧性 MPa m1/2
2、减少裂纹形成的方法
Si3N4
5~6
减少材料中的缺陷（陶瓷致密度）
SiC
4~6
表面压应力
Al2O3
3.5~5
3、抑制裂纹扩展的方法 （1）陶瓷与金属复合的增韧
裂纹尖端钝化
c ：临界应力； ac：临界裂纹长度
2、断裂韧性KIc
KIc= Y c ac
表 几种材料的断裂韧性
材料的KIc越高， c或ac可以大些，断裂难
材料内部存在裂纹时抵抗断裂的能力
材料 碳素钢
与材料的成分、组织结构有关
马氏体时效钢
NdFeB永磁材料
裂纹失稳扩展断裂的判据：
Si3N4
KI≥KIc 或：
六、陶瓷增韧
3、抑制裂纹扩展的方法 （3）微裂纹增韧（热膨胀失配）
改变裂纹扩展方向
（4）晶须增韧
拔出机制:摩擦力，拉断晶须消耗能量
（5）纳米增韧
裂纹扩展路径等。探讨中。 Al2O3-nano-SiC（日本新原）
其他？
仿生 铁电材料 ------物理性能+力学性能
裂纹扩展使铁电畴发生翻转，电畴翻转后会导致不协调的应变 材料断裂韧性会发生明显的变化。
Y a ≥ KIc
SiC Al2O3 ZrO2-Y2O3
即使有裂纹，若KI＜KIc则不断，“破损安全”硬质合金YG8
由材料KIc和受应力，可算允许最大裂纹
Al2O3-TiC-Co
由材料KIc和裂纹尺寸，可算最大承载力
排骨 木材
断裂韧性 MPa m1/2
＞200 93 3.73 5~6 4~6
3.5~5 8~15 9.5 6~9 5.9~8.5 4.8~9.7
冲击韧性ak（缺口冲击试验）
材料韧性、脆性的简单试验方法；材料缺陷判断；Tc测定
获得及
表 几种材料的强度、塑性和冲击韧性指标 含义？
材料 Ag Al Cu Q235 45调质 20CrMnTi渗碳淬回 65Mn淬火回火 GCr15淬火回火 GCr15退火 3Cr13淬火回火 1Cr18Ni9Ti固溶
复习:材料的断裂
断裂：裂纹的形成与扩展 脆性断裂与韧性断裂
断口形貌不同，机理不同。 脆性：裂纹沿晶或穿晶扩展，消耗能量少，快速断裂。 韧性：韧窝。有位错运动。堆积→微孔→裂纹源→扩展。耗能大。 影响韧性断裂的因素
基体 第二相
韧-脆转变
机理是什么？ 影响因素有哪些？（外因？内因？）
（3）结果
PQ及a 代入KI计算式，算出K并进行有效性检验 符合要求的K值为KIc
3、断裂韧性的测定 新方法：显微硬度压痕法
半月状裂纹
巴氏裂纹
维氏压头产生的裂纹种类
韧性低的材料 高载荷时
韧性高的材料 低载荷时
压头作用，产生裂纹
根据裂纹形状和长度，通过材料力学模型计算出KIc 优点：方便，缺点：微区的断裂韧性
3、断裂韧性的测定
（1）试样
紧凑拉伸试样（金属）或三点弯曲试样（陶瓷） 预先测出试样的屈服强度，估计KIc值 先确定试样厚度B，再确定宽W和长L 线切割开缺口，然后疲劳预制裂纹
（2）试验：弯曲试验
获得载荷P与裂纹张开位移V的关系 断裂时的力P，断后测裂纹长 a（预制长） 求PQ：裂纹失稳扩展时的临界载荷（如图）
屈服强度 抗拉强度 (MPa)≥ (MPa)≥
35
125
15~20 40~50
33.3
209
195
320
350
650
784
980
800
1000
1667
2157ห้องสมุดไป่ตู้
353
588
540
735
206
539
伸长率 (%)≥ 50 50~70 60 22 17 10
8 / 10 12 40
断面收缩率 (%)≥ / / / 43 38 50 30 / 45 40 55
五、断裂韧性 KIc
KI a
2、断裂韧性KIc
应力、裂纹长度a单独或共同↑，KI增大，裂纹尖端应力大
KI达某一临界值，裂纹尖端足够大的范围内，应力达断裂强度 → 裂纹失稳扩展，材料断裂
KI临界值记作KIc，称断裂韧性 它是具有 I 型裂纹的材料断裂韧性指标
KIc= Y c ac
Y：裂纹形状系数 1~2；
Griffth理论：适合脆性材料
强度低的金属，塑性好，不易断裂
对高强度金属有要求---更轻、省资源
会发生异常断裂
0.2=1400MPa超高强度钢，导弹发动机壳体
韧性合格，点火后脆断
低于屈服强度的应力作用下发生脆断
杨卫
“断裂力学”
存在裂纹的材料，研究裂纹尖端的应力和应变
第五章 材料的断裂
ZrO2-Y2O3 硬质合金YG8
Al2O3-TiC-Co
8~15 9.5 6~9
金属塑变、开裂吸收能量，裂纹尖端应力松弛
如何将金属加入陶瓷？ 金属为第二相：性质、含量、大小、形状、分布
六、陶瓷增韧
3、抑制裂纹扩展的方法 （2）相变增韧：ZrO2相变
高温正方晶体（T相） 1170℃ 室温单斜晶体（M相） 马氏体相变，体积膨胀3~5% 冷却中，ZrO2室温下保持四方晶相 材料受外力作用，ZrO2发生相变 吸收能量，体积膨胀 Y2O3稳定ZrO2 纳米ZrO2增韧（微米+纳米ZrO2）
aK (J/cm2)≥
/ / / / 45 78 44 / / 29 /
弹性指标 E和e，We
塑性指标 δ、ψ
强度指标 b，s，0.2
韧性指标 ？
韧脆转变指标 ？
断裂的难易程度？ 断裂韧性 KIc
第五章 材料的断裂
五、断裂韧性 KIc 表达材料中存在裂纹时，断裂难易程度的力学性能指标
五、断裂韧性 KIc
1、应力强度因子KI 裂纹扩展三种基本形式 张开型(I)、滑开型(II)、撕开型(III) I 型最危险，易引起脆性断裂，研究主要对象 欧文研究结果 裂纹尖端任一点的应力和位移取决于： 位置(r,)、材料的弹性常数和参量KI
KI a 裂纹长度
外加应力
五、断裂韧性 KIc