无机材料物理性能无机材料物理性能主讲教师：杨金萍主讲教师：杨金萍 联系电话：联系电话：E mail : E mail : 大学大学学院学院第二章第二章脆性断裂与强度脆性断裂与强度v第一节第一节格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论v第二节第二节G判据与判据与K判据判据v第三节第三节平面应变断裂韧性平面应变断裂韧性的意义的意义v第四节第四节脆性材料补强增韧途径脆性材料补强增韧途径v第五节第五节静态疲劳静态疲劳v第六节第六节强度的统计本质强度的统计本质河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院强度树图的建立：强度树图的建立： 以强度和断裂强度为树干，理论解释为树皮，支配强度的以强度和断裂强度为树干，理论解释为树皮，支配强度的宏观因素和微观因素为树根，将各种强度特性以树枝形式伸宏观因素和微观因素为树根，将各种强度特性以树枝形式伸展到各个应用领域。展到各个应用领域。例如：例如： 高温材料必须在高温下具有一定的断裂强度，必须掌握如高温材料必须在高温下具有一定的断裂强度，必须掌握如何评价它的耐热性、热冲击、化学腐蚀和机械冲击等特性。何评价它的耐热性、热冲击、化学腐蚀和机械冲击等特性。 强度树图强度树图 一、无机材料的理论强度一、无机材料的理论强度一、无机材料的理论强度一、无机材料的理论强度河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院磨损磨损摩擦摩擦硬度硬度机械冲击机械冲击化学腐蚀化学腐蚀耐热性耐热性热疲劳热疲劳热冲击热冲击断裂强断裂强度度材料的材料的强度强度强度理论强度理论光学材料光学材料多孔质材料多孔质材料高温材料高温材料结构材料结构材料 玻璃玻璃 水泥水泥 耐火材料耐火材料复合材料复合材料电子电器材料电子电器材料生物材料生物材料耐摩擦材料耐摩擦材料耐磨损材料耐磨损材料工具材料工具材料河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院气孔、晶粒、杂质、晶气孔、晶粒、杂质、晶界界( (大小、形状、分布大小、形状、分布) )等宏观缺陷等宏观缺陷晶体结构晶体结构, ,单晶多晶单晶多晶和非晶体中的微观和非晶体中的微观缺陷缺陷河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院那些因素影响材料的强度？那些因素影响材料的强度？这些因素与显微结构间的关系？这些因素与显微结构间的关系？材料在怎样的状态下断裂材料在怎样的状态下断裂?断裂过程怎样？断裂过程怎样？韧性是什么？韧性是什么？材料的可靠性？具有怎样的强度？可能用于什么材料的可靠性？具有怎样的强度？可能用于什么地方？地方？与强度有关的问题与强度有关的问题（共性，特性共性，特性）河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院与材料强度有关的断裂力学的特点：与材料强度有关的断裂力学的特点：l着眼于裂纹尖端应力集中区域的力场和应变场分布；着眼于裂纹尖端应力集中区域的力场和应变场分布；l研究裂纹生长、扩展最终导致断裂的动态过程和规律；研究裂纹生长、扩展最终导致断裂的动态过程和规律；l研究抑制裂纹扩展、防止断裂的条件。研究抑制裂纹扩展、防止断裂的条件。l给工程设计、合理选材、质量评价提供判据。给工程设计、合理选材、质量评价提供判据。断裂力学的分类：断裂力学的分类：断裂力学根据裂纹尖端塑性区域的范围，分为两大类：断裂力学根据裂纹尖端塑性区域的范围，分为两大类：（1）线弹性断裂力学）线弹性断裂力学-当裂纹尖端塑性区的尺寸远小于裂纹长度，可根当裂纹尖端塑性区的尺寸远小于裂纹长度，可根据线弹性理论来分析裂纹扩展行为。据线弹性理论来分析裂纹扩展行为。（2）弹塑性断裂力学）弹塑性断裂力学-当裂纹尖端塑性区尺寸不限于小范围屈服，而是当裂纹尖端塑性区尺寸不限于小范围屈服，而是呈现适量的塑性，以弹塑性理论来处理。呈现适量的塑性，以弹塑性理论来处理。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院固体在拉伸应力下，由于伸长而储存了固体在拉伸应力下，由于伸长而储存了弹性应变能弹性应变能，断裂时，断裂时，应变能提供了新生断面所需的表面能。应变能提供了新生断面所需的表面能。即：即： th x/2 = 2 其中：其中： th 为理论强度；为理论强度； x为平衡时原子间距的增量；为平衡时原子间距的增量； ：表面能。：表面能。虎克定律：虎克定律： th =E (x/r0) 理论断裂强度：理论断裂强度： th =2 ( E/ r0 )1/2一、理论断裂强度一、理论断裂强度 (1) (1) 能量守衡理论能量守衡理论河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院奥洛万模型：假设完整的晶体（内部没有结构缺陷），晶体的断裂是指有奥洛万模型：假设完整的晶体（内部没有结构缺陷），晶体的断裂是指有一个贯穿整体晶体的一个晶面的裂纹，导致两侧原子分离。一个贯穿整体晶体的一个晶面的裂纹，导致两侧原子分离。 OrowanOrowan以应力以应力应变正弦函数曲线的形式近似的描述原子间作用力随原子应变正弦函数曲线的形式近似的描述原子间作用力随原子间距的变化。间距的变化。 (2) Orowan近似近似假设假设x=r-rx=r-r0 0 （相当于以（相当于以r r0 0 为原点，为原点，建立坐标轴）建立坐标轴）河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院 计算理论断裂强度的依据：将材料拉断时，产生两个新表面，因此单计算理论断裂强度的依据：将材料拉断时，产生两个新表面，因此单位面积的原子平面分开所做的功（位面积的原子平面分开所做的功（W W）应等于产生两个单位面积的新表面所）应等于产生两个单位面积的新表面所需的表面能需的表面能 。即：。即：因为：因为： 所以所以 ： 则：则： （1）河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院 （1 1） 在接近平衡位置在接近平衡位置O O的区域，服从虎克定律：的区域，服从虎克定律： （2 2） 因为因为 ，原子间距的微小增量，原子间距的微小增量(x(x很小），很小）， 则有：则有： （3 3） 式（式（2 2）= =式（式（3 3） 得：得： （4 4） 将上式（将上式（4 4）代入式（）代入式（1 1）得：）得： 则：则：Logo河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院v与与 thth =2 ( =2 ( E/ r E/ r0 0 ) )1/21/2 相比两者结果是一致的。相比两者结果是一致的。v理论强度取决于键强理论强度取决于键强，键强越大，键强越大，E E越大，表面能越大，表面能越大，越大，原子平衡距离原子平衡距离r r0 0 越小，晶体的理论断裂强度越大。越小，晶体的理论断裂强度越大。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院材料材料sThThKg/mmKg/mm2 2 c c th/ th/ c c材料材料 thth c c th/ th/ c cAlAl2 2O O3 3晶须晶须50005000154015403.33.3AlAl2 2O O3 3宝石宝石5000500064.464.477.677.6铁晶须铁晶须30003000130013002.32.3BeOBeO3570357023.823.8150150奥氏型钢奥氏型钢204820483203206.46.4MgOMgO2450245030.130.181.481.4硼硼3480348024024014.514.5SiSi3 3N N4 4热压热压3850385010010038.538.5硬木硬木10.510.5SiCSiC49004900959551.651.6玻璃玻璃69369310.510.566.066.0SiSi3 3N N4 4烧结烧结3850385029.529.5130130NaClNaCl400400101040.040.0AlNAlN28002800606010010046.746.728.028.0AlAl2 2O O3 3刚玉刚玉5000500044.144.1113113断裂强度理论值和测定值断裂强度理论值和测定值河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院v一般固体材料的一般固体材料的 v理论强度相当于弹性模量得理论强度相当于弹性模量得1/101/10，实际上强度在，实际上强度在 之间，之间， 一般材料的典型数值一般材料的典型数值 则则 而实际上得强度在而实际上得强度在300-3000Mpa300-3000Mpa。v理论值与实际值为什么有如此大的差距呢？理论值与实际值为什么有如此大的差距呢？河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院二、实际抗张强度远低于理论抗张强度的原因二、实际抗张强度远低于理论抗张强度的原因 材料中的裂纹型缺陷：材料中的伤痕、裂纹、气孔、杂质等宏观缺陷。材料中的裂纹型缺陷：材料中的伤痕、裂纹、气孔、杂质等宏观缺陷。 图图1 1是平板弹性体的受力情况。图是平板弹性体的受力情况。图2 2是应力尖端的应力集中。是应力尖端的应力集中。 图图1 1 平板弹性体的受力情况平板弹性体的受力情况河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院图图2 2 裂纹尖端处的应力集中裂纹尖端处的应力集中河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院脆性断裂的本质：脆性断裂的本质：低应力（低于断键应力即在平均应力低低应力（低于断键应力即在平均应力低于理论强度应力）下的裂纹扩展。于理论强度应力）下的裂纹扩展。第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院三、格里菲斯理论（从能量平衡的观点）三、格里菲斯理论（从能量平衡的观点）v为了解释理论强度与实际强度的差异，格里菲斯从能量平衡观点分析了为了解释理论强度与实际强度的差异，格里菲斯从能量平衡观点分析了裂纹扩展问题。裂纹扩展问题。v假设单位厚度的平板，受拉伸作用，发生弹性形变，就会有弹性应变能假设单位厚度的平板，受拉伸作用，发生弹性形变，就会有弹性应变能储存在材料中，形成储存在材料中，形成2c2c长度的微裂纹，弹性应变能释放，当产生裂纹后长度的微裂纹，弹性应变能释放，当产生裂纹后使储存在材料中的弹性应变能下降。使储存在材料中的弹性应变能下降。v假设发生的是平面应变：即所有应力和应变都发生在某一平面上（平面假设发生的是平面应变：即所有应力和应变都发生在某一平面上（平面应变状态）应变状态） 。 2c2c河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院vS S形成形成2c2c裂纹时储存在材料中的弹性应变能的减小量或释放的应变能。裂纹时储存在材料中的弹性应变能的减小量或释放的应变能。 （平面应变状态）（平面应变状态）v则：则： 代表裂纹向两端进一步各自扩展单位面积所释放的弹性应变能。代表裂纹向两端进一步各自扩展单位面积所释放的弹性应变能。vT T形成形成2c2c微裂纹时形成两个新表面的总共所需要的表面能。微裂纹时形成两个新表面的总共所需要的表面能。 单位面积所需的表面能。单位面积所需的表面能。v则：则： 代表裂纹向两端各自扩展单位面积形成新表面所需的表面能。代表裂纹向两端各自扩展单位面积形成新表面所需的表面能。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院 （临界状态）（临界状态）（考虑了平面应变状态）（考虑了平面应变状态） 河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院v材料中最长裂纹达到断裂的应力，使材料中裂纹，通常是材料中最长材料中最长裂纹达到断裂的应力，使材料中裂纹，通常是材料中最长裂纹达到临界尺寸时的应力，叫临界应力，即格里菲斯断裂强度。裂纹达到临界尺寸时的应力，叫临界应力，即格里菲斯断裂强度。v假设裂纹长假设裂纹长1um 1um ，而一般固体材料的表面能，而一般固体材料的表面能 ， v晶体中，一般晶体中，一般 则则， 河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院v -在固体断裂时，形成单位面积新表面所需的全部能在固体断裂时，形成单位面积新表面所需的全部能量。量。v实际材料的断裂强度公式为：实际材料的断裂强度公式为：Logo河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院v例题例题1 1：在在300K300K下，硅酸盐玻璃的下，硅酸盐玻璃的 在在3500350047004700尔格尔格/ /厘米厘米2 2，而，而 只有只有17001700尔格尔格/ /厘米厘米2 2。v例题例题2 2：对于延性材料（金属材料）可不可能发生脆性断裂？对于延性材料（金属材料）可不可能发生脆性断裂？ 答：一样也有可能发生裂纹扩展导致断裂。同样也可以用答：一样也有可能发生裂纹扩展导致断裂。同样也可以用 上面的公式计上面的公式计算，但对于延性金属材料，塑性变形能非常大，因此算，但对于延性金属材料，塑性变形能非常大，因此 就很大，因此把它就很大，因此把它单列出来。单列出来。v 由于由于 很大，所以容许的裂纹尺寸很大，所以容许的裂纹尺寸C C也很长。也很长。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院v例题例题3 3：为什么玻璃的断裂是四分五裂，且断口是贝壳状的？：为什么玻璃的断裂是四分五裂，且断口是贝壳状的？v例题例题4 4：工厂新生产的玻璃：强度大约：工厂新生产的玻璃：强度大约45.5MPa45.5MPa，经砂子冲刷，经砂子冲刷后的强度为后的强度为14.04MPa14.04MPa，经酸腐蚀后的强度为，经酸腐蚀后的强度为1750 MPa1750 MPa。v例题例题5 5：为什么陶瓷晶须、玻璃纤维的强度很高呢？：为什么陶瓷晶须、玻璃纤维的强度很高呢？Logo河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院例题例题5 5：为什么陶瓷晶须、玻璃纤维的强度很高呢？：为什么陶瓷晶须、玻璃纤维的强度很高呢？u 陶瓷和玻璃都是硅酸盐材料，是由离子键或共价键构成，陶瓷和玻璃都是硅酸盐材料，是由离子键或共价键构成，键强高，具有潜在高的理论强度。键强高，具有潜在高的理论强度。u 晶须，纤维都是近似内部无缺陷的理想结构；晶须，纤维都是近似内部无缺陷的理想结构；u 晶须、纤维非常细小，表面微裂纹也极其微小，所以强晶须、纤维非常细小，表面微裂纹也极其微小，所以强度高度高 河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院四、多晶材料的强度四、多晶材料的强度 同种材质的多晶与单晶的断裂强度高低比较如图同种材质的多晶与单晶的断裂强度高低比较如图3 3所示。所示。v晶界的作用：晶界的作用： 1. 1. 晶界结合强度比晶粒内部低晶界结合强度比晶粒内部低裂纹转向裂纹转向 图图3 3晶界对裂纹扩展的影响晶界对裂纹扩展的影响Logo河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院2. 2. 晶界结合强度比晶粒内部高晶界结合强度比晶粒内部高穿晶断裂穿晶断裂如果晶界的结合强度比晶粒内如果晶界的结合强度比晶粒内部高，在裂纹扩展过程中遇到晶界，部高，在裂纹扩展过程中遇到晶界，晶界未被打开，裂纹将直接跨越晶晶界未被打开，裂纹将直接跨越晶界，产生穿晶断裂，消耗了原贮存界，产生穿晶断裂，消耗了原贮存的弹性应变能，裂纹不易扩展，有的弹性应变能，裂纹不易扩展，有利于提高强度。晶界阻碍了裂纹的利于提高强度。晶界阻碍了裂纹的扩展，有利于提高材料强度。扩展，有利于提高材料强度。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院五、裂纹的起源五、裂纹的起源v1材料表面的机械损伤或化学腐蚀形成表面微裂纹。材料表面的机械损伤或化学腐蚀形成表面微裂纹。机机械械损损伤伤或或化化学学腐腐蚀蚀往往往往在在表表面面形形成成尖尖裂裂纹纹，尖尖端端应应力力集中程度高，这类裂纹最危险。集中程度高，这类裂纹最危险。Logo第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院v2. 2. 位错之间的相互作用形成的微裂纹位错之间的相互作用形成的微裂纹 由由于于晶晶体体微微观观结结构构中中存存在在缺缺陷陷，当当受受到到外外力力作作用用时时，在在这这些些缺缺陷陷处处就就会会引起应力集中，导致裂纹成核，见下图。引起应力集中，导致裂纹成核，见下图。 晶晶界界对对位位错错滑滑移移起起到到了了阻阻碍碍作作用用，位位错错堆堆积积，形形成成微微裂裂纹纹，也也叫叫微微裂裂纹纹成核。位错运动中的塞积，组合，交截，都导致裂纹成核。成核。位错运动中的塞积，组合，交截，都导致裂纹成核。位错组合(微裂纹）第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院 位错塞积模型位错塞积模型第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院 滑移带的前端有障碍物，领先位错到达时，受阻而停止不滑移带的前端有障碍物，领先位错到达时，受阻而停止不前；前； 相继释放出来的位错最终导致位错源的封闭；相继释放出来的位错最终导致位错源的封闭； 在障碍物前形成一个位错塞积群，导致裂纹成核。在障碍物前形成一个位错塞积群，导致裂纹成核。第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院（110）（100）（110）第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院v3. 3. 晶界应力产生微裂纹晶界应力产生微裂纹v4.4.材料极冷可能产生微裂纹。材料极冷可能产生微裂纹。例例1 1：由坯釉热膨胀系数不同引起。：由坯釉热膨胀系数不同引起。陶瓷陶瓷: : 1 1-釉的热膨胀系数：；釉的热膨胀系数：； 2 2-坯体的热膨胀系数。坯体的热膨胀系数。坯受较强的拉力坯受较强的拉力作用釉被拉离坯面作用釉被拉离坯面 1 2 1 2釉受较大拉力的作用发釉受较大拉力的作用发生龟裂或坯向内侧弯曲生龟裂或坯向内侧弯曲 第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院陶瓷的无釉坯料与上釉坯料的抗弯强度陶瓷的无釉坯料与上釉坯料的抗弯强度陶瓷的种类无釉坯料(kg/cm2)上釉坯料(kg/cm2)粘土质绝缘子735910滑石瓷绝缘子13301715粘土质化学瓷840925锆英石质化学瓷17402100瓷砖672861硬质瓷364490第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院上釉上釉NaOBaOAl2O3SiO2系微晶玻璃的抗弯强度系微晶玻璃的抗弯强度热膨胀系数(03000oC) 10-7/oC热膨胀系数差上釉温度 (oC)抗弯强度(kg/cm2)坯料釉114.16549.110303520114.18133.11030140096.86531.81030260096.88115.81050140096.84056.81100274091.26526.21030316091.28110.21050126088.66523.610302810107.56542.510303020第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院固定支座对膨胀的约束固定支座对膨胀的约束自由膨胀自由膨胀 T0 L0 T L0+L（a)(b)有下列关系：有下列关系： =E(- L/L)=E (TTo)TTo, 即即在在冷冷却却过过程程，得得0，则则材材料料中中的的内内应应力力为为张张应应力，这种应力易使杆件断裂。力，这种应力易使杆件断裂。例例2 :2 :由材料热膨胀或收缩受到限制形成的热应力引起由材料热膨胀或收缩受到限制形成的热应力引起河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院 例例3 3 ： 材料中存在温度梯度形成的热应力引起材料中存在温度梯度形成的热应力引起在在373K373K的沸水中的沸水中在在273K273K的的冰冰水水浴浴中中, ,表表面面层层趋趋于于 T=100T=100 收收缩缩, ,内内层层的的收收缩缩为零。为零。结结果果：表表面面层层的的收收缩缩受受到到限限制制，在在表表面面层层产产生生张张应应力力，内内层层受受到到压压应应力力。随随着着时时间间的的延延长长，内内层层温温度度不不断断下下降，材料中的热应力逐渐减小。降，材料中的热应力逐渐减小。表面表面 273K273K玻璃玻璃内部内部 373K373K河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院v5.5.多晶转变多晶转变 材材料料随随温温度度变变化化发发生生多多晶晶转转变变时时，因因为为体体积积效效应应大大，产产生微裂纹。（前提材料是带裂纹体）生微裂纹。（前提材料是带裂纹体） 例例如如：石石英英在在粉粉碎碎前前预预烧烧，利利用用石石英英在在冷冷却却时时在在573573的的晶晶型型转转变变所所发发生生的的体体积积效效应应。将将石石英英在在粉粉碎碎前前预预烧烧，然然后后急冷使之产生热应力，产生较多的裂纹，提高粉碎效率。急冷使之产生热应力，产生较多的裂纹，提高粉碎效率。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院 本节讨论题本节讨论题 v1.1.怎样计算单晶体理论断裂强度？怎样计算单晶体理论断裂强度？v2.2.为什么说单晶体的理论断裂强度实际上取决于键的强度？为什么说单晶体的理论断裂强度实际上取决于键的强度？v3.3.实际断裂强度为什么比理论断裂强度低得多？实际断裂强度为什么比理论断裂强度低得多？v4.4.脆脆性性断断裂裂有有哪哪些些表表现现形形式式？为为什什么么延延性性材材料料也也会会发发生生脆脆性性断断裂裂？什什么么情况下延性材料发生脆性断裂？情况下延性材料发生脆性断裂？v5.5.什么是平面应变状态？什么是平面应变状态？v6.6.在在平平面面应应变变状状态态下下裂裂纹纹扩扩展展的的条条件件是是什什么么？为为什什么么对对于于脆脆性性材材料料裂裂纹纹一旦开始扩展，裂纹扩展极为迅速并将导致断裂？一旦开始扩展，裂纹扩展极为迅速并将导致断裂？v7.7.什什么么是是格格里里菲菲斯斯微微裂裂纹纹理理论论中中的的临临界界裂裂纹纹长长度度？为为什什么么说说临临界界裂裂纹纹长长度是最危险的尺寸？度是最危险的尺寸？Logo河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院v8.8.如如何何计计算算材材料料的的实实际际断断裂裂强强度度？说说明明计计算算式式中中各各符符号号所所代代表表的的名名称称及物理意义。及物理意义。v9.9.断裂表面能与热力学自由表面能有什么区别？断裂表面能与热力学自由表面能有什么区别？v10.10.为为什什么么脆脆性性材材料料存存在在微微小小的的裂裂纹纹就就可可能能导导致致断断裂裂而而金金属属材材料料则则在在宏宏观尺寸裂纹存在时才会断裂？观尺寸裂纹存在时才会断裂？v11.11.比较粗晶材料与细晶材料的抗张强度，说明原因。比较粗晶材料与细晶材料的抗张强度，说明原因。v12.12.为什么通常认为表面裂纹是非常危险的？为什么通常认为表面裂纹是非常危险的？v13.13.为什么多晶材料内部通常存在大量微裂纹？为什么多晶材料内部通常存在大量微裂纹？Logo河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院v14.14.已知：已知：S S形成形成2c2c裂纹时储存在材料中的弹性应变能的减小量；裂纹时储存在材料中的弹性应变能的减小量； T- T-为形成为形成2C2C长微裂纹产生两个新表面所需的表面能；长微裂纹产生两个新表面所需的表面能； W W为形成为形成2C2C长微裂纹需要外界供给的能量。长微裂纹需要外界供给的能量。 问问: (1) S ,T, W : (1) S ,T, W 三者的关系，为什么？三者的关系，为什么？ （2 2）为什么）为什么C C* *是裂纹开始自动扩展的临界尺寸？是裂纹开始自动扩展的临界尺寸？ （3 3）如何理解）如何理解C CC C* *，裂纹已经自动扩展，但在，裂纹已经自动扩展，但在C CCrCr，即在，即在 C C* *-Cr-Cr范围内仍旧有范围内仍旧有W W0 0。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院能量能量TC*CrC裂纹半长裂纹半长SW河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第一节第一节 格里菲斯微裂纹理论格里菲斯微裂纹理论大学大学学院学院第二节第二节 G G判据与判据与K K判据判据格里菲斯从能量平衡的观点，依据关系式：格里菲斯从能量平衡的观点，依据关系式：根据这个临界条件推导出了实际断裂强度公式：根据这个临界条件推导出了实际断裂强度公式：修正的实际材料的断裂公式为：修正的实际材料的断裂公式为：则：则： 河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院第二节第二节 G G判据与判据与K K判据判据格里菲斯条件式中：格里菲斯条件式中：代代表表裂裂纹纹向向两两端端进进一一步步各各自自扩扩展展单单位位面面积积所所释释放放的的弹弹性应变能。性应变能。欧欧文文提提出出：G弹弹性性应应变变能能释释放放率率（或或裂裂纹纹扩扩展展力力），是是裂裂纹纹每每扩扩展展单单位位面面积积弹弹性性应应变变能能的的释释放放率率，反反映映了了裂裂纹纹扩扩展展的推动力。的推动力。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院第二节第二节 G G判据与判据与K K判据判据欧文还引入了一个应力场强度因子欧文还引入了一个应力场强度因子K，定义，定义裂裂纹纹附附近近应应力力集集中中，表表现现为为存存在在一一个个能能量量较较平平均均值值大大的的应应力力场场，用用K表表示示，K称称为为应应力力场场强强度度因因子子，本本质质上上K是比例因子。是比例因子。与与之间的关系：之间的关系：Logo河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院第二节第二节 G G判据与判据与K K判据判据 Irwin Irwin应用弹性力学的应力场理论，对裂纹尖部附近的应力应用弹性力学的应力场理论，对裂纹尖部附近的应力场进行了分析，裂纹尖端部位某一点的应力与这一点的位置场进行了分析，裂纹尖端部位某一点的应力与这一点的位置（r, r, ) )和外力有关。和外力有关。xAzy 河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院定义：定义：Y Y为为几几何何形形状状因因子子，它它和和裂裂纹纹的的型型式式、试试件件的的几几何何形状有关。形状有关。大学大学学院学院第二节第二节 G G判据与判据与K K判据判据 由由 则：则： 此时此时 G=GG=Gc c，达到临界状态。，达到临界状态。 G Gc-c-临界弹性应变能释放率。临界弹性应变能释放率。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院Logo 临临界界应应力力强强度度因因子子K K1C 1C ：当当K K1 1随随着着外外应应力力增增大大到到某某一一临临界界值值，裂裂纹纹尖尖端端处处的的局局部部应应力力不不断断增增大大到到足足以以使使原原子子键键分分离离的的应应力力 f f，此时，裂纹快速扩展并导致试样断裂。，此时，裂纹快速扩展并导致试样断裂。 K1c = f （ c ) 断断裂裂韧韧性性参参数数K K1c1c：是是材材料料固固有有的的性性能能，也也是是材材料料的的组组成成和和显显微微结结构构的的函函数数, ,是是材材料料抵抵抗抗裂裂纹纹扩扩展展的的阻阻力力因因素素。与与裂裂纹纹的的大大小小、形形状状以以及及外外力力无无关关。随随着着材材料料的的弹弹性性模模量量和和断断裂裂能能的的增增加而提高，加而提高，河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第二节第二节 G G判据与判据与K K判据判据大学大学学院学院第二节第二节 G G判据与判据与K K判据判据， ， * *实际断裂强度实际断裂强度通过增韧可以补强。通过增韧可以补强。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院第二节第二节 G G判据与判据与K K判据判据得出了裂纹扩展的临界条件：得出了裂纹扩展的临界条件：（1 1） （2 2）G = GcG = Gc（3 3）K K =K =Kc c （以声速扩展）（以声速扩展） 这这三三个个判判据据是是完完全全等等价价，左左边边来来自自弹弹性性应应变变能能的的释释放放率率，反反映映了了裂裂纹纹扩扩展展的的推推动动力力；右右边边取取决决于于断断裂裂表表面面能能，反反映映了列为能扩展的阻力。了列为能扩展的阻力。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院 本节讨论题本节讨论题 1. 1. K K1 1、K K1C1C、G G、G GC C的的物物理理意意义义是是什什么么？为为什什么么说说K K判据和判据和G G判据是等价的？判据是等价的？2. K2. K1 1的大小取决于什么？的大小取决于什么？3. K3. K1C1C的大小取决于什么？的大小取决于什么？Logo河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第二节第二节G判据与判据与K判据判据大学大学学院学院第三节第三节平面应变断裂韧性的意义平面应变断裂韧性的意义按照经典强度理论，在设计构件时，断裂准则是：按照经典强度理论，在设计构件时，断裂准则是：即使用应力应小于或等于容许应力。即使用应力应小于或等于容许应力。容容许许应应力力 或或 ， 为为断断裂裂强强度度， 为为屈服强度，屈服强度，n n为安全系数。为安全系数。Logo河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院经典强度理论与断裂力学强度理论的比较经典强度理论与断裂力学强度理论的比较 经典强度理论经典强度理论 断裂强度理论断裂强度理论断裂准则：断裂准则： f/n K1 = （ c ) K1c 有一构件，实际使用应力为有一构件，实际使用应力为1.30GPa,1.30GPa,有下列两种钢供选：有下列两种钢供选： 甲钢：甲钢： ysys =1.95GPa, =1.95GPa, K K1c 1c =45Mpam =45Mpam 1212 乙钢：乙钢： ysys =1.56GPa, =1.56GPa, K K1c 1c =75Mpam =75Mpam 1212 传统设计：甲钢的安全系数传统设计：甲钢的安全系数: n=1.95/1.3=: n=1.95/1.3=1.51.5， 乙钢的安全系数乙钢的安全系数 : n=1.56/1.3=1.2: n=1.56/1.3=1.2断裂力学观点：断裂力学观点： 最大裂纹尺寸为最大裂纹尺寸为1mm, Y=1.51mm, Y=1.5 甲钢的断裂应力为甲钢的断裂应力为: 1.0GPa: 1.0GPa 乙钢的断裂应力为乙钢的断裂应力为: 1.67GPa: 1.67GPa第三节第三节 平面应变断裂韧性的意义平面应变断裂韧性的意义河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院第三节第三节平面应变断裂韧性的意义平面应变断裂韧性的意义这种设计方法和选材的准则没有抓住断裂的本质，不能这种设计方法和选材的准则没有抓住断裂的本质，不能防止低应力下的脆性断裂。为此，按照断裂力学的观点，防止低应力下的脆性断裂。为此，按照断裂力学的观点，引入一个新的表征材料特征的临界值叫引入一个新的表征材料特征的临界值叫平面应变断裂韧性平面应变断裂韧性Kc。它是一个材料常数，从破裂方式为断裂出发，这一判据它是一个材料常数，从破裂方式为断裂出发，这一判据可表示为：可表示为：即：应力场强度因子小于等于材料的平面应变断裂韧性，所即：应力场强度因子小于等于材料的平面应变断裂韧性，所有设计的构件才是安全的。有设计的构件才是安全的。Logo河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院第三节第三节平面应变断裂韧性的意义平面应变断裂韧性的意义本节讨论题本节讨论题按按经经典典强强度度理理论论选选材材与与按按断断裂裂力力学学观观点点选选材材有有何何不不同同？各各自自的的依依据据是是什什么么？哪哪种种方方法法更更合合理理？为什么？为什么？河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院从断裂力学观点出发，克服脆性和提高强度的关键是：从断裂力学观点出发，克服脆性和提高强度的关键是： 提高材料的断裂能，便于提高抵抗裂纹扩展的能力；提高材料的断裂能，便于提高抵抗裂纹扩展的能力； 减减小小材材料料内内部部所所含含裂裂纹纹缺缺陷陷的的尺尺寸寸，以以减减缓缓裂裂纹纹尖尖端端的的应应力力集中效应。集中效应。 强强度度韧韧性性裂裂纹纹尺尺寸寸的的关系关系ao裂纹长度的倒数裂纹长度的倒数强度强度断裂韧性断裂韧性K K1c1c 工工程程陶陶瓷瓷的的发发展展应应是是沿沿着着既既提提高高断断裂裂韧韧性性,又又降降低低裂裂纹纹缺缺陷陷尺寸的途径尺寸的途径,大幅度地提高材料的强度。大幅度地提高材料的强度。第四节第四节 脆性材料补强增韧途径脆性材料补强增韧途径河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院一、尽可能消除材料内部的缺陷。一、尽可能消除材料内部的缺陷。高强度材料要求显微结构：高强度材料要求显微结构：细、密、密、匀匀、纯（1 1） 细：指细晶结构。细：指细晶结构。（2 2） 密密：指指致致密密度度高高，意意味味材材料料气气孔孔少少，降降低低了了应应力力集集中。中。（3 3） 匀：指材料内部均匀。匀：指材料内部均匀。（4 4） 纯：指杂质少，可以赋予材料特定的性质。纯：指杂质少，可以赋予材料特定的性质。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第四节第四节 脆性材料补强增韧途径脆性材料补强增韧途径大学大学学院学院二、消除表面缺陷如抛光，化学处理等二、消除表面缺陷如抛光，化学处理等三三、在材料表面引入残余压应力层。、在材料表面引入残余压应力层。v1.淬火淬火淬火（钢化玻璃）通过控制冷却作业可在玻璃的表面区域人淬火（钢化玻璃）通过控制冷却作业可在玻璃的表面区域人为地引入残余压应力的过程，称为淬火。为地引入残余压应力的过程，称为淬火。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第四节第四节 脆性材料补强增韧途径脆性材料补强增韧途径大学大学学院学院首首先先要要明明确确玻玻璃璃的的几几个个特特征征温温度点：度点：（1 1）粘粘度度101014.614.6dPa.sdPa.s的的温度就称为应变点；温度就称为应变点；（ 2 2） 粘粘 度度 减减 小小 到到 10101313dPa.sdPa.s的温度点为淬火点；的温度点为淬火点；（ 3 3） 粘粘 度度 减减 小小 到到 10109 9dPa.sdPa.s的的温温度度点点称称为为软软化化温温度（也称为软化点）。度（也称为软化点）。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第四节第四节 脆性材料补强增韧途径脆性材料补强增韧途径大学大学学院学院退火：退火：把玻璃在某一温度下长时间保温以消除内应力的过程。把玻璃在某一温度下长时间保温以消除内应力的过程。退退火火温温度度区区间间是是在在淬淬火火点点是是退退火火上上限限温温度度，应应变变点点为为下下限限温温度。度。淬淬火火过过程程：当当玻玻璃璃加加热热到到淬淬火火点点以以上上，软软化化点点以以下下的的某某个个温温度，迅速冷却，经过淬火的玻璃称为钢化玻璃。度，迅速冷却，经过淬火的玻璃称为钢化玻璃。为什么钢化玻璃都是厚玻璃，而不是薄玻璃？为什么钢化玻璃都是厚玻璃，而不是薄玻璃？钢化玻璃的碎裂与普通玻璃有没有区别啊？钢化玻璃的碎裂与普通玻璃有没有区别啊？河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第四节第四节 脆性材料补强增韧途径脆性材料补强增韧途径大学大学学院学院v2.2.离子交换法（或化学强化）离子交换法（或化学强化） 把玻璃放在一个离子交换槽内，里面放熔盐中，使玻璃把玻璃放在一个离子交换槽内，里面放熔盐中，使玻璃表面与熔盐中的离子进行交换，而使玻璃表面引入压应力。表面与熔盐中的离子进行交换，而使玻璃表面引入压应力。方法有两种：方法有两种：（1 1）通通过过交交换换后后，使使表表层层与与内内部部有有不不同同的的热热膨膨胀胀系系数数，从从 而使表面产生压应力层。而使表面产生压应力层。（2 2）用熔盐中大离子去交换表面层中小离子；）用熔盐中大离子去交换表面层中小离子；河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第四节第四节 脆性材料补强增韧途径脆性材料补强增韧途径 表表内内大学大学学院学院v3. 3. 表面涂层（陶瓷表面施釉）表面涂层（陶瓷表面施釉） 陶瓷坯体表面涂上一层釉，使陶瓷坯体表面涂上一层釉，使釉釉坯，要坯，要 略小于。略小于。 但但冷冷却却时时，表表面面收收缩缩比比内内部部小小，使使表表面面受受压压状状态态，表表面面受受压压应应力力，使使得得表表面面微微裂裂纹纹不不易易形形成成，形形成成也也不不易易扩扩展展，提高强度。提高强度。 1 2河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第四节第四节 脆性材料补强增韧途径脆性材料补强增韧途径大学大学学院学院四、制造微裂纹增韧四、制造微裂纹增韧 对对于于多多晶晶材材料料，利利用用它它的的热热膨膨胀胀各各向向异异性性，E E各各向向异异性性，在在制制备备的的过过程中有意识的引入一些微裂纹。程中有意识的引入一些微裂纹。 微微裂裂纹纹一一旦旦产产生生的的话话就就消消耗耗了了材材料料内内部部原原来来储储存存的的弹弹性性应应变变能能，将将主裂纹扩展可利用的能量减小，就可以减小裂纹扩展的推动力。主裂纹扩展可利用的能量减小，就可以减小裂纹扩展的推动力。 因因此此制制造造裂裂纹纹增增韧韧，就就相相当当于于在在材材料料内内部部设设置置了了一一个个能能量量吸吸收收机机构构，把把主主裂裂纹纹扩扩展展可可利利用用的的能能量量吸吸收收掉掉，主主裂裂纹纹扩扩展展的的推推动动力力减减小小了了，主主裂纹就不容易扩展。裂纹就不容易扩展。注意：制造的微裂纹的尺寸要远小于主裂纹的尺寸。注意：制造的微裂纹的尺寸要远小于主裂纹的尺寸。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第四节第四节 脆性材料补强增韧途径脆性材料补强增韧途径大学大学学院学院五、相变韧化五、相变韧化所谓相变韧化就是利用所谓相变韧化就是利用ZrOZrO2 2的相变来进行增韧补强的相变来进行增韧补强1. ZrO1. ZrO2 2晶型转变及稳定化处理晶型转变及稳定化处理 ZrOZrO2 2有有三三种种晶晶型型，高高温温是是立立方方型型用用c c表表示示，中中温温是是四四方方型型用用t t表表示，低温是单斜型示，低温是单斜型 m m。 当当ZrOZrO2 2冷冷却却时时，四四方方向向单单斜斜转转变变时时有有高高达达7-97-9的的体体积积效效应应，体体积积要要膨膨胀胀，这这么么大大的的体体积积效效应应往往往往使使ZrOZrO2 2冷冷却却时时，在在出出现现这这个个晶晶型型转转变变时时，不不可可避避免免出出现现微微裂裂纹纹，所所以以纯纯的的ZrOZrO2 2很很难难得得到到很很致致密的。密的。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第四节第四节 脆性材料补强增韧途径脆性材料补强增韧途径大学大学学院学院根据稳定剂加入的多少，可以分为两类根据稳定剂加入的多少，可以分为两类: : 一一类类是是完完全全稳稳定定ZrOZrO2 2，用用FSZFSZ表表示示。在在冷冷却却的的时时候候，ZrOZrO2 2整整个个都都处于立方型。处于立方型。 一一类类是是部部分分稳稳定定ZrOZrO2 2，用用PSZPSZ表表示示。所所谓谓部部分分稳稳定定ZrOZrO2 2，是是稳稳定定剂剂的的量量不不足足以以将将ZrOZrO2 2全全部部稳稳定定在在高高温温立立方方型型，这这时时候候材材料料中中的的ZrOZrO2 2一一部部分分是是稳稳定定住住的的立立方方ZrOZrO2 2，另另一一部部分分未未稳稳定定的的ZrOZrO2 2，未未稳稳定定的的ZrOZrO2 2冷冷却却的的时时候候就就要要转转变变为为四四方方相相，再再冷冷却却就就转转变变为为单单斜斜m m相。相。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第四节第四节 脆性材料补强增韧途径脆性材料补强增韧途径大学大学学院学院四方型四方型ZrOZrO2 2向单斜型向单斜型ZrOZrO2 2的转变马氏体相变机理：的转变马氏体相变机理：热力学条件：热力学条件： 式中：式中：V-V-相变体积；相变体积；G-G-单位体积自由焓；单位体积自由焓；S S：表面积；：表面积； -单位界面能；单位界面能；-单位体积相变应变能。单位体积相变应变能。 V VG G体积自由焓，是相变的推动力。后面为阻力。体积自由焓，是相变的推动力。后面为阻力。 河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第四节第四节 脆性材料补强增韧途径脆性材料补强增韧途径大学大学学院学院马氏体相变的特点：马氏体相变的特点： 相变前后无成分变化；相变前后无成分变化； 原子的配位不变；原子的配位不变； 原子的位移不超过一个原子间距；原子的位移不超过一个原子间距； 无无热热、无无扩扩散散、相相变变激激活活能能小小，转转变变速速度度快快，以以近近似似于于声声波波传传播播的的速速度进行，比裂纹扩展速度大度进行，比裂纹扩展速度大2 23 3倍，为吸收断裂能和增韧提供必要条件。倍，为吸收断裂能和增韧提供必要条件。 相变伴随有体积变化相变伴随有体积变化-高温相向低温相转化引起体积膨胀。高温相向低温相转化引起体积膨胀。 相相变变具具有有可可逆逆性性，并并受受外外界界因因素素（温温度度、应应力力等等）的的 影影响响，相相变变发发生于一个温度区间内，或降低相变温度而不是一个特定的温度点。生于一个温度区间内，或降低相变温度而不是一个特定的温度点。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第四节第四节 脆性材料补强增韧途径脆性材料补强增韧途径大学大学学院学院动力学条件：动力学条件： 马氏体相变通过结构剪切完成的，说明质点未交换位置，马氏体相变通过结构剪切完成的，说明质点未交换位置，不通过扩散的，所以马氏体相变具有无扩散性。不通过扩散的，所以马氏体相变具有无扩散性。 无扩散性指的是不需要热激活的，即非热激活的。意味着无扩散性指的是不需要热激活的，即非热激活的。意味着只要热力学许可，动力学上就可以相变。只要热力学许可，动力学上就可以相变。 说明四方相向单斜相的转变，只要热力学许可，多低的温说明四方相向单斜相的转变，只要热力学许可，多低的温度下都可以相变，动力学就可以相变，即使常温可以相变。度下都可以相变，动力学就可以相变，即使常温可以相变。这就是这就是ZrOZrO2 2的马氏体相变。的马氏体相变。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第四节第四节 脆性材料补强增韧途径脆性材料补强增韧途径大学大学学院学院2.2.增韧机理增韧机理（1 1）表面强化增韧）表面强化增韧 整整个个材材料料就就是是立立方方ZrOZrO2 2包包围围着着介介稳稳的的四四方方ZrOZrO2 2；表表面面的的ZrOZrO2 2受受到到母母体体一一侧侧的的压压应应力力，另另面面一一侧侧没没有有压压力力，就就可可以以发发生生相相变变。相相变变后后，表表面面的的四四方方相相向向m- m- ZrOZrO2 2转转变变，体体积积要要膨膨胀胀，受受内内部部制制约约，使使表表面面处处于于挤挤压压状状态态，表表面面受受到到压压应应力力，表表面面微微裂裂纹纹就就不不容容易易形形成成，即即使使形形成成也也不不容容易易扩扩展展，得得以以强强化化，韧性提高。韧性提高。单斜氧单斜氧化锆化锆立方氧化锆和立方氧化锆和介稳的四方介稳的四方氧化锆氧化锆河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第四节第四节 脆性材料补强增韧途径脆性材料补强增韧途径大学大学学院学院（2 2）应力诱导相变增韧）应力诱导相变增韧 使使裂裂纹纹扩扩展展的的应应力力相相应应也也减减小小了了前前方方ZrOZrO2(t)2(t)颗颗粒粒受受到到的的压压应应力力，这这样样就就有有利利于于体体积积膨膨胀胀的的相相变变发发生生，所所以以四四方方完完全有可能转变为单斜相。全有可能转变为单斜相。 裂裂纹纹扩扩展展需需要要能能量量，而而t-mt-m的的相相变变也也需需要要能能量量，有有了了ZrOZrO2(t)2(t)颗颗粒粒，那那裂裂纹纹扩扩展展就就连连带带发发生生相相变变。裂裂纹纹扩扩展展必必然然诱诱导导发发生生相相变变，使使裂裂纹纹扩扩展展需需要要的的能能量量进进一一步增加。步增加。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第四节第四节 脆性材料补强增韧途径脆性材料补强增韧途径大学大学学院学院（3 3）相变诱发微裂纹增韧，）相变诱发微裂纹增韧，c+mc+m 材材料料是是部部分分稳稳定定的的ZrOZrO2(t)2(t)已已经经转转变变为为单单斜斜相相了了，因因为为有有体体积积膨膨胀胀已已经经产产生生了了微微裂裂纹纹，那那这这产产生生的的微微裂裂纹纹比比主主裂裂纹纹的的长度小得多。长度小得多。 通通过过这这种种方方法法增增韧韧就就相相当当于于在在材材料料中中设设置置了了吸吸收收能能量量的的机机构，使主裂纹扩展需要的能量减小，裂纹不易扩展。构，使主裂纹扩展需要的能量减小，裂纹不易扩展。（4 4）相变产生挤压内应力增韧，）相变产生挤压内应力增韧，c+mc+m河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第四节第四节 脆性材料补强增韧途径脆性材料补强增韧途径大学大学学院学院六、制备复合材料六、制备复合材料 制备复合材料进行增韧补强是指在基体材料中引入粉状或纤维状的材制备复合材料进行增韧补强是指在基体材料中引入粉状或纤维状的材料，把它们构成复合材料，制备成复合材料后，材料的性能就提高了。料，把它们构成复合材料，制备成复合材料后，材料的性能就提高了。1.1.颗粒弥散增韧补强颗粒弥散增韧补强增增韧韧相相的的作作用用：起起附附加加的的能能量量吸吸收收作作用用, ,使使裂裂纹纹尖尖端端区区域域高高度度集集中中的的应应力力得得以以部部分分消消除除，抑抑制制原原先先可可能能到到达达临临界界状状态态的的裂裂纹纹，提提高高材材料料抵抵抗抗裂裂纹扩展的能力，相应改善其韧性。纹扩展的能力，相应改善其韧性。金金属属颗颗粒粒增增强强相相通通过过裂裂纹纹尖尖端端塑塑性性形形变变的的作作用用能能量量吸吸收收：裂裂纹纹尖尖端端的的原原子子发发生生不不可可逆逆的的重重排排，并并以以塑塑性性功功的的形形式式吸吸收收可可观观的的弹弹性性应应变变能能，使使裂裂纹扩展的动力减弱。纹扩展的动力减弱。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第四节第四节 脆性材料补强增韧途径脆性材料补强增韧途径大学大学学院学院2.2.纤维增韧补强纤维增韧补强纤纤维维的的作作用用：高高强强度度和和高高模模量量的的纤纤维维能能为为基基体体分分担担大大部部分分外外加加应应力力，也也可可阻阻碍碍裂裂纹纹的的扩扩展展，并并能能在在局局部部纤纤维维发发生生断断裂裂时时以以拔拔出出功功的的形形式式消消耗耗部部分分能能量量，起起到到提提高高断断裂裂能能并并克克服服脆脆性性的效果。的效果。它的增韧补强效果取决于它的增韧补强效果取决于： （1 1）纤维和基体的性质；纤维和基体的性质；（2 2）纤维基体的结合强度、化学相容性；）纤维基体的结合强度、化学相容性；（3 3）纤纤维维在在基基体体中中的的数数量量，长长度度及及排排列列方方式式。（长长纤纤维维连连续续排列效果最好）排列效果最好）河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第四节第四节 脆性材料补强增韧途径脆性材料补强增韧途径大学大学学院学院综合：增韧补强的方法主要有：综合：增韧补强的方法主要有：v（1 1）尽可能消除微裂纹；）尽可能消除微裂纹；v（2 2）增大断裂表面能；）增大断裂表面能；v（3 3）有意识的在材料中设置消耗能量的机构，）有意识的在材料中设置消耗能量的机构，消耗材料储消耗材料储存的弹性应变能存的弹性应变能，使裂纹扩展可利用的能量减少，裂纹扩，使裂纹扩展可利用的能量减少，裂纹扩展的动力减少。展的动力减少。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第四节第四节 脆性材料补强增韧途径脆性材料补强增韧途径大学大学学院学院 本节讨论题本节讨论题 v1.1.增韧是否一定补强？为什么？增韧是否一定补强？为什么？v2.2.高强度对材料的微观结构有什么要求？为什么？高强度对材料的微观结构有什么要求？为什么？v3.3.什么是退火？怎样确定玻璃的退火温度？为什么？什么是退火？怎样确定玻璃的退火温度？为什么？v4.4.为什么表面引入压应力层后可以提高材料的韧性和强度？为什么表面引入压应力层后可以提高材料的韧性和强度？v5.5.什么叫淬火？淬火对玻璃板的厚度有什么要求？为什么？什么叫淬火？淬火对玻璃板的厚度有什么要求？为什么？v6.6.瓷器釉的热膨胀系数与坯的热膨胀系数之间有什么要求？为什么？瓷器釉的热膨胀系数与坯的热膨胀系数之间有什么要求？为什么？v7.7.如何通过离子交换使材料强化？如何通过离子交换使材料强化？v8.8.什么是完全稳定什么是完全稳定ZrOZrO2 2？什么是部分稳定？什么是部分稳定ZrOZrO2 2？为什么部分稳定？为什么部分稳定ZrOZrO2 2的的韧性好？说明可能的增韧机理。韧性好？说明可能的增韧机理。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第四节第四节 脆性材料补强增韧途径脆性材料补强增韧途径大学大学学院学院v9.9.应力诱导相变增韧为什么必须依靠应力诱导相变增韧为什么必须依靠ZrOZrO2 2的马氏体相变机理？的马氏体相变机理？v10.10.通过应力诱导相变增韧的部分稳定通过应力诱导相变增韧的部分稳定ZrOZrO2 2材料与通过相变诱发微裂纹材料与通过相变诱发微裂纹增韧的部分稳定增韧的部分稳定ZrOZrO2 2材料两者的相组成是否相同？为什么？材料两者的相组成是否相同？为什么？v11.11.复合材料从微观结构上可以分为哪两大类？复合材料从微观结构上可以分为哪两大类？v12.12.金属陶瓷为什么韧性好？金属陶瓷为什么韧性好？v13.13.为什么短纤维增韧效果好？为什么短纤维增韧效果好？河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第四节第四节 脆性材料补强增韧途径脆性材料补强增韧途径大学大学学院学院第五节第五节静态疲劳静态疲劳一、静态疲劳现象一、静态疲劳现象 原始裂纹尺寸小于该应力下的临界尺寸，是否材料永远原始裂纹尺寸小于该应力下的临界尺寸，是否材料永远安全呢？安全呢？ 裂纹除了上述快速失稳扩展外，还会在使用应力下，随裂纹除了上述快速失稳扩展外，还会在使用应力下，随时间的推移而缓慢的扩展即亚临界生长）或称静态疲劳）。时间的推移而缓慢的扩展即亚临界生长）或称静态疲劳）。 材料安全使用的条件材料安全使用的条件: : ，但强度随时间的延长，但强度随时间的延长逐渐下降，亚临界扩展。逐渐下降，亚临界扩展。 河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院第五节第五节静态疲劳静态疲劳v总的裂纹长度等于起始裂纹长总的裂纹长度等于起始裂纹长度与随时间不断缓慢扩展的长度与随时间不断缓慢扩展的长度之和。度之和。v当当，裂纹迅速扩，裂纹迅速扩展断裂。展断裂。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院第五节第五节静态疲劳静态疲劳二、静态疲劳产生的机理二、静态疲劳产生的机理（一）应力腐蚀模型（常温，高温）（一）应力腐蚀模型（常温，高温） 微裂纹端部高度应力集中导致较大的裂纹扩展动力，使周围原子处于高能位状态，周围微裂纹端部高度应力集中导致较大的裂纹扩展动力，使周围原子处于高能位状态，周围腐蚀介质容易和质点起化学反应。材料的在裂纹尖端处的离子键受到破坏，吸附了表腐蚀介质容易和质点起化学反应。材料的在裂纹尖端处的离子键受到破坏，吸附了表面活性物质（面活性物质（H H2 2O,OHO,OH- -以及极性液体和气体），使材料的自由表面能降低。即裂纹扩展以及极性液体和气体），使材料的自由表面能降低。即裂纹扩展阻力降低了。如果此值小于裂纹扩展的动力，就会导致在低应力水平下的开裂。阻力降低了。如果此值小于裂纹扩展的动力，就会导致在低应力水平下的开裂。 新开裂的表面的断裂表面能，因为还没有来得及被介质腐蚀，其表面能仍然大于裂纹扩新开裂的表面的断裂表面能，因为还没有来得及被介质腐蚀，其表面能仍然大于裂纹扩展的动力，裂纹理解止裂。接着进行下一个腐蚀展的动力，裂纹理解止裂。接着进行下一个腐蚀- -开裂循环，周而复始，形成宏观上开裂循环，周而复始，形成宏观上得裂纹的缓慢生长。环境对裂纹尖端部应力集中区域的腐蚀比对侧面严重，这种腐蚀得裂纹的缓慢生长。环境对裂纹尖端部应力集中区域的腐蚀比对侧面严重，这种腐蚀使裂纹端部原子间化学键受到破坏，导致裂纹缓慢扩展，一旦达到临界尺寸就失稳断使裂纹端部原子间化学键受到破坏，导致裂纹缓慢扩展，一旦达到临界尺寸就失稳断裂。裂。 环境愈恶劣，扩展速度愈快；随温度的升高，化学反应加快，扩展速度加快。（腐蚀介环境愈恶劣，扩展速度愈快；随温度的升高，化学反应加快，扩展速度加快。（腐蚀介质的作用，使裂纹尖端部的键更容易断）质的作用，使裂纹尖端部的键更容易断）河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院第五节第五节静态疲劳静态疲劳v 玻玻璃在含有玻玻璃在含有OHOH- -介质中的亚临界裂纹扩展机理介质中的亚临界裂纹扩展机理: :vOH-OH-对裂纹的强化作用有：对裂纹的强化作用有： 吸附导致键强的下降；吸附导致键强的下降； 应力加速了裂纹尖端玻璃的溶解；应力加速了裂纹尖端玻璃的溶解； 离子互换导致裂纹尖端张应力的增长。离子互换导致裂纹尖端张应力的增长。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院SiCSiC界面的氧化作用引起裂纹扩展过程：界面的氧化作用引起裂纹扩展过程：空气中的氧气在裂纹尖端与空气中的氧气在裂纹尖端与SiCSiC发生如下反应发生如下反应: : 2SiC+3O 2SiC+3O2 2=2SiO=2SiO2 2+2CO+2CO 过程包括：过程包括： 氧离子通过氧化层传递至裂纹尖端；氧离子通过氧化层传递至裂纹尖端； 氧离子的吸附，氧离子的吸附，SiCSiCSiOSiO2 2的反应；的反应； COCO从反应区离去；从反应区离去； 裂纹形成的新表面被氧化层覆盖，接着进行下一个腐蚀开裂纹形成的新表面被氧化层覆盖，接着进行下一个腐蚀开裂循环，周而复始，形成宏观裂纹。其形成的组分中含有硅酸盐晶界薄层。裂循环，周而复始，形成宏观裂纹。其形成的组分中含有硅酸盐晶界薄层。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第五节第五节静态疲劳静态疲劳大学大学学院学院晶界晶界处的处的裂纹裂纹扩展扩展次裂纹次裂纹主裂纹主裂纹高温下裂纹尖端的应力空腔作用：高温下裂纹尖端的应力空腔作用：在高温下，多晶多相材料长期受力作用，晶界玻璃相粘度下降，毛细管力在在高温下，多晶多相材料长期受力作用，晶界玻璃相粘度下降，毛细管力在此处引起局部应力，使晶界发生蠕变或粘性流动，晶界处的气孔、夹杂物、此处引起局部应力，使晶界发生蠕变或粘性流动，晶界处的气孔、夹杂物、及结构缺陷逐渐长大，形成空腔，空腔进一步沿晶界方向长大、连通形成次及结构缺陷逐渐长大，形成空腔，空腔进一步沿晶界方向长大、连通形成次裂纹，与主裂纹汇合形成裂纹的缓慢扩展。裂纹，与主裂纹汇合形成裂纹的缓慢扩展。（二）高温下裂纹尖端的应力空腔作用（二）高温下裂纹尖端的应力空腔作用河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第五节第五节静态疲劳静态疲劳大学大学学院学院v当裂纹由成核生长和亚临界扩展发展到临界长度，此时当裂纹由成核生长和亚临界扩展发展到临界长度，此时K1K1的数值也随着裂纹的扩展增长到的数值也随着裂纹的扩展增长到K K1c1c的数值。至此裂纹的数值。至此裂纹的扩展从稳态转入动态，出现快速断裂。的扩展从稳态转入动态，出现快速断裂。 或裂纹尖端屈服区附近足够大的内应力达到了足以撕开或裂纹尖端屈服区附近足够大的内应力达到了足以撕开原子间键，导致固体沿着原子面发生解理。原子间键，导致固体沿着原子面发生解理。v裂纹快速断裂具备的能量条件：裂纹快速断裂具备的能量条件： 裂纹前端的弹性应变能释放率等于或大于裂纹扩展单裂纹前端的弹性应变能释放率等于或大于裂纹扩展单位长度所需的表面自由能增量。位长度所需的表面自由能增量。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第五节第五节静态疲劳静态疲劳大学大学学院学院第五节第五节静态疲劳静态疲劳三、材料寿命的估计三、材料寿命的估计 寿命是指从起始裂纹状态，经受力后缓慢扩展直到临界裂纹长度所经寿命是指从起始裂纹状态，经受力后缓慢扩展直到临界裂纹长度所经历的时间。历的时间。 V V瞬间裂纹扩展的速度。瞬间裂纹扩展的速度。 经大量实验，经大量实验，V V与与K K的关系可表示为的关系可表示为: : (A , n (A , n 是常数，是由材料本质及环境条件决定的常数是常数，是由材料本质及环境条件决定的常数) )河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院四、陶瓷材料的高温蠕变断裂四、陶瓷材料的高温蠕变断裂v多晶材料一般早高温下，在恒定应力作用下，由于形变多晶材料一般早高温下，在恒定应力作用下，由于形变不断增加二断裂，称为蠕变断裂。不断增加二断裂，称为蠕变断裂。v陶瓷材料不管常温还是高温，都是脆性断裂。陶瓷材料不管常温还是高温，都是脆性断裂。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第五节第五节静态疲劳静态疲劳大学大学学院学院 本节讨论题本节讨论题 v1.1.什么是静态疲劳现象？为什么会发生静态疲劳？什么是静态疲劳现象？为什么会发生静态疲劳？v2.2.什么是裂纹的亚临界扩展？为什么裂纹会发生亚临界扩什么是裂纹的亚临界扩展？为什么裂纹会发生亚临界扩展？展？v3.3.如何估计材料的寿命？如何估计材料的寿命？v4.4.多晶材料的蠕变断裂属于哪种断裂方式？为什么？多晶材料的蠕变断裂属于哪种断裂方式？为什么？河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院第五节第五节静态疲劳静态疲劳大学大学学院学院第六节第六节强度的统计本质强度的统计本质一、陶瓷材料强度测定值的分散性一、陶瓷材料强度测定值的分散性 无机材料的强度数据常因各种原因产生较大的分散性，无机材料的强度数据常因各种原因产生较大的分散性，这是材料研制中不能忽视的问题，因此在提高强度数据及韧这是材料研制中不能忽视的问题，因此在提高强度数据及韧性指标的同时常常要增加一个性能分散性指标韦伯模数性指标的同时常常要增加一个性能分散性指标韦伯模数m m。 m m表征材料均匀性的参数。表征材料均匀性的参数。 m m越大，材料越均匀，材料的强度分散性越小，意外发生越大，材料越均匀，材料的强度分散性越小，意外发生的情况越小。的情况越小。河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院第六节第六节强度的统计本质强度的统计本质 二、影响强度测定值的因素二、影响强度测定值的因素1.1.尺寸因素：尺寸因素： 大试件临界微裂纹存在的几率大，故而强度测定值较低。大试件临界微裂纹存在的几率大，故而强度测定值较低。2. 2. 试样的受力方式：试样的受力方式： 抗拉（张）强度抗拉（张）强度 抗弯（折）强度抗弯（折）强度 抗压强度（最大）抗压强度（最大）河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院第六节第六节强度的统计本质强度的统计本质 本节讨论题本节讨论题 v1.1.为什么脆性材料的强度测试数据必然是分散的为什么脆性材料的强度测试数据必然是分散的？v2.2.为什么试样的体积及强度测试方法均影响强度为什么试样的体积及强度测试方法均影响强度测定值？测定值？河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院大学大学学院学院第六节第六节强度的统计本质强度的统计本质作业：作业：v1.1.石英玻璃断裂试验，从裂纹慢速扩展试验中，石英玻璃断裂试验，从裂纹慢速扩展试验中，估计表面能为估计表面能为500500尔格尔格/ /厘米厘米2 2，从裂纹快速扩展试，从裂纹快速扩展试验中表面能为验中表面能为40004000尔格尔格/ /厘米厘米2 2，如何解释试验现，如何解释试验现象？象？v2.2.材料总是在材料总是在K K1 1KK1c1c条件下使用，作用应力大小是条件下使用，作用应力大小是否影响材料寿命，为什么？否影响材料寿命，为什么？河北联合大学材料科学与工程学院河北联合大学材料科学与工程学院