《材料物理性能》课程教学课件（讲稿）第二章 材料的断裂强度

第二章材料的断裂强度 第一节脆性断裂现象 第二节断裂强度的微裂纹理论 第三节无机材料中微裂纹的起源 第四节无机材料的断裂强度测试方法 第五节显微结构对无机材料断裂强度的影响

第二章 材料的断裂强度 第一节 脆性断裂现象 第二节 断裂强度的微裂纹理论 第三节 无机材料中微裂纹的起源 第四节 无机材料的断裂强度测试方法 第五节 显微结构对无机材料断裂强度的影响

脆性断裂现象 脆性断裂的特点 ●断裂前无明显的预兆 ● 断裂处往往存在一定的断裂源 由于断裂源的存在，实际断裂强度 远远小于理论强度

脆性断裂现象 脆性断裂的特点  断裂前无明显的预兆  断裂处往往存在一定的断裂源  由于断裂源的存在，实际断裂强度 远远小于理论强度

一.弹、粘、塑性形变 >弹性形变：剪应力下弹性畸变↓可以恢复的形变 >塑性形变：在足够大剪切应力作用下（或环境温度较高时）， 晶粒内部的位错滑移（微观）↓↓不可恢复的永 久形变（宏观） >粘性形变：无机材料中的晶界非晶相以及玻璃、有机高分子 材料等产生的粘性流动（微观） 不可恢复 永久形变（宏观） >蠕变：当材料长期受载（尤其高温) 上述变形将随 时间的延续而具有不同的速率

一． 弹、粘、塑性形变  蠕 变：当材料长期受载（尤其高温）―――上述变形将随 时间的延续而具有不同的速率 弹性形变：剪应力下弹性畸变↓↓↓可以恢复的形变 塑性形变：在足够大剪切应力作用下（或环境温度较高时）， 晶粒内部的位错滑移（微观）↓↓↓不可恢复的永 久形变（宏观） 粘性形变：无机材料中的晶界非晶相以及玻璃、有机高分子 材料等产生的粘性流动（微观） ―――不可恢复 永久形变（宏观）

二.无机材料的断裂类型 瞬时断裂：以较快的速率持续增大的应力作用下发生的断裂； 延迟断裂： 也称为疲劳断裂，包括以下三种情况 ①材料在以缓慢的速率持续增大的外力作用下发生 的断裂；②材料在承受恒定外力作用一段时间之后 发生的断裂；③材料在交变载荷作用一段时间之后 发生的断裂等

二． 无机材料的断裂类型 瞬时断裂：以较快的速率持续增大的应力作用下发生的断裂； 延迟断裂：也称为疲劳断裂，包括以下三种情况 ①材料在以缓慢的速率持续增大的外力作用下发生 的断裂；②材料在承受恒定外力作用一段时间之后 发生的断裂；③材料在交变载荷作用一段时间之后 发生的断裂等

2.2 断裂强度的微裂纹理论 2.2.1固体材料的理论断裂强度（理论结合强度) 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。 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）。 6 一λ/2 图2.1原子间约束和距离的关系

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。 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）。 2.2 断裂强度的微裂纹理论 2.2.1固体材料的理论断裂强度（理论结合强度）

得出： O=Oh×sin 2 式中，σ为理论结合强度，入为正弦曲线的波长。 设分开单位面积原子平面所作的功为V,则 V=oh×sin 2 dx 22 2元

式中， 为理论结合强度，λ为正弦曲线的波长。 设分开单位面积原子平面所作的功为V ，则 得出： λ π σ σ x th 2 = ×sin σ th π λσ λ π π λσ λ π σ λ λ th th th x dx x V =       = − = × ∫ 2 0 2 0 2 cos 2 2 sin

设材料形成新表面的表面能为Y(这里是断裂表面 能，不是自由表面能)，则V=2y即 入0h二2Y π 2πY 元 在接近平衡位置O的区域，曲线可以用直线代替，服 从虎克定律： a

设材料形成新表面的表面能为 （这里是断裂表面 能，不是自由表面能），则 即 γ 在接近平衡位置O的区域，曲线可以用直线代替，服 从虎克定律： V = 2γ λ πγ σ γ π λσ 2 2 = = th th E a x σ = Eε =

272 a为原子间距，x很小时，sin 因此，得：O=y Ey a 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。通常，”约为头0’这样， E Oh一 10 要得到高强度的固体，就要求E和Y大，a小

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。 通常， 约为 ，这样， 为原子间距, 很小时, 因此，得： 要得到高强度的固体，就要求 和 大， 小。 λ π λ 2πx 2 x a sin ≈ a E th γ σ = 100 aE 10 E th σ = E γ a x γ

2.2.2 Griffith微裂纹理论 1920年Griffith为了解释玻璃的理论强度与实际强 度的差异，提出了微裂纹理论，后来逐渐成为脆性断 裂的主要理论基础，更是当代断裂力学的奠基石。 1.理论的提出 Griffith认为实际材料中总是存在许多细小的微 裂纹或缺陷，在外力作用下产生应力集中现象，当应 力达到一定程度时，裂纹开始扩展，导致断裂

1920年Griffith为了解释玻璃的理论强度与实际强 度的差异，提出了微裂纹理论，后来逐渐成为脆性断 裂的主要理论基础，更是当代断裂力学的奠基石。 1． 理论的提出 Griffith 认为实际材料中总是存在许多细小的微 裂纹或缺陷，在外力作用下产生应力集中现象，当应 力达到一定程度时，裂纹开始扩展,导致断裂。 2.2.2 Griffith微裂纹理论

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。 Inglis根据弹性理论求得孔洞端部的应力O4 4=1+2S,p= =28月 式中，为外加应力

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。 Inglis根据弹性理论求得孔洞端部的应力 式中， 为外加应力。 σ A       = + = + = ρ σ σ ρ σ σ c c a a c A A 1 2 1 2 2 ， σ