《无机材料物理性能》第三章 脆性断裂与强度（3.5）断裂理论在材料中的应用

35断裂理论在材料中的应用 断裂理论阐明裂纹尖端区域的应力强度因子K1是 裂纹扩展导致材料断裂的动力; 材料固有的临界应力强度因子K1是裂纹扩展的阻 力 断裂强度σ是材料的临界应力因子所对应的临界 应力 个理想材料构件的建立包括材料的研制、构件 的设计、寿命的检测等一系列过程 材料工作者应致力于提高材料的σ和K1c以提高其抵 抗破坏能力的系统材料的研制,以及为减小导致材料 失效的动力K1的工程设计

3.5 断裂理论在材料中的应用 材料工作者应致力于提高材料的f和K1c以提高其抵 抗破坏能力的系统材料的研制，以及为减小导致材料 失效的动力K1的工程设计。 • 断裂理论阐明裂纹尖端区域的应力强度因子K1是 裂纹扩展导致材料断裂的动力； • 材料固有的临界应力强度因子K1c是裂纹扩展的阻 力； • 断裂强度f是材料的临界应力因子所对应的临界 应力。 • 一个理想材料构件的建立包括材料的研制、构件 的设计、寿命的检测等一系列过程

材料科学 后选材料的发展 工程力学 抗裂纹扩展抗形变抗热应力抗粒子冲刷 工程要求 裂纹尺寸及分布 抑制裂纹扩展 构件设计 抗断裂图谱抗形变图谱裂纹扩展的抑制使用环境条件应力分析 材料的实用性 协调对材料的要求 不满足要求 满足要求 生产和使用于工程

生产和使用于工程 材料科学 工程力学 抗裂纹扩展 裂纹尺寸及分布 抗断裂图谱 材料的实用性 不满足要求 满足要求 后选材料的发展 抗形变 抗热应力 抗粒子冲刷 工程要求 抑制裂纹扩展 构件设计 抗形变图谱 裂纹扩展的抑制 使用环境条件 应力分析 协调 对材料的要求

1.材料研制方面 K (2EYs 12 材料的断裂韧性是弹性模量和断裂能的函数。 所以与材料的结构和显微结构密切相关。 在材料中设置裂纹扩展中的附加能量耗损机制 韧性相、微裂纹区。 设置裂纹扩展的势垒:长轴晶相、纤维增韧

K1c =（2E s ) 1/2 • 材料的断裂韧性是弹性模量和断裂能的函数。 所以与材料的结构和显微结构密切相关。 • 在材料中设置裂纹扩展中的附加能量耗损机制： 韧性相、微裂纹区。 • 设置裂纹扩展的势垒：长轴晶相、纤维增韧。 1. 材料研制方面

2.工程结构方面 理论基础:亚临界裂纹扩展速率方程:Y=AK1 (1)安全载荷的选择---证试验法 在构件交付使用前,先以一个超过预期使用的载荷对 该构件的可靠性进行检验。在保证试验中,注意两点 构件中最严重裂纹处的应力必须超过使用期间所承 受的应力; 构件中最严重处的应力强度因子必须小于临界应力强 度因子。 目的:保证构件不在保证试验期间破坏,保证通过试 验的构件在使用期间的安全

2. 工程结构方面 理论基础：亚临界裂纹扩展速率方程：V=AK1 n （1） 安全载荷的选择------保证试验法 在构件交付使用前，先以一个超过预期使用的载荷对 该构件的可靠性进行检验。在保证试验中，注意两点： • 构件中最严重裂纹处的应力必须超过使用期间所承 受的应力； •构件中最严重处的应力强度因子必须小于临界应力强 度因子。 目的：保证构件不在保证试验期间破坏，保证通过试 验的构件在使用期间的安全

(2)安全期限的确定 亚临界裂纹的扩展 由V、K的关系知:材料存在一个亚临界裂纹扩展 的应力强度因子门滥值K1,当构件最严重裂纹尖 端的K1<K10,裂纹不会扩展。当K10<K1<K1时, 出现亚临界裂纹扩展,可以根据裂纹扩展的三个 阶段的速率与应力强度因子的关系求构件的使用 寿命

（2） 安全期限的确定 ------亚临界裂纹的扩展 由V、K的关系知：材料存在一个亚临界裂纹扩展 的应力强度因子门滥值K10，当构件最严重裂纹尖 端的K1K10，裂纹不会扩展。当 K10  K1 < K1c时， 出现亚临界裂纹扩展，可以根据裂纹扩展的三个 阶段的速率与应力强度因子的关系求构件的使用 寿命

(3)破坏预报-声发射法 材料在释放弹性能时,发生各种形变 和断裂过程的同时,会有能量的传播, 这一能量被与构件接触的换能器接受, 发出脉冲信号。 (4)断口分析 断口分析有助于对断裂根源的判断。 可作电子显微镜、扫描电镜、透射电 镜和电子探针

（3） 破坏预报------声发射法 材料在释放弹性能时，发生各种形变 和断裂过程的同时，会有能量的传播， 这一能量被与构件接触的换能器接受， 发出脉冲信号。 （4） 断口分析 断口分析有助于对断裂根源的判断。 可作电子显微镜、扫描电镜、透射电 镜和电子探针