《材料物理性能》课程教学课件（PPT讲稿）第三章 无机材料的断裂及裂纹扩展 3.3 显微结构对断裂韧性的影响 3.4 无机材料中裂纹的缓慢扩展 3.5 材料的硬度与压痕开裂的应用

3.1断裂力学基本概念 临界应力场强度因子及断裂韧性 断裂力学理论：任何构件的断裂破坏都是由裂纹的失稳扩展导致的。当裂纹 尖端的应力场强度K达到或超过一个临界水平K,时，构件将发生断裂。 K1=YoVc≥ 断裂韧性 脆性材料： G=2y 则： Kic =2Ey (平面应力状态)

3.1 断裂力学基本概念 临界应力场强度因子及断裂韧性 断裂力学理论：任何构件的断裂破坏都是由裂纹的失稳扩展导致的。当裂纹 尖端的应力场强度KⅠ达到或超过一个临界水平KⅠc时，构件将发生断裂。 𝑲Ⅰ = 𝒀𝝈 𝒄 ≥ 𝑲Ⅰ𝒄 断裂韧性 = 2 Gc K E 1c = 2 （平面应力状态） 脆性材料： 则：

3。断裂及裂纹扩展 无机材料断裂韧性测试方法 ◆直通切口梁法 ◆双扭法 ◆山形切口法

3. 断裂及裂纹扩展 无机材料断裂韧性测试方法 ◆直通切口梁法 ◆双扭法 ◆山形切口法

材料物理性能(A) 3.3显微结构对断裂韧性的影响 材料科学与工程学院 郭学 4

材料科学与工程学院 郭学 3.3 显微结构对断裂韧性的影响 4

课程导入 氧化铝多晶陶瓷的断裂韧性为3 MPa:m2,要求这种 材料在500MPa应力作用下安全工作。 Kc≤Yo√c 固有裂纹的尺寸不能超过12m Kie =2Ey

课程导入 氧化铝多晶陶瓷的断裂韧性为3 MPa·m1/2，要求这种 材料在500MPa应力作用下安全工作。 KIc≤ Y 𝒄 固有裂纹的尺寸不能超过12 μm 增韧 5 K E 1c = 2

3.3显微结构对断裂韧性的影响 增韧本质 提高材料的裂纹扩展阻力 调整显微结构 降低材料的裂纹扩展动力 6

调整显微结构 提高材料的裂纹扩展阻力 降低材料的裂纹扩展动力 增韧本质 6 3.3 显微结构对断裂韧性的影响

3.3显微结构对断裂韧性的影响 3.3.1裂纹偏转与裂纹偏转增韧 (1)裂纹偏转增韧 尽管晶界对裂纹扩展的 阻力较低，但裂纹扩展 穿晶断裂 途径延长可导致裂纹扩 展过程所消耗能量增多 表观断裂表面能增大。 K1c=√2Ey 沿晶断裂 断裂韧性提高

3.3显微结构对断裂韧性的影响 穿晶断裂 沿晶断裂 （1）裂纹偏转增韧 7 尽管晶界对裂纹扩展的 阻力较低，但裂纹扩展 途径延长可导致裂纹扩 展过程所消耗能量增多， 表观断裂表面能增大。 𝑲𝑰𝑪 = 𝟐𝑬𝜸 断裂韧性提高 3.3.1 裂纹偏转与裂纹偏转增韧

3.3显微结构对断裂韧性的影响 晶粒尺寸越大，材料的力学性能越好吗？ 材料内固有裂纹的初始尺寸会由于晶粒尺 寸的增大而增大，导致材料的断裂强度显 著降低。 2EY πC 根据工程对韧性和强度的需求，调整合适的晶粒尺寸」 裂纹扩展过程中扩展方向发生变化称为裂纹偏转。 由于裂纹偏转而导致的材料断裂韧性提高称为裂纹偏转增韧。 8

3.3 显微结构对断裂韧性的影响 晶粒尺寸越大，材料的力学性能越好吗？ 𝝈 = 𝟐𝑬𝜸 𝝅𝒄 材料内固有裂纹的初始尺寸会由于晶粒尺 寸的增大而增大，导致材料的断裂强度显 著降低。 根据工程对韧性和强度的需求，调整合适的晶粒尺寸！ 8 裂纹扩展过程中扩展方向发生变化称为裂纹偏转。 由于裂纹偏转而导致的材料断裂韧性提高称为裂纹偏转增韧

3.3显微结构对断裂韧性的影响 圆柱状 圆片状 在两相材料中，裂纹偏转增韧的效果与 球状 第二相粒子的形状和含量密切相关。 0.1 0.2 0.3 0.4 图3.13 不同形状及含量的第二相粒 子产生的裂纹偏转效果

3.3 显微结构对断裂韧性的影响 在两相材料中，裂纹偏转增韧的效果与 第二相粒子的形状和含量密切相关

3.3显微结构对断裂韧性的影响 3.3.2裂纹桥接与裂纹桥接增韧 (2)裂纹桥接增韧 裂纹在扩展过程中遇到大晶粒后， 其扩展路径发生变化，而大晶粒的存 在相当于在两个相对的裂纹面之间架 (a) (b) 了一座“桥”；随着裂纹的进一步扩 展，两个相对裂纹面之间距离的增大 必将受到晶粒的这种架桥作用的抑制， (c) (d) 起到抑制裂纹扩展的作用。 图3.14A山：O3陶瓷中裂纹扩展路径上的晶粒桥接示意图

3.3 显微结构对断裂韧性的影响 3.3.2 裂纹桥接与裂纹桥接增韧 裂纹在扩展过程中遇到大晶粒后， 其扩展路径发生变化，而大晶粒的存 在相当于在两个相对的裂纹面之间架 了一座“桥”；随着裂纹的进一步扩 展，两个相对裂纹面之间距离的增大 必将受到晶粒的这种架桥作用的抑制， 起到抑制裂纹扩展的作用。 （2）裂纹桥接增韧

3.3显微结构对断裂韧性的影响 通过制备工艺使材料具备裂纹桥接增韧的显微结构特征 100 80 60 40 照：0 3456 Mag=50.00KX R 氮化硅陶瓷SEM图 图3.15具有不同长径比晶粒的SiN 陶瓷断裂韧性测试结果

3.3 显微结构对断裂韧性的影响 氮化硅陶瓷SEM图 通过制备工艺使材料具备裂纹桥接增韧的显微结构特征