断裂韧性及测量方法.ppt
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1、第二章 无机材料的脆性断裂与强度,主讲:李享成 博士电话:材冶学院6256办公室http:/=d138,2,2.4 应力场强度因子与平面应变断裂韧性,Griffith从能量平衡的观点出发,提出了含裂纹固体的强度和裂纹关系之条件:裂纹失稳扩展。而导致材料断裂的必要条件是:在裂纹扩展过程中系统的自由能必须下降(热力学条件),K与外加应力、裂纹长度、裂纹种类及受力状态等有关的系数,称为应力场强度因子,它反映裂纹尖端应力场强度。,Griffith方程:,3,裂纹的三种类型,对1型有:,Y为几何形状因子,它和裂纹型式、试件几何形状有关,各种情况的Y已汇制成册,供检索。,4,三种情况下的Y值,5,临场应力
2、场强度因子及断裂韧性,断裂判据:,K1c为平面应变断裂韧性,为材料常数,其值为:,K1c与材料本征参数E,,等物理量相关,反映具有裂纹的材料对外界作用的一种抵抗能力,即阻止裂纹扩展能力,是材料固有性质。,6,KIC 的意义,举例:P51抓住裂纹本质,提供新的设计思想和选材标准;表征材料特征的临界值。,7,Problem,The fracture toughness of polycrystaline Alumina(Youngs modulus 306GPa)is about 4MPam1/2 while the toughness of MgO partially stabilized zi
3、rconia(PSZ)(Youngs modulus 138GPa)is about 10MPa m1/2.a)Estimate the fracture surface energy of(i)alumina and(ii)PSZ assuming these toughness values were obtained under conditions of plane stress.b)Polycrystalline ceramics often have intergranular cracks in them due to thermal expansion mismatch.The
4、ir strength is therefore limited by these cracks whose size is on the order of the grain size.Calculate the maximum strength you would expect to observe in(i)alumina with 20-um-diameter grain size and(ii)PSZ with a 50um-diameter grain size.Model the cracks as internal circular cracks with the same s
5、ize as the grains.,8,断裂韧性的测量方法,单边切口梁法(SENB)双扭法(DT)Knoop压痕三点弯曲梁法山形切口劈裂试件法,标准尺寸,K1c的表达式,单位MPam-1/2,2.5 裂纹的起源与快速扩展,10,一、裂纹的起源,缺陷表面热应力,11,裂纹的三种起源,在外力作用下晶体中的缺陷处形成应力集中,导致裂纹成核;材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹;由于晶粒热膨胀系数差异,受热后形成裂纹。,12,裂纹快速扩展,Griffith微裂纹理论,材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量,而是取决于裂纹的大小,即由最危险的裂纹尺寸(临界尺寸)决定材料的断裂。裂纹扩展速度为声速的40
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