第二章 无机材料的脆性断裂与强度
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无机材料的脆性断裂与强度脆性断裂是指在受力条件下,无机材料会发生不可逆的破裂现象,而无法发生塑性变形。
与之相对的是韧性断裂,韧性断裂发生在材料能够发生塑性变形的情况下。
无机材料的脆性断裂与强度有密切关系。
强度是指材料抵抗外力的能力,是一个评价材料抗拉、抗压、抗弯等载荷的指标。
脆性材料的强度主要受材料内部微观缺陷和断裂导致的应力集中影响。
下面分三个方面介绍无机材料的脆性断裂与强度的关系。
首先,无机材料的脆性断裂与晶体结构有关。
无机材料的晶体结构决定了材料的原子排列和键合情况,从而影响了材料的力学性能。
晶体结构中的离子键、共价键或金属键不易发生移动,因此无机材料的塑性变形能力较弱。
当材料受到外力作用时,由于无法有效地分散应力,应力会在缺陷处或晶界处集中,导致材料的断裂。
例如,金刚石具有非常坚硬的晶体结构,但其断裂韧性很低,容易在受力时发生脆性断裂。
其次,无机材料的脆性断裂与材料的纯度和缺陷有关。
纯度高的材料内部缺陷较少,力学性能较好,强度较高。
材料的缺陷可以包括晶界、孔洞、裂纹等,这些缺陷会导致应力的集中。
晶界是由于晶体的生长形成的界面,常常是材料中最脆弱的部分。
孔洞和裂纹是材料中的缺陷,它们会在受力时成为应力集中的位置,从而导致材料的脆性断裂。
因此,提高无机材料的纯度,减少缺陷的存在,可以提高材料的强度和抗断裂能力。
最后,无机材料的脆性断裂与外界温度和应力速率有关。
温度对材料的强度和断裂行为有很大影响。
低温会导致材料的强度和韧性下降,使得材料更容易发生脆性断裂。
高温会增加材料的塑性,降低材料的强度,使得材料更容易发生韧性断裂。
应力速率也是影响材料脆性断裂的因素之一、应力速率较快时,材料不容易发生塑性变形,从而容易发生脆性断裂。
应力速率较慢时,材料有足够的时间进行塑性变形,从而能够发生韧性断裂。
综上所述,无机材料的脆性断裂与强度有着紧密的关系。
晶体结构、纯度和缺陷、温度以及应力速率都会对材料的强度和断裂行为产生影响。
第二章材料的脆性断裂与强度§2.1 脆性断裂现象一、弹、粘、塑性形变在第一章中已阐述的一些基本概念。
1.弹性形变正应力作用下产生弹性形变,剪彩应力作用下产生弹性畸变。
随着外力的移去,这两种形变都会完全恢复。
2.塑性形变是由于晶粒内部的位错滑移产生。
晶体部分将选择最易滑移的系统(当然,对陶瓷材料来说,这些系统为数不多),出现晶粒内部的位错滑移,宏观上表现为材料的塑性形变。
3.粘性形变无机材料中的晶界非晶相,以及玻璃、有机高分子材料则会产生另一种变形,称为粘性流动。
塑性形变和粘性形变是不可恢复的永久形变。
4.蠕变:当材料长期受载,尤其在高温环境中受载,塑性形变及粘性形变将随时间而具有不同的速率,这就是材料的蠕变。
蠕变的后当剪应力降低(或温度降低)时,此塑性形变及粘性流动减缓甚至终止。
蠕变的最终结果:①蠕变终止;②蠕变断裂。
二.脆性断裂行为断裂是材料的主要破坏形式。
韧性是材料抵抗断裂的能力。
材料的断裂可以根据其断裂前与断裂过程中材料的宏观塑性变形的程度,把断裂分为脆性断裂与韧性断裂。
1.脆性断裂脆性断裂是材料断裂前基本上不产生明显的宏观塑性变形,没有明显预兆,往往表现为突然发生的快速断裂过程,因而具有很大的危险性。
因此,防止脆断一直是人们研究的重点。
2.韧性断裂韧性断裂是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。
韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢,而且要消耗大量塑性变形能。
一些塑性较好的金属材料及高分子材料在室温下的静拉伸断裂具有典型的韧性断裂特征。
3.脆性断裂的原因在外力作用下,任意一个结构单元上主应力面的拉应力足够大时,尤其在那些高度应力集中的特征点(例如内部和表面的缺陷和裂纹)附近的单元上,所受到的局部拉应力为平均应力的数倍时,此过分集中的拉应力如果超过材料的临界拉应力值时,将会产生裂纹或缺陷的扩展,导致脆性断裂。
虽然与此同时,由于外力引起的平均剪应力尚小于临界值,不足以产生明显的塑性变形或粘性流动。