无机材料物理性能1力学课件

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1、12004年8月侯宪钦 济南大学材料学院22004年8月侯宪钦 济南大学材料学院32004年8月侯宪钦 济南大学材料学院42004年8月侯宪钦 济南大学材料学院5MicrostructurePropertyPerformanceProcess2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院62004年8月侯宪钦 济南大学材料学院7AF F : load applied in N 载荷 牛A : cross sectional area in m截面积 m : stress in Pa 应力 帕FFA2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院8oLe L LLoee : elongation (m)伸长量Lo

2、 : unloaded(original) length of a material (m) : strain (m/m)原始长度2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院9oLLeL : loaded length of a material (m) 受力伸长后的长度伸长量2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院102004年8月侯宪钦 济南大学材料学院11A: Brittle Polymer B: Plastic Polymer C: ElastomerStress-strain behavior can be brittle (A), plastic (B), and highly elast

3、ic (C) Curve C is totally elastic (rubber-like elasticity). 2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院120.0100.0080.0060.0040.0020.0000100200300400500CONTINUEDStress (MPa) Strain典型金属的应力应变图Stress-Strain Diagram of Typical Metals2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院13典型陶瓷的应力应变图2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院14Strain ( ) (e/Lo)41235Stress (F/A)Elastic Re

4、gionPlasticRegionStrainHardeningFractureultimatetensile strengthSlope=EElastic region slope=Youngs(elastic) modulus yield strengthPlastic region ultimate tensile strength strain hardening fractureneckingyieldstrengthUTSyE E 12y E Stress-Strain Diagram 2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院152004年8月侯宪钦 济南大学材料学院16S Ee20

5、04年8月侯宪钦 济南大学材料学院172004年8月侯宪钦 济南大学材料学院182004年8月侯宪钦 济南大学材料学院192004年8月侯宪钦 济南大学材料学院202004年8月侯宪钦 济南大学材料学院212004年8月侯宪钦 济南大学材料学院222004年8月侯宪钦 济南大学材料学院232004年8月侯宪钦 济南大学材料学院242004年8月侯宪钦 济南大学材料学院252004年8月侯宪钦 济南大学材料学院262004年8月侯宪钦 济南大学材料学院27It is important to understand themechanisms for failure, specially to p

6、revent in-service failures via design.2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院28 Ductility is reduced with temperature reduction.So, Ambient and Operating temperatures can affect failure mode of materials. IronIron2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院29Adapted from R.W. Hertzberg, pg. 261, Deformation and Fracture Mechanics of Eng. Matls

7、.On January 15, 1919, on Commercial Street in Boston a tank 27 m in diameter and 15 m high fractured catastrophically, and over 7.5x106 liters (2x106 gallons) of molasses cascaded into the street. Without an instants warning the top was blown into air and the sides were burst apart. A city building

8、nearby, where the employees were at lunch, collapsed burying a number of victims and a firehouse was crushed in a section of the tank, killing and injuring a number of firemen.12004年8月侯宪钦 济南大学材料学院302004年8月侯宪钦 济南大学材料学院31USS Esso Manhattan, 3/29/43John P. Gaines, 11/43USS Schenectady, 1/16/43Vessel br

9、oke in two offthe Aleutians (10 killed).Fracture at entrance to NY harbor.Liberty tanker split in two while moored in calm water at the outfitting dock at Swan Island, OR.Famous example failures: Liberty ships2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院322004年8月侯宪钦 济南大学材料学院33Two steps: Crack formation Crack propagationBritt

10、le fractureDuctile fracturemoderately ductile fracture2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院34Cup-and-cone fracture in AlBrittle fracture in mild Steel断口形貌2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院35Origin of crackBrittle fractureMicrostructure2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院36Ductile fractureTensile loadingShear loading2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院37Brittle Frac

11、tureTransgranular fractureCracking through grainsIntergranular fractureCracking along the GB2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院382004年8月侯宪钦 济南大学材料学院392004年8月侯宪钦 济南大学材料学院40原子间约束力与原子间距的关系曲线-0.40.00.40.30.40.50.60.7-4-2024Lennard-Jones potential (KJ/mol) Distance (nm) Force (1012N/mol) l/2max2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院41Orowa

12、n将上述精确曲线简化为下面的正正弦曲线，得出：2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院42lXth2sinth为理论结合强度；l为正弦曲线的波长将材料拉断时，产生两个新的表面，因此使单位面积的原子平面分开所做的功应等于产生两个单位面积的新表面所需的表面能，这样材料才能断裂。假设分开单位面积原子平面所做的功为v，则llllllthththxdxxv20202cos22sin（2-1）（2-2）2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院43ll22thth在接近平衡位置的区域，曲线可以用直线代替，服从Hookes law，即（2-3）2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院44EaxEa 为原子间距。x很

13、小时，llxx22sin将式2-3，2-4 ，2-5代入2-1式，得aEth（2-4）（2-6）（2-52004年8月侯宪钦 济南大学材料学院45(2-7)2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院46 tip tip2c2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院47 is the applied stress,c is the half length of the crack, is the radius of curvature of the crack tip,a is the distance between two atomsactip21 ac2ctip21(2-8)2004年8月侯宪钦

14、济南大学材料学院48如果a ,即为扁平的锐裂纹，则a / 将很大，上式中的1将被省略；从而可得：Orowan 认为很小，与原子间距a相当，可以将上式改写成下面的形式：ctip2(2-9)2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院49当tip等于材料的理论强度时，裂纹就会被拉开；即裂纹就会迅速扩展（propagation）。c 随之变大， tip又进一步增加。如此恶性循环，导致材料迅速断裂。因此，裂纹扩展的临界条件是：actip2thtipaEac2(2-10)(2-11)2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院50cEc4这是Inglis 考虑了（而且只考虑了）裂纹尖端的应力集中而得到的结果；实际上

15、，裂纹尖端的应力状态是非常复杂的。Griffith 借鉴上述理论结果，又从能量的角度研究了裂纹扩展的条件。(2-12)2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院51由弹性理论可以算出，当人为割开长度为2c的裂纹时，EcWe22EcWe2221平面应力状态（无限薄板）下系统应变能的降低为：平面应变状态（厚板）下系统应变能的降低为： is Poissons ratio 泊松比(2-13)(2-14)2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院52cWe4为单位面积上的断裂表面能裂纹进一步扩展2dc，单位面积所释放的能量为：dcdwe2dcdws2形成新的单位表面积所需的表面能为：(2-15)2004年8月侯

16、宪钦 济南大学材料学院53dcdwdcdwse22dcdwdcdwse22dcdwdcdwse22当时，为稳定态，裂纹不会扩展；当时，裂纹失稳，迅速扩展；当时，为临界状态。2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院54因为EcEcdcddcdwe222222422cdcddcdws所以，临界条件是：22Ecc由此可推出临界应力为：cEc2(2-16)(2-17)(2-18)(2-19)2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院55如果是平面应变状态，临界应力则表示为：cEc212这就是Griffith 从能量观点分析得出的结果。如果能够控制裂纹的尺寸在原子间距的数量级上，就可以使材料的临界断裂强度达到

17、理论强度。但实际上，人类目前是很难达到的；不过，这一结果至少可以告诉人们：制备高强度材料的基本方向-材料的模量E和断裂表面能要大，裂纹尺寸c要小。(2-20)2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院562004年8月侯宪钦 济南大学材料学院572004年8月侯宪钦 济南大学材料学院58Griffiths experiments with glass fibers (1921)FIBER DIAMETER (micron)Strength of bulk glass: 170 MPa Extrapolates to 11 GPa123TENSILE STRENGTH (GPa)0204060801

18、0012002004年8月侯宪钦 济南大学材料学院59A2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院600123450.51.01.52.02.53.03.522220 xxxa3xa121 44220yyxa3xa221 X/aINGLIS, 19132004年8月侯宪钦 济南大学材料学院61If x = a (point A), then local = 30 If the local stress reaches the theoretical strength, then the applied stress is 0 = th/3But with th E/10, we get: 0 =

19、E/30A more realistic situation is that of a sharper crack:2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院62Case 2 Sharper (elliptical) defect at fiber surfaceInglis result in this case is, at point A: c = crack length r = radius of curvature at A.021rclocalSo again, if , and c = 1 micron, and r = 20 , thenAnd thus: ltheoretica

20、local046ltheoretica460ltheoretica 0 = E/4602004年8月侯宪钦 济南大学材料学院63Therefore, defects are indeed a major source of material weaknessDefects are the major players for strengthGriffiths experiments and model are the historical basis of the fracture mechanics approach There is also a probabilistic approac

21、h to strength: why do we need it at all? 2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院642004年8月侯宪钦 济南大学材料学院652004年8月侯宪钦 济南大学材料学院66cEpc(2-21)2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院672004年8月侯宪钦 济南大学材料学院68Modes of Fracture which Operate on CracksMode IMode IIMode IIIa Tensile 掰开型Mode I is most often encountered.b Sliding错开型c Tearing撕开型2004年8月侯宪钦 济

22、南大学材料学院6921 Kcc这是实验规律，但能够说明断裂应力受材料中微裂纹的控制。(2-22)2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院70crackxycrackCrack tip stressxZryyxxxyyy2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院7123sin2sin12cos21rKxx23sin2sin12cos21rKyy23cos2sin2cos21rKxyK1为与外加应力、裂纹长度c、裂纹种类和受力状态有关的系数，应力场强度因子，其下标I表示裂纹扩展类型为I型；单位为21mPa (2-23)2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院72 ijijfrK210,cr rKyyxx2

23、1式中r为半径向量，为角坐标。当时，即为裂纹尖端处的一点，则：使裂纹扩展的主要动力是yy(2-24)(2-25)2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院73cYcrrKA2221（2-26）K1是反映裂纹尖端应力场强度的强度因子；Y为几何形状因子，它与裂纹类型、试件的几何形状有关。yy 就是式（2-9）中的2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院74对于三点弯曲试样，当S/W=4时，几何形状因子的计算式为：2/5 .14/07. 393. 1WcWcY43/8.25/07.25WcWc2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院75A critical value of K exists, simila

24、r to the value c, known as fracture toughness given by:cYcrrKA2221cKcYK11这就表明应力场强度因子小于或等于材料的平面应变断裂韧性时，材料的使用才是安全的。2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院76Irwin将裂纹扩展单位面积所降低的弹性应变能定义为应变能释放率或裂纹扩展动力，对于有内裂纹（长2c）的薄板，有（2-16）式：EcdcdWGe22EcGcc2cK1此为裂纹扩展的动力。如为临界状态，则有：对于有内裂纹的薄板，2-292-282004年8月侯宪钦 济南大学材料学院77221cccKEKGcc21EKGcc2121将

25、代入上式可得：2-30（平面应力状态）2-31（平面应变状态）2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院782cGEKc212112EKc2-32（平面应力状态）2-33（平面应变状态）K1c与材料本征参数E, , ,等物理量有直接关系，也是材料的本征物理量。反映具有裂纹的材料对于外界作用的一种抵抗能力，即阻止裂纹扩展的能力； K1c是材料的固有性质。2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院79WBP, SP/2P/2c3-Point Bend Specimen2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院80wcfWSBPYaKccc/2/31MPam1/22/92/72/52/32/1/7 .38/6

26、.37/8 .21/6 . 4/9 . 2/wcwcwcwcwcwcf其中Pc为临界载荷2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院812004年8月侯宪钦 济南大学材料学院82三大起源：微观结构中的缺陷 材料表面的机械损伤与化学腐蚀 热应力裂纹的快速扩展2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院83cEc212如果是平面应变状态，临界应力则表示为：可知：材料的强度受到材料的弹性模量、断裂表面能、和裂纹尺寸的控制，因此，如何提高材料的断裂表面能并控制裂纹的尺寸就是解决问题的关键。具体措施如下：（1） 微晶化、高密度 与高纯度（2）预加应力2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院842004年8月侯宪钦 济

27、南大学材料学院852004年8月侯宪钦 济南大学材料学院86stress at crack tipZrO2 (t) ZrO2 (m)Vol exp. = closing of crack PSZ: precipitates of tetragonal phase dispersed in a cubic matrix. 2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院87Alumina-zirconia composite (Gianni Nicoletto, Univ. Parma)2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院882004年8月侯宪钦 济南大学材料学院892004年8月侯宪钦 济南大学材料学

28、院902004年8月侯宪钦 济南大学材料学院912004年8月侯宪钦 济南大学材料学院922004年8月侯宪钦 济南大学材料学院932004年8月侯宪钦 济南大学材料学院94Abalone shell: bluni 鲍鱼CaCO3+ 3% organic material3000* stronger than calciteBettye L. Smith (UCSB)SEM2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院95cellulose-filaments in a matrix of lignin lignin 木质素 and hemicellulosegrowth rings form a l

29、ayered compositeperpendicular to the growth rings are radially oriented ribbon-like structures :rays which provide a redial stiffening and reinforcementWoodJuniperrus ashei wood2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院96fiberglasscarbon/epoxy laminates2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院97Haj Terminal Saudi Arabia fiberglass+ fluoropolym

30、erenAirplanes Weight! / reliability/ fatigueStratobel: Glaverbelglass+polyvinylbutyrol2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院98particles whiskers wires2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院99BSCCO/ Ag wireparticles whiskers wires2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1002004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1012004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1022004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1032004年8月侯宪钦 济南大学材料学院104

31、2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1052004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1062004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1072004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1082004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1092004年8月侯宪钦 济南大学材料学院110c fmm frrwherec composite densityfm matrix volume fraction (Vm/Vc)m matrix densityfr reinforcement volume fraction (Vf/Vc)r reinforcement density2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院111E

32、c fmEm frErEc composite elastic modulus (longitudinal)fm matrix volume fraction (Vm/Vc)Em matrix elastic modulusfr reinforcement volume fraction (Vf/Vc)Er reinforcement elastic modulus2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院112E cEmErfmEr frEmE c composite elastic modulus (transverse)fm matrix volume fraction (Vm/Vc)Em

33、matrix elastic modulusfr reinforcement volume fraction (Vf/Vc)Er reinforcement elastic modulus2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1132004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1142004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1152004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1162004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1172004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1182004年8月侯宪钦 济南大学材料学院119MaterialBrinell HardnessPure Aluminum15Pure Copper35

34、Mild Steel120304 Stainless Steel250Hardened Tool Steel650/700Hard Chromium Plate1000Chromium Carbide1200Tungsten Carbide1400Titanium Carbide2400Diamond8000Sand10002004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1202004年8月侯宪钦 济南大学材料学院12112345678910SoftestHardest2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1222004年8月侯宪钦 济南大学材料学院123The Rockwell hardness te

35、st method consists of indenting the test material with a diamond cone or hardened steel ball indenter. The indenter is forced into the test material under a preliminary minor load F0 (Fig. 1A) usually 10 kgf. When equilibrium has been reached, an indicating device, which follows the movements of the

36、 indenter and so responds to changes in depth of penetration of the indenter is set to a datum position. While the preliminary minor load is still applied an additional major load is applied with resulting increase in penetration (Fig. 1B). When equilibrium has again been reach, the additional major

37、 load is removed but the preliminary minor load is still maintained. Removal of the additional major load allows a partial recovery, so reducing the depth of penetration (Fig. 1C). The permanent increase in depth of penetration, resulting from the application and removal of the additional major load

38、 is used to calculate the Rockwell hardness number.Rockwell Hardness Test2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院124Fig. 1Rockwell PrincipleF0 = preliminary minor load in kgfF1 = additional major load in kgf F = total load in kgfe = permanent increase in depth of penetration due to major load F1 measured in units of 0.0

39、02 mmE = a constant depending on form of indenter: 100 units for diamond indenter, 130 units for steel ball indenterHR = Rockwell hardness numberD = diameter of steel ball2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1252004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1262004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1272004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1282004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1292004年8月侯宪钦 济南大学材料学院

40、1302004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1312004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1322004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1332004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1342004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1352004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1362004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1372004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1382004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1392004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1402004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1412004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1422004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1432004年8月侯宪钦

41、济南大学材料学院144nGIA Color Grade: Fancy Vivid yellowGIA Clarity Grade: VS2Weight: 101.29 caratsOwner: SIBA Corporation2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1452004年8月侯宪钦 济南大学材料学院146GIA Color Grade: Fancy redWeight: 5.11 caratsOwner: Moussaieff2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院147GIA Color Grade: Fancy Vivid pinkGIA Clarity Grade: Interna

42、lly FlawlessWeight: 59.60 caratsOwner: The Steinmetz Group2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院148GIA Color Grade: D (colorless)GIA Clarity Grade: FlawlessWeight: 203.04 caratsOwner: De Beers LV2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院149GIA Color Grade: Fancy Vivid blueGIA Clarity Grade: VS2Weight: 27.64 caratsOwner: Private Collector200

43、4年8月侯宪钦 济南大学材料学院150GIA Color Grade: Fancy Deep blue-greenWeight: 5.51 caratsOwner: Cora Diamond Corporation2004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1512004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1522004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1532004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1542004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1552004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1562004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1572004年8月侯宪钦 济南大学材料学院1582004年8月侯宪钦 济南大学材料学院159