【{‘担保 汇旺’}】固体的断裂

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[拼音]:guti de duanlie

[外文]:fracture of solids

固体在足够大的应力作用下,原子之间的结合就被破坏而断裂。材料在断裂之前,经历了大量范性形变叫延性断裂;反之,基本上没有或只有小范围范性形变则叫脆性断裂,在长期低交变负荷作用下引起的断裂则称为疲劳。

单晶的脆性断裂沿一定的解理面进行。不同晶体结构的解理面是不一样的;如体心立方结构的 Fe、W、Mo、Cr为(100),密集六角Zn、Be为(0001),六角Te为 10ī0,菱形体心Bi为(111),Sb为11ī,As为(111)、(110)等。多晶的晶间脆断则和其晶界上的脆化相或溶质原子的偏析有关。

利用原子间力和位移的关系估计出的完整晶体的断裂强度叫理论断裂强度,其数值对一般固体而言约为杨氏模量E的1/5~1/10。实际固体中往往存在的晶体缺陷及或长或短的巨集观微裂缝会引起形变、硬化和应力集中,从而大大降低材料的实际断裂强度。

固体的断裂主要经历裂缝的成核和传播两个过程。裂缝的核大部假定是刃型位错在应力作用下合并形成的。

1920年,A.A.格里菲思用裂缝传播所降低的弹效能恰好足以供给新裂开的表面能γs的条件汇出裂缝长度为2с的材料的断裂强度σc为

式中E为弹性模量,超过它,裂缝迅速传播导致断裂。

裂缝顶端产生的小范围范性形变对σc的升高起很大作用。E.奥罗万将上式中的γs 以γs+γp代替当作有效表面能以适合较一般的情形。γp表示裂缝扩张每单位面积的裂缝顶端范性功耗。它的数值往往大大超过γs ,有时甚至大到近103倍。γp的数值, 有人认为决定于裂缝顶端单位面积原子键合破坏之前该处范性弛豫中所产生的位错数目;另一些学者则认为决定于裂缝顶端位错的运动所消耗的能量。

工程断裂力学中的临界能量释放率Gc相当于2(γs+γp )。当固体是理想脆性时, Gc=2γs。γs则主要决定于固体表面的电子-声子过程。在一般情况下,由于γs

γp,Gc≈2γp。从绝对数值上看,γs似是可以忽略的。然而,γp 和γs 是相关的。其他结构条件一样时,γs越大,则γp 越大;所以,从相对变化的意义上看,γs又是一个不可忽视的因子。工程断裂力学中常用临界应力强度因子

来标志断裂韧度。式中 G10为G1的临界值;E┡=E,当处于平面应力状态下;

当处于平面应变状态下,v为泊松比。

固体的断裂性质和其他力学性质一样,通常是结构敏感的;巨集观结构、显微组织、晶体结构和缺陷以及电子-声子过程都有影响。具体过程的主导因素需要具体分析。固体物理则侧重在了解断裂性质和微观结构的关系,称做断裂物理。

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