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1、固體材料在力的作用下分成若干部分的現(xiàn)象稱為斷裂。材料的斷裂是力對材料作用的最終結(jié)束，它意味著材料的徹底失效。因材料斷裂而導(dǎo)致的機件失效與其他失效方式(如磨拙、腐蝕等)相比危害性最大，并且可能出現(xiàn)災(zāi)難性的后果。因此，研究材料斷裂的宏觀與微觀構(gòu)征、斷裂機理、斷裂的力學(xué)條件，以及影響材料斷裂的各種因素不僅具有重要的科學(xué)意義，而且也有很大的實用價值?！?-5材料的斷裂和強度一、斷裂的類型材料的斷裂過程大都包括裂紋的形成與擴展兩個階段。隨著材料溫度、應(yīng)力狀態(tài)、加載速度的不同，材料的斷裂表現(xiàn)出多種類型。按照不同的分類方法，將斷裂分為以下幾種：根據(jù)斷裂前
2、與斷裂過程中材料的宏觀塑性變形的程度脆性斷裂；韌性斷裂；按照晶體材料斷裂時裂紋擴展的途徑穿晶斷裂；沿晶斷裂；根據(jù)斷裂機理分類解理斷裂；剪切斷裂；根據(jù)斷裂面的取向分類正斷；切斷。1.金屬材料的韌性斷裂與脆性斷裂韌性斷裂（延性斷裂）是材料斷裂前及斷裂過程中產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂過程。韌性斷裂時一般裂紋擴展過程較慢，而且要消耗大量塑性變形能。韌性斷裂的斷口一般平行于最大切應(yīng)力，并與主應(yīng)力成45o角。用肉眼或放大鏡觀察時，往往呈暗灰色、纖維狀．纖維狀是塑性變形過程中，眾多微細(xì)裂紋的不斷擴展和相互連接造成的，而暗灰色則是纖維斷口表面對光的反射能力
3、很弱所致。脆性斷裂是材料斷裂前基本上不產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，沒有明顯預(yù)兆，往往表現(xiàn)為突然發(fā)生的快速斷裂過程，因而具有很大的危險性。脆性斷裂的斷口，一般與正應(yīng)力垂直，宏觀上比較齊平光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀．淬火鋼、灰鑄鐵、陶瓷、玻璃等脆性材料的斷裂過程及斷口常具有上述特征。2.高分子材料的脆性斷裂和韌性斷裂脆韌判據(jù)：斷裂面形貌σ-ε曲線斷裂伸長率或斷裂能試樣發(fā)生脆性斷裂或者韌性斷裂與材料組成有關(guān)，除此之外，同一材料是發(fā)生脆性斷裂還是韌性斷裂還與溫度、拉伸速率、試樣的幾何形狀以及所承受的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。注意二、斷裂強度強度是材料抵抗外力破壞的能
4、力。對于各種不同的破壞力，有不同的強度指標(biāo)：拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度、壓縮強度。一般材料的抗壓強度遠(yuǎn)大于抗拉強度，如陶瓷抗壓強度約為抗拉強度的10倍，所以強度的研究大都集中在抗拉強度上，也就是研究其最薄弱的環(huán)節(jié)。如2001年開始統(tǒng)一使用的拉伸強度：1.理論斷裂強度對于完整晶體材料，在外加正應(yīng)力作用下，將晶體中的兩個原子面沿垂直于外力方向拉斷所需的應(yīng)力就成為理論斷裂強度。材料強度是材料抵抗外力作用時表現(xiàn)出來的一種性質(zhì)。決定材料強度的最基本的因素是分子、原子（離子）之間結(jié)合力。結(jié)合力越高，則強度越高，相應(yīng)地彈性模量及熔點也越高。σa0mn以
5、三維晶體為例，一完整晶體在正應(yīng)力作用下沿某一原子面被拉斷時，推導(dǎo)其斷裂強度（稱為理論斷裂強度）可作簡單估計如下。（如圖所示）完整晶體拉斷示意圖，mn為斷裂面的跡線，a0表示原子面間距.晶體中的內(nèi)聚力與原子間距的關(guān)系.σa0mnσxa0σth設(shè)被mn解理面分開的兩半晶體原子層間距為a0，沿著拉力方向發(fā)生相對位移χ（即原子間的位移），則應(yīng)變x/aoX=0?為正弦曲線的波長σth為最大結(jié)合力，即理論斷裂強度當(dāng)x＝?/2時，σ?0，原子已基本分開。（2.1）（2.2）將材料拉斷時產(chǎn)生兩個新表面，使單位面積的原子平面分開所作的功等于產(chǎn)生兩個單位面積的
6、新表面所需的表面能時，材料才能斷裂。設(shè)材料形成新表面的表面能為γ(斷裂表面能)。在拉伸過程中，應(yīng)力所作的功就應(yīng)等于2γ。原子層間的應(yīng)力可近似用右面的函數(shù)表示：曲線下的面積就是應(yīng)力所作的功，因此當(dāng)x很小時,sinx?x（2.1）式可簡化為（2.3）此時應(yīng)力-應(yīng)變服從胡克定律（2.4）由（2.3）和(2.4)得（2.5）將（2.5）代入（2.2）得（2.6）例如鐵，γ≈2J/m2，E≈2×102Gpa，a≈2.5×10-10m求：鐵的最大斷裂強度σth解：根據(jù)(2.6)式得若用E的百分?jǐn)?shù)表示，則σth≈40GPa=E/5.a為晶格常數(shù)理論強度與
7、彈性模量、表面能、晶格間距等材料常數(shù)有關(guān)，要想得到高強度的固體，就要求E、?大，而a小通常g?0.01aE，因此一般材料的sth?30GPa=E/10，相當(dāng)高。材料實際斷裂強度一般比理論結(jié)合強度低幾個數(shù)量級（只有理論值的1/100～1/1000），這是由于存在缺陷、裂紋的結(jié)果。僅晶須或一些極細(xì)纖維材料具有接近于理論強度的實際強度。結(jié)論：三.格里菲斯（Griffith）裂紋理論為了解釋實際材料的斷裂強度和理論斷裂強度的差異，格里菲斯提出：①在外力作用下，材料中有微裂紋和缺陷存在引起應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時，裂紋就開始擴展而導(dǎo)致斷裂，即使
8、得斷裂強度大為下降。所以實際斷裂并不是兩相鄰原子面的分離，而是現(xiàn)成微裂紋擴展的結(jié)果。②對應(yīng)于一定尺寸的裂紋，有一臨界應(yīng)力值σC。當(dāng)外加應(yīng)力低于σC時，裂紋不能擴大；當(dāng)應(yīng)力超過σC
