材料强韧化(1)

第一讲 概论

人们为了提高材料的强度往往以损失韧性，引起脆化为代价。要有效提高材料的强度，必须同时增加强韧性。因此，材料的强韧化问题一直是结构材料研究和开发的主题。

材料的强韧化理论是20世纪末断裂力学理论及其应用发展的一个主要方向，无论是金属及其合金、精细结构陶瓷、结构高分子、高强混凝土、形状记忆合金和复合材料，还是其它新型结构材料，都涉及材料的变形与断裂、材料的强度和韧性、材料的疲劳等，这些都与材料的强韧化是密不可分的。

§1 材料的失效

一、失效的基本概念

1. 材料的失效：是指工程结构的部件在服役过程伤亡，使工程结构低效工

作或提前退役的现象。

2. 失效的原因：是由于材料的性能满足不了服役(或制造、试车、贮运)时的

力学、化学、热学等外界条件。

3. 失效的方式：变形、断裂、腐蚀、磨损、烧损

据1982年的统计，美国每年因材料腐蚀造成的直接经济损失约占国民经济年总产值的左右，为1260亿美元。材料断裂和磨损造成的损失分别为1190亿和1000亿美元。

腐蚀和磨损是“慢性病”，而断裂是“爆发性疾病”，最受人们重视。对其他结构材料来说，断裂也是陶瓷材料最主要的失效方式，高分子材料由于老化，也易脆断。对于功能材料，则物理性能的降级会引起失效，对功能材料也有断裂和腐蚀问题。

如1986年美国挑战者号航天飞机的爆炸，就是由于一个密封圈的老化，造成燃料氢的泄露而引起的。许多国内外飞机失事，也是由于材料的质量问题所致。泰坦尼克号的失事是低温引起材料焊接处脆断。

二、脆断的理解

在失效的几种方式中，以断裂失效所带来的危害最大，而断裂又分为延性断裂和脆性断裂，其中脆性断裂最具突然性，材料的脆断有以下几点共性： (1) 脆断时，结构的宏观应力一般都低于材料的屈服强度；

(2) 脆断从应力集中处开始，材料生产和机械制造过程中产生的缺陷，特别是缺口和裂纹，通常是脆断的发源地；

(3) 低温、厚截面和高应变速率，易于引起脆断。 断裂事故的发生，产生以下四方面效应： (1) 冲击了原有的设计思想； S??s ?max S为安全系数，一般为1.5~2，σmax为依据构件的几何形状和载荷所计算的最大应力。

疑问：传统的“强度设计”合理性？是否需辅以“韧性设计”？

“安全”系数从某种角度讲也是一种“无知”系数，它反映人们对于客观事物的了解程度，如应力分析是否与使用条件完全符合，施工过程引入的残余应力有多大，施工与设计的偏差等。采用其所长>1的值来弥补这些“无知”，从而获得“安全”设计。

考虑到高温、疲劳及腐蚀的作用，在设计时引入持久强度、疲劳极限及应力腐蚀断裂强度等性能，还考虑了多向受力，这些均为强度设计，而对塑性指标和韧性指标只依据经验提出要求，未用于设计计算。

(2) 对材料的断裂判据发生了怀疑；

疑问：宏观应力σ〈σs〈σb？应力状态、应变速度、环境温度对断裂有何影响？合理的断裂判据？

(3) 考核了工艺的适用性；

熔化焊接，不仅改变性能，还会引入残余应力、缺口、裂纹等，影响断裂。 (4) 深入理解了工作情况；

使用不当，如过载、划伤、冲击、过冷等，均促进脆断。

对于材料的断裂和其它失效，设计是主导，材料是基础，工艺是保证，使用是监护。

断裂的失效机理 主要因素 协助因素 失效机理 恒载 韧断及脆断 交变载荷 疲劳断裂 力学 化学、恒载 应力腐蚀断裂 化学、交变载荷 腐蚀疲劳断裂 热学(化学) 蠕变断裂、液态金属脆化

三、材料科学与工程的研发思路：

(1) 依据工程构件服役行为确定所需材料性能； (2) 依据性能要求，确定所需材料结构； (3) 制定材料生产工艺，获得所需材料结构； (4) 采用必要设备，保证工艺实施； 或反其道而行之的思路：

(5) 只有适当的设备才能保证工艺； (6) 只有通过工艺才能改变结构； (7) 结构决定性能；

(8) 材料的性能决定工程构件的行为。

§2 材料的力学性能

力学性能：是指材料在各种载荷(外力)作用下表现出来的抵抗能力。包 括强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。

金属、陶瓷和高分子材料具有不同的力学性能，主要是由其基本结构决定的。如金属和陶瓷的晶体结构、缺陷是理解其力学性能的核心概念；高分子材料的构形，交联与缠结起了关键作用。

一、金属与陶瓷的比较

1. 基本特征：

陶瓷——强度、硬度、弹性模量、耐磨性、耐热性高；

金属——塑性、韧性、可加工性、抗热震性、使用的可靠性高。 2. 弹性与弹性变形：

弹性：金属材料在外力作用下产生变形，当外力去掉后能恢复其原

来形状的能力。

弹性变形：随外力消失而消失的变形。

弹性变形的本质是外力作用下原子间距由平衡位置产生位移的结果。

弹性模量是固体原子间结合强度的标志之一(原子间距的微小变化所需外力的大小)，原子半径和离子半径越小，原子价越高，弹性模量和硬度就越大。

陶瓷材料与金属材料相比：

(1) 弹性模量大；

(2) 弹性模量随温度升高而降低；

(3) 压缩弹性模量高于拉伸弹性模量。(缺陷对拉应力敏感)

多数多晶金属材料，其弹性限度仅为0.2%，超过这个范围便发生塑性变形。原因在于金属中总有大量的位错存在，由于金属键使得位错滑移很容量发生，从而大大降低了其理论强度。

陶瓷材料的特征是硬而脆，即弹性模量很高(为金属的10倍)，但其变形量很小。原因在于以离子键或共价键结合，原子间作用力很强；此外，由于内部存在微观缺陷(如位错、空位、晶界和微裂纹)，也显著降低了理论强度，且键合的特点使其应力的释放以裂纹扩展为主，而非金属那样依靠位错滑移而进行。

3. 塑性：金属材料在外力作用下产生永久变形而不致引起破坏的性能。 塑性变形：在外力消失后留下来的不可恢复的变形。 室温下，绝大多数陶瓷不发生塑性变形，但在高温下，具有下列条件时，可显示超塑

性：晶粒细小(<1um)；晶粒是等轴晶；第二相弥散分布，能抑制高温下基体晶粒生长；晶粒间存在液相或无定形相。

4. 强度：材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。

以应变为横坐标，应力为纵坐标，直接反映出材料性能的应力——应变关系曲线，称为应力——应变图。 (1)比例极限σP=

PP， 应力与应变成比例关系的最大应力。 F0Pe， 由弹性变形过渡到弹—塑性变形的应力。 F0Ps，负荷不增加，甚至有所下降，试样还 F0P0.2，发生0.2%残余伸长的应力。 F0 (2)弹性极限σe=

(3)屈服极限：①屈服点σs=

继续发生明显变形的最小应力。 ②屈服强度σ

0.2=

(4)抗拉强度(强度极限) σb=

Pb，断裂前最大负荷的应力，表征材料 F0最大均匀变形的抗力，表征材料在拉伸条件下所能担负的最大负荷 的应力值。

(5)断裂强度σk=

Pk，材料拉断时的真实应力。 FK 金属材料以金属键结合，陶瓷材料以共价键和离子键结合，二者键合力不同，后者高于前者，且陶瓷的实际强度比理论强度低1~2个数量级，只有晶须和纤维的实际强度接近理论强度。陶瓷的屈服强度以σ0.2表示。

强度的测定：(1) 弯曲强度：三点弯曲或四点弯曲方法； (2) 抗拉强度：测定时技术上有一定难度，常用弯曲强度代替，

弯曲强度比抗拉强度高20~40%；

(3) 抗压强度：远大于抗拉强度，相差10倍左右，特别适合

于制造承受压缩载荷作用的零部件。

5. 硬度：材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力，是材料抵抗局部压力

而产生变形能力的表征。

金属材料的硬度是测表面的塑性变形程度，其硬度与强度有直接关系；陶

瓷材料的硬度测定时，压头压入区域会发生压缩剪断等复合破坏的伪塑性变形，其硬度与强度没有直接关系。(可间接测定断裂韧性)

二、断裂

1. 断裂：含裂纹体承载达到临界值时，致使裂纹失稳扩展，最终产生破坏

的现象。

2. 断裂的基本形式：延性断裂和脆性断裂。