材料物理性能第二章材料的脆性斷

1、材料物理性能第二章材料的脆性斷第1頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四蠕 變：隨時(shí)間而發(fā)生變形一 彈、粘、塑性形變彈性形變：剪應(yīng)力下彈性畸變可以恢復(fù)的形變塑性形變：晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)滑移不可恢復(fù)的 永久形變粘性形變：不可恢復(fù)永久形變第一節(jié) 脆性斷裂現(xiàn)象第2頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 在外力作用下，在高度應(yīng)力集中點(diǎn)（內(nèi)部和表面的缺陷和裂紋）附近單元。所受拉應(yīng)力為平均應(yīng)力的數(shù)倍。如果超過(guò)材料的臨界拉應(yīng)力值時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生裂紋或缺陷的擴(kuò)展，導(dǎo)致脆性斷裂。 因此，斷裂源往往出現(xiàn)在材料中應(yīng)力集中度很高的地方，并選擇這種地方的某一缺陷（或裂紋、傷痕）而開(kāi)裂。二 脆

2、性斷裂行為第3頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 裂紋的存在及其擴(kuò)展行為決定了材料抵抗斷裂的能力。在臨界狀態(tài)下，斷裂源處裂紋尖端的橫向拉應(yīng)力結(jié)合強(qiáng)度裂紋擴(kuò)展引起周圍應(yīng)力再分配裂紋的加速擴(kuò)展突發(fā)性斷裂。三突發(fā)性斷裂與裂紋緩慢生長(zhǎng)當(dāng)裂紋尖端處的橫向拉應(yīng)力尚不足以引起擴(kuò)展，但在 長(zhǎng)期受力情況下，會(huì)出現(xiàn)裂紋的緩慢生長(zhǎng)。第4頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 要推導(dǎo)材料的理論強(qiáng)度，應(yīng)從原子間的結(jié)合力入手，只有克服了原子間的結(jié)合力，材料才能斷裂。 Orowan提出了以正弦曲線來(lái)近似原子間約束力隨原子間的距離X的變化曲線（見(jiàn)圖2.1）。第二節(jié) 理論結(jié)合強(qiáng)度第5頁(yè)，

3、共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四得出：式中， 為理論結(jié)合強(qiáng)度， 為正弦曲線的波長(zhǎng)。設(shè)分開(kāi)單位面積原子平面所作的功為 ，則第6頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四設(shè)材料形成新表面的表面能為 （這里是斷裂表面能，不是自由表面能），則 ， 即在接近平衡位置O的區(qū)域，曲線可以用直線代替，服從虎克定律：第7頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 可見(jiàn)，理論結(jié)合強(qiáng)度只與彈性模量，表面能和晶格距離等材料常數(shù)有關(guān)。 通常， 約為 ，這樣， 為原子間距, 很小時(shí),因此，得：要得到高強(qiáng)度的固體，就要求 和 大， 小。第8頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日

4、，4點(diǎn)20分，星期四 1920年Griffith為了解釋玻璃的理論強(qiáng)度與實(shí)際強(qiáng)度的差異，提出了微裂紋理論，后來(lái)逐漸成為脆性斷裂的主要理論基礎(chǔ)。一 理論的提出 Griffith 認(rèn)為實(shí)際材料中總是存在許多細(xì)小的微裂紋或缺陷，在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，裂紋開(kāi)始擴(kuò)展,導(dǎo)致斷裂。第三節(jié) Griffith微裂紋理論第9頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 Inglis研究了具有孔洞的板的應(yīng)力集中問(wèn)題，得到結(jié)論：孔洞兩個(gè)端部的應(yīng)力幾乎取決于孔洞的長(zhǎng)度和端部的曲率半徑，而與孔洞的形狀無(wú)關(guān)。 Griffith根據(jù)彈性理論求得孔洞端部的應(yīng)力式中， 為外加應(yīng)力。第10

5、頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 如果 ，即為扁平的銳裂紋，則 很大，這時(shí)可略去式中括號(hào)內(nèi)的1，得： 當(dāng) , 裂紋擴(kuò)展， 增大 增加斷裂 。 第11頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四1. Inglis只考慮了裂紋端部一點(diǎn)的應(yīng)力，實(shí)際上裂 紋端部的應(yīng)力狀態(tài)很復(fù)雜。2. Griffith從能量的角度研究裂紋擴(kuò)展的條件：物體 內(nèi)儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能的降低大于等于由于開(kāi)裂形 成兩個(gè)新表面所需的表面能。即物體內(nèi)儲(chǔ)存的彈 性應(yīng)變能的降低（或釋放）就是裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力。二 裂紋擴(kuò)展的臨界條件第12頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四我們用圖2.3來(lái)

6、說(shuō)明這一概念并導(dǎo)出這一臨界條件:第13頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四a.將一單位厚度的薄板拉長(zhǎng)到 ，此時(shí)板中儲(chǔ)存 的彈性應(yīng)變能為: b.人為地在板上割出一條長(zhǎng)度為2c的裂紋，產(chǎn)生兩 個(gè)新表面，此時(shí)，板內(nèi)儲(chǔ)存的應(yīng)變能為:第14頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 d.欲使裂紋擴(kuò)展，應(yīng)變能降低的數(shù)量應(yīng)等于形成新 表面所需的表面能。 由彈性理論，人為割開(kāi)長(zhǎng) 2c 的裂紋時(shí)，平面應(yīng)力 狀態(tài)下應(yīng)變能的降低為： c. 應(yīng)變能降低第15頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 如為厚板，則屬于平面應(yīng)變狀態(tài)，則，產(chǎn)生長(zhǎng)度為 2c，厚度為 1 的兩個(gè)

7、新斷面所需的表面能為：式中 為單位面積上的斷裂表面能，單位為 。第16頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，單位面積所釋放的能量為 ，形成新的單位表面積所需的表面能為 ，因此， 當(dāng) 時(shí)，為穩(wěn)定狀態(tài)，裂紋不會(huì)擴(kuò)展； 當(dāng) 時(shí)，裂紋失穩(wěn)，擴(kuò)展;第17頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四當(dāng) = 時(shí)，為臨界狀態(tài)。又因?yàn)?=因此，臨界條件為：臨界應(yīng)力：第18頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 Griffith采用鈉鈣玻璃制成的薄壁圓管作了實(shí)驗(yàn)研究，Griffith的微裂紋理論能說(shuō)明脆性斷裂的本質(zhì)微裂紋擴(kuò)展。 對(duì)于塑性材料，Gri

8、ffith公式不再適用，因?yàn)樗苄圆牧显谖⒘鸭y擴(kuò)展過(guò)程中裂紋尖端的局部區(qū)域要發(fā)生不可忽略的塑性形變，需要不斷消耗能量，如果不能供給所需要的足夠的外部能量，裂紋擴(kuò)展將會(huì)停止。 如果是平面應(yīng)變狀態(tài)，第19頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 因此，在討論能量平衡時(shí)，必須考慮裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中由于塑性變形所引起的能量消耗，有時(shí)這種能量消耗要比所需要的表面能大很多（幾個(gè)數(shù)量級(jí)）。第20頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四一 裂紋擴(kuò)展方式 從上世紀(jì)四十年代開(kāi)始，不少學(xué)者基于彈性理論討論裂紋頂端附近應(yīng)力分布問(wèn)題。一般分為三種重要加載類型。 裂紋的三種擴(kuò)展方式或類型 型（

9、掰開(kāi)型）張開(kāi)或拉伸型，裂紋表面直接分開(kāi)。第四節(jié) 應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子和平面應(yīng)變斷裂韌性第21頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 型（錯(cuò)開(kāi)型）滑開(kāi)或面內(nèi)剪切型，兩個(gè)裂紋表面在垂直于裂紋前緣的方向上相對(duì)滑動(dòng)。 型（撕開(kāi)型）外剪切型，兩個(gè)裂紋表面在平行于裂紋前緣的方向上相對(duì)滑動(dòng)。 裂紋長(zhǎng)度與斷裂應(yīng)力的關(guān)系： k 是與材料、試件尺寸、形狀、受力狀態(tài)等有關(guān)的系數(shù).第22頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四第23頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四第24頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四二 裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)分布 1957年lrwi

10、n應(yīng)用彈性力學(xué)的應(yīng)力場(chǎng)理論對(duì)裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析，對(duì)型裂紋得到如下結(jié)果（圖2.6）。第25頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 式中 與外加應(yīng)力，裂紋長(zhǎng)度，裂紋種類和受力 狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)，稱為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子。單位為 第26頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 上式可寫(xiě)成 式中 r 為半徑向量，q 為角坐標(biāo)。 當(dāng) r c ， q0 時(shí)，即為裂紋尖端處的一點(diǎn)。 是裂紋擴(kuò)展的主要?jiǎng)恿Φ?7頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四三. 應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子及幾何形狀因子 為幾何形狀因子，它和裂紋型式，試件幾何形狀有關(guān)。是反映裂紋間斷應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度

11、的強(qiáng)度因子,第28頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子有如下的特性：a)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子僅與荷載與裂紋幾何尺寸有關(guān)，而與坐標(biāo)無(wú)關(guān)。b)裂紋頂端附近的應(yīng)力和位移分布，完全由應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子來(lái)確定。c)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子是裂紋頂端應(yīng)力場(chǎng)大小的比例因子，因?yàn)閼?yīng)力分量正比于應(yīng)力強(qiáng)度因子。第29頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 求 的關(guān)鍵在于求Y： 大而薄的板，中心穿透裂紋， 大而薄的板，邊緣穿透裂紋， 三點(diǎn)彎曲切口梁： s/w=4 時(shí) 第30頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四圖2.7列舉出幾種情況下的Y值:第31頁(yè)，共72頁(yè)，2

12、022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 四 臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子及斷裂韌性 反映了裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)度，是決 定彈性材料中裂紋行為的重要力學(xué)參數(shù)。1根據(jù)經(jīng)典強(qiáng)度理論，在設(shè)計(jì)構(gòu)件時(shí)，斷裂準(zhǔn)則是 ，允許應(yīng)力 或 , 為斷裂強(qiáng)度； 為屈服強(qiáng)度；n為安全系數(shù)。 這種設(shè)計(jì)方法和選材的準(zhǔn)則沒(méi)有反映斷裂的本質(zhì)。第32頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四2按斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)，裂紋是否擴(kuò)展取決于應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的大小，當(dāng)K值達(dá)到某一極限值時(shí)，裂紋就擴(kuò)展，即構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂的條件： 極限值 稱為斷裂韌性，它是反映材料抗斷性能的參數(shù)。 因此，應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子小于或等于材料的平面應(yīng)變斷裂韌性，即 : ，

13、所設(shè)計(jì)的構(gòu)件才是安全的，這一判據(jù)考慮了裂紋尺寸。第33頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四五裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力和阻力 1裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力 Irwin將裂紋擴(kuò)展單位面積所降低的彈性應(yīng)變定義為應(yīng)變能釋放率或裂紋擴(kuò)展力。 對(duì)于有內(nèi)裂紋 的薄板： 其中 G為裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力。 對(duì)于有內(nèi)裂的薄板：第34頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四臨界狀態(tài)： （平面應(yīng)力狀態(tài)） （平面應(yīng)變狀態(tài)）2裂紋擴(kuò)展的阻力 對(duì)于脆性材料 ， 由此得 （平面應(yīng)力狀態(tài)） 第35頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 （平面應(yīng)變狀態(tài)） 與材料本征參數(shù) 等物理量有關(guān)，它 反映了具有裂紋

14、的材料對(duì)外界作用的一種抵抗能力，也可以說(shuō)是阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是材料的固有性質(zhì)。第36頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四一、 裂紋的起源1 形成原因 由于晶體微觀結(jié)構(gòu)中存在缺陷，當(dāng)受到外力作用時(shí)，在這些缺陷處就會(huì)引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋成核。如：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)中的塞積，位錯(cuò)組合，交截等。 如圖2.8第五節(jié) 裂紋的起源與快速擴(kuò)展第37頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四第38頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 材料表面的機(jī)械損傷與化學(xué)腐蝕形成表面裂紋。這種表面裂紋最危險(xiǎn)，裂紋的擴(kuò)展常常由表面裂紋開(kāi)始。 由于熱應(yīng)力形成裂紋 晶粒在材料內(nèi)部取向

15、不同，熱膨脹系數(shù) 不同，在晶界或相界出現(xiàn) 應(yīng)力集中。 高溫迅速冷卻，內(nèi)外溫度差引起熱應(yīng)力。 溫度變化發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，體積發(fā)生變化。第39頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四第40頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 二、裂紋的快速擴(kuò)展 按照Griffith微裂紋理論，材料的斷裂強(qiáng)度不是取決于裂紋的數(shù)量，而是決定于裂紋的大小。1由臨界裂紋尺寸決定材料的斷裂強(qiáng)度 裂紋擴(kuò)展力： 若 c 增加，則 G 變大，而 是常數(shù)。 當(dāng) C C臨界 ， 2g 時(shí)，裂紋擴(kuò)展 ,材料斷裂第41頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四2G 的增大，釋放出多余的能量，

16、一方面使裂紋擴(kuò)展加速，另一方面能使裂紋增殖，產(chǎn)生分支，形成更多的新表面?；蛘呤箶嗔衙嫘纬蓮?fù)雜的形狀，如條紋、波紋、梳刷紋等。 三、 防止裂紋擴(kuò)展的措施1使作用應(yīng)力不超過(guò)臨界應(yīng)力，裂紋就不會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展。第42頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四2在材料中設(shè)置吸收能量的機(jī)構(gòu)阻止裂紋擴(kuò)展。 陶瓷材料中加入塑性粒子或纖維。 人為地造成大量極微細(xì)的裂紋（小于臨界尺寸）能吸收能量，阻止裂紋擴(kuò)展。 如韌性陶瓷，在氧化鋁中加入氧化鋯。利用氧化鋯的相變產(chǎn)生體積變,形成大量微裂紋或擠壓內(nèi)應(yīng)力，提高材料的韌性。第43頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 雖然材料在短時(shí)間內(nèi)可以承

17、受給定的使用應(yīng)力而不斷裂，但如果負(fù)荷時(shí)間足夠長(zhǎng)，仍然會(huì)在較低應(yīng)力下破壞，即材料斷裂強(qiáng)度取決于時(shí)間。 裂紋除快速失穩(wěn)擴(kuò)展外，還會(huì)在使用應(yīng)力下，隨時(shí)間的推移而緩慢擴(kuò)展。這種緩慢擴(kuò)展也叫亞臨界生長(zhǎng)，或稱靜態(tài)疲勞。 例如：同樣材料負(fù)荷時(shí)間 t1t2t3 ，則 斷裂強(qiáng)度 第六節(jié) 材料中裂紋的亞臨界生長(zhǎng)第44頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四下面介紹裂紋緩慢生長(zhǎng)的本質(zhì)。一、應(yīng)力腐蝕理論 實(shí)質(zhì)：在一定的環(huán)境溫度和應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子作用下，材料中關(guān)鍵裂紋尖端處裂紋擴(kuò)展動(dòng)力與裂紋擴(kuò)展阻力的比較，構(gòu)成裂紋開(kāi)裂或止裂的條件。第45頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 這一理論的

18、出發(fā)點(diǎn)是考慮材料長(zhǎng)期暴露在腐蝕性環(huán)境介質(zhì)中。 裂紋尖端處的高度應(yīng)力集中導(dǎo)致較大的裂紋擴(kuò)展動(dòng)力。 在裂紋尖端處的離子鍵受到破壞，吸收了表面活性物質(zhì)（H2O，OH以及極性液體或氣體）使材料的自由表面能降低，即裂紋的擴(kuò)展阻力降低。第46頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 新開(kāi)裂表面的斷裂表面，因沒(méi)來(lái)得及 被介質(zhì)腐蝕，其表面能仍然大于裂紋 擴(kuò)展動(dòng)力，裂紋立即止裂。 周而復(fù)始，形成宏觀上的裂紋緩慢生 長(zhǎng)。 由于裂紋長(zhǎng)度緩慢地增加，使得應(yīng)力 強(qiáng)度因子也緩慢增大，一旦達(dá)到 值，立即發(fā)生快速擴(kuò)展而斷裂。第47頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四二、高溫下裂紋尖端的應(yīng)力

19、空腔作用 1. 多晶多相陶瓷在高溫下長(zhǎng)期受力的作用時(shí)，晶界玻璃相的結(jié)構(gòu)粘度下降，由于該處的應(yīng)力集中，晶界處于甚高的局部拉應(yīng)力狀態(tài)，玻璃相則會(huì)發(fā)生蠕變或粘性流動(dòng)，形變發(fā)生在氣孔，夾層，晶界層，甚至結(jié)構(gòu)缺陷中，形成空腔。第48頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四第49頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 2這些空腔沿晶界方向長(zhǎng)大，聯(lián)通形成次裂紋，與主要裂紋匯合就形成裂紋的緩慢擴(kuò)展。 三、亞臨界裂紋生長(zhǎng)速率與應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因 子的關(guān)系 起始不同的 ，隨時(shí)間的推移，會(huì)由于裂紋的不斷增長(zhǎng)而緩慢增大。 反映裂紋生長(zhǎng)的速率，第50頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)

20、20分，星期四 v 隨 的增大而變大，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)，v 與 的關(guān)系可表示為： 或者 式中 : c為裂紋的瞬時(shí)長(zhǎng)度，A、B 是由材料本質(zhì)及環(huán)境條件決定的常數(shù)。 lnv 與 的關(guān)系如圖2.11 所示。第51頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四第52頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 上式用波爾茲曼因子表示為： 式中: 為頻率因子， 為斷裂激活能，與作用應(yīng)力無(wú)關(guān)，與環(huán)境和溫度有關(guān)， n為常數(shù)，與應(yīng)力集中狀態(tài)下受到活化的區(qū)域的大小有關(guān)， R為氣體常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。第53頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 第一區(qū)：隨 增加， 將因環(huán)境影響

21、而下降（因應(yīng)力腐蝕），lnv增加與 成直線關(guān)系。 第二區(qū)：原子及空位的擴(kuò)散速度腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散速度，使得新開(kāi)裂的裂紋端部沒(méi)有腐蝕介質(zhì)， 提高，抵消了 增加對(duì)lnv 的影響，表現(xiàn)為lnv不 隨變化。 第三區(qū)： 增加到一定值時(shí)不再增加，這樣， 將越來(lái)越大，lnv又迅速增加。第54頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 大多數(shù)氧化物陶瓷由于含有堿性硅酸鹽玻璃相，通常有疲勞現(xiàn)象。疲勞過(guò)程受加載速率的影響。加載速率越慢，裂紋緩慢擴(kuò)展的時(shí)間較長(zhǎng)，在較低的應(yīng)力下就能達(dá)到臨界尺寸。第55頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 四、 蠕變斷裂1. 定義：多晶材料一般在高溫環(huán)境中，

22、在恒定應(yīng)力作用下，由于形變不斷增加而斷裂，稱為蠕變斷裂。 主要的形變：晶界滑動(dòng) 主要斷裂形式：沿晶界斷裂 第56頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 2 機(jī)理 粘性流動(dòng)理論 高溫下晶界玻璃相粘度降低，在剪應(yīng)力作用下發(fā)生粘性流動(dòng)，如果在晶界處應(yīng)力集中使相鄰晶粒發(fā)生塑性形變而滑移，則將使應(yīng)力馳豫，宏觀上表現(xiàn)為高溫蠕變。如果不能使鄰近晶粒發(fā)生塑性形變，則應(yīng)力集中將使晶界處產(chǎn)生裂紋，這種裂紋逐步擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂。第57頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 空位聚集理論 在應(yīng)力及熱振動(dòng)作用下，受拉的晶界上空位濃度大大增加，空位大量聚集，形成可觀的真空空腔并發(fā)展成微裂紋

23、，這種微裂紋逐步擴(kuò)展聯(lián)通導(dǎo)致斷裂。 3.蠕變斷裂取決于溫度和外應(yīng)力。溫度越高應(yīng)力越小，蠕變斷裂所需時(shí)間越長(zhǎng)。 蠕變斷裂是一種高溫下，較低應(yīng)力水平的亞臨界裂紋擴(kuò)展。第58頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四一、晶粒尺寸 大量試驗(yàn)證明：晶粒越小，強(qiáng)度越高。斷裂強(qiáng)度 與晶粒直徑 d 的平方根成反比:式中， 和 為材料常數(shù) 如果起始裂紋受晶粒限制，其尺度與晶粒度相當(dāng),則脆性斷裂與晶粒度的關(guān)系為:第七節(jié) 顯微結(jié)構(gòu)對(duì)材料脆性斷裂的影響第59頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四1多晶材料中，由于晶界比晶粒內(nèi)部弱，破壞多沿晶界斷裂。2細(xì)晶材料的晶界比例大，沿晶界破壞時(shí)，

24、裂紋的擴(kuò)展要走迂回曲折的道路，晶粒越細(xì)，此路程越長(zhǎng)。3若初始裂紋尺寸與晶粒度相當(dāng)，晶粒越細(xì)，初始裂紋尺寸就越小，這樣就提高了臨界應(yīng)力。第60頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 二、氣孔的影響 斷裂強(qiáng)度與氣孔率的P關(guān)系: n 為常數(shù)，一般為47； 為沒(méi)有氣孔時(shí) 的強(qiáng)度。1氣孔不僅減小了負(fù)荷面積，而且在氣孔鄰近區(qū)域應(yīng)力集中，減弱了材料的負(fù)荷能力。第61頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四2在高應(yīng)力梯度時(shí)，氣孔能容納變形，阻止裂紋擴(kuò)展的作用。 綜合考慮晶粒尺寸和氣孔率的影響 第62頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 材料強(qiáng)度的本質(zhì)是內(nèi)部

25、質(zhì)點(diǎn)間的結(jié)合力，從對(duì)材料的形變及斷裂的分析可知，在晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的情況下，控制強(qiáng)度的主要參數(shù)有三個(gè)，即彈性模量E，斷裂功（斷裂表面能）g 和裂紋尺寸C。其中E是非結(jié)構(gòu)敏感的， g 與微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，但影響不大。唯一可以控制的是材料中的微裂紋，因此，提高無(wú)機(jī)材料強(qiáng)度，改進(jìn)材料韌性，從消除缺陷和阻止其發(fā)展著手。第八節(jié) 提高無(wú)機(jī)材料強(qiáng)度改進(jìn)材料韌性的途徑第63頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四一、 微晶、高密度與高純度 提高晶體的完整性，細(xì)、密、勻、純是重要方面。 纖維材料：將塊體材料制成細(xì)纖維，強(qiáng)度大約提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。 晶須：將塊體材料制成晶須，強(qiáng)度約提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。原因是提高了晶體的完整性， 晶須強(qiáng)度隨晶須截面直徑的增加而降低。第64頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四二、提高抗裂能力與預(yù)加應(yīng)力 脆性斷裂通常是在拉應(yīng)力作用下，自表面開(kāi)始斷裂。如果在表面造成一層殘余壓應(yīng)力層，則在材料使用過(guò)程中，表面受到拉伸破壞之前首先要克服表面上殘余壓應(yīng)力。第65頁(yè)，共72頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)20分，星期四 通過(guò)加熱