WHY材料物理導(dǎo)論

材料物理導(dǎo)論1.3材料的斷裂與機(jī)械強(qiáng)度張萌傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想:σ許≤σs/n;使用應(yīng)力小于或等于許用應(yīng)力。隨著高強(qiáng)度材料的使用，尤其在經(jīng)過焊接的大型構(gòu)件中常

發(fā)生斷裂應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度的低應(yīng)力脆斷，如列車、輪船、橋梁和飛機(jī)等的意外事故。從大量災(zāi)難性事故分析中發(fā)現(xiàn)，這種低應(yīng)力脆性破壞主要是由宏觀尺寸的裂紋擴(kuò)展而引起的，這些裂紋源可能是因焊接質(zhì)量不高、內(nèi)部有夾雜或存在應(yīng)力集中等原因而引起的。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想沒有考慮實(shí)際材料不可避免存在宏觀裂紋的事實(shí)，顯然與工程結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況不相符合。材料物理導(dǎo)論1.3.1理論斷裂強(qiáng)度材料的理論結(jié)合強(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。如圖示，外應(yīng)力克服了原子之間的作用力，達(dá)到一個(gè)最大值，這一最大值即為理論斷裂強(qiáng)度σth

?！ぜ僭O(shè)用波長(zhǎng)為λ的正弦波來近似原子間約束力隨原子間距離x的變化：張萌材料物理導(dǎo)論推導(dǎo)（1）材料的斷裂是在拉應(yīng)力作用下，沿與拉應(yīng)力垂直的原子被拉開的過程。（1）在這一過程中，為使斷裂發(fā)生，必須提供足夠的能量以形成兩個(gè)新表面。如材料的單位表面能為γ，即外力作功消耗在斷口形成上的能量至少等于2γ。張萌材料物理導(dǎo)論推導(dǎo)（2）（2）材料在低應(yīng)力作用下應(yīng)該是彈性的，在這一條件下sinx≈x，同時(shí)，曲線開始部分近似為直線，服從虎克定律，有·

a為平衡狀態(tài)時(shí)原子間距，E為彈性模量，所以：可見理論結(jié)合(斷裂)強(qiáng)度只與彈性模量、表面能和晶格間距等材料常數(shù)有關(guān)。雖是粗略的估計(jì)，但對(duì)所有固體均能應(yīng)用而不涉及原子間的具體結(jié)合力。理論斷裂強(qiáng)度一般為材料彈性模量的1/20~1/10張萌材料物理導(dǎo)論1.3.2

Griffith斷裂理論材料的應(yīng)力---應(yīng)變圖實(shí)驗(yàn)表明：材料實(shí)際斷裂強(qiáng)度一般比理論結(jié)合強(qiáng)度低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，僅晶須或纖維材料具有接近于理論強(qiáng)度的實(shí)際強(qiáng)度。WHY?張萌材料物理導(dǎo)論Griffith在1921年從能量平衡的觀點(diǎn)出發(fā)，研究了陶瓷、玻璃等脆性材料的斷裂問題。Griffith假定在實(shí)際材料中存在著裂紋，當(dāng)名義應(yīng)力還很低時(shí)，裂紋尖端的局部應(yīng)力已達(dá)到很高的數(shù)值，從而使裂紋快速擴(kuò)展，并導(dǎo)致脆性斷裂。在此基礎(chǔ)上，提出了裂紋理論。裂紋并不是兩部分晶體同時(shí)沿整個(gè)界面斷開，而是裂紋擴(kuò)展的結(jié)果張萌材料物理導(dǎo)論1.3.3材料的裂紋斷裂理論·

根據(jù)彈性理論求出裂紋尖端應(yīng)力：·

因?yàn)橐话鉉>a,則σA>σ,即在裂紋尖端存在應(yīng)力集中效應(yīng)，當(dāng)

σA>σth時(shí)，裂紋就被拉開而擴(kuò)展，裂紋長(zhǎng)度C增大，導(dǎo)致σA更大，

如此惡性循環(huán)，材料很快斷裂。張萌材料物理導(dǎo)論裂紋的存在使得實(shí)際材料的斷裂強(qiáng)度低于理論結(jié)合強(qiáng)度由σA>σth，有

考慮到裂紋擴(kuò)展的臨界外加應(yīng)力σ=σf，由材料的斷裂強(qiáng)度：可知

σf

<

σth，即：裂紋的存在使得實(shí)際材料的斷裂強(qiáng)度σf低于理論結(jié)合強(qiáng)度σth張萌材料物理導(dǎo)論材料強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力：來自系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)存彈性能的釋放彈性應(yīng)變能的減小大于或等于斷裂時(shí)形成兩個(gè)新表面所需增加的表面能。Griffith從能量平衡的觀點(diǎn)出發(fā)，推導(dǎo)得出平面應(yīng)變狀態(tài)下的斷裂強(qiáng)度為：·可知，制備高強(qiáng)度材料的措施是：E和γ要大，而裂紋尺寸C要小。張萌材料物理導(dǎo)論由于同種材料中大尺寸材料比小尺寸材料包含的裂紋數(shù)目更多，使得大尺寸材料的斷裂強(qiáng)度較低，這就是材料強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)如果能控制裂紋長(zhǎng)度和原子間距在同一數(shù)量級(jí)，就可使材料達(dá)到理論強(qiáng)度張萌材料物理導(dǎo)論1.3.4材料的斷裂韌性我們用應(yīng)力強(qiáng)度因子K來作為衡量裂紋頂端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)烈程度的函數(shù)，K決定于應(yīng)力水平、裂紋尺寸和形狀對(duì)于Ⅰ型裂紋（外加拉應(yīng)力與裂紋面垂直，使裂紋張開，即為Ⅰ型或張開型），其應(yīng)力強(qiáng)度因子為KI隨著應(yīng)力σ或裂紋尺寸a的增大，KI因子不斷增大。當(dāng)KI

因子增大到臨界值KIC

時(shí)，裂紋開始失穩(wěn)擴(kuò)展，用KIC表示材料對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻力，稱為平面應(yīng)變斷裂韌性。張萌材料物理導(dǎo)論·

Irwin應(yīng)用彈性力學(xué)的應(yīng)力場(chǎng)理論，得出I型裂紋尖端的應(yīng)力σA為：·

又因，代入上式，有當(dāng) 時(shí)，所設(shè)計(jì)的構(gòu)件才安全，不致發(fā)生低應(yīng)力下的脆性斷裂所以：斷裂判據(jù)可表示為KI=KIC，該斷裂判據(jù)可以直接應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)，尤其對(duì)于大尺寸構(gòu)件很實(shí)用。張萌材料物理導(dǎo)論影響斷裂韌性KIC的因素張萌外因（板厚和實(shí)驗(yàn)條件）1）板厚

材料的斷裂韌性隨板材厚度或構(gòu)件截面尺寸的增加而減小，最終趨于一個(gè)穩(wěn)定的最低值，即平面應(yīng)變斷裂韌度KIC。隨板厚增加，應(yīng)力狀態(tài)變硬，試樣由平面應(yīng)力狀態(tài)向平面

應(yīng)變狀態(tài)過渡。下圖也示意表明了斷口形態(tài)的相應(yīng)變化。

在平面應(yīng)力條件時(shí)，形成斜斷口，相當(dāng)于薄板的斷裂情況；而在平面應(yīng)變條件下，變形約束充分大，形成平斷口，相

當(dāng)于厚板的情況；介于上述二者之間，形成混合斷口。材料物理導(dǎo)論試樣厚度對(duì)臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子和斷口形貌的影響張萌材料物理導(dǎo)論2）溫度·金屬材料斷裂韌性隨著溫度的降低，有一急劇降低的溫度范圍（一般在-200~200℃范圍），低于此溫度范圍，斷裂韌度保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平（下平臺(tái)）。3）應(yīng)變速率應(yīng)變速率對(duì)斷裂韌性的影響與溫度相似，增加應(yīng)變速率和降低溫度都增加材料的脆化傾向。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，應(yīng)變速率每提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，斷裂韌性將降低10%。。張萌材料物理導(dǎo)論內(nèi)因（材料因素）張萌晶粒尺寸晶粒愈細(xì)，晶界總面積愈大，裂紋頂端附近從產(chǎn)生一定尺寸的塑性區(qū)到裂紋擴(kuò)展所消耗的能量也愈大，因此KIC

也愈高。另外，前面已經(jīng)指出，細(xì)化晶粒還有強(qiáng)化作用并使冷脆轉(zhuǎn)變溫度降低。所以，一般來說，細(xì)化晶粒是使強(qiáng)度和韌性同時(shí)提高的有效手段。材料物理導(dǎo)論2）夾雜和第二相張萌夾雜和第二相對(duì)材料斷裂韌性的作用常與具體的材料體系及其工藝因素有關(guān)。因?yàn)椋簥A雜物往往偏析于晶界，導(dǎo)致晶界弱化，增大沿晶斷裂的傾向性，而在晶內(nèi)分布的夾雜物則常常起著缺陷源的作用。所有這些都使材料的KIC值下降。在陶瓷材料中，常利用第二相在基體中形成吸收裂紋擴(kuò)展能量的機(jī)制的設(shè)計(jì)，提高陶瓷材料的斷裂韌性。材料物理導(dǎo)論3）裂紋尺寸一般而言，斷裂韌性對(duì)材料中的裂紋尺寸不敏感，這一點(diǎn)與強(qiáng)度存在很大不同。強(qiáng)度是材料內(nèi)部最大缺陷所控制的材料性質(zhì)參數(shù)，對(duì)試件的形狀和尺寸相當(dāng)敏感。斷裂韌性是與試件內(nèi)裂紋尺度無關(guān)的材料特征參數(shù)。4）組織結(jié)構(gòu)不同的組織如馬氏體、貝氏體、奧氏體、珠光體等，其斷裂韌性也不一樣。張萌材料物理導(dǎo)論1.3.5提高陶瓷材料斷裂韌性的常用方法張萌陶瓷材料和金屬材料的抗拉屈服強(qiáng)度并不存在很大差異。而斷裂韌性KIC值比金屬小1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，對(duì)陶瓷材料而言，改善其斷裂韌性對(duì)陶瓷材料的應(yīng)用十分重要。常用提高陶瓷材料斷裂韌性的方法有以下幾種：材料物理導(dǎo)論1）氧化鋯相變?cè)鲰g張萌·當(dāng)材料受到外力作用時(shí)，裂紋擴(kuò)展到亞穩(wěn)的t-ZrO2粒子，裂紋尖端的應(yīng)力集中使基體對(duì)t-ZrO2的壓抑作用首先在裂紋尖端得到松弛，促發(fā)t-ZrO2→m-ZrO2的相變，產(chǎn)生體積膨脹形成相變區(qū)。由此產(chǎn)生的相變應(yīng)力又反作用于裂紋尖端，降低了裂紋尖端的應(yīng)力集中程度，發(fā)生所謂的鈍化反應(yīng)，減緩或完全抑制了裂紋的擴(kuò)展，從而提高斷裂韌性。圖示含有亞穩(wěn)t-ZrO2中裂紋擴(kuò)展時(shí)，其頂端附近，由應(yīng)力

應(yīng)變誘發(fā)t

→m相變的示意圖。材料物理導(dǎo)論裂紋頂端應(yīng)力誘發(fā)t

→m相變?cè)鲰g機(jī)理張萌材料物理導(dǎo)論2）微裂紋增韌張萌·

在陶瓷基體相和分散相之間，由于溫度變化引起的熱膨脹差或相變引起的體積差，會(huì)產(chǎn)生彌散均布

的微裂紋，當(dāng)導(dǎo)致斷裂的主裂紋擴(kuò)展時(shí)，這些均勻分布的微裂紋會(huì)促使主裂紋分叉，使主裂紋擴(kuò)展

路徑曲折前進(jìn)，增加了擴(kuò)展過程中的表面能，從

而使裂紋快速擴(kuò)展受到阻礙，增加了材料的韌性。材料物理導(dǎo)論微裂紋增韌示意圖張萌材料物理導(dǎo)論3）裂紋偏轉(zhuǎn)增韌機(jī)制張萌裂紋在擴(kuò)展過程中遇到晶界、第二相顆粒或殘余應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，將偏離原來運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生非平面型裂紋，稱之為裂紋偏轉(zhuǎn)。這時(shí)，裂紋平面在垂直于施加張應(yīng)力方向上重新取向。這種方向上的變化意味著裂紋擴(kuò)展路徑將被增長(zhǎng)，同時(shí)，由于裂紋平面不再垂直于張應(yīng)力方向而使得裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度降低，因而裂紋偏轉(zhuǎn)將增大材料的韌性。材料物理導(dǎo)論4）裂紋彎曲增韌機(jī)制張萌裂紋彎曲是由于裂紋障礙形成的。裂紋障礙是指由于基體相中存在斷裂能更大的第二相增強(qiáng)劑如顆粒、晶須時(shí)，裂紋在擴(kuò)展過程被其阻止的情況。而裂紋障礙的主要形式就是裂紋前沿的擴(kuò)展已越過第二障礙相而形成裂紋彎曲。和前面所討論的裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)制不同，裂紋彎曲是在障礙相的作用下產(chǎn)生非線性裂紋前沿。如圖所示，其中d為粒子間距。材料物理導(dǎo)論裂紋彎曲的線張力增韌模型張萌材料物理導(dǎo)論5）裂紋橋聯(lián)增韌機(jī)制張萌所謂橋聯(lián)增韌是指由增強(qiáng)元連接擴(kuò)展裂紋的兩表面形成裂紋閉合力而導(dǎo)致脆性基體材料增韌的方法。裂紋表面橋聯(lián)作用可以分為兩種形式，一種為剛性第二相導(dǎo)致裂紋橋聯(lián)，而另一種則是由韌性第二相導(dǎo)致裂紋橋聯(lián)。材料物理導(dǎo)論6）韌性相增韌張萌如果在陶瓷材料中分布著韌性相，韌性相會(huì)在裂紋擴(kuò)展中起附加吸收能量的作用。按能量平衡觀點(diǎn)，當(dāng)裂紋尖端附近韌性相出現(xiàn)較大范圍的塑性變形，就有不可逆的原子重排并以塑性功形式吸收可觀的變形能，使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展所需的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過生成新裂紋表面所需的凈熱力學(xué)表面能。同時(shí)，裂紋尖端高應(yīng)力區(qū)的屈服流動(dòng)使應(yīng)力集中得以部分消除，抑制了原先所能達(dá)到的臨界狀態(tài)，相應(yīng)地提高了材料的抗斷裂能力。材料物理導(dǎo)論7）纖維、晶須增韌張萌·

纖維或晶須具有高彈性和高強(qiáng)度，當(dāng)它作為第二相彌散于陶瓷基體構(gòu)成復(fù)合材料時(shí)，纖維或晶須能為

基體分擔(dān)大部分外加應(yīng)力而產(chǎn)生強(qiáng)化。當(dāng)有裂紋時(shí)，裂紋為避開纖維或晶須，沿著基體與纖維或晶須界

面?zhèn)鞑ィ沽鸭y擴(kuò)展途徑出現(xiàn)彎曲從而使斷裂能增加而增韌。材料物理導(dǎo)論在裂紋尖端附近由于應(yīng)力集中，纖維或晶須也可能從基體中拔出。拔出時(shí)以拔出功的形式消耗部分能量，同時(shí)在接近尖端后部，部分未拔出或末斷裂的纖維或晶須橋接上下裂紋面，降低應(yīng)力集中，提高韌性。在裂紋尖端，由于應(yīng)力集中可使基體和纖維或晶須間發(fā)生脫粘，脫粘大幅度降低裂紋尖端的應(yīng)力集中，使材料韌性提高?？刂评w維或晶須與基體之間保持適中的結(jié)合強(qiáng)度，使纖維或晶須既可承擔(dān)大部分的應(yīng)力，又能在斷裂過程中以“拔出功”等形式消耗能量，可獲得補(bǔ)強(qiáng)和增韌兩者的較佳配合。張萌材料物理導(dǎo)論8）表面殘余壓應(yīng)力增韌張萌陶瓷材料的強(qiáng)韌化，可以通過引入殘余壓應(yīng)力而增高。由于陶瓷斷裂往往起始于表面裂紋，而表面殘余壓應(yīng)力阻止了表面裂紋的擴(kuò)展，起到增韌作用。獲得這類殘余壓應(yīng)力的方法有：機(jī)械研磨，表面噴砂，利用機(jī)械應(yīng)力誘發(fā)表層t-m

相變等；采用化學(xué)方法，使近表面的t相質(zhì)點(diǎn)失穩(wěn)發(fā)生相變；(3)通過快速低溫處理，只使表面發(fā)生t-m相變。材料物理導(dǎo)論1.4

材料的疲勞及斷裂張萌疲勞的概念及現(xiàn)象：工程結(jié)構(gòu)在服役過程中，由于承受變動(dòng)載荷而導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展以至斷裂失效的全過程稱為疲勞。

統(tǒng)計(jì)分析顯示，在機(jī)械失效總數(shù)中，疲勞失效約占80%以上，如曲軸、連桿、齒輪、彈簧、軋輥等都是在變動(dòng)載荷下工作的。

疲勞斷裂，一般不發(fā)生明顯的塑性變形，難以檢測(cè)和預(yù)防，因而機(jī)件的疲勞斷裂會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)以至生命的損失。材料物理導(dǎo)論變動(dòng)載荷（應(yīng)力）和疲勞破壞特征張萌變動(dòng)載荷（應(yīng)力）是指載荷大小或大小和方向隨時(shí)間按一定規(guī)律呈周期性變化或無規(guī)則隨機(jī)變化的載荷，前者稱為周期變動(dòng)載荷（應(yīng)力）或循環(huán)載荷（應(yīng)力），后者稱為隨機(jī)變動(dòng)載荷。為簡(jiǎn)化討論，主要還是針對(duì)循環(huán)載荷（應(yīng)力）而言材料物理導(dǎo)論循環(huán)應(yīng)力的特征張萌材料物理導(dǎo)論疲勞的分類張萌按應(yīng)力狀態(tài)分類彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉壓、復(fù)合疲勞等。按環(huán)境和接觸情況分類大氣疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞、熱疲勞、接觸疲勞、沖擊疲勞等。按應(yīng)力大小和壽命分類

高周疲勞：壽命長(zhǎng)（105次以上），應(yīng)力水平小，也稱低應(yīng)力疲勞或應(yīng)力疲勞。

低周疲勞：壽命短（102~105次），應(yīng)力高，有塑性變形，也稱應(yīng)變疲勞。材料物理導(dǎo)論疲勞破壞特征和斷口張萌與靜載荷或一次沖擊載荷下的斷裂相比，疲勞斷裂有如下的特點(diǎn)：（1）低應(yīng)力循環(huán)延時(shí)斷裂，即有壽命的斷裂。斷裂應(yīng)力往往低于抗拉強(qiáng)度甚至屈服強(qiáng)度，且壽命與應(yīng)力大小有關(guān)。應(yīng)力高，則壽命短；應(yīng)力小，則壽命長(zhǎng)。（2）是脆性斷裂，斷裂時(shí)沒有發(fā)生塑性變形，是突發(fā)性的，無預(yù)兆。（3）對(duì)缺陷（缺口、裂紋及組織缺陷），尤其是表面缺陷十分敏感。裂紋往往從局部的破壞處開始。（4）清楚顯示裂紋的發(fā)生、擴(kuò)展和最后斷裂三個(gè)組成部分，即疲勞源＋疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)＋斷裂區(qū)。材料物理導(dǎo)論斷口特征：張萌保留了整個(gè)斷裂過程的痕跡，是研究疲勞過程和失效原因的重要方法。疲勞斷口，可分為三個(gè)典型的形貌區(qū)域：疲勞源：裂紋萌生的地方，常處于機(jī)件的表面或缺口、裂紋、刀痕、蝕坑等缺陷處，或機(jī)件截面尺寸不連續(xù)的區(qū)域（有應(yīng)力集中）。

當(dāng)材料內(nèi)部存在嚴(yán)重冶金缺陷（夾雜、縮孔、偏析、白點(diǎn)）時(shí)，因局部強(qiáng)度的降低，也會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生疲勞源。

形貌特點(diǎn)：光亮度大，擴(kuò)展速小，斷面不斷摩擦擠壓，且有加工硬化發(fā)生。材料物理導(dǎo)論（2）疲勞擴(kuò)展區(qū)：裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展所形成的。張萌特征：比較光滑并分布有貝紋線（海灘花樣），有時(shí)還有裂紋擴(kuò)展臺(tái)階。貝紋線：平行弧線，間距不同；在裂紋源附近，線條細(xì)密、擴(kuò)展較慢；在遠(yuǎn)離裂紋處，線條稀疏、擴(kuò)展較快。（3）瞬時(shí)斷裂區(qū)：裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展形成的。特征：表面粗糙；脆性材料為結(jié)晶狀，塑性材料為纖維區(qū)。材料物理導(dǎo)論典型疲勞斷口形貌張萌材料物理導(dǎo)論高周疲勞的S-N曲線和疲勞極限張萌疲勞試驗(yàn)大都是在控制應(yīng)力條件下進(jìn)行的，并以材料最大應(yīng)力σmax或者應(yīng)力振幅σa對(duì)循環(huán)壽命N的關(guān)系（即S-N曲線）和疲勞極限來表征材料的疲勞特性和指標(biāo)。S-N曲線：不同應(yīng)力幅S下的疲勞壽命N材料物理導(dǎo)論幾種金屬材料的S-N曲線張萌材料物理導(dǎo)論·

S-N曲線上的水平部分表明當(dāng)所加交變應(yīng)力降低到水平值時(shí)，試樣可承受無限次（107周次以上）應(yīng)力循環(huán)而不斷裂，因而將水平部分對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為疲勞極限σR。張萌實(shí)驗(yàn)中常以107周次為基礎(chǔ)，107周次不斷裂則看作無限次壽命不斷裂。對(duì)高強(qiáng)度鋼、不銹鋼和大多數(shù)非鐵金屬，如鈦合金、鋁合金以及鋼鐵材料在腐蝕介質(zhì)中，沒有水平部分，其特點(diǎn)是隨應(yīng)力降低循環(huán)周次不斷增大，不存在無限壽命。在這種情況下，常根據(jù)實(shí)際需要給出一定循環(huán)周次（108或5×107周次）所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，作為材料的“條件疲勞極限”，記作σR(N)。材料物理導(dǎo)論熱疲勞張萌當(dāng)材料受溫度循環(huán)變化時(shí)，因其自由膨脹和收縮受到約束而產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變，最終導(dǎo)致龜裂而破壞的現(xiàn)象稱為熱疲勞。熱疲勞，是熱應(yīng)力或熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力共同作用下引起的疲勞。產(chǎn)生的條件：溫度變化：材料的膨脹或收縮。機(jī)械約束：內(nèi)部或外部的約束。線膨脹系數(shù)不同。材料物理導(dǎo)論疲勞強(qiáng)度的影響因素和改善措施張萌·

影響因素加載條件

加載頻率:機(jī)器的開停機(jī)、轉(zhuǎn)速變化等；通常情況下，提高頻率可提高材料的疲勞強(qiáng)度。次載鍛煉（越接近疲勞強(qiáng)度，對(duì)提高疲勞壽命越好）；過載損傷。溫度：溫度升高，疲勞強(qiáng)度下降。2）表面狀態(tài)缺口：因應(yīng)力集中會(huì)降低材料的疲勞強(qiáng)度。表面粗糙度：越粗糙，材料的疲勞強(qiáng)度越低。材料物理導(dǎo)論3）表面強(qiáng)化張萌因疲勞裂紋大都在表面產(chǎn)生，因此提高表面強(qiáng)度，可阻止裂紋在表面產(chǎn)生，提高疲勞抗力。如噴丸、滾壓、表面熱處理或化學(xué)熱處理等。4）材料成分與組織夾雜物及缺陷，使疲勞強(qiáng)度降低。合金成分：強(qiáng)化材料，可提高材料的疲勞強(qiáng)度。組織：強(qiáng)度和韌性應(yīng)綜合考慮。材料物理導(dǎo)論聚合物的疲勞張萌聚合物的S-N曲線和疲勞極限（見后頁(yè)圖）Ⅰ區(qū)：高應(yīng)力區(qū)σa>σ銀紋引發(fā)銀紋→裂紋→擴(kuò)展→斷裂→疲勞壽命短，斷面呈鏡面；Ⅱ區(qū)：中應(yīng)力區(qū)σa≈1/2-1/4

σs或σb呈線性下降。引發(fā)銀紋→裂紋→擴(kuò)展→速度↓

Ⅲ區(qū):低應(yīng)力區(qū)σa難以引發(fā)銀紋，在交變應(yīng)力下，聚合物損傷積累及微觀結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生了微孔洞和微裂紋。S-N曲線接近于水平狀態(tài)。聚合物的疲勞強(qiáng)度σ-1隨分子量的增大而提高，但隨結(jié)晶度的增大而降低。材料物理導(dǎo)論聚苯乙烯拉-壓疲勞時(shí)的S-N曲線張萌材料物理導(dǎo)論·對(duì)低應(yīng)力下易產(chǎn)生銀紋的結(jié)晶態(tài)聚合物的疲勞過程，會(huì)出現(xiàn)以下現(xiàn)象：張萌常發(fā)生疲勞應(yīng)變軟化，而不出現(xiàn)應(yīng)變硬化。分子鏈間剪切滑移，分子鏈斷裂，晶體精細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。產(chǎn)生顯微孔洞(Micro

Void)。微孔洞復(fù)合成微裂紋，微裂紋擴(kuò)展成宏觀裂紋?！ひ话銊傂跃酆衔锏腟-N曲線并不出現(xiàn)圖示的三個(gè)階段，而是如下圖所示。材料物理導(dǎo)論幾種剛性聚合物的S-N曲線張萌材料物理導(dǎo)論聚合物的疲勞裂紋擴(kuò)展張萌疲勞過程：疲勞應(yīng)力引發(fā)銀紋→裂紋→擴(kuò)展→斷裂·

特點(diǎn)：雖符合Paris方程，但只出現(xiàn)一個(gè)階段（第二階段）·

斷口：1）疲勞輝紋；2）斑紋；疲勞裂紋不是連續(xù)的，而是呈跳躍式發(fā)展。材料物理導(dǎo)論陶瓷材料的疲勞張萌與金屬材料疲勞（在長(zhǎng)期交變應(yīng)力下，耐用應(yīng)力下降及破壞行為）相比,陶瓷疲勞含義更廣:一定載荷作用下，耐用應(yīng)力下降；靜態(tài)疲勞：同金屬疲勞；循環(huán)疲勞：恒定載荷速率加載，研究材料失效斷裂對(duì)加載速率的敏感。動(dòng)態(tài)疲勞：材料物理導(dǎo)論靜疲勞·通常用裂紋頂端的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI和裂紋擴(kuò)展速率V

的關(guān)系曲線表示。陶瓷材料的KI-V曲線張萌在區(qū)域I，裂紋開始擴(kuò)展，裂紋尖端的水蒸汽引起Si-O結(jié)合，這種應(yīng)力腐蝕速度控制了裂紋擴(kuò)展速度V。在區(qū)域Ⅱ，裂紋尖端水分的擴(kuò)散速度跟上了應(yīng)力腐蝕速度，擴(kuò)散速度控制了裂紋擴(kuò)展速度，所以裂紋擴(kuò)展速度變成了與KI無關(guān)的恒定值。在區(qū)域Ⅲ，腐蝕反應(yīng)時(shí)由于材料內(nèi)部缺陷等原因，使裂紋快速擴(kuò)展，最后當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子KI達(dá)到材料斷裂韌性KIC時(shí)，材料發(fā)生突然斷裂。材料物理導(dǎo)論循環(huán)應(yīng)力疲勞張萌陶瓷材料的疲勞與金屬材料疲勞有如下差別：陶瓷材料對(duì)交變載荷不敏感，疲勞裂紋擴(kuò)展速率強(qiáng)烈依賴于最大應(yīng)力強(qiáng)度因子(KImax)，而應(yīng)力強(qiáng)度因子幅(ΔKI)影響較小。陶瓷斷口中不易觀測(cè)到疲勞條紋。金屬中Paris公式中m值，一般在2～4的很窄范圍。陶瓷材料不存在真正的疲勞極限，只有條件疲勞極限，并且陶瓷中疲勞強(qiáng)度的分散性遠(yuǎn)大于金屬。金屬中的疲勞門檻值ΔKth<<KIC，ΔKth值通常只有KIC的5

％～15％。陶瓷材料ΔKth～KIC的范圍很窄，因此可進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍也很窄。材料物理導(dǎo)論第一章54

/77張萌1.5專題：材料的力學(xué)與顯微結(jié)構(gòu)納米陶瓷復(fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響：納米陶瓷材料根據(jù)彌散相的不同和基體尺寸為晶內(nèi)型、晶間型、晶向/晶間型和納米/納米型。陶瓷納米復(fù)合材料的室溫性能（如硬度、強(qiáng)度、斷裂韌性等）得到顯著改善。

納米復(fù)合材料在提高室溫力學(xué)性能的同時(shí)，也顯著的改善了高溫性能。相對(duì)而言，陶瓷納米材料在高溫力學(xué)性能方面的改進(jìn)更引人注目。材料物理導(dǎo)論第一章55

/77張萌微米陶瓷復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響：1.SiC晶須對(duì)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響：·

目前，國(guó)內(nèi)外采用SiC晶須增韌Al2O3已作了大量工作，

另外也有在SiCw/Al2O3中加入彌散粒子的方法，從而運(yùn)用晶須增韌與彌散增韌的協(xié)同手段，使Al2O3陶瓷的性能得到改善。另一方面，SiC晶須特性也直接影響著復(fù)合材料的力學(xué)性能許多研究都表明SiC完整的單晶含量與晶須表面物理狀態(tài)有密切關(guān)系。表面光滑的SiC晶須有利于拉撥效應(yīng)，而竹節(jié)狀或表面粗糙的晶須則會(huì)增加與基體的摩擦。材料物理導(dǎo)論第一章