无机材料断裂学习教案

1、无机材料无机材料(cilio)断裂断裂第一页，共46页。 虽然材料在短时间内可以承受给定的使用应力而不断裂，但如果负荷时间足够长，仍然(rngrn)会在较低应力下破坏，即材料断裂强度取决于时间。 裂纹除快速失稳扩展(kuzhn)外，还会在使用应力下，随时间的推移而缓慢扩展(kuzhn)。这种缓慢扩展(kuzhn)也叫亚临界生长，或称静态疲劳。 例如：同样材料负荷(fh)时间 t1t2t3 ，则 断裂强度 123材料中裂纹的亚临界生长材料中裂纹的亚临界生长第1页/共46页第二页，共46页。裂纹缓慢生长的本质 一、应力(yngl)腐蚀理论 实质：在一定的环境温度和应力(yngl)场强度因子作用下，

2、材料中关键裂纹尖端处,裂纹扩展动力与裂纹扩展阻力的比较，构成裂纹开裂或止裂的条件。这一理论的出发点是考虑材料长期(chngq)暴露在腐蚀性环境介质中。 例如玻璃的主成分是SiO2,陶瓷中也含各种硅酸盐和游离SiO2,如果环境中含水或水蒸气，特别是pH值大于8的碱溶液，由于毛细现象,含水或水蒸气进入裂纹尖端与SiO2发生(fshng)化学反应,引起裂纹的进一步扩展。第2页/共46页第三页，共46页。 在裂纹尖端处的离子键受到破坏，吸收了表面活性物质（H2O，OH以及极性液体或气体）使材料的自由(zyu)表面能降低，即裂纹的扩展阻力降低。 n 新开裂表面的断裂表面，因没来得及被介质腐蚀，其表面能仍

3、然大于裂纹扩展动力，裂纹立即(lj)止裂。如果接着下一个腐蚀-开裂循环，周而复始，形成宏观上的裂纹缓慢生长。n裂纹尖端处的高度应力集中导致(dozh)较大的裂纹扩展动力。水蒸气分压对应力腐蚀的影响做过系统的实验。Bradt认为一般陶瓷即使放置在真空环境中进行受力试验，也会观察到亚临界裂纹生长现象。他解释这种现象是由于陶瓷中存在气孔、微裂纹等先天性缺陷。在试验之前这些缺陷中预先就吸附了水蒸气、水溶液等介质，因此虽然在真空环境下受力，仍然存在应力腐蚀现象。第3页/共46页第四页，共46页。（3）由于裂纹(li wn)长度缓慢地增加，使得应力强度因子也缓慢增大，一旦达到KIC值，立即发生快速扩展而断

4、裂。第4页/共46页第五页，共46页。二、高温下裂纹尖端(jindun)的应力空腔作用1. 多晶多相陶瓷在高温下长期受力的作用时，晶界玻璃相的结构粘度下降，由于该处的应力集中，晶界处于甚高的局部拉应力状态，玻璃相则会发生蠕变或粘性流动，形变(xngbin)发生在气孔，夹层，晶界层，甚至结构缺陷中，形成空腔。2这些空腔沿晶界方向长大，联通形成次裂纹，与主要裂纹汇合(huh)就形成裂纹的缓慢扩展。裂纹缓慢生长的理论第5页/共46页第六页，共46页。 三、亚临界裂纹生长速率(sl)与应力场强度因子的关系 起始不同的KI，随时间的推移，会由于裂纹的不断增长而缓慢增大。 反映裂纹生长的速率(sl)dtd

5、cv v 随 的增大而变大K第6页/共46页第七页，共46页。裂纹生长的速率v 与KI的关系可表示为： 或者 c为裂纹的瞬时长度，A、B、n是由材料本质及环境条件(tiojin)决定的常数。 IlnBKAv+=vo为频率因子，Q*为断裂激活能，与作用应力无关，与环境和温度有关，n为常数，与应力集中状态下受到活化的区域(qy)的大小有关，R为气体常数，T为热力学温度。 上式用波尔兹曼因子表示为：RTnvKQvexp0第7页/共46页第八页，共46页。 第一(dy)区： lnv增加与KI成直线关系。 第二区： 表现为lnv不随KI变化。 第三区：lnv增加与KI成直线关系，但是曲线更陡。 裂纹生长

6、(shngzhng)的速率lnv 与KI的关系可表示为：第8页/共46页第九页，共46页。 第一区：随KI增加，Q* 将因环境影响而下降（因应力腐蚀），lnv增加与KI成直线关系。 第二区：原子及空位的扩散速度腐蚀介质扩散速度，使得新开裂(ki li)的裂纹端部没有腐蚀介质，Q*提高，抵消了KI增加对lnv的影响，表现为lnv不随KI变化。 第三区： Q* 增加到一定值时不再增加，这样，nKI- Q*将越来越大，lnv又迅速增加。 RTnvKQvexp0波尔兹曼因子波尔兹曼因子(ynz)第9页/共46页第十页，共46页。裂纹(li wn)缓慢生长的理论应力腐蚀理论 高温(gown)下裂纹尖端的

7、应力空腔作用亚临界(ln ji)裂纹生长速率与应力场强度因子的关系第10页/共46页第十一页，共46页。根据亚临界裂纹根据亚临界裂纹(li wn)扩展预测材料寿命扩展预测材料寿命:dtdcv=无机材料制品在实际使用温度下，经长期应力的作用，制品上受力区的最长裂纹将会有亚临界(ln ji)裂纹缓慢扩展，最后断裂。研究裂纹缓扩展的始终时间，可以预测制品的寿命。积分(jfn)得：Ci 为起始裂长度；CC为临界裂纹长度。将 dtdcv 第11页/共46页第十二页，共46页。(2)(2)/2222(2)cinnCICIinnnCaaKKdctAYCn AY由于n值比较大，例如钠钙硅酸盐玻璃(b l)的n

8、=1617，而且上式可计算(j sun)由起始裂纹状态，经受力后缓慢扩展直到临界裂纹长度所经历的时间，此即为制品受力的寿命。第12页/共46页第十三页，共46页。蠕变断裂(dun li)定义：多晶材料一般在高温环境中，在恒定应力作用下，由于形变不断增加而断裂(dun li)，称为蠕变断裂(dun li)。 主要的形变：晶界滑动 主要断裂(dun li)形式：沿晶界断裂(dun li) 第13页/共46页第十四页，共46页。蠕变断裂机理 粘性流动理论 高温下晶界玻璃相粘度降低，在剪应力作用下发生粘性流动，如果在晶界处应力集中使相邻晶粒发生塑性形变而滑移，则将使应力驰豫，宏观上表现为高温蠕变。如果

9、不能使邻近晶粒发生塑性形变，则应力集中将使晶界处产生裂纹(li wn)，这种裂纹(li wn)逐步扩展导致断裂。 空位聚集理论 在应力及热振动作用下，受拉的晶界上空位浓度大大增 加，空位大量聚集，形成可观的空腔并发展成微裂纹，这种微裂纹逐步扩展(kuzhn)联通导致断裂。第14页/共46页第十五页，共46页。蠕变断裂的影响因素 蠕变断裂取决于温度和外应力。温度越高应力越小，蠕变断裂所需时间(shjin)越长。 蠕变断裂是一种高温下，较低应力水平的亚临界裂纹扩展。第15页/共46页第十六页，共46页。一、晶粒尺寸(ch cun)晶粒越小，强度越高。显微结构对材料显微结构对材料(cilio)脆性断

10、裂的影响脆性断裂的影响第16页/共46页第十七页，共46页。一、晶粒尺寸晶粒越小，强度越高。断裂强度f 与晶粒直径d 的平方根成反比:式中， 和 为材料常数Hall-Petch关系式如果起始裂纹受晶粒限制，其尺度与晶粒度相当(xingdng),则脆性断裂与晶粒度的关系为:dKf21100K1dkf212显微结构对材料显微结构对材料(cilio)脆性断裂的影响脆性断裂的影响第17页/共46页第十八页，共46页。在许多金属中(主要是体心立方金属，包括钢、铁、铜、钼、铂、铝、钒等以及一些铜合金)屈服强度(qingd)和晶粒大小的关系满足上述关系式dkf212由于晶界比晶粒内部弱,所以多晶材料破坏多是

11、沿晶界断裂，细晶材料晶界比例(bl)大,沿晶界破坏时,裂纹的扩展要走迂回曲折的道路,晶粒愈细,此路程愈长。多晶材料中初始裂纹尺寸与晶粒尺寸相当,晶粒愈细,初始裂纹尺寸愈小,这样就提高了临界应力。如果起始裂纹受晶粒限制，其尺度(chd)与晶粒度相当,则脆性断裂与晶粒度的关系为:第18页/共46页第十九页，共46页。在常规的多晶体(晶粒尺寸大于l00nm)中，处于晶界核心(hxn)区域的原子数，只占总原于数的一个微不足道的分数(小于10-2)；但在纳米微晶材料中，晶界核心(hxn)区域的原于所占的分数可高达50在非晶界核心区域原于密度的明显下降，以及原子近邻配置情况的截然不同(ji rn b tn

12、g)，均将对性能产生显著影响。第19页/共46页第二十页，共46页。在纳米尺寸的晶粒范围内Hall-Petch关系是否成立引起了人们广泛的关注(gunzh)，有不少实验工作表明，该关系在低于100 nm的纳米晶中仍然有效。dKf2110但理论模拟的结果显示，存在一个临界尺寸dc。当晶粒的尺寸小于dc时，出现反Hall-Petch效应的现象(xinxing)，即强度随着晶粒尺寸的缩小反而降低，此时晶界附近的形变起了主导作用。模拟结果给出的金属的临界尺寸约在十几到二十纳米之间，例如Cu的临界尺寸19.3nm，Pa的dc11.2nm。细化的晶粒在提高多晶体强度的同时，也使其塑性与韧性得以提高。晶粒越

13、细，单位体积内晶粒越多，形变时同样的形变量便可分散到更多的晶粒中，产生较均匀(jnyn)的形变而不会造成局部应力过度集中，引起裂纹的过早产生与发展。在工业上，通过压力加工和热处理使金属获得细而均匀的晶粒，是提高金属材料力学性质的有效途径。Hall-Petch关系式第20页/共46页第二十一页，共46页。第21页/共46页第二十二页，共46页。二、气孔的影响(yngxing) 断裂强度与气孔率的P关系: n 为常数，一般为47； 为没有气孔时的强度。 气孔不仅减小了负荷面积，而且在气孔邻近区域应力集中，减弱了材料的负荷能力。0nPfexp0显微结构对材料显微结构对材料(cilio)脆性断裂的影响

14、脆性断裂的影响第22页/共46页第二十三页，共46页。当气孔率约为10时,强度将下降为没有气孔时的强度的一半(ybn),这样大小的气孔率在一般陶瓷中是常见的。nPfexp0断裂强度与气孔率的P关系(gun x):第23页/共46页第二十四页，共46页。edknPf2110 综合考虑(kol)晶粒尺寸和气孔率的影响 除气孔率外,气孔的形状及分布也很重要。通常气孔多存在于晶界上,这是特别有害的,它往往成为裂纹源。气孔除有有害的一面外,在特殊情况下也有有利的一面,就是当存在高的应力梯度时(例如有热震引起的应力),气孔能起到阻止裂纹扩展(kuzhn)的作用。显微结构对材料显微结构对材料(cilio)脆

15、性断裂的影响脆性断裂的影响第24页/共46页第二十五页，共46页。如杂质的存在,也会由于应力(yngl)集中而降低强度当存在弹性模量较低的第二相时也会使强度降低。其他影响其他影响(yngxing)材料强度的因素材料强度的因素显微结构对材料显微结构对材料(cilio)脆性断裂的影响脆性断裂的影响第25页/共46页第二十六页，共46页。第26页/共46页第二十七页，共46页。硬度是衡量材料软硬程度硬度是衡量材料软硬程度(chngd)(chngd)的一种力学性能。的一种力学性能。按加载方式压入法和刻划法。按加载方式压入法和刻划法。硬度值的物理意义随试验方法的不同其含义不同。硬度值的物理意义随试验方法

16、的不同其含义不同。压入法硬度值是材料表面抵抗另一物体局部压入时所压入法硬度值是材料表面抵抗另一物体局部压入时所引起的塑性变形能力；引起的塑性变形能力；刻划法硬度值表征刻划法硬度值表征(bio zhn)(bio zhn)材料表面对局部切断破坏材料表面对局部切断破坏的抗力。的抗力。因此一般认为硬度是指材料表面抵抗变形或破裂的能因此一般认为硬度是指材料表面抵抗变形或破裂的能力。力。第27页/共46页第二十八页，共46页。压入法压入法刻划法刻划法动载压入法动载压入法静载压入法静载压入法锤击式布氏硬度锤击式布氏硬度肖氏硬度肖氏硬度超声波硬度超声波硬度布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度显微硬度显微硬度维氏硬

17、度维氏硬度莫氏硬度顺序法莫氏硬度顺序法锉刀法锉刀法加载方式加载方式第28页/共46页第二十九页，共46页。第29页/共46页第三十页，共46页。表示(biosh)了洛氏硬度的测量原理第30页/共46页第三十一页，共46页。第31页/共46页第三十二页，共46页。h= hh= h1 1- h- h0 0主载荷(zi h)引起的塑性变形深度为:第32页/共46页第三十三页，共46页。第33页/共46页第三十四页，共46页。标度符号压头总载荷N(kg)表盘上刻度颜色常用硬度值范围应用举例HRA金刚石圆锥金刚石圆锥588.6(60)黑色7085碳化物、硬质合金、表面淬火钢等HRB1.588mm钢球98

18、1(100)红色25100软钢、退火钢、铜合金HRC金刚石圆锥金刚石圆锥1471.5(150)黑色2067淬火钢、调质钢等HRD金刚石圆锥981(100)黑色4077薄钢板、中等厚度的表面硬化工件HRE3.175mm钢球981(100)红色70100铸铁、铝、镁合金、轴承合金HRF1.588mm钢球588.6(60)红色40100薄板软钢、退火铜合金HRG1.588mm钢球1471.5(150)红色3194磷青铜、铍青铜HRH3.175mm钢球588.6(60)红色 铝、锌、铅表1.各种洛氏硬度值的符号(fho)及应用 第34页/共46页第三十五页，共46页。比较；比较；对粗大组织的金属不适用。对粗大组织的金属不适用。第35页/共46页第三十六页，共46页。维氏金刚石棱锥维氏金刚石棱锥(lngzhu)压头压头 第36页/共46页第三十七页，共4