无机材料的脆性断裂与强度.ppt

1、无机材料的脆断和强度、3.2理论强度、无机材料的压缩强度远大于抗张强度，压缩强度约为抗张强度的10倍，因此强度研究大部分集中在抗张强度上。为了推导理论强度：必须从原子间的结合力开始。克服原子间的结合力才能使材料断裂。A:晶格常数、杨氏模量E、表面能、晶格间距等与材质常数相关。应力集中和低应力破坏：根据Inglis分析，椭圆通过孔时孔末端的应力，3.3 Griffith微裂纹理论，Inglis仅考虑裂纹末端的应力，但实际上裂纹末端的应力状态很复杂。Griffith从能量角度研究裂纹扩展条件。也就是说，存储在物体上的弹性变形能量的减少大于因裂缝而形成两个新表面所需的表面能量。相反，如果前者小于后者

2、，则裂纹不会扩展。Griffith推出的临界应力在平面应力状态下如何准备高强度材料？E，GS必须大，裂纹尺寸小。尽可能接近原子间距。orowan=inglis=Griffith，3.4应力场强度系数和平面应变破坏韧性，1820年代，提出了Griffith理论后，从破坏动力学的角度，提出了材料特性新特性化的临界平面应变破坏韧性也是材料常数。从破坏方式中断开始，牙齿判定为K小于或等于材料的K1C，可以表明设计的构件安全。过程中考虑了裂纹大小的影响。破坏韧性，Irwin将裂纹扩展单位面积减少的弹性变形能量定义为裂纹扩展功率，形成新表面所需的表面可能是裂纹扩展阻力。脆性材料(平面应力状态) (平面变形

3、状态)的K1C也是材料的唯一参数，因为它与材料特定参数等物理量直接相关。有裂纹的材料反映了作用于外部世界的阻力。阻止宏观裂纹不稳定性扩展能力的材料的测量(抵抗裂纹扩展的阻力)和裂纹的大小、形状，K1C的物理意义：抵抗裂纹扩展的阻力是对瞬时裂纹扩展的阻力，由材料常数E决定，是材料特有的特性。因为对表面结构敏感，所以对结构敏感。反映强度和韧性的综合指标。3.7裂纹的起源和扩展，断裂力学判断断裂的本质是裂纹的扩展，然后我们来探讨下利普的起源及其扩展方式。实际材料都有大的、小的或小的裂缝，其形成原因是晶体微观结构有缺陷，受到外力作用时会发生应力集中，从而成为裂核。、，因为脆性材料基本上没有吸收大量能量

4、的塑性变形。裂纹扩展力随c的增加而增大。裂纹扩展阻力是新表面能的形成。因此，裂缝，释放出的额外能量加速了裂缝。可以增殖裂缝，形成树枝，形成更多的新表面。另一方面，破碎的面可以形成条纹、波纹、梳子等复杂的形状。这种表面很不均匀，表面比平坦的表面大小得多，可能会消耗更多的能量。防止裂纹扩展的措施，1 .使用不超过临界应力的应力，防止裂纹不稳定地扩展。2.设定材料吸收能量的仪器。例如，在陶瓷材料基础上添加塑料粒子或纤维以创建金属陶瓷和复合材料。利用相变强化，在气体中形成大量微裂纹或客观挤压内部应力，提高材料的韧性。(稍后详细说明)，裂纹的亚临界增长，亚临界增长：裂纹除了上面提到的快速不稳定扩展外，在

5、使用应力下，随着试件的推移慢慢扩展。也称为静态疲劳。裂纹缓慢增长的结果是裂纹大小逐渐增大，达到临界大小后不稳定地扩展和破坏。也就是说，材料可以在短时间内承受指定的使用应力，但是如果负载时间足够长，则会在低应力下破坏。而且没有预兆。提出了、元件的寿命问题。也就是说，在特定使用应力下，零部件可用的时间过后，它们将被破坏。如果可以提前估计寿命，则可以限制应力的使用以延长，或者在一定时间内立即维修以更换加班部件。2.8陶瓷材料强度的影响因素，1 .温度的影响：温度对陶瓷材料的影响实际上非常复杂，包括热膨胀不一致、相变、前卫活化、晶界软化、塑性流动、晶界滑移、氧化、腐蚀等诸多问题。一般温度升高，塑性变形

6、增加。高温下会发生相当大的塑料变形。强度对温度的依赖取决于化学组成键能、晶体结构、相组成、晶粒大小、气孔、环境介质等多个方面。ZTA、2。微结构的影响：材料性能由配置和结构决定。在一定构成的多晶材料的情况下，取决于材料的结构，包括晶体结构和显微结构。晶体结构的影响主要表现在两个茄子方面。(1)结合键的强度：E和sth (2)各向异性确定：引起内应力，在大多数情况下对性能不利。对于特定材质，材质的强度在很大程度上取决于其微结构。实际上，所有微结构元素，例如粒子大小、形状、方向、气孔的大小、形状、含量和分布、晶相、晶界、杂质、缺陷(表面、内部、裂纹)等，都会影响材料强度。以下主要介绍了晶粒大小和形

7、状、气孔的影响、多相材料中徐璐不同阶段的影响。(1)晶粒大小及其分布对强度的影响：一般来说，多晶绝热力比单晶体信息大得多，最大的原因是金在多晶内扩张是曲折的。因此，实际破坏表面积比团结信息大得多。晶粒大小对强度的影响比较复杂，理论上不能建立明确的关系。只能在实验中总结经验公式。晶粒大小大部分表示平均晶粒大小。但实际上，对强度的影响只有最大的晶粒大小才重要。因此，即使平均晶粒大小相同，晶粒大小的分布不同，强度也不同，分布宽的材料性能比分布窄的低。多晶材料的初始裂纹大小与晶粒大小相似，粒子越细，初始裂纹大小越小，临界应力越高。微粒子材料的晶系比大，沿晶系破坏时，裂纹的扩展要走曲折的路。粒子越细，距

8、离越长。(2)气孔对强度的影响：材质的强度随着气孔增加而减少。这主要是因为气孔的存在减少了受应力的有效截面面积，使实际应力大于外部应力。气功的存在使e下降。气功的存在减少。强度和孔隙比之间的经验关系是p孔隙比。n常数实际上除了气功率外，还影响气功的大小。在相同的孔隙比下，孔隙越大，应力集中越大，最大的结构特征尺寸越大，发生危险裂缝的可能性越大，强度越低。气孔形状的影响：球形气孔的应力集中最小，对强度的影响最小。气孔越尖，影响越大。气孔分布的影响：如果气孔分布不均匀，局部聚集会对强度产生显着影响。例外：如果有高应力梯度(例如，热振引起的应力)牙齿，则气孔具有容纳变形的作用，防止裂纹扩展。，(3)

9、多相材料中物相的影响：物相的影响主要是由于徐璐其他物相之间的热膨胀系数和弹性系数的差异而产生内部应力。因此，影响程度取决于各物相的A和E。还有他们的晶粒尺寸。(4)杂质的影响杂质的存在会因应力集中而降低强度。为了克服陶瓷材料的脆性，可以考虑两个茄子方面。第一，在裂纹扩展过程中，建立其他能源消耗机制，使额外负荷的部分或大部分消耗。不集中在裂纹扩展上，其次是在陶瓷上设置可能妨碍裂纹扩展的物质场所，防止裂纹进一步扩展。根据材料强化和强化的基本原理、破坏力学，弯曲强度和破坏韧性可以表示为：形式的弯曲强度，E是杨氏模量，破坏能量，C是裂纹大小，KIC是破坏韧性。从常识上可以看出，为了提高陶瓷材料的强度，

10、需要提高破裂能量和弹性系数，减少裂纹大小。为了提高陶瓷材料的韧性，需要提高断裂能量和弹性系数。因此，在相同裂纹尺寸的情况下，增加也相应地增加，加强达到加强的目的。为减小裂纹大小，可以采取以下措施：(1)粒子细化；(2)避免异常的粒子增长。(3)去除气孔，达到完全密度。(4)减少和避免工艺缺陷。(5)减少和避免表面损伤。(6)选择适当的配置，防止热膨胀系数的差异过大或发生不必要的相变，从而产生危险的裂纹。提高弹性系数的措施是(1)去除气孔，提高密度。(2)加入高弹性模量的两相组成复合材料。断裂力学是裂纹扩展的阻力，陶瓷材料强韧化的主攻方向，在裂纹扩展过程中，有助于断裂力学提高的能量损失机制有助于

11、克服材料的脆性。绝热能量由材料断裂过程中消耗的能量组成。形式中：g f是绝热能量，g s是热力学表面的能量，g p是塑性变形能量，g T是微裂纹形成能量。断裂对材料的组成和显微结构很敏感，通过材料的组成和结构设计，可以在断裂过程中增加能量消耗项目的数量，增加每个项目的大小，从而提高断裂能量。2材料强化和强化途径、材料强化和强化途径主要包括热韧性、化学强化、相变强化、两相粒子分散强化、纤维(或晶须)强化等。热印、热印：通过加热、冷却，人为地在表面层引入残余压力应力。应力分布形状接近抛物线，最大表面压力应力接近内部拉伸应力的两倍。例如：钢化玻璃将氧化铝从1700浸泡在硅油中，强度提高，冷却不仅对表

12、面施加压力，还打磨结晶。也可以使用表面层等于内部热膨胀系数，以达到字典压力应力的效果。(例如，坏釉热膨胀系数的选择)，化学强化，改变表面的化学组成，使表面的摩尔体积大于内部，表面体积膨胀，受到内部材料的限制，产生压力应力，比热印引起的压力应力高。一般来说，用大离子代替小离子，受扩散限制和带电离子的影响，压力层厚度在数百微米以内，但产生的压力应力可能是内部拉伸应力的数百倍。内部拉伸应力小的话，化学钢化玻璃可以切割和打孔。Al 2O3元件的表面用高速Mg离子轰击，以Mg离子取代表面的Al离子部分，改进后的元件可以用作直升机轴承。通过表面抛光和化学处理，可以消除表面缺陷，提高强度。加强相变、加强相变

13、的研究主要围绕ZrO2的相变特性展开。ZrO2有三种茄子晶体形式：立方体(C)、矩形(T)和单斜结构(M)。三种茄子晶型徐璐存在于不同的温度范围内，可以徐璐转换。、ZrO2高温上的表面可以低于低温上，如果粒子足够小，则可以在室温下存在。在室温下，临界晶粒大小计算为30nm，通常计算为存在于超细粉末中。(2)雇用ZrO2中的第二氧化物，增加阳离子平均半径，使阴阳离子半径更接近稳定8倍以上的要求。根据ZrO2的晶体结构，添加剂必须是立方体，阳离子半径必须大于钚离子半径，碱性太强渡边杏。CaO、MgO、Y2O3和CeO2都可以用作稳定剂。氧化锆四方和单斜之间的转换是马氏体网站变态，属于初级相变，只有

14、固体转换，有核的生长过程具有多种茄子特征。(1)相变不扩散。在相变温度下，单个倾斜阶段快速形成，原子以小于1原子间距的位移量有序位移，原相邻原子在相变后保持相邻位置，相变前后的构成不变。(2)相变不热，没有温度突变。相变会增大，妨碍相变的进一步发生，因此，只有降低温度，提高推力，相变才能继续。(3)相变过程伴随着体积变化的35%和剪切变形的78%。氧化锆相变强化的机制是亚稳定四重奏氧化锆粒子被基体抑制，处于压缩应力状态。材料在外力作用下在裂纹末端产生应力集中，产生拉伸应力，减少对四方氧化锆晶粒的束缚。此时，裂纹尖端的应力场引起TM相变，产生体积膨胀、相变和体积膨胀过程，除吸收能量外，在主裂纹作

15、用区产生正应力，两者都阻止或延迟裂纹扩展，提高材料的破裂韧性和强度。氧化锆粒子大于临界尺寸时，材料在室温下冷却时，t-ZrO2会自发成为马氏体网站变异m-ZrO2，周围气体中出现很多裂纹核或微裂纹。这种微裂纹或裂纹核能降低作用区域的弹性系数，通过外部应力作用缓慢扩展亚临界，释放主裂纹尖端的部分变形能量，增加裂纹扩展区域增加引起的整体表面能量，有效抑制主裂纹进一步扩展所需能量，提高断裂韧性。微裂纹的密度取决于氧化锆的含量和粒子大小，微裂纹分布的均匀性取决于氧化锆分布的均匀性。微裂纹的密度越高，强化效果越好。氧化锆粒子的分布不均匀，局部微裂纹密度太高，聚集，甚至变成穿透的大裂纹，材料性能严重恶化。

16、微裂纹强化在提高材料破裂韧性的同时，材料中包含了很多微裂纹，可以在一定程度上降低弹性系数和强度。第二相粒子分散强化，第二相粒子分为刚性粒子和柔性粒子，均匀分布在陶瓷基板上，起到强化和强化的作用。刚性粒子需要高强度、高硬度、热稳定性和化学稳定性。刚性粒子弥散强化陶瓷的强化机制包括裂纹分叉、裂纹偏转、钉扎等，可以在一定程度上提高气体的弯曲强度和破裂韧性。韧性粒子是金属粒子，在裂纹扩展过程中金属粒子的塑性变形吸收了裂纹扩展的能量，消除了裂纹末端的应力集中，而金属粒子的变形防止了主裂纹的扩展，或改变了裂纹的扩展方向，达到了增强陶瓷的目的。但是，由于金属的高温性能低于陶瓷基材料，所以韧性粒子增强的陶瓷基复合材料的高温力学性能不好，但可以大大改善中低温的韧性。如果两相粒子和气体之间没有化学反应，则两相粒子强化是由两相粒子和气体粒子之间的弹性系数和热膨胀系数的差异引起的。基底中形成径向正应力和径向拉伸应力和切向压力应力。牙齿应力与外部应力相互作用，导致裂纹扩展方向的偏转、迂回、分叉、桥梁连接和钉死。提高材料的抗断裂能力，达到强化目的。(a)