强度2.6.ppt

1、 脆性是无机材料的特征 它间接地反映材料的抗机械冲击强度的高低。 脆性表现:一旦受到临界的外加负荷，材料的断裂则具有爆发性的特征和灾难性的后果。 原因：脆性的本质是少于五个独立的滑移系统。在受力状态下难于发生滑移使应力松弛。,一、 材料脆性的特点,2.6.1 材料的脆性,2.6 材料的脆性和克服脆性的途径,材料的脆性:特点,改善韧性提高强度 克服材料脆性断裂的途径,NaCl 金刚石 铜和银 th /th 0.49 1.16 30,显微结构的脆性根源是材料内部存在微裂纹，易于导致高度的应力集中。 裂纹扩展的速度是脆性的一种量度 裂纹扩展速度决定着是否能发生消除应力集中的塑性流动，塑性形变需要一定

2、的起始时间，若裂纹扩展的很快，则发生脆断。 断裂能、 th /th 也是材料脆性的一种量度.,材料脆性的本质难以改变 在一定的条件下，晶体中的滑移系统的数目及其可动程度，是物质本质结构所决定的； 任务 根据材料的裂纹扩展行为及其断裂机理，借助于对裂纹扩展条件的控制，在一定程度上提高材料的韧性。,二、 改善材料韧性，提高材料强度,从断裂力学观点出发，克服脆性和提高强度的关键是： 提高材料的断裂能，便于提高抵抗裂纹扩展的能力； 减小材料内部所含裂纹缺陷的尺寸，以减缓裂纹尖端的应力集中效应。,强度韧性裂纹尺寸的关系,裂纹长度的倒数,强度,ao,工程陶瓷 沿着既提高断裂韧性,又降低裂纹尺寸的途径，大幅

3、度地提高材料的强度.,一、 金属与无机材料的复合 -增韧相弥散于材料中,增韧相的作用： 起附加能量吸收的作用，使裂纹尖端高度集中的应力得以部分消除，抑制可能到达临界状态的裂纹数量，提高材料抵抗裂纹扩展的能力，相应改善其韧性。 通过裂纹尖端塑性形变的作用吸收能量。裂纹尖端的原子发生不可逆的重排，并以塑性功的形式吸收可观的弹性应变能，使裂纹扩展的动力减弱。,2.6.2 克服材料脆性断裂的途径,1.金属与无机材料的复合 2.材料中的裂纹尖端增韧作用区 3.基体中设置裂纹扩展势垒-纤维增强 4.减缓裂纹尖端的应力集中效应,金属对材料的增韧具备如下条件： 在显微结构方面 金属相与无机相能否均匀分散成彼此

4、交错的网络结构，决定着能否在裂纹尖端区域起到吸收部分能量的作用。 金属对材料具有很好的润湿性。否则，材料自成为连续相，金属成为分散于基体中的粒子，材料的力学行为仍为陶瓷相所控制，脆性改善有限。 有希望的系统：ZrO2TaW系统, (CrAl)2O3CrMoW系统。 此种复合材料的缺点：金属在高温下，易氧化会损害材料的耐热性。,二、 材料中的裂纹尖端增韧作用区 -相变粒子弥散,相变粒子增韧： 利用 ZrO2 四方相转变成 ZrO2 单斜相的马氏体相变来实现增韧。,(1) 影响ZrO2相变的因素 增韧机制 主裂纹尖端增韧作用区的控制原则 表面韧化,马氏体相变的特点： 相变前后无成分变化； 原子的配

5、位数不变； 原子的位移不超过一个原子间距； 无热、无扩散、相变激活能小，转变速度快，以近似于声波传播的速度进行，比裂纹扩展速度大23倍，为吸收断裂能和增韧提供必要条件。 相变伴随有体积变化-高温相向低温相转化引起体积膨胀。 相变具有可逆性，并受外界因素（温度、应力等）的影响，相变发生于一个温度区间内，或降低相变温度而不是一个特定的温度点。,增韧机制： 应力诱导相变增韧 相变诱发微裂纹增韧 微裂纹分岔增韧。,裂纹尖端出现微裂纹区时，将导致弹性能的松弛和应力再分布。,与裂纹尖端距离 r,应力,(一)影响ZrO2相变的因素： 1） ZrO2颗粒在基体中 相变的能量条件 在基体中，四方ZrO2是高温稳

6、定相，单斜ZrO2是低温稳定相在低于相变温度的条件下，由于受到基体约束力的抑制，未转化的四方ZrO2相保持其介稳状态； 当基体的约束力在外力作用下减弱或消失，粒子从高能态转化为低能态的单斜相（发生相变），并在基体中引起微裂纹，吸收主裂纹扩展的能量。,1） ZrO2颗粒在基体中相变的能量条件 2）弥散粒子的相变临界直径 3）化学因素的影响,相变反应过程中的能量变化,UT,能 量 G,无抑制,受基体抑制,单斜相,四方相,Gchem,Ua,T,高温向低温的相转变方向,ZrO2粒子发生相变时的自由能平衡关系式为： GM/T= Gchem +UTUa+S GM/T -单位体积四方相向单斜相转化引起的自由

7、能变化；（相 变动力） Gchem -单斜相和四方相之间的自由能之差；（相变动力） UT -相变弹性应变能的变化；（相变阻力） Ua - 激发相变时，外应力所消耗能量；（相变动力） S-单斜相与基体间的界面能和四方相与基体间的界面能之差,常被忽略。（相变阻力）,四方相向单斜相的转化能否发生，取决于转化后系统的自由能是否下降，即转化的能量条件为： GM/T 0 或 Gchem UTUa 引起相变单位体积弹性应变能的变化（UT）的根源是 单斜相和四方相密度的差别。 有 UT =E2/2 E -两相的平均弹性模量； -相变引起的应变。 借助于外应力a激发相变时，Ua =aV /2 ， 其中，体积为单

8、位体积V=1, a =2Ua / 得相变的应力条件： a 2（ UT Gchem ）/ ,2）弥散粒子的相变临界直径 考虑界面能之差S，以一个直径为D的颗粒为例说明相变时的临界直径： S D2 (Gchem UT + Ua )D3 在一定温度和应力条件下，相应有一个发生相变的临界ZrO2粒子直径Dc ： Dc= S / (Gchem UT + Ua ) 相变能量条件：(Gchem UT + Ua ) S / Dc D值越小，由于单位体积粒子的比表面积越大，则其S也越大，即相变势垒越高，四方晶相更能保持其界稳状态，直到更低的温度才转化为单斜相。 ZrO2颗粒的尺寸对ZrO2相变温度有影响。 所以

9、小颗粒的四方相向单斜相转化的温度低。,室温条件下各种陶瓷中粒子的相变临界直径,3）化学因素的影响 基体的化学组分和ZrO2弥撒相的含量对ZrO2粒子的相变温度有一定的影响。 凡是能固溶于ZrO2中的掺杂物都或多或少地减小ZrO2相变的自由能差值Gchem ，相应降低其相变温度TMS,且溶质的浓度越大，相变的温度也越低。,(二) 增韧机制 1） 应力诱导相变增韧: 当相变温度低于室温，基体中储存着相变弹性压 应变能，该相变需在外力作用下产生，实现应力诱导相变增韧。 2) 微裂纹增韧：当相变温度高于室温，粒子会自发的由四方相转化为单斜相，在基体中诱发微裂纹引起的增韧. 3) 裂纹分岔,复 合 体

10、内 单 斜 相 的 热 膨 胀,RT Mf Ms As 共晶温度,（1）相变增韧 （2）微裂纹增韧 （3）裂纹分岔,（3）,（1）,（2）,室温,单斜相的热膨胀系数与温度的关系,四方相的热膨胀系数与温度的关系,1）控制弥散粒子的尺寸（D） 弥散粒子的相变温度随其颗粒的减小而下降。 D DH (相变临界颗粒直径) 大颗粒在高温下发生相变，在到达常规相变温度（11500C）左右，所有 D DH 的颗粒都发生相变。这一阶段的相变的特点是突发性的，产生微裂纹的尺寸较大，可导致主裂纹扩展过程中的分岔，对基体的增韧效果较小。,（三） 主裂纹尖端增韧作用区的控制原则,1）控制弥散粒子的尺寸D 2）控制颗粒的

11、分布状态 3）增韧颗粒最佳体积分数和均匀弥散程度 4）基体和增韧粒子热膨胀系数匹配 5）控制弥散粒子的化学性质,DH D DR (室温相变临界颗粒直径） 基体含有相变诱发微裂纹，对基体的增韧有明显的提高，但材料的强度由于微裂纹的存在而下降。 DR D 基体中储存着弹性压应变 能 。只在材料承受适当的外加应力时，克服了相变应变能对主裂纹扩展所起的势垒作用，粒子才由四方相转化为单斜相，并相应诱发出极细小的微裂纹。由于相变能和微裂纹的共同作用，增韧效果好，且材料的强度有一定的增强。,相 对 频 率,0 D1 D2 D3 D4 D5 粒子直径,室温条件下粒子的分布范围与韧化机制,切应力诱导相变,瞬时相

12、变,应力诱导微裂纹,Al2O3+mZrO2,Al2O3+tZrO2,Al2O3+t/mZrO2,瞬时开裂,张应力诱导相变,2）控制颗粒的分布状态,3）增韧颗粒最佳体积分数和均匀弥散程度 体积分数越高，增韧效果越好 但过高，将会导致微裂纹的合并，降低增韧效果，甚至恶化材料的性能。体积分数需控制在最佳值。 不均匀的弥散导致基体中局部的粒子含量过高，或不足。 均匀弥散是最佳的体积分数发挥作用的前提。,4）基体和增韧粒子热膨胀系数匹配 两者热膨胀系数之差要小，目的在于保持基体和粒子之间在冷却过程中的结合力。 5）控制弥散粒子的化学性质 控制弥散粒子的化学性质可以控制相变前后的化学自由能 Gchem ，

13、即调节相变的动力。,（四） 表面韧化,基体表面层在一定深度之内有四方ZrO2弥散相。,三、基体中设置裂纹扩展势垒-纤维增强,纤维的作用： 高强度和高模量的纤维能为基体分担大部分外加应力，也可阻碍裂纹的扩展，并能在局部纤维发生断裂时以拔出功的形式消耗部分能量，起到提高断裂能并克服脆性的效果。 纤维复合材料的性能取决于纤维和基体的本性、复合配比、两者的化学相容性和结合强度，and 纤维在基体中的分布和排列等。,1）弹性模量 选材 选取纤维的分布是均匀连续和单向排列的复合材料，且纤维与基体紧密结合，纤维的取向和外加应力平行，即二者处于等应变状态。,（一） 影响复合材料性能的因素,（1） 影响复合材料

14、性能的因素 （2） 纤维的临界体积,1）弹性模量 2）断裂应变 3）纤维与基体的热膨胀匹配 4）纤维与基体的化学相容性,f = Pf / Ef = m= Pm / Em Pf = PcVf Pm = Pc (1V m ) 其中：V-体积分数 Pf / Pm = Ef / Em V f / (1V m ) Pf / P c = E f / Em / E f / Em + Vf / (1Vm ),应变,应 力,m,f,c,纤维和基体所承受的载荷之比等于它们的弹性模量和体积分数的乘积之比。即纤维的弹性模量越高，其对提高强度所起的作用越大。 Ef/Em对复合材料的选择有重要的参考意义。,碳纤维和几种无

15、机材料的弹性模量比,纤维在复合材料中所承受的载荷分数与纤维和基体的弹性模量比之间的关系,2） 断裂应变,c = f m , f c m,复合材料的应变达到纤维的断裂应变值 f 时，纤维断裂。 复合材料的强度为： c =Vf f + (1Vf ) m 这种复合材料达到增强的效果。,A Ef Em,c = f m,分情况讨论: A Ef Em B Ef Em,复合材料的应变达到基体的断裂应变值 m 时，复合材料断裂。 复合材料的强度为： c = Vf （ Ef m ）+ (1Vf ) m, m c = f , f c m,即 Ef m m 有 c = Vf Ef m 高弹性模量的纤维可获得更好补强

16、效果。例如 SiC 纤维与 CVD SiC 基体的复合材料。,B Ef Em,c = m f , f c m,f m = c,f = c m 复合材料的强度为： c = Vf f+ (1Vf ) m 或 c = Vf f 具有较好的补强效果。 例如：C 纤维 / SiO2 玻璃, B 纤维 / PbO 玻璃、SiC 纤维 / PbO 玻璃。,纤维的弹性模量小于基体的弹性模量，纤维所承受的载荷较小，复合材料的强度不可能提高。,3）纤维与基体的热膨胀匹配 轴向热应力的作用 当m f, 基体在沿纤维轴向处于张应力状态。 当m f, 基体与纤维界面结合强度的大小有两种不同的情况： 界面结合力有足够的强

17、度，基体在沿纤维的轴向处于受压状态，而纤维处于受张应力状态，起着支撑热应力的作用。 界面结合强度不足，受张应力作用的纤维 脱离，在其端部形成基体中的空隙。 径向热应力的作用。 4）纤维与基体的化学相容性,（二） 纤维的临界体积,Vf临界 Vf,mu,1）复合材料的断裂由纤维断裂引起 cu = Vf fu + (1Vf ) m* mu = Vf 临界 fu+ (1Vf 临界 ) m* Vf 临界 = (mu m*) / (fu m*),cu与Vf的关系,2) 复合材料的断裂由基体断裂引起 基体断裂时，负荷由纤维承担，其应力 f = m u Vm / Vf 如果 f + f fu ，则纤维使复合材料保持在一起而不会断裂。 V f = m u /（ m u + f ） 临界情况： Vf 临界 = m u /（ m u + fu f） 如果 fu f m u Vf 临界 = m u / fu,（三） 复合材料中的临界纤维长度,x,0,纤维表面上的剪应力与截面上的拉应力平衡，有下列关系： r2 (x)= 2 rx 如果在纤维的中心应力达到纤维强度fu ，界面上的剪应力