斷裂韌性及測(cè)量方法課件

第二章無機(jī)材料的脆性斷裂與強(qiáng)度電話：

12.4應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子與平面應(yīng)變斷裂韌性Griffith從能量平衡的觀點(diǎn)出發(fā)，提出了含裂紋固體的強(qiáng)度和裂紋關(guān)系之條件：裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展。而導(dǎo)致材料斷裂的必要條件是：在裂紋擴(kuò)展過程中系統(tǒng)的自由能必須下降（熱力學(xué)條件）K與外加應(yīng)力、裂紋長(zhǎng)度、裂紋種類及受力狀態(tài)等有關(guān)的系數(shù)，稱為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，它反映裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度。Griffith方程：2裂紋的三種類型對(duì)1型有：Y為幾何形狀因子，它和裂紋型式、試件幾何形狀有關(guān)，各種情況的Y已匯制成冊(cè)，供檢索。3臨場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子及斷裂韌性斷裂判據(jù)：K1c為平面應(yīng)變斷裂韌性，為材料常數(shù)，其值為：K1c與材料本征參數(shù)E,γ，μ等物理量相關(guān)，反映具有裂紋的材料對(duì)外界作用的一種抵抗能力，即阻止裂紋擴(kuò)展能力，是材料固有性質(zhì)。5KIC的意義舉例：P51抓住裂紋本質(zhì)，提供新的設(shè)計(jì)思想和選材標(biāo)準(zhǔn)；表征材料特征的臨界值。6ProblemThefracturetoughnessofpolycrystalineAlumina(Young’smodulus306GPa)isabout4MPa·m1/2whilethetoughnessofMgOpartiallystabilizedzirconia(PSZ)(Young’smodulus138GPa)isabout10MPam1/2.a)Estimatethefracturesurfaceenergyof(i)aluminaand(ii)PSZassumingthesetoughnessvalueswereobtainedunderconditionsofplanestress.b)Polycrystallineceramicsoftenhaveintergranularcracksinthemduetothermalexpansionmismatch.Theirstrengthisthereforelimitedbythesecrackswhosesizeisontheorderofthegrainsize.Calculatethemaximumstrengthyouwouldexpecttoobservein(i)aluminawith20-um-diametergrainsizeand(ii)PSZwitha50um-diametergrainsize.Modelthecracksasinternalcircularcrackswiththesamesizeasthegrains.72.5裂紋的起源與快速擴(kuò)展9一、裂紋的起源缺陷表面熱應(yīng)力10裂紋的三種起源在外力作用下晶體中的缺陷處形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋成核；材料表面的機(jī)械損傷與化學(xué)腐蝕形成表面裂紋；由于晶粒熱膨脹系數(shù)差異，受熱后形成裂紋。11裂紋擴(kuò)展機(jī)理應(yīng)力腐蝕理論這種理論的實(shí)質(zhì)在于:在一定環(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)成裂紋開裂和止裂的條件。裂紋尖端處的高度的應(yīng)力集中導(dǎo)致較大的裂紋擴(kuò)展動(dòng)力。從物理化學(xué)角度分析，在裂紋尖端處的離子鍵受到破壞，吸附了表面活性物質(zhì)(H2O、HO-以及極性液體和氣體)，使材料的自由表面能降低。也就是說，裂紋的擴(kuò)展阻力降低了。如果此值小于裂紋擴(kuò)展動(dòng)力，就會(huì)導(dǎo)致在低應(yīng)力水平下的開裂。新開裂表面的斷裂表面，因?yàn)檫€沒有來得及被介質(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，接著進(jìn)行下一個(gè)腐蝕-開裂循環(huán)，周而復(fù)始，形成宏觀上的裂紋的緩慢生長(zhǎng)。13圖1-43K值隨亞臨界裂紋增長(zhǎng)的變化低Ki階段，速率與Ki成正比，由水與玻璃表面的化學(xué)反應(yīng)所控制，隨著蒸汽壓增加，速率增大；高Ki階段，擴(kuò)散速率與蒸汽壓相關(guān)，但與Ki的關(guān)系減弱，仍受水與玻璃反應(yīng)控制，并受水傳輸?shù)搅鸭y尖端的速率控制。更高Ki階段，裂紋擴(kuò)展與環(huán)境無關(guān)，而受材料組成與溫度的影響。14b)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

圖1-45亞臨界裂紋擴(kuò)展的三個(gè)階段15壽命預(yù)計(jì)的方法無損探傷法可測(cè)出比較長(zhǎng)的表面裂紋，對(duì)小裂紋及小尺寸制品難以測(cè)量；保證試驗(yàn)法施加界于臨界應(yīng)力和工作應(yīng)力之間的力。17d)高溫下裂紋尖端的應(yīng)力空腔作用圖1-44裂紋尖端附近空腔的形成

多晶多相陶瓷在高溫下長(zhǎng)期受力作用時(shí),晶界玻璃相的結(jié)構(gòu)黏度下降,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),形成發(fā)生在氣孔、夾雜、晶界層,甚至結(jié)構(gòu)缺陷中。

18蠕變斷裂圖1-46沿晶界斷裂的幾種形式19脆性是陶瓷的特征，亦是陶瓷的致命弱點(diǎn)，它間接地反映在陶瓷較低的抗機(jī)械沖擊強(qiáng)度和較差的抗溫度驟變性，直觀地表現(xiàn)在一旦受到臨界的外加負(fù)荷，陶瓷的斷裂則具有爆發(fā)性的特征和災(zāi)難性的后果。212.6陶瓷增韌增加強(qiáng)度，需增加斷裂韌性，減小裂紋長(zhǎng)度Becher(1991)歸納出，玻璃和單晶陶瓷的斷裂韌性在0.5-2MPam1/2的范圍內(nèi)，多晶陶瓷斷裂韌性不會(huì)超過5Mpam1/2，前提是不采用特殊的顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2223實(shí)際材料的強(qiáng)度接近理論強(qiáng)度的途徑提高晶體的完整度，消除缺陷：細(xì)：細(xì)晶微晶密：高密度勻：均勻2.7顯微結(jié)構(gòu)與材料強(qiáng)度的關(guān)系25晶須(Whisker)：和理論強(qiáng)度在一個(gè)數(shù)量級(jí)纖維(fiber)：低于理論強(qiáng)度一個(gè)數(shù)量級(jí)單晶(Crystal)：接近理論強(qiáng)度氧化鋁：抗拉強(qiáng)度(GPa)，particle-0.28，fiber-2.1，whisker-2126強(qiáng)度與氣孔的關(guān)系多孔材料的強(qiáng)度隨其所含氣孔率的提高而下降，這不僅由于固相截面減少導(dǎo)致的實(shí)際應(yīng)力增大，更主要的是氣孔引起的應(yīng)力集中導(dǎo)致了強(qiáng)度下降。此外，彈性模量和斷裂能隨氣孔率的變化亦間接影響著強(qiáng)度值。Duckworth早年提出的強(qiáng)度與氣