無(wú)機(jī)材料斷裂

無(wú)機(jī)材料斷裂第1頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

雖然材料在短時(shí)間內(nèi)可以承受給定的使用應(yīng)力而不斷裂，但如果負(fù)荷時(shí)間足夠長(zhǎng)，仍然會(huì)在較低應(yīng)力下破壞，即材料斷裂強(qiáng)度取決于時(shí)間。

裂紋除快速失穩(wěn)擴(kuò)展外，還會(huì)在使用應(yīng)力下，隨時(shí)間的推移而緩慢擴(kuò)展。這種緩慢擴(kuò)展也叫亞臨界生長(zhǎng)，或稱靜態(tài)疲勞。

例如：同樣材料負(fù)荷時(shí)間t1＞t2＞t3

，則斷裂強(qiáng)度材料中裂紋的亞臨界生長(zhǎng)第2頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六裂紋緩慢生長(zhǎng)的本質(zhì)

一、應(yīng)力腐蝕理論

實(shí)質(zhì)：在一定的環(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(kāi)裂或止裂的條件。這一理論的出發(fā)點(diǎn)是考慮材料長(zhǎng)期暴露在腐蝕性環(huán)境介質(zhì)中。

例如玻璃的主成分是SiO2,陶瓷中也含各種硅酸鹽和游離SiO2,如果環(huán)境中含水或水蒸氣，特別是pH值大于8的堿溶液，由于毛細(xì)現(xiàn)象,含水或水蒸氣進(jìn)入裂紋尖端與SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng),引起裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。第3頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

⑴在裂紋尖端處的離子鍵受到破壞，吸收了表面活性物質(zhì)（H2O，OH－以及極性液體或氣體）使材料的自由表面能降低，即裂紋的擴(kuò)展阻力降低。

⑵新開(kāi)裂表面的斷裂表面，因沒(méi)來(lái)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。如果接著下一個(gè)腐蝕-開(kāi)裂循環(huán)，周而復(fù)始，形成宏觀上的裂紋緩慢生長(zhǎng)。

裂紋尖端處的高度應(yīng)力集中導(dǎo)致較大的裂紋擴(kuò)展動(dòng)力。水蒸氣分壓對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響做過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。Bradt認(rèn)為一般陶瓷即使放置在真空環(huán)境中進(jìn)行受力試驗(yàn)，也會(huì)觀察到亞臨界裂紋生長(zhǎng)現(xiàn)象。他解釋這種現(xiàn)象是由于陶瓷中存在氣孔、微裂紋等先天性缺陷。在試驗(yàn)之前這些缺陷中預(yù)先就吸附了水蒸氣、水溶液等介質(zhì)，因此雖然在真空環(huán)境下受力，仍然存在應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。第4頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

（3）由于裂紋長(zhǎng)度緩慢地增加，使得應(yīng)力強(qiáng)度因子也緩慢增大，一旦達(dá)到KIC值，立即發(fā)生快速擴(kuò)展而斷裂。第5頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六二、高溫下裂紋尖端的應(yīng)力空腔作用1.多晶多相陶瓷在高溫下長(zhǎng)期受力的作用時(shí)，晶界玻璃相的結(jié)構(gòu)粘度下降，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)，形變發(fā)生在氣孔，夾層，晶界層，甚至結(jié)構(gòu)缺陷中，形成空腔。2．這些空腔沿晶界方向長(zhǎng)大，聯(lián)通形成次裂紋，與主要裂紋匯合就形成裂紋的緩慢擴(kuò)展。裂紋緩慢生長(zhǎng)的理論第6頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

三、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

起始不同的KI，隨時(shí)間的推移，會(huì)由于裂紋的不斷增長(zhǎng)而緩慢增大。

反映裂紋生長(zhǎng)的速率v隨的增大而變大第7頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六裂紋生長(zhǎng)的速率v與KI的關(guān)系可表示為：或者

c為裂紋的瞬時(shí)長(zhǎng)度，A、B、n是由材料本質(zhì)及環(huán)境條件決定的常數(shù)。

vo為頻率因子，Q*為斷裂激活能，與作用應(yīng)力無(wú)關(guān)，與環(huán)境和溫度有關(guān)，n為常數(shù)，與應(yīng)力集中狀態(tài)下受到活化的區(qū)域的大小有關(guān)，R為氣體常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。

上式用波爾茲曼因子表示為：第8頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六⑴第一區(qū)：

lnv增加與KI成直線關(guān)系。⑵第二區(qū)：表現(xiàn)為lnv不隨KI變化。⑶第三區(qū)：lnv增加與KI成直線關(guān)系，但是曲線更陡。

裂紋生長(zhǎng)的速率lnv與KI的關(guān)系可表示為：第9頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六⑴第一區(qū)：隨KI增加，Q*

將因環(huán)境影響而下降（因應(yīng)力腐蝕），lnv增加與KI成直線關(guān)系。⑵第二區(qū)：原子及空位的擴(kuò)散速度＝腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散速度，使得新開(kāi)裂的裂紋端部沒(méi)有腐蝕介質(zhì)，Q*提高，抵消了KI增加對(duì)lnv的影響，表現(xiàn)為lnv不隨KI變化。⑶第三區(qū)：

Q*增加到一定值時(shí)不再增加，這樣，nKI-Q*將越來(lái)越大，lnv又迅速增加。

波爾茲曼因子第10頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六裂紋緩慢生長(zhǎng)的理論應(yīng)力腐蝕理論

高溫下裂紋尖端的應(yīng)力空腔作用亞臨界裂紋生長(zhǎng)速率與應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的關(guān)系第11頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六根據(jù)亞臨界裂紋擴(kuò)展預(yù)測(cè)材料壽命:無(wú)機(jī)材料制品在實(shí)際使用溫度下，經(jīng)長(zhǎng)期應(yīng)力的作用，制品上受力區(qū)的最長(zhǎng)裂紋將會(huì)有亞臨界裂紋緩慢擴(kuò)展，最后斷裂。研究裂紋緩擴(kuò)展的始終時(shí)間，可以預(yù)測(cè)制品的壽命。積分得：Ci為起始裂長(zhǎng)度；CC為臨界裂紋長(zhǎng)度。將

第12頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六由于n值比較大，例如鈉鈣硅酸鹽玻璃的n=16~17，而且上式可計(jì)算由起始裂紋狀態(tài)，經(jīng)受力后緩慢擴(kuò)展直到臨界裂紋長(zhǎng)度所經(jīng)歷的時(shí)間，此即為制品受力的壽命。第13頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六蠕變斷裂定義：多晶材料一般在高溫環(huán)境中，在恒定應(yīng)力作用下，由于形變不斷增加而斷裂，稱為蠕變斷裂。

主要的形變：晶界滑動(dòng)主要斷裂形式：沿晶界斷裂

第14頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六蠕變斷裂機(jī)理⑴粘性流動(dòng)理論

高溫下晶界玻璃相粘度降低，在剪應(yīng)力作用下發(fā)生粘性流動(dòng)，如果在晶界處應(yīng)力集中使相鄰晶粒發(fā)生塑性形變而滑移，則將使應(yīng)力馳豫，宏觀上表現(xiàn)為高溫蠕變。如果不能使鄰近晶粒發(fā)生塑性形變，則應(yīng)力集中將使晶界處產(chǎn)生裂紋，這種裂紋逐步擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂。

⑵空位聚集理論

在應(yīng)力及熱振動(dòng)作用下，受拉的晶界上空位濃度大大增加，空位大量聚集，形成可觀的空腔并發(fā)展成微裂紋，這種微裂紋逐步擴(kuò)展聯(lián)通導(dǎo)致斷裂。第15頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六蠕變斷裂的影響因素

蠕變斷裂取決于溫度和外應(yīng)力。溫度越高應(yīng)力越小，蠕變斷裂所需時(shí)間越長(zhǎng)。蠕變斷裂是一種高溫下，較低應(yīng)力水平的亞臨界裂紋擴(kuò)展。第16頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六一、晶粒尺寸晶粒越小，強(qiáng)度越高。顯微結(jié)構(gòu)對(duì)材料脆性斷裂的影響第17頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六一、晶粒尺寸晶粒越小，強(qiáng)度越高。斷裂強(qiáng)度σf與晶粒直徑d

的平方根成反比:式中，和為材料常數(shù)Hall-Petch關(guān)系式如果起始裂紋受晶粒限制，其尺度與晶粒度相當(dāng),則脆性斷裂與晶粒度的關(guān)系為:顯微結(jié)構(gòu)對(duì)材料脆性斷裂的影響第18頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六在許多金屬中(主要是體心立方金屬，包括鋼、鐵、銅、鉬、鉑、鋁、釩等以及一些銅合金)屈服強(qiáng)度和晶粒大小的關(guān)系滿足上述關(guān)系式由于晶界比晶粒內(nèi)部弱,所以多晶材料破壞多是沿晶界斷裂，細(xì)晶材料晶界比例大,沿晶界破壞時(shí),裂紋的擴(kuò)展要走迂回曲折的道路,晶粒愈細(xì),此路程愈長(zhǎng)。多晶材料中初始裂紋尺寸與晶粒尺寸相當(dāng),晶粒愈細(xì),初始裂紋尺寸愈小,這樣就提高了臨界應(yīng)力。如果起始裂紋受晶粒限制，其尺度與晶粒度相當(dāng),則脆性斷裂與晶粒度的關(guān)系為:第19頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六在常規(guī)的多晶體(晶粒尺寸大于l00nm)中，處于晶界核心區(qū)域的原子數(shù)，只占總原于數(shù)的一個(gè)微不足道的分?jǐn)?shù)(小于10-2％)；但在納米微晶材料中，晶界核心區(qū)域的原于所占的分?jǐn)?shù)可高達(dá)50％在非晶界核心區(qū)域原于密度的明顯下降，以及原子近鄰配置情況的截然不同，均將對(duì)性能產(chǎn)生顯著影響。第20頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六在納米尺寸的晶粒范圍內(nèi)Hall-Petch關(guān)系是否成立引起了人們廣泛的關(guān)注，有不少實(shí)驗(yàn)工作表明，該關(guān)系在低于100nm的納米晶中仍然有效。但理論模擬的結(jié)果顯示，存在一個(gè)臨界尺寸dc。當(dāng)晶粒的尺寸小于dc時(shí)，出現(xiàn)反Hall-Petch效應(yīng)的現(xiàn)象，即強(qiáng)度隨著晶粒尺寸的縮小反而降低，此時(shí)晶界附近的形變起了主導(dǎo)作用。模擬結(jié)果給出的金屬的臨界尺寸約在十幾到二十納米之間，例如Cu的臨界尺寸19.3nm，Pa的dc≈11.2nm。細(xì)化的晶粒在提高多晶體強(qiáng)度的同時(shí)，也使其塑性與韌性得以提高。晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)晶粒越多，形變時(shí)同樣的形變量便可分散到更多的晶粒中，產(chǎn)生較均勻的形變而不會(huì)造成局部應(yīng)力過(guò)度集中，引起裂紋的過(guò)早產(chǎn)生與發(fā)展。在工業(yè)上，通過(guò)壓力加工和熱處理使金屬獲得細(xì)而均勻的晶粒，是提高金屬材料力學(xué)性質(zhì)的有效途徑。Hall-Petch關(guān)系式第21頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第22頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六二、氣孔的影響

斷裂強(qiáng)度與氣孔率的P關(guān)系:

n為常數(shù)，一般為4～7；為沒(méi)有氣孔時(shí)的強(qiáng)度。

氣孔不僅減小了負(fù)荷面積，而且在氣孔鄰近區(qū)域應(yīng)力集中，減弱了材料的負(fù)荷能力。顯微結(jié)構(gòu)對(duì)材料脆性斷裂的影響第23頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六當(dāng)氣孔率約為10﹪時(shí),強(qiáng)度將下降為沒(méi)有氣孔時(shí)的強(qiáng)度的一半,這樣大小的氣孔率在一般陶瓷中是常見(jiàn)的。斷裂強(qiáng)度與氣孔率的P關(guān)系:第24頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

綜合考慮晶粒尺寸和氣孔率的影響

除氣孔率外,氣孔的形狀及分布也很重要。通常氣孔多存在于晶界上,這是特別有害的,它往往成為裂紋源。氣孔除有有害的一面外,在特殊情況下也有有利的一面,就是當(dāng)存在高的應(yīng)力梯度時(shí)(例如有熱震引起的應(yīng)力),氣孔能起到阻止裂紋擴(kuò)展的作用。顯微結(jié)構(gòu)對(duì)材料脆性斷裂的影響第25頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六如雜質(zhì)的存在,也會(huì)由于應(yīng)力集中而降低強(qiáng)度當(dāng)存在彈性模量較低的第二相時(shí)也會(huì)使強(qiáng)度降低。其他影響材料強(qiáng)度的因素顯微結(jié)構(gòu)對(duì)材料脆性斷裂的影響第26頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六材料的硬度硬度試驗(yàn)的意義硬度的種類及其測(cè)試方法第27頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六一、硬度試驗(yàn)的意義硬度是衡量材料軟硬程度的一種力學(xué)性能。按加載方式壓入法和刻劃法。硬度值的物理意義隨試驗(yàn)方法的不同其含義不同。壓入法硬度值是材料表面抵抗另一物體局部壓入時(shí)所引起的塑性變形能力；刻劃法硬度值表征材料表面對(duì)局部切斷破壞的抗力。因此一般認(rèn)為硬度是指材料表面抵抗變形或破裂的能力。第28頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六壓入法刻劃法動(dòng)載壓入法靜載壓入法錘擊式布氏硬度肖氏硬度超聲波硬度布氏硬度洛氏硬度顯微硬度維氏硬度莫氏硬度順序法銼刀法加載方式第29頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六二、硬度的測(cè)定洛氏硬度布氏硬度顯微硬度莫氏硬度第30頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六洛氏硬度測(cè)定法洛氏硬度的測(cè)量原理用頂角為120°的金剛石圓錐或φ為1.588mm的淬火鋼球?yàn)閴侯^,在規(guī)定載荷（初載荷及主載荷）的作用下壓入材料表面,經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后,卸除主試驗(yàn)力，根據(jù)壓痕深度來(lái)確定硬度值。表示了洛氏硬度的測(cè)量原理第31頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六0-0：未加載荷，壓頭未接觸試件時(shí)的位置。1-1：壓頭在預(yù)載荷P0(98.1N)作用下壓入試件深度為h0時(shí)的位置。h0包括預(yù)載所引起的彈形變形和塑性變形。2-2：加主載荷P1后，壓頭在總載荷P=P0+P1的作用下壓入試件的位置。3-3：去除主載荷P1后仍保留預(yù)載荷P0時(shí)壓頭的位置，壓入深度為h1。由于P1所產(chǎn)生的彈性變形被消除，所以壓頭位置提高了h，主載荷引起的塑性變形深度為:h=h1-h0第32頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六h值越大，試件越軟，h值越小，試件越硬。為適應(yīng)數(shù)值越大硬度越高的概念，用一常數(shù)K減去h表示硬度的高低。并規(guī)定每0.002mm為一個(gè)洛氏硬度單位，用符號(hào)HR表示，則：

測(cè)量值直接在表盤上讀出。用金剛石圓錐壓頭時(shí)，常數(shù)K為0.2mm，硬度值由黑色表盤表示;用鋼球(Φ=1.588mm)壓頭時(shí)，常數(shù)K為0.26mm，硬度值由紅色表盤表示.h=h1-h0主載荷引起的塑性變形深度為:第33頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六為了擴(kuò)大洛氏硬度的測(cè)量范圍，可用不同的壓頭和不同的總載荷配成不同標(biāo)尺的洛氏硬度。洛氏硬度共有15種標(biāo)尺供選擇，它們分別為：HRA，HRB，HRC，HRD，HRE，HRF，HRG，HRH，HRK，HRL，HRM，HRP，HRR，HRS，HRV；表面洛氏硬度標(biāo)尺：HR45N、HR30N、HR15N和HR45T、HR30T、HR15T。其中常用的幾種標(biāo)尺見(jiàn)表1。第34頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六標(biāo)度符號(hào)壓頭總載荷N(kg)表盤上刻度顏色常用硬度值范圍應(yīng)用舉例HRA金剛石圓錐588.6(60)黑色70~85碳化物、硬質(zhì)合金、表面淬火鋼等HRB1.588mm鋼球981(100)紅色25~100軟鋼、退火鋼、銅合金HRC金剛石圓錐1471.5(150)黑色20~67淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等HRD金剛石圓錐981(100)黑色40~77薄鋼板、中等厚度的表面硬化工件HRE3.175mm鋼球981(100)紅色70~100鑄鐵、鋁、鎂合金、軸承合金HRF1.588mm鋼球588.6(60)紅色40~100薄板軟鋼、退火銅合金HRG1.588mm鋼球1471.5(150)紅色31~94磷青銅、鈹青銅HRH3.175mm鋼球588.6(60)紅色

鋁、鋅、鉛表1.各種洛氏硬度值的符號(hào)及應(yīng)用第35頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六洛氏硬度測(cè)定的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):操作簡(jiǎn)便、迅速，適宜大生產(chǎn)；壓痕小，適宜測(cè)成品；適用范圍廣，從極軟到極硬、從極薄到極硬的材料都能測(cè)定。缺點(diǎn)：不同標(biāo)尺硬度值之間不能相互比較；對(duì)粗大組織的金屬不適用。第36頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六維氏硬度的測(cè)量原理測(cè)量原理基本上和布氏硬度相同，所不同的是用金剛石正四棱錐壓頭。正四棱錐兩對(duì)面的夾角為136°，底面為正方形，如圖所示。維氏硬度所用的載荷有1kg、3kg、5kg、10kg、20kg、30kg、50kg、100kg、120kg等，負(fù)載的選擇主要取決于試件的厚度。維氏硬度測(cè)試法維氏金剛石棱錐壓頭第37頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六維氏硬度的測(cè)試原理

壓痕是一個(gè)底面為正方形的正四棱錐。用顯微鏡測(cè)定方坑對(duì)角線長(zhǎng)度d，維氏硬度值HV等于所用載荷與壓痕面積的比值。

壓痕面積F為：F=d2/2sin68?

硬度表示為：HV=P/F=1.8544P/d2kg/mm2

式中：P——載荷；

d——對(duì)角線長(zhǎng)度；

F——壓痕面積。維氏硬度測(cè)試法第38頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六當(dāng)載荷P已知時(shí)，只要測(cè)得壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d，就可以求出維氏硬度值。通常是在測(cè)量d值后從《壓印對(duì)角線與維氏硬度對(duì)照表》中查出相應(yīng)的硬度值。維氏硬度測(cè)試法第39頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六維氏硬度的測(cè)量原理優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)可測(cè)定從極軟到極硬各種金屬材料的硬度,且不同載荷下的維氏硬度值可以進(jìn)行比較。維氏硬度值測(cè)量精確可靠，在材料科學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用。缺點(diǎn)維氏硬度需測(cè)量對(duì)角線的長(zhǎng)度，然后通過(guò)計(jì)算或查表才能得到硬度值。測(cè)量過(guò)程繁瑣，工作效率低。在測(cè)量過(guò)程中，采用計(jì)算機(jī)控制測(cè)量過(guò)程，采集和處理數(shù)據(jù)，可能克服上述缺點(diǎn)并大大提高工作效率。第40頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六布氏硬度的測(cè)量原理加載荷P,使直徑為D的淬火鋼球壓頭壓入試件表面并保持一定時(shí)間，去載后，測(cè)量壓痕直徑d，算出壓痕面積F，

P/F即為布氏硬度，用符號(hào)HB表示。壓頭直徑有Φ2.5mm，Φ5mm，Φ10mm三種;布氏硬度試驗(yàn)原理示意圖

布氏硬度測(cè)試法載荷有15.6kg、62.5k、182.5kg、250kg、750kg、1000kg、3000kg七種;第41頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期六顯微硬度的測(cè)量原理顯微硬度的測(cè)量原理與維氏硬度一樣，也是用壓痕單位面積