第三章 無(wú)機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展

第三章無(wú)機(jī)材料的斷裂及裂紋擴(kuò)展第一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四強(qiáng)度反映的是材料內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的宏觀結(jié)果。而裂紋擴(kuò)展過(guò)程的細(xì)節(jié)相對(duì)于裂紋擴(kuò)展的結(jié)果，更為重要。——針對(duì)材料進(jìn)行有效的組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。研究裂紋擴(kuò)展過(guò)程的理論工具是斷裂力學(xué)。第二頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四

事實(shí)表明：結(jié)構(gòu)件中不可避免地存在宏觀裂紋，在低應(yīng)力下脆性破壞正是這些裂紋擴(kuò)展的結(jié)果。所以，發(fā)展出新學(xué)科：斷裂力學(xué)上世紀(jì)40年代起，發(fā)生了一系列重大脆性斷裂事故1940-1945，近千艘全焊接“自由輪”1000多次脆性破壞事故，238艘完全破壞；1950，北極星導(dǎo)彈固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體爆炸；1952，ESSO公司原油罐脆性倒塌等第三頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四斷裂力學(xué)是研究含裂紋物體的強(qiáng)度與裂紋擴(kuò)展規(guī)律的科學(xué)。意義-闡明了宏觀裂紋降低斷裂強(qiáng)度的作用，突出了缺陷對(duì)材料性能的重要影響。斷裂力學(xué)簡(jiǎn)介第四頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.1.1、裂紋系統(tǒng)的機(jī)械能釋放率：P50,圖3.1試樣伸長(zhǎng)量u，外加載荷P,則：，為試樣的柔度

系統(tǒng)的彈性變形能為：

3.1斷裂力學(xué)基本知識(shí)第五頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四

當(dāng)裂紋在外力作用下發(fā)生c的擴(kuò)展時(shí)：（1）常力加載時(shí)：則總機(jī)械能變化量為：（2）常位移加載，又稱(chēng)固定邊界加載，指在裂紋擴(kuò)展時(shí)，系統(tǒng)u=0，則于是：第六頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四

可見(jiàn)：不同加載條件時(shí)，裂紋擴(kuò)展c時(shí)系統(tǒng)所釋放的機(jī)械能與加載系統(tǒng)具體情況無(wú)關(guān)。所以：定義裂紋擴(kuò)展單位長(zhǎng)度時(shí)系統(tǒng)的機(jī)械能釋放率為：或?qū)定義為系統(tǒng)釋放的機(jī)械能對(duì)開(kāi)裂面積A（A=2c×厚度，厚度設(shè)為1）的導(dǎo)數(shù)，于是：G單位為：Nm-1第七頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四

采用恒位移加載，簡(jiǎn)化為：

第八頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四1、裂紋的擴(kuò)展方式：（1）掰開(kāi)型（Ⅰ型）：低應(yīng)力斷裂的主要原因，主要研究對(duì)象（2）錯(cuò)開(kāi)型（Ⅱ型）（3）撕開(kāi)型（Ⅲ型）3.1.2裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度第九頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四2、裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)分析r-半徑向量θ-角坐標(biāo)KI-應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子。與應(yīng)力、裂紋長(zhǎng)度、裂紋類(lèi)型、受力狀態(tài)有關(guān)。下標(biāo)I表示為Ⅰ型擴(kuò)展類(lèi)型。Irwin應(yīng)用彈性力學(xué)的應(yīng)力場(chǎng)理論，對(duì)掰開(kāi)性（I型）裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析。第十頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四當(dāng)r<<C，θ→0時(shí)，即為裂紋尖端處的一點(diǎn)，則掰開(kāi)性（I型）裂紋尖端的應(yīng)力：使裂紋擴(kuò)展的主要?jiǎng)恿κ?第十一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3、應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子

與幾何形狀因子Y-幾何形狀因子。與裂紋形式、試件幾何形狀有關(guān)。求KI的關(guān)鍵在于求Y斷裂力學(xué)的內(nèi)容：求不同條件下的YY也可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定各種條件下的Y已匯編成冊(cè)，可供查閱。第十二頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四4、臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子與斷裂韌性經(jīng)典強(qiáng)度理論斷裂準(zhǔn)則：

構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)的斷裂準(zhǔn)則：使用應(yīng)力小于或等于允許應(yīng)力。σ<=[σ][σ]=σf/n或σys/n，

σf-斷裂強(qiáng)度，σys–屈服強(qiáng)度，n-安全系數(shù)。

σ

f、σys均為材料常數(shù)。缺點(diǎn)：僅追求高強(qiáng)度，沒(méi)有抓住斷裂的本質(zhì)–裂紋擴(kuò)展。不能防止低應(yīng)力下的脆性斷裂。提出：斷裂判據(jù)第十三頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四

引入一個(gè)考慮裂紋尺寸并表征材料特性的臨界值常數(shù)KIC,稱(chēng)為平面應(yīng)變斷裂韌性。

新判據(jù)：即：當(dāng)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子小于或等于材料的平面應(yīng)變斷裂韌性時(shí)，所設(shè)計(jì)的構(gòu)件才安全，不致發(fā)生低應(yīng)力下的脆性斷裂。按照斷裂力學(xué)觀點(diǎn)，提出新的判據(jù)（新設(shè)計(jì)思想和選材準(zhǔn)則）第十四頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四設(shè)計(jì)實(shí)例有一實(shí)際使用應(yīng)力σ=1.30×109Pa的構(gòu)件，可選用兩種鋼材，參數(shù)為：甲鋼：σys=1.95×109Pa,KIC=4.5×107Pa·m1/2

乙鋼：σys=1.56×109Pa,KIC=7.5×107Pa·m1/2

第十五頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四傳統(tǒng)設(shè)計(jì)觀點(diǎn)使用應(yīng)力σ×安全系數(shù)n≦屈服強(qiáng)度σys

甲鋼：乙鋼：認(rèn)為選用甲鋼比乙鋼安全第十六頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四斷裂力學(xué)觀點(diǎn)

甲鋼：乙鋼：可見(jiàn)：甲鋼的σf<σ,而乙鋼的σf>σ,選用甲鋼不安全，會(huì)發(fā)生低應(yīng)力下的脆性斷裂，而選用乙鋼卻更安全可靠。參數(shù)KIC非常重要。第十七頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四5、平面應(yīng)變斷裂韌性的物理意義裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力-即裂紋擴(kuò)展2dc，單位表面所釋放的能量（彈性應(yīng)變能降低）：則：臨界狀態(tài)第十八頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四

對(duì)有內(nèi)部裂紋的薄板：（平面應(yīng)力狀態(tài)）（平面應(yīng)變狀態(tài)）則：第十九頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四（平面應(yīng)變狀態(tài)）（平面應(yīng)力狀態(tài)）脆性材料：則：第二十頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四K1c與材料的本征參數(shù)E、γ、μ等物理量有直接關(guān)系。K1c是材料的本征參數(shù)K1c反映了具有裂紋的材料對(duì)外界作用的一種抵抗能力-阻止裂紋擴(kuò)展的能力。可見(jiàn)：第二十一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四6、柔度標(biāo)定法求幾何形狀因子Y值根據(jù)裂紋長(zhǎng)度和斷裂應(yīng)力求平面應(yīng)變斷裂韌性KIC的關(guān)鍵是求幾何因子Y.求Y方法：應(yīng)力場(chǎng)分析;實(shí)驗(yàn)第二十二頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四實(shí)驗(yàn)方法求Y用已知彈性及形變常數(shù)E、的典型脆性材料做成試樣，試樣按規(guī)定的尺寸比例、荷載簡(jiǎn)圖、人工切口形狀和寬度，改變切口深度C（模擬裂紋擴(kuò)展的不同階段），測(cè)定不同C/W下的荷載F與試件變形的關(guān)系。在彈性形變范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)C/W，試件的柔度C=/F為一常數(shù)如圖（2.8）。第二十三頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四數(shù)據(jù)處理緩慢加載（位移速率0.05mm/min），裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的瞬間可視Fc為常數(shù)，此時(shí)試件儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能為：通過(guò)測(cè)得的C-c/W曲線(xiàn)的斜率，可求出dc/d（c/W）進(jìn)而可求Gc裂紋擴(kuò)展了dc時(shí)，裂紋擴(kuò)展動(dòng)力：第二十四頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四求解Y將Gc值代入，即可求得幾何形狀因子Y隨c/W變化的表達(dá)式。第二十五頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四7、線(xiàn)彈性計(jì)算公式（斷裂判據(jù)）對(duì)試件尺寸的要求以上推導(dǎo)出的斷裂判據(jù)，是由線(xiàn)彈性力學(xué)推導(dǎo)出來(lái)的。實(shí)際上在裂紋前沿附近，由于高應(yīng)力集中，在臨界狀態(tài)之前就已出現(xiàn)小區(qū)域的塑性變形。如果此區(qū)域的大小與原有裂紋長(zhǎng)度等尺寸相差不大，則很難將這種應(yīng)力狀態(tài)歸結(jié)為線(xiàn)彈性的。因此為了準(zhǔn)確地引用由線(xiàn)彈性力學(xué)計(jì)算出的斷裂判據(jù)，必須將可能出現(xiàn)的塑性小區(qū)域的大小限制在一定范圍內(nèi)。具體限制有兩個(gè)方面：1、裂紋前沿的塑性形變區(qū)尺寸對(duì)裂紋長(zhǎng)度的要求（c）2、對(duì)試樣其它尺寸的要求（厚度B、試樣凈寬W-c）第二十六頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四裂紋前沿的塑性形變區(qū)尺寸對(duì)裂紋長(zhǎng)度的要求根據(jù)Irwin應(yīng)力場(chǎng)公式，當(dāng)r=r0時(shí)，σ=σys，則塑性區(qū)尺寸：平面應(yīng)變狀態(tài)下，塑性區(qū)尺寸：其極限尺寸：第二十七頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四J.F.Knott對(duì)不同r/c的σy分量的精確解：

與Irwin近似解對(duì)比，得到：當(dāng)r/c<1/15π時(shí)，二者的相對(duì)誤差小于6%。第二十八頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四結(jié)論所以：如果限制r0，使r/c<1/15π，近似求解線(xiàn)彈性應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI成立則裂紋長(zhǎng)：滿(mǎn)足此條件，稱(chēng)為小范圍塑性形變。線(xiàn)彈性斷裂判據(jù)僅適用于小范圍塑性形變。即用試樣測(cè)定KIC時(shí)，裂紋長(zhǎng)度不能太短。對(duì)氧化鋁c≥0.51mm，鋼材c≥14mm;即試樣的預(yù)制裂紋不能太小，即試樣幾何尺寸不能太小。第二十九頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四對(duì)試樣其它尺寸的要求判據(jù)要求足夠的厚度：足夠的凈寬：實(shí)際上，無(wú)機(jī)材料的屈服強(qiáng)度很高，斷裂韌性卻很低，上述限制不難滿(mǎn)足。故尺寸可以做得很小，一般幾毫米即可。第三十頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.2斷裂韌性的測(cè)試方法單邊直通切口梁法：較成熟；

對(duì)于細(xì)晶瓷側(cè)得的結(jié)果偏大；受切口寬度的影響很大，要求過(guò)窄的切口，使此法在國(guó)內(nèi)、國(guó)外推廣受限；國(guó)內(nèi)外尚未有試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。雙扭法：方法成熟；裂紋形狀與自然裂紋一樣；數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確。缺點(diǎn)：試件尺寸大，屬于大裂紋，與陶瓷裂紋有區(qū)別壓痕三點(diǎn)彎曲梁法：針對(duì)小裂紋，接近于材料表面的尖銳裂紋；KⅠC值比較接近實(shí)際情況；待推廣山形切口劈裂試件法：優(yōu)點(diǎn)與雙扭法相同，未廣泛推廣第三十一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四單邊切口梁法（SENB法）試樣要求（P58-P59）Pc為臨界荷載，脆性材料即為最大載荷。加載速度0.05mm/min適用于d=20~40μm的粗晶粒陶瓷第三十二頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四雙扭法簡(jiǎn)化為

試件尺寸：2X24X30~2X24X40（mm3），在試件底面，沿長(zhǎng)度方向，在寬度的中間開(kāi)一條槽，以保證裂紋沿著此槽向后擴(kuò)展。適用于薄片材料第三十三頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四壓痕三點(diǎn)彎曲梁法Me-總表面修正因子，由裂紋深度α與試件厚度t的比值計(jì)算。Q-裂紋形狀因子Φ-橢圓積分。見(jiàn)表2.2適用于致密的陶瓷及玻璃。特點(diǎn)：在試樣受拉面的中部，用Knoop壓頭制造一人工的非貫穿尖銳裂紋，此裂紋接近無(wú)機(jī)材料的表面微裂紋。第三十四頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四山形切口劈裂試件法μ-波桑比此法不需要預(yù)先制造裂紋，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確第三十五頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.3裂紋的起源與快速擴(kuò)展裂紋的起源裂紋的快速擴(kuò)展防止裂紋擴(kuò)展的措施第三十六頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四裂紋的起源1、晶體微觀結(jié)構(gòu)中存在缺陷。當(dāng)受到外力作用時(shí)，這些缺陷就會(huì)引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋成核。如：位錯(cuò)塞積、位錯(cuò)組合、交截等都可使裂紋形核。2、材料表面的機(jī)械損傷與化學(xué)腐蝕形成表面裂紋。-尤為危險(xiǎn)。裂紋的擴(kuò)展常常由表面裂紋開(kāi)始。3、熱應(yīng)力形成裂紋。由于晶粒取向不同、不同相的熱膨脹系數(shù)不同、制造過(guò)程中冷卻、相變等引起。第三十七頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四裂紋的快速擴(kuò)展按照Griffth理論，材料的斷裂強(qiáng)度不是取決于裂紋的數(shù)量，而是取決于裂紋的大小。

臨界裂紋尺寸決定材料的斷裂強(qiáng)度。一旦裂紋超過(guò)臨界尺寸就迅速擴(kuò)展使材料斷裂。

因?yàn)椋毫鸭y擴(kuò)展動(dòng)力：G=πCσ2/E。裂紋一旦超過(guò)臨界尺寸，隨C增加，G變大。而dws/d2c=2γ，為常數(shù)。裂紋一旦達(dá)到臨界尺寸開(kāi)始擴(kuò)展，G越來(lái)越大于2γ，直至破壞。對(duì)于脆性材料，由于沒(méi)有大量吸收能量的塑性形變，裂紋的起始擴(kuò)展，就是破壞過(guò)程的臨界階段。

第三十八頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四裂紋的增殖由于G越來(lái)越大于2γ，釋放出多余的能量一方面使裂紋加速擴(kuò)展（擴(kuò)展速度達(dá)到聲速的40%-60%），另一方面還能使裂紋增殖，或使斷裂面形成復(fù)雜的形狀，如條紋、波紋、梳刷狀等斷裂形貌學(xué)-研究斷裂表面特征的科學(xué)。它有助于了解裂紋的成因及其擴(kuò)展特點(diǎn)，提供斷裂過(guò)程中最大應(yīng)力的方向變化及缺陷在斷裂中的作用等信息。第三十九頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四防止裂紋擴(kuò)展的措施1、作用應(yīng)力不超過(guò)臨界應(yīng)力。2、在材料中設(shè)置吸收能量的機(jī)構(gòu)。如：（a）在陶瓷材料基體中加入塑性粒子或纖維制成金屬陶瓷和復(fù)合材料。（b）人為地在材料中制造大量極細(xì)微的裂紋（小于臨界尺寸）或擠壓內(nèi)應(yīng)力。如：在氧化鋁中加入氧化鋯。第四十頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.4顯微結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂韌性的影響

無(wú)機(jī)材料增韌設(shè)計(jì)，即通過(guò)調(diào)整材料的顯微結(jié)構(gòu)，提高材料的裂紋擴(kuò)展阻力。研究顯微結(jié)構(gòu)與裂紋擴(kuò)展阻力間關(guān)系具有現(xiàn)實(shí)意義。若：氧化鋁多晶體，KⅠC

=3MPa.m1/2，當(dāng)=500MPa時(shí)，2c≦12m，∴對(duì)無(wú)機(jī)材料制備工藝要求苛刻，增韌設(shè)計(jì)成為無(wú)機(jī)材料研究的中心問(wèn)題。第四十一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四1、裂紋偏轉(zhuǎn)與裂紋偏轉(zhuǎn)增韌（1）相鄰晶粒間取向差增大，裂紋沿晶界偏轉(zhuǎn)擴(kuò)展傾向增大。沿晶斷裂時(shí)，裂紋擴(kuò)展路徑曲折，表觀斷裂能增大，斷裂韌性提高。（2）第二相粒子存在，也會(huì)導(dǎo)致裂紋偏轉(zhuǎn)。增韌效果與第二相粒子形狀和含量有關(guān)。圓柱狀優(yōu)于圓片狀和球狀。

裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，擴(kuò)展方向發(fā)生變化稱(chēng)為裂紋偏轉(zhuǎn)。由于裂紋偏轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的材料斷裂韌性提高，稱(chēng)為裂紋偏轉(zhuǎn)增韌。第四十二頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四2、裂紋橋接與裂紋橋接增韌

（1）調(diào)整材料制備工藝，有意識(shí)地使材料具備可能導(dǎo)致裂紋橋接的顯微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如柱狀晶（高徑比適當(dāng)大些）等。（2）添加第二相組元，如：大顆粒，定向排布的纖維，隨機(jī)分布的晶須，第二相也會(huì)導(dǎo)致裂紋偏轉(zhuǎn)。增韌效果與第二相粒子延性顆粒等。

裂紋在發(fā)生偏轉(zhuǎn)的同時(shí)分叉，形成橋接?！跇蚪咏M元破壞之前，裂紋的擴(kuò)展時(shí)穩(wěn)態(tài)的，具有裂紋擴(kuò)展阻力曲線(xiàn)行為。為了獲得橋接增韌效果，可以采取以下措施：第四十三頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3、微裂紋增韌與相變?cè)鲰g

在裂紋尖端前緣區(qū)域存在可以導(dǎo)致盈利松弛的顯微結(jié)構(gòu)因素，可以使裂紋尖端應(yīng)力集中程度降低，則提高了裂紋擴(kuò)展阻力，微裂紋增韌和相變?cè)鲰g，采用的就是此原理。

同時(shí)，微開(kāi)裂和相變伴隨的體積的改變?cè)诹鸭y面兩個(gè)開(kāi)裂面施加了正應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展阻力提高。第四十四頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四4、裂紋擴(kuò)展阻力曲線(xiàn)

P68-71圖3.19

具有阻力曲線(xiàn)行為的材料，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的判據(jù)修正為：

具有顯著升高的阻力曲線(xiàn)行為，對(duì)于提高材料工程應(yīng)用的可靠性是極為有利的。在陶瓷材料增韌設(shè)計(jì)中，在提高韌性的同時(shí)，更為關(guān)注材料表現(xiàn)出顯著的阻力曲線(xiàn)行為。第四十五頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.5無(wú)機(jī)材料中裂紋的

亞臨界生長(zhǎng)裂紋的亞臨界生長(zhǎng)：裂紋除了快速失穩(wěn)擴(kuò)展外，還會(huì)在使用應(yīng)力作用下，隨著時(shí)間的推移而緩慢擴(kuò)展，稱(chēng)為裂紋的亞臨界生長(zhǎng)，又稱(chēng)為靜態(tài)疲勞。動(dòng)態(tài)疲勞：材料在循環(huán)應(yīng)力或漸增應(yīng)力作用下的延時(shí)破壞。裂紋緩慢生長(zhǎng)的結(jié)果是裂紋尺寸增大，一旦達(dá)到臨界尺寸就會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展而破壞。

C;

第四十六頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四材料的壽命當(dāng)C時(shí)，構(gòu)件在開(kāi)始負(fù)荷時(shí)不會(huì)破壞，但負(fù)荷時(shí)間足夠長(zhǎng)，仍會(huì)在低應(yīng)力下破壞而斷裂-無(wú)先兆。所以，材料的斷裂也取決于時(shí)間：

當(dāng)負(fù)荷時(shí)間t1t2

t3時(shí)，斷裂強(qiáng)度σ3σ2σ1（？？？裂紋生長(zhǎng)），

材料的壽命問(wèn)題？材料的壽命取決于裂紋的亞臨界生長(zhǎng)。預(yù)測(cè),t?使用對(duì)策t,?第四十七頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四裂紋緩慢生長(zhǎng)理論：（1）應(yīng)力腐蝕理論理論實(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)裂與止裂的條件。出發(fā)點(diǎn)：考慮材料長(zhǎng)期暴露在腐蝕性環(huán)境介質(zhì)中。第四十八頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四應(yīng)力腐蝕理論基本思想裂紋尖端處應(yīng)力的高度集中，導(dǎo)致較大的裂紋擴(kuò)展動(dòng)力。在腐蝕環(huán)境中，裂紋尖端處的離子鍵受到破壞，吸附了表面活性物質(zhì)，使材料的表面自由能降低。即擴(kuò)展阻力降低。擴(kuò)展阻力小于擴(kuò)展動(dòng)力，材料在低應(yīng)力水平下開(kāi)裂。新開(kāi)裂表面的斷裂表面，未來(lái)得及被介質(zhì)侵蝕，其表面能仍大于裂紋擴(kuò)展動(dòng)力，裂紋立即止裂。腐蝕-開(kāi)裂-腐蝕-???，周而復(fù)始，形成裂紋的緩慢生長(zhǎng)。第四十九頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四K值隨亞臨界裂紋生長(zhǎng)的變化由于裂紋的緩慢生長(zhǎng)，其應(yīng)力強(qiáng)度因子也逐漸增大，一旦達(dá)到KIC，立即發(fā)生快速擴(kuò)展而斷裂。無(wú)論K初始大小，每個(gè)試件均在K=KIC時(shí)斷裂。K初始時(shí)間KICKIEAC第五十頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四（2）高溫下裂紋尖端的

應(yīng)力空腔作用多晶多相陶瓷在高溫下長(zhǎng)期受力作用，晶界玻璃相的結(jié)構(gòu)粘度下降。由于該處的應(yīng)力集中，晶界處于很高的局部拉應(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、夾雜、晶界層，甚至結(jié)構(gòu)缺陷中。缺陷逐漸長(zhǎng)大，形成空腔?？涨贿M(jìn)一步沿晶界方向長(zhǎng)大、聯(lián)通，形成次裂紋，與主裂紋匯合成裂紋的緩慢擴(kuò)展。第五十一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四亞臨界裂紋生長(zhǎng)速率

與應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的關(guān)系如前所述，起始不同的KI，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，因裂紋的不斷增長(zhǎng)而緩慢增大。曲線(xiàn)的斜率近似于反映裂紋的生長(zhǎng)速率。第五十二頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四C-裂紋瞬間長(zhǎng)度。A、B、n-與材料本質(zhì)和環(huán)境條件有關(guān)的常數(shù)。所以，V隨KI增大而增大。由大量實(shí)驗(yàn)得到：

V與KI的關(guān)系第五十三頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四lnv與KI的關(guān)系曲線(xiàn)Ⅰ區(qū)：lnv與KI呈直線(xiàn)關(guān)系Ⅱ區(qū)：lnv與KI無(wú)關(guān)Ⅲ區(qū)：lnv與KI呈直線(xiàn)關(guān)系，但斜率更大。ⅢⅡⅠkIEACKICK第五十四頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四V0-頻率因子Q*-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-常數(shù)。與應(yīng)力集中狀態(tài)下受到活化的區(qū)域大小有關(guān)。R-氣體普適常數(shù)。上述關(guān)系用波爾茲曼因子表示為：第五十五頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四疲勞本質(zhì)Ⅰ區(qū)：隨著KI增加，Q*將因環(huán)境的影響而下降（應(yīng)力腐蝕），因此lnv增加，且與KI呈直線(xiàn)關(guān)系。Ⅱ區(qū)：原子及空位的擴(kuò)散速度達(dá)到了腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散速度，使得開(kāi)裂的裂紋端部沒(méi)有腐蝕介質(zhì)，因此Q*增高，抵消了KI增加對(duì)增加lnv的影響，nKI-Q*為常數(shù)。Ⅲ區(qū)：Q*增加到一定程度，就不再增加（相當(dāng)于真空中裂紋擴(kuò)展的Q*值），nKI-Q*增大，lnv迅速增大。第五十六頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四疲勞過(guò)程與

加載速率的關(guān)系加載速率越慢，裂紋擴(kuò)展的時(shí)間也越長(zhǎng)，在較低應(yīng)力下就能達(dá)到臨界尺寸。大多數(shù)氧化物陶瓷因含有堿性硅酸鹽玻璃相，通常也有疲勞現(xiàn)象。第五十七頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四實(shí)例（P74）Si3N4陶瓷的裂紋生長(zhǎng)速率與起始應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的關(guān)系：1200℃，n≈50>1350℃，n≈11200℃~1350℃

KI較小時(shí)，n≈1KI較大時(shí)，n≈50第五十八頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四V-KI曲線(xiàn)測(cè)試方法雙扭法緊湊拉伸法靜態(tài)疲勞法（應(yīng)力疲勞法）動(dòng)態(tài)疲勞法直接測(cè)不同時(shí)間的裂紋長(zhǎng)度c值，計(jì)算v、KⅠ，得對(duì)應(yīng)關(guān)系第五十九頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四根據(jù)亞臨界裂紋擴(kuò)展

預(yù)測(cè)材料壽命Ci-起始裂紋長(zhǎng)度Cc-臨界裂紋長(zhǎng)度無(wú)機(jī)材料在使用溫度下、受力σa，最長(zhǎng)裂紋將會(huì)有亞臨界裂紋緩慢擴(kuò)展，最后斷裂。研究此擴(kuò)展的終止時(shí)間，可預(yù)測(cè)制品的壽命。第六十頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四所以，制品受力后的壽命為：第六十一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四壽命預(yù)測(cè)方法1、無(wú)損探傷法：實(shí)測(cè)c，定ccall，然后代入（上式t公式）計(jì)算。對(duì)于一批試樣，也可用下述公式求出，以σa為變量，得不同ci下的壽命t，然后做出不同ci時(shí)，σa與壽命t的關(guān)系曲線(xiàn)，使用時(shí)根據(jù)σa、ci，在圖中查出壽命t首先實(shí)測(cè)不同KⅠi下的裂紋擴(kuò)展速率V，計(jì)算出A，n,然后用以下兩種方法預(yù)計(jì)：第六十二頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四壽命預(yù)測(cè)方法還可繪出保證試驗(yàn)圖法，選σp2、當(dāng)裂紋太小，無(wú)法測(cè)出時(shí)，采用保證試驗(yàn)法。采用保證試驗(yàn)法：施加檢驗(yàn)壓力σp，σa

σp

σc，則KIi

KIp

KIc，則：所以：第六十三頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四無(wú)機(jī)材料的高溫延遲斷裂（P78）對(duì)絕大多數(shù)無(wú)機(jī)材料來(lái)說(shuō)，在室溫下發(fā)生的延遲斷裂一般都是由于材料中存在固有裂紋在外力作用下發(fā)生緩慢擴(kuò)展導(dǎo)致的，其壽命可以采用上節(jié)介紹的方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。然而，在高溫下，無(wú)機(jī)材料發(fā)生的延遲斷裂則是一個(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程。第六十四頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四

在高溫下，無(wú)機(jī)材料內(nèi)發(fā)生兩個(gè)不同的缺陷發(fā)育過(guò)程，一個(gè)是固有裂紋的緩慢擴(kuò)展，另一個(gè)是高溫蠕變而導(dǎo)致的新缺陷的形成。

兩個(gè)過(guò)程競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，可能是固有裂紋尖端鈍化，破壞由損傷的累積過(guò)程主導(dǎo)；也可能是固有裂紋的緩慢擴(kuò)展直接導(dǎo)致了材料的破壞。

由蠕變斷裂過(guò)程主導(dǎo)的材料延遲斷裂，其壽命不能用上節(jié)的方法預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)按公式（3.60）第六十五頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四蠕變斷裂蠕變斷裂：多晶材料在高溫環(huán)境中，在恒定外力作用下，由于形變不斷增加而斷裂。斷裂過(guò)程中的裂紋擴(kuò)展屬于亞臨界擴(kuò)展。形式：沿晶界斷裂。第六十六頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四蠕變斷裂的

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)，在晶界處應(yīng)力集中。若使相鄰晶粒發(fā)生塑性形變而滑移，則將使應(yīng)力松弛，宏觀上表現(xiàn)為高溫蠕變。若不能使相鄰晶粒發(fā)生塑性形變，則應(yīng)力集中將使晶界處產(chǎn)生裂紋。裂紋逐步擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂。第六十七頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四蠕變斷裂的

空位聚積理論在應(yīng)力及熱振動(dòng)作用下，受拉的晶界上空位濃度增加?？瘴坏拇罅烤鄯e，形成可觀的真空空腔并發(fā)展成為微裂紋。微裂紋的逐步擴(kuò)展、聯(lián)通，導(dǎo)致斷裂。第六十八頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四影響蠕變斷裂的因素溫度：溫度越低，蠕變斷裂所需時(shí)間越長(zhǎng)。應(yīng)力：應(yīng)力越小，蠕變斷裂所需時(shí)間越長(zhǎng)。蠕變斷裂過(guò)程中裂紋的擴(kuò)展，本質(zhì)上是一種高溫下，較低應(yīng)力水平的亞臨界裂紋擴(kuò)展。第六十九頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.6提高無(wú)機(jī)材料強(qiáng)度

改進(jìn)材料韌性的途徑材料強(qiáng)度的本質(zhì)是內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的結(jié)合力。晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定情況下，控制材料強(qiáng)度的主要參數(shù)：彈性模量斷裂功（斷裂表面能）裂紋尺寸唯一可以控制的是材料中的微裂紋-各種缺陷的總和。強(qiáng)化措施從消除缺陷、阻止其發(fā)展著手，分為下列幾方面：第七十頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四一、微晶、高密度和高純度為消除缺陷，提高晶體的完整性，細(xì)、密、勻、純是當(dāng)前陶瓷發(fā)展的一個(gè)重要方向。近年出現(xiàn)了許多微晶、高密度、高純度陶瓷。纖維：將塊體材料制成細(xì)纖維，強(qiáng)度提高大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。晶須：將塊體材料制成細(xì)纖維，強(qiáng)度提高大約兩個(gè)數(shù)量級(jí)，與理論強(qiáng)度大小同數(shù)量級(jí)-關(guān)鍵是提高了晶體的完整性。晶須強(qiáng)度隨晶須截面直徑的增加而降低。第七十一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四二、提高抗裂能力和預(yù)加應(yīng)力

人為地預(yù)加應(yīng)力，在材料表面制造一層應(yīng)力層，可以提高材料的抗拉強(qiáng)度。措施：熱韌化：通過(guò)加熱、冷卻，在材料表面層人為地引入殘余應(yīng)力的過(guò)程。如鋼化玻璃、門(mén)窗、眼鏡玻璃。Al2O3在1700℃下于硅油中淬冷，不僅在表面造成正壓力，而且可以使晶粒細(xì)化，強(qiáng)度提高。利用表面層與內(nèi)部的熱膨脹系數(shù)不同，也可以達(dá)到預(yù)加應(yīng)力的效果。第七十二頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期四三、化學(xué)強(qiáng)化如要求表面殘余應(yīng)力更高，則熱韌化的辦法難以做到，可以采用化學(xué)強(qiáng)化?；瘜W(xué)強(qiáng)化（離子交換）：通過(guò)改變表面的化學(xué)組成，使表面的摩爾體積比內(nèi)部大。由于表面體積膨脹受到內(nèi)部材料的限制，產(chǎn)生兩相狀態(tài)的正壓力。表面壓力與體積變化服從虎克定律：方法：大離子置換小離子。另外，表面拋光和化學(xué)處