斷裂韌性及測量方法

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1、第二章 無機材料的脆性斷裂與強度主講：李享成 博士電話：027-68862616材冶學(xué)院6256辦公室http:/ 2 2.4 應(yīng)力場強度因子與平面應(yīng)變斷裂韌性n Griffith從能量平衡的觀點出發(fā)，提出了含裂紋固體的強度和裂紋關(guān)系之條件：裂紋失穩(wěn)擴展。而導(dǎo)致材料斷裂的必要條件是：在裂紋擴展過程中系統(tǒng)的自由能必須下降（熱力學(xué)條件） n K與外加應(yīng)力、裂紋長度、裂紋種類及受力狀態(tài)等有關(guān)的系數(shù)，稱為應(yīng)力場強度因子，它反映裂紋尖端應(yīng)力場強度。n Griffith方程：122c E Kcc 3 n裂紋的三種類型1 21K Y cn對1型有：n 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

2、況的Y已匯制成冊，供檢索。 4 n三種情況下的Y值 5 臨場應(yīng)力場強度因子及斷裂韌性121 1cK Y c K n斷裂判據(jù)：n K1c為平面應(yīng)變斷裂韌性，為材料常數(shù)，其值為： 1 222 1c EK E n K1c與材料本征參數(shù)E,，等物理量相關(guān)，反映具有裂紋的材料對外界作用的一種抵抗能力，即阻止裂紋擴展能力，是材料固有性質(zhì)。 6 KIC 的意義n舉例：P51n抓住裂紋本質(zhì)，提供新的設(shè)計思想和選材標(biāo)準(zhǔn)；n表征材料特征的臨界值。 7 Problemn The fracture toughness of polycrystaline Alumina(Youngs modulus 306GPa) i

3、s about 4MPam1/2 while the toughness of MgO partially stabilized zirconia(PSZ)(Youngs modulus 138GPa) is about 10MPa m1/2.n a) Estimate the fracture surface energy of (i) alumina and (ii) PSZ assuming these toughness values were obtained under conditions of plane stress. n b) Polycrystalline ceramic

4、s often have intergranular cracks in them due to thermal expansion mismatch. Their strength is therefore limited by these cracks whose size is on the order of the grain size. Calculate the maximum strength you would expect to observe in (i) alumina with 20-um-diameter grain size and (ii) PSZ with a

5、50um-diameter grain size. Model the cracks as internal circular cracks with the same size as the grains. 8 斷裂韌性的測量方法n單邊切口梁法（SENB）n雙扭法（DT）n Knoop壓痕三點彎曲梁法n山形切口劈裂試件法 標(biāo)準(zhǔn)尺寸，K1c的表達式，單位MPam-1/2 2.5 裂紋的起源與快速擴展 10 一、裂紋的起源缺陷表面 熱應(yīng)力 11 裂紋的三種起源a)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；b)材料表面的機械損傷與化學(xué)腐蝕形成表面裂紋；c)由于晶粒熱膨脹系數(shù)差異，受熱后

6、形成裂紋。 12 裂紋快速擴展n Griffith微裂紋理論，材料的斷裂強度不是取決于裂紋的數(shù)量，而是取決于裂紋的大小，即由最危險的裂紋尺寸（臨界尺寸）決定材料的斷裂。n裂紋擴展速度為聲速的40%-60%,并會產(chǎn)生新的斷裂紋。 13 裂紋擴展機理a)應(yīng)力腐蝕理論n這種理論的實質(zhì)在于:在一定環(huán)境溫度和應(yīng)力場強度因子作用下,材料中關(guān)鍵裂紋尖端處, 裂紋擴展動力與裂紋擴展阻力的比較,構(gòu)成裂紋開裂和止裂的條件。 n裂紋尖端處的高度的應(yīng)力集中導(dǎo)致較大的裂紋擴展動力。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，

7、裂紋的擴展阻力降低了。如果此值小于裂紋擴展動力，就會導(dǎo)致在低應(yīng)力水平下的開裂。新開裂表面的斷裂表面，因為還沒有來得及被介質(zhì)腐蝕，其表面能仍然大于裂紋擴展動力，裂紋立即止裂，接著進行下一個腐蝕-開裂循環(huán)，周而復(fù)始，形成宏觀上的裂紋的緩慢生長。 14圖1-43 K值隨亞臨界裂紋增長的變化 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，裂紋擴展與環(huán)境無關(guān)，而受材料組成與溫度的影響。 15 b) 亞臨界裂紋生長速率與應(yīng)力場強度因子的關(guān)系

8、圖1-45 亞臨界裂紋擴展的三個階段nIdcv AKdt ln Iv A BK *exp Io Q nKv v RT 16 c) 材料壽命的預(yù)測 Y值變化很小，可忽略，裂紋擴展速率v=dc/dt，則有裂紋擴展1階段，v=AKIn由起始裂紋狀態(tài)，經(jīng)受力后緩慢擴展直到臨界裂紋長度所經(jīng)歷的時間，此即為制品受力的壽命 17 壽命預(yù)計的方法n無損探傷法n可測出比較長的表面裂紋，對小裂紋及小尺寸制品難以測量；n保證試驗法n施加界于臨界應(yīng)力和工作應(yīng)力之間的力。 18 d) 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 期 受 力 作 用 時 ,晶界

9、 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 發(fā)生 蠕 變 或 粘 性 流 動 ,形 成發(fā) 生 在 氣 孔 、 夾 雜 、 晶界 層 ,甚 至 結(jié) 構(gòu) 缺 陷 中 。 19 e)蠕變斷裂圖1-46 沿晶界斷裂的幾種形式 20 陶瓷材料的脆性和克服脆性的途徑n材料強度的本質(zhì)(根本):內(nèi)部質(zhì)點間的結(jié)合力-各種化學(xué)鍵的綜合表現(xiàn),在“固體材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)中已經(jīng)學(xué)習(xí).同學(xué)們應(yīng)該把原來的知識和現(xiàn)在的學(xué)習(xí)結(jié)合起來.材料的“表觀”強度是由材料的本征強度和材料的各種“結(jié)構(gòu)”-包括缺陷和強化 21 n脆性是

10、陶瓷的特征，亦是陶瓷的致命弱點，它間接地反映在陶瓷較低的抗機械沖擊強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荷，陶瓷的斷裂則具有爆發(fā)性的特征和災(zāi)難性的后果。 22 2.6 陶瓷增韌增加強度，需增加斷裂韌性，減小裂紋長度 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超過5Mpam1/2，前提是不采用特殊的顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計。 23 24 25 實際材料的強度接近理論強度的途徑n提高晶體的完整度，消除缺陷：細：細晶 微晶密：高密度勻：均勻2.7 顯微結(jié)構(gòu)與材料強度的關(guān)系 26 n晶須(Whisker)：和理論強度在一個數(shù)

11、量級n纖維(fiber)：低于理論強度一個數(shù)量級n單晶(Crystal)：接近理論強度n氧化鋁：抗拉強度(GPa)，particle-0.28， fiber-2.1，whisker-21 27 晶體尺寸與斷裂韌性、強度的關(guān)系n超過特征尺寸時，微裂紋瞬間擴展，主要裂紋連接微裂紋，而降低Kic; n在特征尺寸范圍內(nèi)，顆粒增大，會在微裂紋表面提供更大的閉合力，能夠支撐更高的開口裂紋的位移。 28 29 強度與氣孔的關(guān)系n多孔材料的強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度值。Duckworth早年提出的強度與氣孔率之間的關(guān)系式： bpf e 0 30 n高溫下，氣孔能容納變形，阻止裂紋擴展。適當(dāng)氣孔可提高耐火材料的熱需穩(wěn)定性。雜質(zhì)的存在，彈性模量較低的第二相，會使強度降低。 31 Homeworkn教材第頁第、題n PPT的英文題（可選）思考題(不需要交)n如何提高材料的強度？