第9章材料的力學性能ppt課件

1、材料力學材料力學主要涉及力在材料中的分布。主要涉及力在材料中的分布。材料的力學材料的力學材料在力的作用下發(fā)生的宏觀材料在力的作用下發(fā)生的宏觀和微觀變化及其機理。和微觀變化及其機理。材料的力學性能機械性能）材料的力學性能機械性能）材料對外力材料對外力的反應。一定的力學性能使材料在使用條件的反應。一定的力學性能使材料在使用條件下保持一定的形狀和尺寸下保持一定的形狀和尺寸外力對材料的作用：變形和斷裂外力對材料的作用：變形和斷裂(Fracture)。變形又分為彈性變形變形又分為彈性變形(Elastic Deformation)和塑和塑性變形性變形(Plastic Deformation)，前者指外力去

2、，前者指外力去除后可以完全消失的那部分變形，后者指外除后可以完全消失的那部分變形，后者指外力去除后不能消失的那部分變形。力去除后不能消失的那部分變形。材料中的原子、分子離子有相互作用材料中的原子、分子離子有相互作用外外力力變形變形原子、分子離子間產(chǎn)生附加原子、分子離子間產(chǎn)生附加內(nèi)力抵抗外力防止材料解體）內(nèi)力抵抗外力防止材料解體）附加內(nèi)力與附加內(nèi)力與外力大小相等，方向相反。外力大小相等，方向相反。真實應力：材料單位面積上所受的附加內(nèi)力。真實應力：材料單位面積上所受的附加內(nèi)力。AFTF: 外力，外力，A: 面積面積00AFA0: 受力前的面受力前的面積積名義工程應力名義工程應力三種類型：拉伸、剪切

3、、緊縮。三種類型：拉伸、剪切、緊縮。拉伸應變拉伸應變0001-lllll工程應變01Tlnd10llllll真應變同一直線上的反向力引起。同一直線上的反向力引起。 tan 壓縮應變壓縮應變0010-VVVVV其中其中V0、V1分別為起分別為起始時和任意時刻的體積。始時和任意時刻的體積。材料周圍的均材料周圍的均勻應力引起。勻應力引起。靜載力學性能是指材料在加載速度較慢時表現(xiàn)出靜載力學性能是指材料在加載速度較慢時表現(xiàn)出的力學性能。的力學性能。靜拉伸試驗是工業(yè)上應用最廣泛的力學性能評定靜拉伸試驗是工業(yè)上應用最廣泛的力學性能評定方法之一。對不同的材料，試樣形狀、尺寸、加方法之一。對不同的材料，試樣形狀

4、、尺寸、加工精度、加載速率等均有相應的標準。試驗過程工精度、加載速率等均有相應的標準。試驗過程中拉伸試驗機可自動記錄材料的工程應力和應變中拉伸試驗機可自動記錄材料的工程應力和應變彈性極限彈性極限e ：材料不發(fā)：材料不發(fā)生塑性變形的最大應力生塑性變形的最大應力比例極限比例極限p：應力應：應力應變成正比關(guān)系的最大應力變成正比關(guān)系的最大應力上屈服點上屈服點下屈服點即屈服強度下屈服點即屈服強度s加工硬化，應力隨應變增大加工硬化，應力隨應變增大頸縮，應變增大，頸縮，應變增大，名義應力降低。名義應力降低?？估瓘姸瓤估瓘姸萣：拉：拉斷前可承受的最斷前可承受的最大名義應力大名義應力斷 裂 后 的斷 裂 后 的

5、殘余應變殘余應變儀器儀表儀器儀表運用應力應變正比關(guān)系運用應力應變正比關(guān)系依依據(jù)比例極限據(jù)比例極限p進行設計，例如彈簧秤。進行設計，例如彈簧秤。對于不允許出現(xiàn)塑性變形的場合對于不允許出現(xiàn)塑性變形的場合依據(jù)彈性依據(jù)彈性極限極限e進行設計，例如普通彈簧。進行設計，例如普通彈簧。一般的應用場合依據(jù)屈服強度進行設計，對于一般的應用場合依據(jù)屈服強度進行設計，對于有明顯屈服的材料就是有明顯屈服的材料就是s。對塑性好的金屬，高的對塑性好的金屬，高的b可保證安全性可保證安全性斷斷裂前發(fā)生明顯的塑性變形，且塑性變形引起的裂前發(fā)生明顯的塑性變形，且塑性變形引起的硬化阻止持續(xù)塑性變形而引起斷裂硬化阻止持續(xù)塑性變形而引

6、起斷裂延伸率延伸率(Elongation Percentage)：試樣拉斷后：試樣拉斷后工作部分長度的相對伸長量，即工作部分長度的相對伸長量，即%10000bllll0和和 lb：試樣工作部分的初始長度和斷裂后長度：試樣工作部分的初始長度和斷裂后長度不同試樣長度下的不同試樣長度下的不同不同5、 10斷面收縮率：試樣斷裂后的截面積收縮率，即斷面收縮率：試樣斷裂后的截面積收縮率，即%1000b0SSSS0和和Sb：試樣的初始截面積和斷裂后的最小截面：試樣的初始截面積和斷裂后的最小截面積積陶瓷，脆性陶瓷，脆性材料，一定材料，一定的彈性變形的彈性變形后即斷裂。后即斷裂。鑄鐵、鑄鋁，脆，斷裂前有鑄鐵、鑄

7、鋁，脆，斷裂前有微量的塑性變形，無頸縮微量的塑性變形，無頸縮 多數(shù)金屬塑性良好，多數(shù)金屬塑性良好，無 明 顯 屈 服 ， 以無 明 顯 屈 服 ， 以0.2為屈服強度為屈服強度試樣發(fā)生試樣發(fā)生0.2%塑塑性變形時的應力性變形時的應力 高聚物：可能高彈高聚物：可能高彈性但無塑性變形性但無塑性變形用扭轉(zhuǎn)、彎曲、壓縮等試驗測試塑性較差的材料，用扭轉(zhuǎn)、彎曲、壓縮等試驗測試塑性較差的材料，如陶瓷、鑄鐵等的塑性。如陶瓷、鑄鐵等的塑性。扭轉(zhuǎn)試驗：以扭矩扭轉(zhuǎn)試驗：以扭矩M和扭轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)角（在試樣標距（在試樣標距l(xiāng)0上的兩個端面間的相對扭轉(zhuǎn)角繪制成上的兩個端面間的相對扭轉(zhuǎn)角繪制成M曲曲線，求出材料的扭轉(zhuǎn)強度、切

8、彈性模量、塑性。線，求出材料的扭轉(zhuǎn)強度、切彈性模量、塑性。彎曲試驗：將試樣上的載荷彎曲試驗：將試樣上的載荷P或彎矩或彎矩M與撓度與撓度f的的關(guān)系繪制成曲線即為彎曲曲線。斷裂時的撓度越關(guān)系繪制成曲線即為彎曲曲線。斷裂時的撓度越大則說明材料的塑性越好。大則說明材料的塑性越好。 壓縮試驗：單向壓縮可以看成負拉伸，拉伸的性壓縮試驗：單向壓縮可以看成負拉伸，拉伸的性能指標的定義和公式都可以在壓縮試驗中應用。能指標的定義和公式都可以在壓縮試驗中應用。為降低摩擦，試樣端面要進行精加工并加潤滑油為降低摩擦，試樣端面要進行精加工并加潤滑油 硬度無明確的物理意義，是表征材料的彈性、塑硬度無明確的物理意義，是表征材

9、料的彈性、塑性、形變強化、強度和韌性等不同物理量組合的性、形變強化、強度和韌性等不同物理量組合的綜合性能指標。綜合性能指標。隨試驗方法不同，一般硬度是金屬表面抵抗局部隨試驗方法不同，一般硬度是金屬表面抵抗局部壓入變形或刻畫破裂的能力。壓入變形或刻畫破裂的能力。刻劃硬度刻劃硬度莫氏硬度莫氏硬度表示硬度順序，不表表示硬度順序，不表示軟硬程度示軟硬程度后面的材料可劃破前面的材料后面的材料可劃破前面的材料莫氏硬度不能表示軟硬程莫氏硬度不能表示軟硬程度度用來衡量很脆的材料用來衡量很脆的材料布氏硬度布氏硬度(HB)：將淬：將淬火鋼球壓入材料，以火鋼球壓入材料，以一定載荷下的壓痕直一定載荷下的壓痕直徑確定硬

10、度的高低。徑確定硬度的高低。適合測試較軟的材料適合測試較軟的材料得到的硬度是宏觀的得到的硬度是宏觀的平均硬度平均硬度毫米到毫米到厘米級的區(qū)域。厘米級的區(qū)域。多數(shù)材料可用壓入法給出軟硬程度的定量值。多數(shù)材料可用壓入法給出軟硬程度的定量值。載荷大，載荷大，適用于較適用于較硬的材料硬的材料得到的硬得到的硬度是宏觀度是宏觀的平均硬的平均硬度度毫毫米級的區(qū)米級的區(qū)域。域。從軟到硬有統(tǒng)一從軟到硬有統(tǒng)一標度，壓痕清晰標度，壓痕清晰使結(jié)果準確。使結(jié)果準確。顯微維氏硬度：顯微維氏硬度：小壓頭，小載荷，小壓頭，小載荷，在顯微鏡下測量，在顯微鏡下測量，反映材料微米級反映材料微米級微區(qū)的硬度。微區(qū)的硬度?；⒖嘶⒖?H

11、ooke)定律：彈性應變與應力成正比。定律：彈性應變與應力成正比。比例系數(shù)稱彈性模量比例系數(shù)稱彈性模量(Elastic modulus, 材料剛度材料剛度)彈性模量的三種形式：彈性模量的三種形式：楊氏模量正彈性模量）楊氏模量正彈性模量）00l/lF/AE剪切模量剪切模量tan0AFG壓縮模量壓縮模量VPVV/VPB00其中其中A0為材料拉伸前的截面積，為材料拉伸前的截面積，A為為A0的減的減少量，少量， t為橫向應變。為橫向應變。t00-l/lA/A-對各向同性材料，有：對各向同性材料，有： E=2G(1+)=3B(1-2)即從泊松比可由一個模量推知其他模量。即從泊松比可由一個模量推知其他模量

12、。宏觀：剛度，彈性變形抗力。宏觀：剛度，彈性變形抗力。微觀：原子間作用的大小。微觀：原子間作用的大小。共價鍵、離子鍵共價鍵、離子鍵材料，原子間作材料，原子間作用力大用力大(tan1)分子鍵材料，分子鍵材料，原子間作用力原子間作用力小小(tan2)離子鍵、共價鍵、金屬鍵離子鍵、共價鍵、金屬鍵高彈性模量高彈性模量未達到大變形量即發(fā)生塑性變形或斷裂未達到大變形量即發(fā)生塑性變形或斷裂變形變形量小量小正比關(guān)系正比關(guān)系高分子材料：彈高分子材料：彈性模量小，可能性模量小，可能有大變形量有大變形量分子鍵結(jié)合分子鍵結(jié)合彈性模量小彈性模量小分子鏈可大量伸分子鏈可大量伸直直回縮回縮可可產(chǎn)生大變形量產(chǎn)生大變形量滯彈性

13、彈性弛豫）：落后于外加應力，并和時滯彈性彈性弛豫）：落后于外加應力，并和時間有關(guān)的彈性應變。間有關(guān)的彈性應變。施加應力，立施加應力，立即產(chǎn)生應變即產(chǎn)生應變時間延長，又時間延長，又產(chǎn)生應變產(chǎn)生應變卸載，部分應卸載，部分應變立即消失變立即消失另一部分應另一部分應變逐漸消失變逐漸消失滯彈性弛豫）滯彈性弛豫）問題：真空中振問題：真空中振動的金屬音叉動的金屬音叉振幅衰減，停振幅衰減，停止振動止振動有能有能量消耗量消耗原因原因是滯彈性是滯彈性彈性變形階段由于材料內(nèi)部的原因引起的機械彈性變形階段由于材料內(nèi)部的原因引起的機械能消耗稱為材料的內(nèi)耗能消耗稱為材料的內(nèi)耗(Internal Friction)或阻尼或

14、阻尼(Damping)。內(nèi)耗內(nèi)耗周期性交變應力，因周期性交變應力，因彈性弛豫使應變的相彈性弛豫使應變的相位落后于應力的相位位落后于應力的相位內(nèi)耗的大小可內(nèi)耗的大小可由滯后環(huán)的面由滯后環(huán)的面積來衡量。積來衡量。內(nèi)耗的產(chǎn)生機制復雜。已知的有溶質(zhì)原子應力內(nèi)耗的產(chǎn)生機制復雜。已知的有溶質(zhì)原子應力感生有序引起的內(nèi)耗、晶界引起的內(nèi)耗、位錯感生有序引起的內(nèi)耗、晶界引起的內(nèi)耗、位錯引起的內(nèi)耗、熱彈性內(nèi)耗、鐵磁材料的磁彈性引起的內(nèi)耗、熱彈性內(nèi)耗、鐵磁材料的磁彈性內(nèi)耗等。內(nèi)耗等。 1lnnnAA在在Z軸方向受拉，碳、氮軸方向受拉，碳、氮原子由原子由x、y位置向位置向z位置位置跳動跳動應力感生有序應力感生有序跳動耗

15、時，若應變跳動耗時，若應變跟不上應力改變速跟不上應力改變速度，則出現(xiàn)滯彈性度，則出現(xiàn)滯彈性晶體未受力時，碳、氮晶體未受力時，碳、氮等間隙溶質(zhì)原子在鐵中等間隙溶質(zhì)原子在鐵中隨機分布。隨機分布。交變應力，間隙原子就在交變應力，間隙原子就在x、y位置和位置和z位置之間位置之間來回跳動，應變落后于應力，導致能量的消耗。來回跳動，應變落后于應力，導致能量的消耗。 2. 2. 研制高阻尼材料研制高阻尼材料有害的振動和噪聲使部有害的振動和噪聲使部件壽命降低，甚至由于共振導致部件斷裂。件壽命降低，甚至由于共振導致部件斷裂。例如飛機發(fā)動機葉片、艦船用螺旋槳、橋梁用金例如飛機發(fā)動機葉片、艦船用螺旋槳、橋梁用金屬材

16、料都需要高阻尼材料屬材料都需要高阻尼材料用用1Cr131Cr13鋼制造汽輪機葉片，除考慮耐高溫、力鋼制造汽輪機葉片，除考慮耐高溫、力學性質(zhì)外，也因其有良好的減振性能。學性質(zhì)外，也因其有良好的減振性能。內(nèi)耗的應用內(nèi)耗的應用常用延展性常用延展性(Ductility)來描述，指材料發(fā)生塑性變來描述，指材料發(fā)生塑性變形而不斷裂的能力。形而不斷裂的能力。材料抵抗塑性變形能力強材料抵抗塑性變形能力強維持構(gòu)件的形狀和維持構(gòu)件的形狀和尺寸尺寸希望屈服強度高希望屈服強度高希望屈服后可以發(fā)生大量的塑性變形也不斷裂希望屈服后可以發(fā)生大量的塑性變形也不斷裂保證構(gòu)件的安全性保證構(gòu)件的安全性通過塑性變形對金屬材料成形加工

17、如軋制、拉通過塑性變形對金屬材料成形加工如軋制、拉拔、壓力加工）拔、壓力加工）需要材料有良好的塑性需要材料有良好的塑性塑性的意義塑性的意義1 1 晶體塑性變形的阻力晶體塑性變形的阻力 位錯從位錯從1位置到位置到2位置，位置，中間位置能量高，需中間位置能量高，需克服一個勢壘克服一個勢壘bW-Gb-a-G2exp12)1 (2exp12N-Pa：滑移面的晶面間距；：滑移面的晶面間距；b：滑移方向上的原子間：滑移方向上的原子間距；距；G：切彈性模量；：切彈性模量；：泊桑比。：泊桑比。-aW1稱為位錯寬度，表示位錯導致的點陣嚴稱為位錯寬度，表示位錯導致的點陣嚴重畸變區(qū)的范圍重畸變區(qū)的范圍 。W大則位錯

18、周圍的原大則位錯周圍的原子比較接近平衡位置，點陣的彈性畸變子比較接近平衡位置，點陣的彈性畸變能低，故位錯移動時其他原子所作相應能低，故位錯移動時其他原子所作相應移動的距離較小，產(chǎn)生的阻力亦小。移動的距離較小，產(chǎn)生的阻力亦小。金屬的位錯寬度大，使其屈服應力低；金屬的位錯寬度大，使其屈服應力低；由離子晶體構(gòu)成的陶瓷位錯寬度小，點陣阻力大，由離子晶體構(gòu)成的陶瓷位錯寬度小，點陣阻力大，常常未屈服就已斷裂，表現(xiàn)出脆性特征。常常未屈服就已斷裂，表現(xiàn)出脆性特征。 位錯最容易在最密排晶面和最密排方向上發(fā)位錯最容易在最密排晶面和最密排方向上發(fā)生滑移生滑移滑移要沿著特定的晶面和特定的方向進行，滑移要沿著特定的晶面

19、和特定的方向進行，將其稱為滑移面和滑移方向。將其稱為滑移面和滑移方向。將一個滑移面和其上的一個滑移方向稱為一個滑將一個滑移面和其上的一個滑移方向稱為一個滑移系統(tǒng)）。移系統(tǒng)）。晶體的滑移系統(tǒng)多則塑性好。晶體的滑移系統(tǒng)多則塑性好。面心立方和體心立方金屬分別有面心立方和體心立方金屬分別有12個和個和48個個滑移系統(tǒng)，所以有較好的塑性；而密排六方金屬滑移系統(tǒng)，所以有較好的塑性；而密排六方金屬只有只有3個滑移系統(tǒng)，故一般塑性較差。個滑移系統(tǒng)，故一般塑性較差。溶質(zhì)原子與位錯交互作用可降低體系的總能量，溶質(zhì)原子與位錯交互作用可降低體系的總能量，位錯滑移離開溶質(zhì)原子時引起體系總能量升高，位錯滑移離開溶質(zhì)原子時

20、引起體系總能量升高，形成對位錯運動的阻力。形成對位錯運動的阻力。 位錯滑移的弦模型：位錯滑移的弦模型：切應力較小時位錯彎切應力較小時位錯彎曲但不離開溶質(zhì)原子，曲但不離開溶質(zhì)原子，當彎曲引起的能量升當彎曲引起的能量升高大于離開溶質(zhì)原子高大于離開溶質(zhì)原子引起的能量升高時，引起的能量升高時，位錯離開溶質(zhì)原子而位錯離開溶質(zhì)原子而伸直，好像弓弦彈回。伸直，好像弓弦彈回。屈服后材料發(fā)生加工硬化屈服后材料發(fā)生加工硬化隨著塑性變形量的隨著塑性變形量的增大應力要持續(xù)增大。增大應力要持續(xù)增大。主要原因：隨著塑性變形量的增大位錯的數(shù)量增主要原因：隨著塑性變形量的增大位錯的數(shù)量增多，稱為位錯的增殖。多，稱為位錯的增殖

21、。 位錯增殖使位錯之間的交割更多，位錯運動阻力位錯增殖使位錯之間的交割更多，位錯運動阻力增大，因此只有繼續(xù)增大外應力才能維持塑性變增大，因此只有繼續(xù)增大外應力才能維持塑性變形，即加工硬化。形，即加工硬化。 弗蘭克瑞德位錯弗蘭克瑞德位錯源使位錯增殖機制源使位錯增殖機制2%變形的冷軋不銹變形的冷軋不銹鋼中的高密度位錯鋼中的高密度位錯 s為屈服強度，為屈服強度，d為晶粒直徑，為晶粒直徑， 0和和K為常數(shù)。為常數(shù)。不同晶?；泼嫒∠虿徊煌Я；泼嫒∠虿煌诲e不能越過晶界。同，位錯不能越過晶界。位錯在晶界塞積位錯在晶界塞積 塞積位錯的應力塞積位錯的應力場引起相鄰晶粒場引起相鄰晶粒中的應力集中，中的應

22、力集中，導致相鄰晶粒中導致相鄰晶粒中的位錯發(fā)生滑移，的位錯發(fā)生滑移，發(fā)生多晶體的整發(fā)生多晶體的整體塑性變形體塑性變形210sKdHall-Petch公式公式繞過：奧羅萬機制繞過：奧羅萬機制位錯繞過或切過第二相粒子受到阻力位錯繞過或切過第二相粒子受到阻力切過機制切過機制Ni-Cr-Al合金中位錯切過合金中位錯切過Ni3Al第二相粒第二相粒子子 切過增大基體和第二相相界的面積，引起相界面切過增大基體和第二相相界的面積，引起相界面能增大，形成對位錯滑移的阻力。能增大，形成對位錯滑移的阻力。強化強化指提高金屬材料的屈服強度。強化的出指提高金屬材料的屈服強度。強化的出發(fā)點是增加位錯滑移的阻力。發(fā)點是增加

23、位錯滑移的阻力。固溶強化：向金屬中加入合金元素形成固溶體提固溶強化：向金屬中加入合金元素形成固溶體提高其屈服強度的方法。高其屈服強度的方法。一般間隙原子的固溶強化效果比置換原子的強化一般間隙原子的固溶強化效果比置換原子的強化效果大，例如效果大，例如C、N間隙原子明顯提高鋼的強度間隙原子明顯提高鋼的強度固溶強化在提高屈服強度的同時降低塑性。固溶強化在提高屈服強度的同時降低塑性。加工硬化：通過冷塑性變形提高金屬材料屈服強加工硬化：通過冷塑性變形提高金屬材料屈服強度的方法。度的方法。塑性變形塑性變形位錯密度增高，滑移阻力增大，流位錯密度增高，滑移阻力增大，流變應力增大。變應力增大。經(jīng)過一定量塑性變形

24、，經(jīng)過一定量塑性變形，再加載后到斷裂的塑性再加載后到斷裂的塑性變形量減小變形量減小加工硬加工硬化也降低材料的塑性化也降低材料的塑性 A 例：鋼板冷軋成形，例：鋼板冷軋成形，同時提高強度。同時提高強度。例：對組織為細小珠例：對組織為細小珠光體的鋼絲進行深度光體的鋼絲進行深度冷拔冷拔獲得鋼中所獲得鋼中所能得到的最高強度。能得到的最高強度。晶粒細化不僅能夠提高強度，同時還可提高塑性晶粒細化不僅能夠提高強度，同時還可提高塑性和韌性。和韌性。孕育處理變質(zhì)處理）：在鑄造過程中向液態(tài)金孕育處理變質(zhì)處理）：在鑄造過程中向液態(tài)金屬中加入細小的形核劑孕育劑，變質(zhì)劑），作屬中加入細小的形核劑孕育劑，變質(zhì)劑），作為非

25、均勻形核的基底，細化凝固后的晶粒。為非均勻形核的基底，細化凝固后的晶粒。對固態(tài)金屬，則可以通過熱處理引起相變重新結(jié)對固態(tài)金屬，則可以通過熱處理引起相變重新結(jié)晶的方法細化晶粒。晶的方法細化晶粒。超細化超細化納米化。納米化。第二相強化：通過在材料中形成第二相提高強度第二相強化：通過在材料中形成第二相提高強度彌散強化：通過粉末冶金的方法加入大量的第二彌散強化：通過粉末冶金的方法加入大量的第二相顆粒提高強度相顆粒提高強度不容易得到細小且均勻的第二相。不容易得到細小且均勻的第二相。 析出強化沉淀強化）：通過熱處理使第二相析出強化沉淀強化）：通過熱處理使第二相從過飽和固溶體中析出提高強度的方法。從過飽和固

26、溶體中析出提高強度的方法。 馬氏體相變：強度大幅度提高。馬氏體相變：強度大幅度提高。淬火回火處理淬火回火處理奧氏體奧氏體馬氏體馬氏體C在在-Fe中的過飽和固溶中的過飽和固溶體）體）多種強化機制同時起作用。多種強化機制同時起作用。 形成過飽和固溶體形成過飽和固溶體固溶強化固溶強化 形成大量缺陷孿晶、位錯）形成大量缺陷孿晶、位錯）缺陷強化缺陷強化 時效強化時效強化碳偏聚，相當于第二相。碳偏聚，相當于第二相。三個階段：瞬態(tài)蠕變，三個階段：瞬態(tài)蠕變，穩(wěn)態(tài)蠕變，加速蠕變穩(wěn)態(tài)蠕變，加速蠕變同因現(xiàn)象：應力松弛同因現(xiàn)象：應力松弛高溫下應變恒定時材料高溫下應變恒定時材料所受的應力隨時間延長而降低的現(xiàn)象。所受的應

27、力隨時間延長而降低的現(xiàn)象。1. 位錯蠕變位錯蠕變較高的應力和較高的溫度下，位較高的應力和較高的溫度下，位錯可發(fā)生攀移和交滑移，且空位可沿位錯定向擴錯可發(fā)生攀移和交滑移，且空位可沿位錯定向擴散，形成較大的應變速率。散，形成較大的應變速率。2. 分散分散 (Nabarro-Herring)蠕變?nèi)渥儜ψ饔孟聭ψ饔孟卵鼐Я２煌较蛏系目瘴黄胶鉂舛炔煌?，導致空沿晶粒不同方向上的空位平衡濃度不同，導致空位通過晶粒內(nèi)部向垂直于拉應力的方向擴散，形位通過晶粒內(nèi)部向垂直于拉應力的方向擴散，形成沿拉應力方向的總變形。當應力較低，位錯運成沿拉應力方向的總變形。當應力較低，位錯運動困難，而溫度較高，擴散較易進行時

28、這種蠕變動困難，而溫度較高，擴散較易進行時這種蠕變?nèi)菀装l(fā)生。容易發(fā)生。3. 晶界晶界 (Coble)蠕變?nèi)渥儨囟群蛻Χ驾^低，位溫度和應力都較低，位錯運動困難，晶內(nèi)擴散也不容易進行，但空位還錯運動困難，晶內(nèi)擴散也不容易進行，但空位還可沿晶界擴散?？裳鼐Ы鐢U散。 超塑性超塑性(Superplasticity)：某些材料在特殊條件下：某些材料在特殊條件下可獲得極大塑性變形的現(xiàn)象。可獲得極大塑性變形的現(xiàn)象。高溫下：可不發(fā)生硬化得到持續(xù)的塑性變形高溫下：可不發(fā)生硬化得到持續(xù)的塑性變形普通：鋼的延伸率普通：鋼的延伸率3040，鋁合金，鋁合金5060超塑性：金屬中得到了超塑性：金屬中得到了3000的延伸率

29、，陶瓷的延伸率，陶瓷材料中也得到了超塑性。材料中也得到了超塑性。機制機制不是以位錯滑移為主，主要是晶界滑動不是以位錯滑移為主，主要是晶界滑動和晶?；剞D(zhuǎn)，伴有原子擴散引起的物質(zhì)遷移。和晶粒回轉(zhuǎn)，伴有原子擴散引起的物質(zhì)遷移。發(fā)生條件：適當?shù)臏囟?，小應變速率，均勻細小發(fā)生條件：適當?shù)臏囟?，小應變速率，均勻細小的等軸晶，變形時保持穩(wěn)定而不發(fā)生顯著長大。的等軸晶，變形時保持穩(wěn)定而不發(fā)生顯著長大。2000年，盧柯等年，盧柯等晶粒尺寸為納米級的金屬在晶粒尺寸為納米級的金屬在室溫下也有超塑性室溫下也有超塑性納米晶中有大量的晶界。納米晶中有大量的晶界。與液體類似，理想的粘性流動遵從牛頓定律：與液體類似，理想的粘

30、性流動遵從牛頓定律：xvtdddd其中其中為剪切應力，為剪切應力，為應變，為應變，t為時間，為時間，v為流為流速，速，x為距離，為距離，稱為粘度粘性系數(shù)，稱為粘度粘性系數(shù)，Viscosity）。）。高溫時陶瓷晶界、玻璃、非晶高分子材料都會產(chǎn)高溫時陶瓷晶界、玻璃、非晶高分子材料都會產(chǎn)生可觀察到的粘性流動，晶界的粘性流動也是蠕生可觀察到的粘性流動，晶界的粘性流動也是蠕變的原因之一。變的原因之一。高分子材料的蠕變及其回復曲線示意圖高分子材料的蠕變及其回復曲線示意圖總應變總應變teEEt)1 (/21321 1：普通彈性應變，與時間無關(guān)；：普通彈性應變，與時間無關(guān)； 2和和 3：高彈：高彈性應變和粘性

31、應變，都與時間有關(guān)。性應變和粘性應變，都與時間有關(guān)。 , t, , E, ：應力、時間、松弛時間、彈性模量、粘度。應力、時間、松弛時間、彈性模量、粘度。機制：機制： 1：分子鏈內(nèi)部鏈長和鍵角的瞬時形變，可回復。：分子鏈內(nèi)部鏈長和鍵角的瞬時形變，可回復。 2：分子鏈段在受力時逐漸伸展的形變，可回復。：分子鏈段在受力時逐漸伸展的形變，可回復。 3：沒有化學交聯(lián)的線性分子鏈段受力時的相對滑：沒有化學交聯(lián)的線性分子鏈段受力時的相對滑移形變，不可回復。移形變，不可回復。 2和和 3均消耗功，比彈性內(nèi)耗大，在交變載荷下均消耗功，比彈性內(nèi)耗大，在交變載荷下消耗的功更大消耗的功更大力損耗力損耗轉(zhuǎn)化為熱量轉(zhuǎn)化為

32、熱量散散熱差熱差溫升，降低壽命。溫升，降低壽命。強度高：晶態(tài)黃強度高：晶態(tài)黃銅 一 般銅 一 般 s 低 于低 于200MPa非晶合金，非晶合金， s可達可達2000MPa600K附近轉(zhuǎn)折，附近轉(zhuǎn)折，變形機制變化變形機制變化強度、硬度和彈性模量強度、硬度和彈性模量600K以上，應變速率以上，應變速率 增大則增大則s增大增大熱激熱激活控制變形活控制變形粘性流動。粘性流動。經(jīng)驗公式：經(jīng)驗公式：維氏硬度維氏硬度HV0.06E Hv3s后者是完全塑性體的特征，即屈服后的流變應力后者是完全塑性體的特征，即屈服后的流變應力保持不變，不發(fā)生加工硬化。保持不變，不發(fā)生加工硬化。還可看出：對非晶態(tài)合金還可看出：

33、對非晶態(tài)合金 s =0.02E滑移變形：滑移變形：局部相對滑動局部相對滑動逐漸滑移，逐漸滑移，有已滑移區(qū)和未滑移區(qū)分有已滑移區(qū)和未滑移區(qū)分界界廣義位錯廣義位錯但無但無b，無固定滑移面。，無固定滑移面。均勻變形：均勻變形：材料內(nèi)各處獨立地由熱激活材料內(nèi)各處獨立地由熱激活產(chǎn)生局域剪切變形產(chǎn)生局域剪切變形局部填充不好，亞穩(wěn)，局部填充不好，亞穩(wěn)，高能量，熱激活造成原子移高能量，熱激活造成原子移向該處，引起變形。向該處，引起變形。近似地用正弦函數(shù)描述原子間結(jié)合力近似地用正弦函數(shù)描述原子間結(jié)合力與原子間與原子間距距x的關(guān)系：的關(guān)系：x2sinm其中其中為正弦波長。為正弦波長。在脆性斷裂范圍內(nèi)，根據(jù)在脆性斷

34、裂范圍內(nèi)，根據(jù)Hook定律有：定律有：xx22sinmm0axEE 消去消去x有：有：0m2 aEd2sinm2/0mxxWm22mW可推知理論斷裂強度可推知理論斷裂強度0maE對一般的金屬或陶瓷材料，近似取對一般的金屬或陶瓷材料，近似取a0=3 10-10m， =1Jm-2，則可求得，則可求得 m=0.1E。例：對例：對Fe，已知，已知a0 2.5 10-10m，2Jm-2，E 2102GPa，即，即 m=40GPa=0.2E。一般的固體，求出一般的固體，求出 m在在0.1E0.2E的數(shù)量級的數(shù)量級比材料的實際斷裂強度高比材料的實際斷裂強度高23幾個數(shù)量級。幾個數(shù)量級。無限大平板上有長度為無

35、限大平板上有長度為2a的裂紋，裂紋尖端曲率半的裂紋，裂紋尖端曲率半徑為徑為R，平板受均勻外應，平板受均勻外應力力，Griffith根據(jù)彈性理根據(jù)彈性理論求出裂紋尖端的應力論求出裂紋尖端的應力Ra21A1 1 應力集中理論應力集中理論 一般一般aa0，那么，那么A ，裂紋尖端有應力集，裂紋尖端有應力集中。中。Ra2A當當 A m時裂紋即擴展，使時裂紋即擴展，使 A更大，所以裂紋更大，所以裂紋一旦開始擴展就將很快導致斷裂。一旦開始擴展就將很快導致斷裂。0A2aa002aEaa裂紋擴展，材料斷裂的臨界外應力即斷裂強度為裂紋擴展，材料斷裂的臨界外應力即斷裂強度為aE4f因因4aa0，f ，控制著斷裂過

36、程。，控制著斷裂過程。塑性材料：毫米級裂紋才能導致低應力斷裂。塑性材料：毫米級裂紋才能導致低應力斷裂。脆性材料：微米級裂紋即能導致低應力斷裂。脆性材料：微米級裂紋即能導致低應力斷裂。Griffith理論適用的前提是材料中存在裂紋。理論適用的前提是材料中存在裂紋。材料中一般有裂紋：鑄造、燒結(jié)的缺陷材料中一般有裂紋：鑄造、燒結(jié)的缺陷(氣孔、縮氣孔、縮孔、夾雜等孔、夾雜等),表面機械損傷和化學腐蝕造成裂紋表面機械損傷和化學腐蝕造成裂紋陶瓷等脆性材料對機械損傷更敏感陶瓷等脆性材料對機械損傷更敏感新制備的新制備的材料表面手觸摸強度即降低一個數(shù)量級；幾十厘材料表面手觸摸強度即降低一個數(shù)量級；幾十厘米高落下

37、的沙子即可在玻璃表面形成微裂紋。米高落下的沙子即可在玻璃表面形成微裂紋。直徑直徑6.4mm的玻璃棒在不同表面狀態(tài)下的強度的玻璃棒在不同表面狀態(tài)下的強度 表面狀態(tài)表面狀態(tài)工廠剛工廠剛制得制得受沙子嚴受沙子嚴重沖刷重沖刷用酸腐蝕除去用酸腐蝕除去表面缺陷表面缺陷強度強度(MPa)45.514.01750在應力作用下材料內(nèi)部通過位錯運動形成微裂紋在應力作用下材料內(nèi)部通過位錯運動形成微裂紋(a) 位錯組合形成；位錯組合形成；(b) 位錯在晶界附近塞積形位錯在晶界附近塞積形成；成；(c) 通過位錯反應形成通過位錯反應形成位錯反應：位錯反應：結(jié)構(gòu)條件：結(jié)構(gòu)條件：滿足：左邊右邊滿足：左邊右邊即左邊即左邊右邊，

38、反應右邊，反應后能量降低，能量條后能量降低，能量條件滿足件滿足此機制可此機制可能存在。能存在。2222234343aaaa能量條件能量條件00111121112aaa 1112a a001 1112a a001是不動位錯，塞積是不動位錯，塞積較多時，半原子面形成排較多時，半原子面形成排 裂紋生成，達到裂紋生成，達到Griffith理論的臨界裂紋長度，即理論的臨界裂紋長度，即2c4Ea 裂紋就會擴展裂紋就會擴展裂紋長度增大裂紋長度增大繼續(xù)擴展所繼續(xù)擴展所需的應力減小需的應力減小脆性材料裂紋開始擴展后沒有脆性材料裂紋開始擴展后沒有阻止繼續(xù)擴展的機制，將迅速擴展導致斷裂。阻止繼續(xù)擴展的機制，將迅速擴

39、展導致斷裂。塑性材料：在大多數(shù)應力條件下，按前述位錯機塑性材料：在大多數(shù)應力條件下，按前述位錯機制生成的裂紋一般達不到制生成的裂紋一般達不到ac，只有裂紋由于某種，只有裂紋由于某種原因疲勞、應力腐蝕等達到臨界尺寸時才會原因疲勞、應力腐蝕等達到臨界尺寸時才會導致失穩(wěn)擴展斷裂。導致失穩(wěn)擴展斷裂。晶界、韌性相、塑性變形等。晶界、韌性相、塑性變形等。裂紋擴展通過不同途徑吸收了大量的能量裂紋擴展通過不同途徑吸收了大量的能量斷裂前發(fā)生了大量塑性變形斷裂前發(fā)生了大量塑性變形韌性斷裂韌性斷裂裂紋擴展吸收了很少的能量裂紋擴展吸收了很少的能量斷裂前幾乎不斷裂前幾乎不發(fā)生塑性變形發(fā)生塑性變形脆性斷裂脆性斷裂裂紋亞穩(wěn)

40、擴展：裂紋自形成到擴展至臨界長度的裂紋亞穩(wěn)擴展：裂紋自形成到擴展至臨界長度的階段。階段。韌性斷裂和脆性斷裂有不同的微觀機制，從斷韌性斷裂和脆性斷裂有不同的微觀機制，從斷口可區(qū)分?？诳蓞^(qū)分。碳素鋼中的撕裂韌窩碳素鋼中的撕裂韌窩 銅中的等軸韌窩銅中的等軸韌窩 第二相邊界第二相邊界有位錯環(huán)有位錯環(huán)應力使位應力使位錯塞積錯塞積足夠大的應足夠大的應力將位錯推力將位錯推至相界形成至相界形成微孔微孔足夠多的位錯足夠多的位錯使微孔擴大使微孔擴大其他滑移其他滑移面的位錯面的位錯也可促進也可促進微孔形成微孔形成并擴大并擴大模型的實驗證據(jù)：含碳模型的實驗證據(jù)：含碳0.15-wt%的鋼中裂紋沿的鋼中裂紋沿基體與第二相

41、夾雜界面的形成過程基體與第二相夾雜界面的形成過程 滑移線滑移線內(nèi)頸縮內(nèi)頸縮應應力力方方向向 正應力垂直于微正應力垂直于微孔，等軸韌窩孔，等軸韌窩切應力，撕裂韌窩，切應力，撕裂韌窩，拋物線邊緣方向相反拋物線邊緣方向相反平面應變狀態(tài)，撕裂平面應變狀態(tài)，撕裂韌窩，拋物線邊緣方韌窩，拋物線邊緣方向相同向相同 掃描電鏡照片掃描電鏡照片 復型的透射電鏡照片復型的透射電鏡照片解理面一般是低指數(shù)面，這是因為低指數(shù)面一解理面一般是低指數(shù)面，這是因為低指數(shù)面一般表面能低，理論斷裂強度低。般表面能低，理論斷裂強度低。如果裂紋嚴格按照理想的晶面分離，解理面的斷如果裂紋嚴格按照理想的晶面分離，解理面的斷口應該是光亮的平

42、面口應該是光亮的平面河流花樣如何出現(xiàn)？河流花樣如何出現(xiàn)？ 解理裂紋與螺型位錯交截形成高度為解理裂紋與螺型位錯交截形成高度為b的臺階的臺階 裂紋與多個裂紋與多個位錯交截變位錯交截變形成在電子形成在電子顯微鏡下可顯微鏡下可見的臺階見的臺階工程實際：出現(xiàn)過多起遠低于屈服強度的低應工程實際：出現(xiàn)過多起遠低于屈服強度的低應力脆性斷裂力脆性斷裂災難性的安全事故災難性的安全事故強度設計的基礎上再考慮塑性指標強度設計的基礎上再考慮塑性指標、和沖擊和沖擊韌性指標韌性指標aK、冷脆轉(zhuǎn)變溫度、冷脆轉(zhuǎn)變溫度TK進行設計。進行設計。操作上的困難：指標過高，浪費材料且笨重；過操作上的困難：指標過高，浪費材料且笨重；過低危

43、險低危險理論上難于給出一個安全判據(jù)理論上難于給出一個安全判據(jù)例：用高強鋼例：用高強鋼(0.21400MPa)制造的固體燃料制造的固體燃料發(fā)動機殼體按強度設計，經(jīng)沖擊韌性測試完全發(fā)動機殼體按強度設計，經(jīng)沖擊韌性測試完全合格，但在水壓試驗時發(fā)生了脆斷。合格，但在水壓試驗時發(fā)生了脆斷。斷裂力學：斷裂力學：以機件中存在宏觀缺陷為出發(fā)點，考慮材料中的以機件中存在宏觀缺陷為出發(fā)點，考慮材料中的不連續(xù)性。不連續(xù)性。斷裂韌性：反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴張能力的指斷裂韌性：反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴張能力的指標。標。例：用調(diào)質(zhì)處理淬火高溫回火的例：用調(diào)質(zhì)處理淬火高溫回火的40Cr鋼鋼含含0.4-wt%左右左右C，1.5

44、-wt%以下以下Cr制造的制造的120噸氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐耳軸，其強度、塑性和沖擊噸氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐耳軸，其強度、塑性和沖擊韌性都符合設計要求，卻發(fā)生了低應力脆斷。韌性都符合設計要求，卻發(fā)生了低應力脆斷。連續(xù)介質(zhì)力學認為材料是完整的、連續(xù)的連續(xù)介質(zhì)力學認為材料是完整的、連續(xù)的常常與材料中存在宏觀缺陷的事實不相符。常常與材料中存在宏觀缺陷的事實不相符。工程實際中，材料對工程實際中，材料對I型裂紋擴展的抗力最低，型裂紋擴展的抗力最低，按按I型裂紋擴展考慮材料的斷裂判據(jù)是安全的。型裂紋擴展考慮材料的斷裂判據(jù)是安全的。無限寬板無限寬板內(nèi)有一條內(nèi)有一條長度為長度為2a的中心貫的中心貫穿裂紋，穿裂紋，在無限遠在無限

45、遠處受雙向處受雙向應力應力作作用用23cos2cos2sin223cos2cos2sin2)(23sin2sin12cos223sin2sin12cos223sin2sin12cos223sin2sin12cos2IIIrKrarKrarKraxyyxzyx根據(jù)彈性力學分析，可知對裂紋前端任意一點根據(jù)彈性力學分析，可知對裂紋前端任意一點P(r, )所受的各應力分量所受的各應力分量 aKI02IxyyxrK切應力為切應力為0，拉伸正應力最大，裂紋易沿該平面，拉伸正應力最大，裂紋易沿該平面擴展。擴展。aYKI其中其中Y為幾何形狀因子。為幾何形狀因子。以以KI KIC為斷裂的判為斷裂的判據(jù)。據(jù)。陶瓷

46、中多存在氣孔等缺陷，裂紋擴展無塑性陶瓷中多存在氣孔等缺陷，裂紋擴展無塑性變形阻礙變形阻礙韌性很低，強度也因之降低韌性很低，強度也因之降低高壓下得到的較好的陶瓷，其強度與韌性均低高壓下得到的較好的陶瓷，其強度與韌性均低于金屬于金屬陶瓷的韌化是其強韌化的主要方面陶瓷的韌化是其強韌化的主要方面材料材料碳鋼碳鋼馬氏體馬氏體時效鋼時效鋼高溫高溫合金合金鈦合金鈦合金高壓高壓Si3O4陶瓷陶瓷屈服強度屈服強度(MPa)23516709811040490KIc(MPam1/2)2109377473.55.5陶瓷材料的斷裂強度陶瓷材料的斷裂強度f與晶粒直徑與晶粒直徑d也滿足霍爾也滿足霍爾配奇關(guān)系：配奇關(guān)系：21

47、0fKd 0和和K是與材料有關(guān)的常數(shù)是與材料有關(guān)的常數(shù)晶粒細化可以提晶粒細化可以提高斷裂強度。高斷裂強度。緣由緣由陶瓷材料的晶界較弱，破壞一般是沿晶陶瓷材料的晶界較弱，破壞一般是沿晶界斷裂。細晶材料的相對晶界面積大，沿晶界斷裂。細晶材料的相對晶界面積大，沿晶界破壞時，裂紋擴展要經(jīng)過更多迂回的路徑。界破壞時，裂紋擴展要經(jīng)過更多迂回的路徑。多晶材料的初始裂紋尺寸與晶粒尺寸相當，晶粒多晶材料的初始裂紋尺寸與晶粒尺寸相當，晶粒細化則初始裂紋小，其強度與韌性均提高。細化則初始裂紋小，其強度與韌性均提高。陶瓷材料的氣孔率陶瓷材料的氣孔率P與斷裂強度與斷裂強度f的關(guān)系可歸結(jié)的關(guān)系可歸結(jié)為為 f=0exp(-

48、nP) n：常數(shù)，一般為：常數(shù)，一般為47；0：無氣孔時的斷裂強：無氣孔時的斷裂強度度算出氣孔率為算出氣孔率為10左右時斷裂強度就可降低一左右時斷裂強度就可降低一半左右半左右陶瓷材料的性能遠未得到充分發(fā)揮陶瓷材料的性能遠未得到充分發(fā)揮如果將晶粒度與氣孔率結(jié)合起來考慮，可得出如果將晶粒度與氣孔率結(jié)合起來考慮，可得出nPeKd)(210f將陶瓷制成高純的微晶，如纖維，特別是制成晶將陶瓷制成高純的微晶，如纖維，特別是制成晶須，可消除氣孔，將強度提高到接近理論強度。須，可消除氣孔，將強度提高到接近理論強度。材料材料抗拉強度抗拉強度(GPa)塊體塊體纖維纖維晶須晶須Al2O30.282.121BeO0.

49、14（穩(wěn)定態(tài)）（穩(wěn)定態(tài)）13.3ZrO20.14（穩(wěn)定態(tài)）（穩(wěn)定態(tài)）2.1Si3O40.120.14（反應燒結(jié)）（反應燒結(jié)）14脆性斷裂通常在拉應力下自表面開始脆性斷裂通常在拉應力下自表面開始拉應力拉應力要先克服表面殘余壓應力才能在表面形成拉伸破要先克服表面殘余壓應力才能在表面形成拉伸破壞壞表面形成應力層可提高材料的抗拉強度表面形成應力層可提高材料的抗拉強度熱韌化熱韌化通過加熱、冷卻的方法在表面層中人通過加熱、冷卻的方法在表面層中人為地造成表面殘余壓應力為地造成表面殘余壓應力 運用：制造安全玻璃鋼化玻璃）運用：制造安全玻璃鋼化玻璃）將玻璃加將玻璃加熱后快冷熱后快冷表面立即硬化不繼續(xù)變形，內(nèi)部可

50、表面立即硬化不繼續(xù)變形，內(nèi)部可流動適應表面收縮流動適應表面收縮內(nèi)部冷卻硬化后收縮，表內(nèi)部冷卻硬化后收縮，表面不能適應這種大收縮面不能適應這種大收縮表面形成殘余壓應力表面形成殘余壓應力 通過改變表面化學組成形成表面壓應力，從而提通過改變表面化學組成形成表面壓應力，從而提高陶瓷材料的強度的方法。高陶瓷材料的強度的方法。向陶瓷表面滲入離子半徑較大的離子可使表面體向陶瓷表面滲入離子半徑較大的離子可使表面體積膨脹形成表面壓應力積膨脹形成表面壓應力類似金屬化學熱處理類似金屬化學熱處理 認為體積膨脹與壓應力認為體積膨脹與壓應力的關(guān)系服從虎克定律，的關(guān)系服從虎克定律，即即VVEVVB)21 (3B：體彈性模量

51、，：體彈性模量，V：體積，：體積，E：正彈性模量，：正彈性模量，：泊松比。泊松比。如果內(nèi)部的拉應力較小，則經(jīng)過化學強化的玻璃如果內(nèi)部的拉應力較小，則經(jīng)過化學強化的玻璃可韌化到能夠切割和鉆孔?？身g化到能夠切割和鉆孔。如果體積變化為如果體積變化為2，E=70GPa，=0.3，則表面，則表面壓應力可高達壓應力可高達1167MPa化學強化可獲得比熱化學強化可獲得比熱韌化更大的表面壓應力。韌化更大的表面壓應力。但固態(tài)擴散困難，化學強化的壓應力層的厚度被但固態(tài)擴散困難，化學強化的壓應力層的厚度被限制在數(shù)百微米的厚度內(nèi)。限制在數(shù)百微米的厚度內(nèi)。消除表面缺陷消除表面缺陷將陶瓷表面拋光或化學處理消除表面缺陷也可

52、提將陶瓷表面拋光或化學處理消除表面缺陷也可提高強度。與此類似，降低金屬材料的表面粗糙度高強度。與此類似，降低金屬材料的表面粗糙度也可提高其疲勞強度。也可提高其疲勞強度。對陶瓷進行摻雜和熱處理，使其中對陶瓷進行摻雜和熱處理，使其中形成第二相以提高其韌性的方法。形成第二相以提高其韌性的方法。 增韌機制：增韌機制：1. 裂紋擴展使應裂紋擴展使應力升高，力升高，t相通相通過馬氏體相變轉(zhuǎn)過馬氏體相變轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕嘧優(yōu)閱涡毕?m)，相變吸收能量并相變吸收能量并使體積膨脹產(chǎn)生使體積膨脹產(chǎn)生壓應力，使裂紋壓應力，使裂紋繼續(xù)擴展困難繼續(xù)擴展困難相變增韌相變增韌基 底 立 方基 底 立 方相相(c-ZrO2) 盤

53、狀 四 方盤 狀 四 方相相(t-ZrO2) 3. 第二相顆?？梢鹆鸭y偏轉(zhuǎn)，使裂紋的表面積第二相顆?？梢鹆鸭y偏轉(zhuǎn)，使裂紋的表面積和有效表面能增加，裂紋擴展需要更大的能量。和有效表面能增加，裂紋擴展需要更大的能量。 2.相變粒子周圍的應力場會吸收額外的能量，并相變粒子周圍的應力場會吸收額外的能量，并形成許多微裂紋，可有效降低初始裂紋尖端附近形成許多微裂紋，可有效降低初始裂紋尖端附近的有效應力；的有效應力；運用：多種增韌陶瓷，如用氧化釔或氧化鈣部分運用：多種增韌陶瓷，如用氧化釔或氧化鈣部分穩(wěn)定的氧化鋯穩(wěn)定的氧化鋯(Partially Stabilized Zirconia，PSZ)、四方氧化鋯

54、多晶陶瓷、氧化鋯增韌氧化、四方氧化鋯多晶陶瓷、氧化鋯增韌氧化鋁鋁(Zirconia Toughened Alumina, ZTA)、氧化鋯、氧化鋯增韌莫來石、氧化鋯增韌尖晶石、氧化鋯增韌鈦增韌莫來石、氧化鋯增韌尖晶石、氧化鋯增韌鈦酸鋁、氧化鋯增韌酸鋁、氧化鋯增韌Si3N4等，斷裂韌性等，斷裂韌性KIc可高可高達達20MPam1/2。問題：溫度升高時會發(fā)生逆相變使相變增韌失效問題：溫度升高時會發(fā)生逆相變使相變增韌失效通過人為加入第二相形成復合材料提高陶瓷韌通過人為加入第二相形成復合材料提高陶瓷韌性的方法性的方法加入的第二相：金屬粉末、其他陶瓷細粉、纖加入的第二相：金屬粉末、其他陶瓷細粉、纖維、晶

55、須等維、晶須等增韌機制：通過塑性變形吸收能量、阻礙裂紋增韌機制：通過塑性變形吸收能量、阻礙裂紋擴展使其擴展路徑增長等。擴展使其擴展路徑增長等。優(yōu)點：這種機制可以保留到高溫。優(yōu)點：這種機制可以保留到高溫。本卷須知：加入的彌散相與基體之間應該具有良本卷須知：加入的彌散相與基體之間應該具有良好的化學相容性和物理潤濕性，使材料燒結(jié)后成好的化學相容性和物理潤濕性，使材料燒結(jié)后成為完整的整體且不產(chǎn)生有害的界面反應。為完整的整體且不產(chǎn)生有害的界面反應。疲勞：材料在低于屈服應力的變動載荷作用下經(jīng)疲勞：材料在低于屈服應力的變動載荷作用下經(jīng)長時間工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。長時間工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。特點：無明顯塑性變

56、形突然斷裂，易造成事故特點：無明顯塑性變形突然斷裂，易造成事故本節(jié)討論應力較低，應力交變頻率較高的情況。本節(jié)討論應力較低，應力交變頻率較高的情況。不討論低周大應力疲勞應力較高，最大應力接不討論低周大應力疲勞應力較高，最大應力接近或超過屈服強度；應力交變頻率較低，斷裂時近或超過屈服強度；應力交變頻率較低，斷裂時的交變周次少于的交變周次少于102105次的情形。次的情形。大小、方向或二者都隨時間變化的載荷。大小、方向或二者都隨時間變化的載荷。例：車軸上的一點例：車軸上的一點載荷大小和方向均發(fā)生變載荷大小和方向均發(fā)生變化；氣缸蓋的緊固螺釘化；氣缸蓋的緊固螺釘載荷方向不變，大小載荷方向不變，大小在不斷

57、變化；飛機外殼在不斷變化；飛機外殼不規(guī)則的變動載荷。不規(guī)則的變動載荷。周期性的變動載荷的特征可用應力半幅周期性的變動載荷的特征可用應力半幅a、平、平均應力均應力m和應力循環(huán)對稱系數(shù)和應力循環(huán)對稱系數(shù)等描述，其定等描述，其定義為義為2minmaxa2minmaxmmaxmin max、 min分別為應力循環(huán)中的最大和最小應分別為應力循環(huán)中的最大和最小應力。假設力。假設 =-1，則稱為對稱應力循環(huán)。，則稱為對稱應力循環(huán)。疲 勞 極 限疲 勞 極 限()：材料：材料在 交 變 應 力在 交 變 應 力下 發(fā) 生 無 限下 發(fā) 生 無 限次 循 環(huán) 也 不次 循 環(huán) 也 不斷 裂 的 最 大斷 裂 的

58、 最 大應 力應 力 疲疲勞 曲 線 水 平勞 曲 線 水 平部分的應力。部分的應力。應力小于一定值后，應力小于一定值后，無限次循環(huán)也不斷裂無限次循環(huán)也不斷裂對于對稱應力循環(huán)，對于對稱應力循環(huán)，=-1，其疲勞極限表示為，其疲勞極限表示為-1條件疲勞極限有限疲勞極限）：疲勞斷裂前循條件疲勞極限有限疲勞極限）：疲勞斷裂前循環(huán)次數(shù)對應于規(guī)定次數(shù)環(huán)次數(shù)對應于規(guī)定次數(shù)N0的應力。的應力。N0根據(jù)工件的使用條件和壽命確定：根據(jù)工件的使用條件和壽命確定：例：汽車曲軸例：汽車曲軸N0=12107，汽輪機葉片，汽輪機葉片N0=251010沒有水沒有水平部分平部分裂紋產(chǎn)生擴展區(qū)，裂紋產(chǎn)生擴展區(qū)，有疲勞線，如果反有疲勞線，如果反復摩擦，疲勞線也復摩擦，疲勞線也可能磨平形成亮面可能磨平形成亮面最后斷裂區(qū)，面積減小，實最后斷裂區(qū)，面積減小，實際應力達到斷裂強度，斷口際應力達到斷裂強度，斷口與靜載情況相同與靜載情況相同缺陷處產(chǎn)生裂紋：外表、晶界、孿晶界、夾雜物缺陷處產(chǎn)生裂紋：外表、晶界、孿晶界、夾雜物等局部應力集中區(qū)等局部應力集中區(qū)弱區(qū)集中滑移形成裂紋源弱區(qū)集中滑移形成裂紋源駐留滑移帶：多次循環(huán)后在拋光表面形成較粗駐留滑移帶：多次循環(huán)后在拋光表面形成較粗大的滑移帶，經(jīng)電解拋光將滑移帶拋掉以后再大的滑移帶，經(jīng)電解拋光將滑移帶拋掉以后再進行疲勞試驗，新的滑移帶仍然在原來的滑移進行疲勞試