第二章無機(jī)材料的脆性斷裂與強(qiáng)度

第二章無機(jī)材料的脆性斷裂與強(qiáng)度第1頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月磨損摩擦硬度機(jī)械沖擊化學(xué)腐蝕耐熱性熱疲勞熱沖擊斷裂強(qiáng)度材料的強(qiáng)度強(qiáng)度理論光學(xué)材料多孔質(zhì)材料高溫材料結(jié)構(gòu)材料

玻璃水泥耐火材料復(fù)合材料電子電器材料生物材料耐摩擦材料耐磨損材料工具材料第2頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月氣孔、晶粒、雜質(zhì)、晶界(大小、形狀、分布)等宏觀缺陷晶體結(jié)構(gòu),單晶多晶和非晶體中的微觀缺陷第3頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月那些因素影響材料的強(qiáng)度？這些因素與顯微結(jié)構(gòu)間的關(guān)系？材料在怎樣的狀態(tài)下斷裂?斷裂過程怎樣？韌性是什么？材料的可靠性？具有怎樣的強(qiáng)度？可能用于什么地方？與強(qiáng)度有關(guān)的問題（共性，特性）第4頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月與材料強(qiáng)度有關(guān)的斷裂力學(xué)的特點(diǎn)：

著眼于裂紋尖端應(yīng)力集中區(qū)域的力場和應(yīng)變場分布；

研究裂紋生長、擴(kuò)展最終導(dǎo)致斷裂的動(dòng)態(tài)過程和規(guī)律；

研究抑制裂紋擴(kuò)展、防止斷裂的條件。

給工程設(shè)計(jì)、合理選材、質(zhì)量評價(jià)提供判據(jù)。斷裂力學(xué)的分類：斷裂力學(xué)根據(jù)裂紋尖端塑性區(qū)域的范圍，分為兩大類：（1）線彈性斷裂力學(xué)---當(dāng)裂紋尖端塑性區(qū)的尺寸遠(yuǎn)小于裂紋長度，可根據(jù)線彈性理論來分析裂紋擴(kuò)展行為。（2）彈塑性斷裂力學(xué)---當(dāng)裂紋尖端塑性區(qū)尺寸不限于小范圍屈服，而是呈現(xiàn)適量的塑性，以彈塑性理論來處理。第5頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月固體在拉伸應(yīng)力下，由于伸長而儲存了彈性應(yīng)變能，斷裂時(shí)，應(yīng)變能提供了新生斷面所需的表面能。即：

thx/2=2s其中：th為理論強(qiáng)度；x為平衡時(shí)原子間距的增量；：表面能。虎克定律：th=E(x/r0)理論斷裂強(qiáng)度：th=2(sE/r0)1/23.1.1理論斷裂強(qiáng)度(1)能量守衡理論第6頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月Orowan以應(yīng)力—應(yīng)變正弦函數(shù)曲線的形式近似的描述原子間作用力隨原子間距的變化。x

/2

th0r0(2)Orowan近似第7頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月x很小時(shí)，根據(jù)虎克定律：

=E=Ex/r0,且sin(2x/)=2x/得th=(sE/r0)1/2與th=2(sE/r0)1/2

相比兩者結(jié)果是一致的。理論斷裂強(qiáng)度：th=2s/即

=

thsin(2x/)分開單位面積的原子作功為：U=thsin(2x/)dx=th/=2s/20第8頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月a

剛性模型3.1.2塑性形變強(qiáng)度（剪切強(qiáng)度）剪切應(yīng)力與位移的關(guān)系：

=thsin(2x/b)當(dāng)x<<b時(shí)，根據(jù)虎克定律：=Gx/a設(shè)：b=a得：th=G/2

ABCx

b

thxu第9頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)理論斷裂強(qiáng)度與理論剪切強(qiáng)度之比值大小，可以判斷材料塑性的大小。

th/th>10材料為塑性，斷裂前已出現(xiàn)顯著的塑性流變；

th/th1材料為脆性；

th/th=5需參考其他因素作判斷。

第10頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月材料ThKg/mm2

c

th/

c材料

th

c

th/

cAl2O3晶須500015403.3Al2O3寶石500064.477.6鐵晶須300013002.3BeO357023.8150奧氏型鋼20483206.4MgO245030.181.4硼348024014.5Si3N4熱壓385010038.5硬木—10.5—SiC49009551.6玻璃69310.566.0Si3N4燒結(jié)385029.5130NaCl4001040.0AlN280060～10046.7～28.0Al2O3剛玉500044.1113斷裂強(qiáng)度理論值和測定值第11頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.1應(yīng)力集中強(qiáng)度理論流體的流動(dòng)（1）應(yīng)力集中3.2微裂紋強(qiáng)度理論第12頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月445:材料中的裂紋型缺陷：材料中的傷痕、裂紋、氣孔、雜質(zhì)等宏觀缺陷。平板彈性體的受力情況力線n力管裂紋長度2c第13頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

為了傳遞力，力線一定穿過材料組織到達(dá)固定端力以音速通過力管（截面積為A），把P/n大小的力傳給此端面。

遠(yuǎn)離孔的地方，其應(yīng)力為：

=(P/n)/A

孔周圍力管端面積減小為A1

，孔周圍局部應(yīng)力為：

=(P/n)/A1

橢圓裂紋越扁平或者尖端半徑越小，其效果越明顯。應(yīng)力集中：材料中存在裂紋時(shí)，裂紋尖端處的應(yīng)力遠(yuǎn)超過表觀應(yīng)力。第14頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月裂紋尖端處的應(yīng)力集中第15頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月用彈性理論計(jì)算得：

Ln={[1+/(2x+)]c1/2/(2x+)1/2+/(2x+)}當(dāng)x=0,Ln=[2(c/)1/2+1]當(dāng)c>>

，即裂紋為扁平的銳裂紋Ln=2(c/)1/2當(dāng)最小時(shí)（為原子間距r0）Ln=2(c/r0)1/2裂紋尖端的彈性應(yīng)力沿x分布通式：

Ln=q(c,,x)

Lnx

2c

Ln0裂紋尖端處的彈性應(yīng)力分布（2）裂紋尖端的彈性應(yīng)力第16頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月斷裂的條件：當(dāng)裂紋尖端的局部應(yīng)力等于理論強(qiáng)度

th=(sE/r0)1/2時(shí)，裂紋擴(kuò)展，沿著橫截面分為兩部分，此時(shí)的外加應(yīng)力為斷裂強(qiáng)度。即

Ln=2(c/r0)1/2=

th=(sE/r0)1/2斷裂強(qiáng)度

f=(sE/4c)1/2考慮裂紋尖端的曲率半徑是一個(gè)變數(shù)，即不等于r0，其一般式為：

f=y(sE/c)1/2y是裂紋的幾何（形狀）因子。(3)應(yīng)力集中強(qiáng)度理論第17頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月裂紋模型根據(jù)固體的受力狀態(tài)和形變方式，分為三種基本的裂紋模型，其中最危險(xiǎn)的是張開型，一般在計(jì)算時(shí)，按最危險(xiǎn)的計(jì)算。張開型錯(cuò)開型撕開型（1）裂紋模型3.2.2Griffith微裂紋脆斷理論第18頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月(a)(b)(C)(d)(a)平板受力狀態(tài)(b)預(yù)先開有裂紋的平板受力狀態(tài)

(c)恒位移式裂紋擴(kuò)展(d)恒應(yīng)力式裂紋擴(kuò)展裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致材料斷裂的必要條件是：在裂紋擴(kuò)展中，系統(tǒng)的自由能必須下降。2(C+dC)d

2C2(C+dC)（2）裂紋擴(kuò)展的判據(jù)第19頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月(c)、(d)與(b)狀態(tài)相比，自由能發(fā)生了三項(xiàng)變化：裂紋擴(kuò)展彈性應(yīng)變能的變化dUE；裂紋擴(kuò)展新生表面所增加的表面能dUS=

4dC

s

；外力對平板作功dUW。兩個(gè)狀態(tài)與(b)相比自由能之差分別為：UC－UB=dUE＋

dUS＋dUW和UD－UB=dUE＋

dUS＋dUW裂紋失穩(wěn)而擴(kuò)展的能量判據(jù):

dUW-dUE

dUS或d(UW－UE)/CdUs/C即：d(UW－UE)4dC

sMJLN2C2(C+dC)應(yīng)變應(yīng)力OK第20頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月在恒應(yīng)力狀態(tài)(d)下，外力作功：

UW=P

說明：外力作功一半被吸收成為平板的彈性應(yīng)變能，另一半支付裂紋擴(kuò)展新生表面所需的表面能，外力作功平板中儲存的彈性應(yīng)變能：

UE

=2·P有UE=

UW/2第21頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月由裂紋擴(kuò)展的條件：

(UW－UE)/C

US/C及UE=

UW/2得

UE/C

US/C結(jié)論：在恒應(yīng)力狀態(tài)下，彈性應(yīng)變能的增量大于擴(kuò)展單位裂紋長度的表面能增量時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展。結(jié)論：彈性應(yīng)變能釋放率

UE/C等于或大于裂紋擴(kuò)展單位裂紋長度所需的表面能增量

US/C，裂紋失穩(wěn)而擴(kuò)展。在恒位移狀態(tài)下，外力不作功，所以，UW=0得裂紋擴(kuò)展的條件：-

UE/C

US/C第22頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月Griffith提出的關(guān)于裂紋擴(kuò)展的能量判據(jù)彈性應(yīng)變能的變化率

UE/C等于或大于裂紋擴(kuò)展單位裂紋長度所需的表面能增量

US/C，裂紋失穩(wěn)而擴(kuò)展。第23頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)Griffith能量判據(jù)計(jì)算材料斷裂強(qiáng)度（臨界應(yīng)力）外力作功，單位體積內(nèi)儲存彈性應(yīng)變能：

W=UE/AL=（1/2）PL/AL=（1/2）

=2/2E設(shè)平板的厚度為1個(gè)單位，半徑為C的裂紋其彈性應(yīng)變能為：

UE=W

裂紋的體積=W

（C2×1）

=C2

2/2E（3）斷裂強(qiáng)度（臨界應(yīng)力）的計(jì)算第24頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月平面應(yīng)力狀態(tài)下擴(kuò)展單位長度的微裂紋釋放應(yīng)變能為：

dUE/dC=C2/E（平面應(yīng)力條件）或

dUE/dC

=(1－2)C2/E（平面應(yīng)變條件）由于擴(kuò)展單位長度的裂紋所需的表面能為：

US/

C

=2

s斷裂強(qiáng)度（臨界應(yīng)力）的表達(dá)式：

f=[2Es/

C]1/2

（平面應(yīng)力條件）

f=[2Es/(1－2)C]1/2

（平面應(yīng)變條件）第25頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性模量E：取決于材料的組分、晶體的結(jié)構(gòu)、氣孔。對其他顯微結(jié)構(gòu)較不敏感。斷裂能f

：不僅取決于組分、結(jié)構(gòu)，在很大程度上受到微觀缺陷、顯微結(jié)構(gòu)的影響，是一種織構(gòu)敏感參數(shù),起著斷裂過程的阻力作用。裂紋半長度c：材料中最危險(xiǎn)的缺陷，其作用在于導(dǎo)致材料內(nèi)部的局部應(yīng)力集中，是斷裂的動(dòng)力因素。（4）控制強(qiáng)度的三個(gè)參數(shù)第26頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

斷裂能熱力學(xué)表面能：固體內(nèi)部新生單位原子面所吸收的能量。塑性形變能：發(fā)生塑變所需的能量。相變彈性能：晶粒彈性各向異性、第二彌散質(zhì)點(diǎn)的可逆相變等特性，在一定的溫度下，引起體內(nèi)應(yīng)變和相應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力。結(jié)果在材料內(nèi)部儲存了彈性應(yīng)變能。微裂紋形成能：在非立方結(jié)構(gòu)的多晶材料中，由于彈性和熱膨脹各向異性，產(chǎn)生失配應(yīng)變，在晶界處引起內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)變能大于微裂紋形成所需的表面能，在晶粒邊界處形成微裂紋。第27頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月徑向裂紋側(cè)向裂紋殘余應(yīng)力材料表面受研磨粒子損傷后形成的裂紋工藝缺陷工藝缺陷包括大孔洞、大晶粒、夾雜物等，形成于材料制備過程中。與原料的純度、顆粒尺寸、粒度的分布、顆粒形貌等有關(guān)。

裂紋的形成表面裂紋：一個(gè)硬質(zhì)粒子（如研磨粒子）受到力P的作用而穿入脆性固體的表面，可能引起局部屈服，塑性形變造成的殘余應(yīng)力將激發(fā)出表面裂紋。形成于表面加工（切割、研磨、拋光）或粒子沖刷過程。第28頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月例1：由坯釉熱膨脹系數(shù)不同引起。上釉陶瓷:釉的熱膨脹系數(shù)：

1

；坯體的熱膨脹系數(shù)：

2坯受較強(qiáng)的拉力作用釉被拉離坯面

1>

2

1<

2

釉受較大拉力的作用發(fā)生龜裂或坯向內(nèi)側(cè)彎曲第29頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月陶瓷的無釉坯料與上釉坯料的抗彎強(qiáng)度陶瓷的種類無釉坯料(kg/cm2)上釉坯料(kg/cm2)粘土質(zhì)絕緣子735910滑石瓷絕緣子13301715粘土質(zhì)化學(xué)瓷840925鋯英石質(zhì)化學(xué)瓷17402100瓷磚672861硬質(zhì)瓷364490第30頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月上釉NaO—BaO—Al2O3—SiO2系微晶玻璃的抗彎強(qiáng)度熱膨脹系數(shù)(0—3000oC)

×10-7/oC熱膨脹系數(shù)差上釉溫度(oC)抗彎強(qiáng)度(kg/cm2)坯料釉114.16549.110303520114.18133.11030140096.86531.81030260096.88115.81050140096.84056.81100274091.26526.21030316091.28110.21050126088.66523.610302810107.56542.510303020第31頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月固定支座對膨脹的約束自由膨脹T0L0TL0+L（a)(b)有下列關(guān)系：

=E(-L/L)=E(T－To)T<To,即在冷卻過程，得0，則材料中的內(nèi)應(yīng)力為張應(yīng)力，這種應(yīng)力易使桿件斷裂。例2：由材料熱膨脹或收縮受到限制形成的熱應(yīng)力引起第32頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

例3：材料中存在溫度梯度形成的熱應(yīng)力引起在373K的沸水中在273K的冰水浴中,表面層趨于

T=100

收縮,內(nèi)層的收縮為零。結(jié)果：表面層的收縮受到限制，在表面層產(chǎn)生張應(yīng)力，內(nèi)層受到壓應(yīng)力。隨著時(shí)間的延長，內(nèi)層溫度不斷下降，材料中的熱應(yīng)力逐漸減小。表面273K玻璃內(nèi)部373K第33頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)力分布溫度分布表面中心表面

－

+

+TsTc玻璃平板冷卻時(shí)溫度和應(yīng)力分布圖第34頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月zxy

x

x

y=0

z

z垂直y軸各平面上的溫度一致,可以自由膨脹，

y=0

；在x和z軸方向上，表面和內(nèi)部的溫度有差異，內(nèi)部溫度高，約束前后兩個(gè)表面的收縮，

x=z=0。根據(jù)虎克定律：

x=x/E－(y/E+z/E)－

T=0

z=z/E－(x/E+y/E)－

T=0

y=y/E－(x/E+z/E)－

T根據(jù)陶瓷薄板熱應(yīng)力的狀態(tài)分析求冷卻的最大溫差和最大冷卻速度第35頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

最大溫差：(產(chǎn)生最大應(yīng)力的溫差，且為非平面薄板狀）

Tmax=S

f

(1－

)/E

Tmax=[

f

(1－

)/E]/0.31rmh

最大冷卻速率：－|dT/dt|max=[(/cp)

×f

(1－

)/E]×3/rm2三個(gè)熱應(yīng)力因子間的關(guān)系：

R=/cp×f

(1－

)/E=R/cp=

R/cp溫差熱應(yīng)力往往在陶瓷表面具有最大值，熱震損壞對表面裂紋最敏感。得：

x=

y

=[E/(1－

)]T第36頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月原因：快冷卻開始時(shí)，玻璃的表面比內(nèi)部冷卻的更快，外部首先變硬，而內(nèi)部仍處于熔融狀態(tài)，由于收縮程度不同，在玻璃表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，淬火以后幾秒之內(nèi)，表面與內(nèi)部的溫差達(dá)最大值，繼續(xù)冷卻，內(nèi)部的收縮將比剛硬的外部收縮更快，此時(shí)，表面張應(yīng)力隨著減小，直至室溫，表面由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力。

T軟化點(diǎn)轉(zhuǎn)變點(diǎn)利用快速冷卻產(chǎn)生的熱應(yīng)力增強(qiáng)材料例如：玻璃的淬火-----將在轉(zhuǎn)化點(diǎn)和轉(zhuǎn)化溫度間的玻璃快速冷卻。冷卻方法：冷空氣噴射、油浴。結(jié)果：在玻璃的表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，提高玻璃的強(qiáng)度。第37頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

例4：多晶材料中的非立方晶體的熱、彈性各向異性導(dǎo)致晶界裂紋成核。

=

c－

a=1×10-6K-1氣孔c軸a軸例5：環(huán)境條件誘發(fā)缺陷：在氧化氣氛下，特別在高溫，如果體內(nèi)氧化伴有氧化新相的體積增大（猶如膨脹系數(shù)較低的夾雜物），會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的晶向開裂。與環(huán)境介質(zhì)相互作用隨時(shí)間的持續(xù)，發(fā)展成足以導(dǎo)致晶向開裂的臨界尺寸。第38頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月例6：球形夾雜物處于各向同性基體中，由于與基體存在熱膨脹、彈性的差異，顆粒受到應(yīng)力而引起微裂紋。

晶粒

夾雜

基體P=2E基體

E夾雜

T1+基體

1－2夾雜＋基體同時(shí)受到切向應(yīng)力：－PR3/r3徑向應(yīng)力：＋PR3/2r3

=基體－夾雜

夾雜

基體

晶粒

晶粒Rr第39頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月夾雜物誘發(fā)裂紋模型E夾雜

E基體高熱膨脹系數(shù)

夾雜

基體低熱膨脹系數(shù)

夾雜

基體剛性夾雜物E夾雜較大韌性高于基體韌性低于基體相等模量E夾雜

=E基體E夾雜適中E夾雜>E基體夾雜物脫離基體，形成空洞形成與張應(yīng)力平行的微裂紋形成與張應(yīng)力垂直的微裂紋基體的切向應(yīng)力引起切向裂紋,最危險(xiǎn)

導(dǎo)致斷裂的幾率較小高斷裂幾率高斷裂幾率危險(xiǎn)條件徑向熱拉應(yīng)力引起夾雜物類似于楔子夾雜物在張應(yīng)力的作用下發(fā)生拉伸臨界和亞臨界夾雜物斷裂最危險(xiǎn)條件第40頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)對材料斷裂有兩方面的作用：

引起塑性形變，導(dǎo)致應(yīng)力松弛和抑制裂紋擴(kuò)展；

位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，導(dǎo)致應(yīng)力集中和裂紋成核。例如：位錯(cuò)塞積群的前端，可產(chǎn)生使裂紋開裂的應(yīng)力集中。例7：位錯(cuò)型缺陷引起微裂紋第41頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月1.位錯(cuò)塞積模型第42頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月第43頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

滑移帶的前端有障礙物，領(lǐng)先位錯(cuò)到達(dá)時(shí)，受阻而停止不前；

相繼釋放出來的位錯(cuò)最終導(dǎo)致位錯(cuò)源的封閉；

在障礙物前形成一個(gè)位錯(cuò)塞積群，導(dǎo)致裂紋成核。第44頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月2.位錯(cuò)反應(yīng)模型第45頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

（110）（100）（110）第46頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)：平板為無限大的薄板A點(diǎn)處的r<<C，

zz=0,xz=0,yz=0

xx=K1cos(/2)(1－sin/2·sin3/2)/(2r)1/2

yy=K1cos(/2)(1＋sin/2·sin3/2)/(2r)1/2xy=K1cos(/2)sin(/2)cos(3/2)/(2r)1/2當(dāng)

0時(shí)，為裂紋尖端處的一點(diǎn)，

xx=yy=K1/(2r)1/2其中裂紋擴(kuò)展的主要?jiǎng)恿κ莥y。3.2.3應(yīng)力的強(qiáng)度因子和韌性xAzy

（1）裂紋尖端的應(yīng)力場分析第47頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)c>>

，即裂紋為扁平的銳裂紋，裂紋尖端局部（x=0，y=0）的應(yīng)力：Ln=2(c/)1/2

和Ln=

yy=K1/(2r)1/2得K1=

(2r)1/2

yy=[2(2r)1/2/1/2]c1/2=Yc1/2定義：張開裂紋模型的應(yīng)力強(qiáng)度因子為：K1=Yc1/2說明：Y是與裂紋模型和加載狀態(tài)及試樣形狀有關(guān)的無量綱幾何因子，與應(yīng)力場的分布無關(guān)，用之以描述裂紋尖端的應(yīng)力場參量。對于無限寬板中的穿透性裂紋

Y

=

1/2（2）應(yīng)力強(qiáng)度因子第48頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）斷裂韌性臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子K1C：當(dāng)K1隨著外應(yīng)力增大到某一臨界值，裂紋尖端處的局部應(yīng)力不斷增大到足以使原子鍵分離的應(yīng)力

f，此時(shí)，裂紋快速擴(kuò)展并導(dǎo)致試樣斷裂。

K1c=

f（c)?由f=（2Es/

c)1/2得：K1c=（2Es)1/2斷裂韌性參數(shù)(K1c)：是材料固有的性能，也是材料的組成和顯微結(jié)構(gòu)的函數(shù),是材料抵抗裂紋擴(kuò)展的阻力因素。與裂紋的大小、形狀以及外力無關(guān)。隨著材料的彈性模量和斷裂能的增加而提高，第49頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月經(jīng)典強(qiáng)度理論與斷裂力學(xué)強(qiáng)度理論的比較經(jīng)典強(qiáng)度理論斷裂強(qiáng)度理論斷裂準(zhǔn)則：

f/nK1=（c)?

K1c

有一構(gòu)件，實(shí)際使用應(yīng)力為1.30GPa,有下列兩種鋼供選：甲鋼：

f=1.95GPa,K1c=45Mpa·m1\2

乙鋼：

f=1.56GPa,K1c=75Mpa·m1\2

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)：甲鋼的安全系數(shù):1.5，乙鋼的安全系數(shù)1.2斷裂力學(xué)觀點(diǎn)：最大裂紋尺寸為1mm,Y=1.5

甲鋼的斷裂應(yīng)力為:1.0GPa

乙鋼的斷裂應(yīng)力為:1.67GPa第50頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.4應(yīng)變能釋放率與應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系說明：應(yīng)變能釋放率與應(yīng)力強(qiáng)度因子之間有著密切聯(lián)系，即兩者都是裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力。當(dāng)dUE/dC=K12/E（dUE/dCC=K1C2/E(臨界應(yīng)變能釋放率）時(shí)，裂紋發(fā)生擴(kuò)展。當(dāng)dUE/dC<（dUE/dC）C(臨界應(yīng)變能釋放率）時(shí)，裂紋處于穩(wěn)定狀態(tài)。平面應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變能釋放為：

dUE/dC

=C2/E=K12/E平面應(yīng)變狀態(tài)時(shí)：

dUE/dC

=（1－2)K12/E第51頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

ij=K1/(2r)1/2fij(

)r<<C處，彈性應(yīng)力非常大，且在r<<ry的范圍內(nèi)超過了材料的屈服應(yīng)力

y引起局部塑性形變。此時(shí)，f=(C/2ry)1/2ry=(C/2)(/f)2

=(K1/f)2/2塑性區(qū)彈性區(qū)xy

yR

ry但由于小范圍屈服引起應(yīng)力重新分布，塑性區(qū)的長度增加到R.3.2.5裂紋尖端處的微塑性區(qū)第52頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)在因素：材料的物性。如：彈性模量、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性、斷裂能；顯微結(jié)構(gòu)：相組成、氣孔、晶界（晶相、玻璃相、微晶相）、微裂紋（長度、尖端的曲率大?。?；外界因素：使用溫度、應(yīng)力、氣氛環(huán)境、試樣的形狀大小、表面；（例如：無機(jī)材料的形變隨溫度升高而變化的情況彈性——彈塑性——塑性——粘性流動(dòng)）工藝因素：原料的純度粒度形狀、成型方法、升溫制度、降溫速率、保溫時(shí)間，氣氛及壓力等；3.3影響強(qiáng)度的因素第53頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

支配材料強(qiáng)度的因素

大小形狀分布狀態(tài)晶界氣孔組成相表面能氣孔組成相相變膨脹各向異性組成原子的堆積結(jié)合強(qiáng)度

氣孔組成相晶體和非晶體結(jié)構(gòu)

高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性分解溫度熔點(diǎn)

尖端直徑大小分布形狀

粘結(jié)劑純度添加劑組成粉末顆粒度粉末的團(tuán)聚混合程度煅燒條件粉末的結(jié)性燒結(jié)溫度燒結(jié)時(shí)間升溫降溫速度燒結(jié)氣氛壓力

數(shù)量大小形狀分布狀態(tài)

種類數(shù)量形狀大小分散狀態(tài)

形狀表面粗糙度缺口

靜態(tài)應(yīng)力動(dòng)態(tài)應(yīng)力熱疲勞周期疲勞加載速度蠕變抗拉抗壓彎曲剪切氣孔率組成相分布結(jié)合強(qiáng)度

氧化性還原性惰性真空可燃性氣體各種混合氣體

物性顯微結(jié)構(gòu)外界因素裂紋

氣孔晶粒組成相式樣形狀應(yīng)力種類氣氛彈性模量斷裂能熱導(dǎo)率熱膨脹率耐熱性制造條件第54頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月1.溫度低溫范圍內(nèi)，陶瓷在斷裂前不出現(xiàn)明顯的塑性，其斷裂為脆性行為，強(qiáng)度受溫度影響不大的區(qū)域（A區(qū)）。溫度進(jìn)一步提高時(shí)，陶瓷在斷裂前略有塑性形變，材料的強(qiáng)度隨溫度的升高而下降（B區(qū)）。高溫區(qū)，斷裂前已出現(xiàn)了可觀的塑性形變，材料的斷裂行為為半塑性。三個(gè)區(qū)域的邊界溫度隨材料的不同而不同.例如：單晶MgO的TAB=0oCSiC的TAB>2000oC溫度強(qiáng)度ABCTABTBC材料的脆塑性溫度取決于多種因素。如：第二相物質(zhì)、晶界雜質(zhì)第55頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)晶粒的尺寸

f=KGg-a

f=M+KGg-1/22.顯微結(jié)構(gòu)(2)氣孔

f=0e-bp(3)晶相第56頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月3.陶瓷的工藝過程陶瓷制備的工藝過程干燥母鹽的種類沉淀的生成雜質(zhì)干燥熱分解煅燒粉碎添加劑原料制備工藝混合煅燒粉碎造粒成型燒結(jié)

燒結(jié)后處理燒成氣氛熱壓干法濕法干法濕法干法濕法干燥干燥第57頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

原料制備工藝混合煅燒粉碎造粒成型燒結(jié)之前工藝燒成工藝

固相反應(yīng)燒成時(shí)間、溫度燒成氣氛熱壓添加劑陶瓷強(qiáng)度燒結(jié)體中的氣孔（高致密化）控制晶粒生長燒成后處理第58頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月前期因素內(nèi)在因素外界因素本質(zhì)的次要的母鹽的種類晶粒大小雜質(zhì)種類添加劑的種類數(shù)量母鹽的制備條件顆粒大小雜質(zhì)數(shù)量粉碎處理母鹽的分解溫度顆粒分布結(jié)構(gòu)缺陷高能照射母鹽的分解時(shí)間顆粒形狀結(jié)構(gòu)畸變超聲波處理煅燒溫度表面狀態(tài)形態(tài)的穩(wěn)定性儲藏氣氛煅燒時(shí)間表面能成型方法壓力擴(kuò)散系數(shù)燒結(jié)溫度時(shí)間粘度升溫速度降溫速度轉(zhuǎn)變點(diǎn)爐內(nèi)壓力氣氛

影響固相燒結(jié)的因素第59頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1概述塑性形變是位錯(cuò)（微觀缺陷）運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，說明實(shí)際晶體在遠(yuǎn)低于理想晶體的屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下，發(fā)生塑性形變。斷裂力學(xué)說明材料的斷裂是裂紋（宏觀缺陷）擴(kuò)展的結(jié)果。實(shí)際晶體在遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度的應(yīng)力下，發(fā)生斷裂。兩者有相似之處、差異、和相關(guān)點(diǎn)。斷裂與塑性形變的比較3.4無機(jī)材料的斷裂過程第60頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

張應(yīng)力作用下的裂紋擴(kuò)展和切應(yīng)力下的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相同點(diǎn)：

裂紋和位錯(cuò)的前端都將晶體劃分為已斷裂（滑移）和未發(fā)生變化的兩部分。裂紋擴(kuò)展和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)都使原子鍵連續(xù)破壞。不同點(diǎn)：裂紋擴(kuò)展使原子鍵永久性的撕開，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)之后，斷開的原子鍵隨即重新愈合。

第61頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域的特點(diǎn)：

材料中任何結(jié)構(gòu)不連續(xù)性都會(huì)使局部能量處于高能量狀態(tài)，即應(yīng)力狀態(tài)；

外力作用下，能量高的不連續(xù)區(qū)域首先發(fā)生運(yùn)動(dòng)，在能量較低的不連續(xù)區(qū)域使其能量降低；

結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域在可能情況下總是降低其能量；

不連續(xù)區(qū)域在運(yùn)動(dòng)過程中，遇到勢壘，會(huì)發(fā)生塞積，引起高度的應(yīng)力集中，此應(yīng)力又會(huì)激活其他結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域。3.4.2裂紋成核結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域都會(huì)使裂紋成核。第62頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月脆性程度材料類別滑移系個(gè)數(shù)位錯(cuò)可移動(dòng)性裂紋成核途徑室溫高溫可動(dòng)性靈活性全

脆性Si3N4TiCAl2O3TiO2SiO2無無無制備過程、機(jī)械加工引入，熱應(yīng)力引起，不可能有位錯(cuò)機(jī)理的裂紋成核。半

脆性MgOCaF2LiFNaClCsClAl2O3TiO2MgO小于五個(gè)可無制備過程、機(jī)械加工引入，熱應(yīng)力引起，可能有位錯(cuò)機(jī)理的裂紋成核。

無機(jī)材料的脆性和裂紋成核途徑第63頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月塑

性AgBrAgClCaF2LiFNaClCsCl五個(gè)可可位錯(cuò)滑移最終導(dǎo)致塑性形變。空洞合并導(dǎo)致裂紋成核。熱壓無壓燒結(jié)氣相沉積夾雜物加工缺陷非均質(zhì)粗晶不完善結(jié)合區(qū)大氣孔夾雜物粗晶表面層缺陷粗晶分層

各種制備工藝引入的缺陷類型接上表第64頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）亞臨界裂紋擴(kuò)展在受到低于臨界應(yīng)力的作用狀態(tài)下，脆性材料的裂紋擴(kuò)展取決于溫度、應(yīng)力和環(huán)境介質(zhì)。材料處于穩(wěn)態(tài)。3.4.3亞臨界裂紋擴(kuò)展（靜態(tài)疲勞）（2）亞臨界裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系其典型關(guān)系式：V=AK1n第65頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月特點(diǎn)：

幾乎所有材料都有一個(gè)不發(fā)生亞臨界裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子低限值K0。

超過低限值，V與K1n總是呈正比，其中，n是與機(jī)理相關(guān)的常數(shù)。

恒速裂紋擴(kuò)展區(qū)。

快速裂紋擴(kuò)展區(qū)。

裂紋擴(kuò)展速率曲線LogV

IIIIIIK0第66頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月1）環(huán)境介質(zhì)的作用(應(yīng)力腐蝕）引起裂紋的擴(kuò)展玻璃在含有OH-介質(zhì)中的亞臨界裂紋擴(kuò)展機(jī)理:OH-對裂紋的強(qiáng)化作用有：

吸附導(dǎo)致鍵強(qiáng)的下降；

應(yīng)力加速了裂紋尖端玻璃的溶解；

離子互換導(dǎo)致裂紋尖端張應(yīng)力的增長。（3）亞臨界裂紋擴(kuò)展機(jī)理例如：在含水氣不同的N2氣氛中，玻璃Na2O－CaO－SiO2的亞臨界裂紋擴(kuò)展。第67頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

裂紋生長的主要原因是應(yīng)力促進(jìn)了水與玻璃的化學(xué)反應(yīng)，生長速率受反應(yīng)速率所控制。

裂紋生長速率幾乎與應(yīng)力無關(guān)，此時(shí)裂紋生長速率取決于OH-離子向裂紋尖端遷移的速率。

裂紋生長的速率又隨K1的增大而呈指數(shù)的增長，與水氣含量無關(guān)，裂紋生長受到玻璃的化學(xué)組分和結(jié)構(gòu)的控制。K1（Nm-3/2×105)V

（ms-1）IIIIII水氣含量第68頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月K1V鈉鈣玻璃硼硅玻璃硅玻璃鋁硅玻璃

化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)對玻璃區(qū)域III亞臨界裂紋擴(kuò)展的影響第69頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月SiC界面的氧化作用引起裂紋擴(kuò)展過程：空氣中的氧氣在裂紋尖端與SiC發(fā)生如下反應(yīng):2SiC+3O2=2SiO2+2CO

過程包括：氧離子通過氧化層傳遞至裂紋尖端；氧離子的吸附，SiCSiO2的反應(yīng)；

CO從反應(yīng)區(qū)離去；裂紋形成的新表面被氧化層覆蓋，接著進(jìn)行下一個(gè)腐蝕開裂循環(huán)，周而復(fù)始，形成宏觀裂紋。其形成的組分中含有硅酸鹽晶界薄層。第70頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月2）塑性效應(yīng)引起裂紋的擴(kuò)展在高溫、無害介質(zhì)環(huán)境中，無機(jī)材料的亞臨界裂紋擴(kuò)展，是裂紋尖端的塑性效應(yīng)的結(jié)果。晶體中的位錯(cuò)在大于臨界剪應(yīng)力作用下，一些位錯(cuò)源開始滑移并發(fā)射位錯(cuò)，在其露出晶面之前，發(fā)生交滑移，交滑移源發(fā)出的位錯(cuò)被送回到裂紋尖端，位錯(cuò)應(yīng)力場的作用使裂紋尖端的應(yīng)力提高，結(jié)果在K1<K0的條件下發(fā)生了亞臨界裂紋擴(kuò)展。裂紋尖端附近切應(yīng)變的激活，位錯(cuò)從晶界處的源出發(fā)，在滑移面取向合適的情況下，位錯(cuò)在晶粒內(nèi)部運(yùn)動(dòng)直到在另一側(cè)晶界處發(fā)生塞積，引起裂紋成核。（依據(jù)：多晶體中，晶界既可是位錯(cuò)的發(fā)源地，也可是位錯(cuò)前進(jìn)的障礙。）第71頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月晶界處的裂紋擴(kuò)展次裂紋主裂紋高溫下裂紋尖端的應(yīng)力空腔作用：在高溫下，多晶多相材料長期受力作用，晶界玻璃相粘度下降，毛細(xì)管力在此處引起局部應(yīng)力，使晶界發(fā)生蠕變或粘性流動(dòng)，晶界處的氣孔、夾雜物、及結(jié)構(gòu)缺陷逐漸長大，形成空腔，空腔進(jìn)一步沿晶界方向長大、連通形成次裂紋，與主裂紋匯合形成裂紋的緩慢擴(kuò)展。第72頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月例如熱壓Si3N4的塑性效應(yīng)控制亞臨界裂紋擴(kuò)展K1V14000C

13500C

13000C

12500C12000Cn=10低速區(qū)n=50高速區(qū)第73頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月通過激活能的計(jì)算，其激活能遠(yuǎn)超過了化學(xué)反應(yīng)激活能或離子擴(kuò)散激活能，而與粘滯流動(dòng)或蠕變過程激活能相當(dāng)，所以，裂紋擴(kuò)展與環(huán)境介質(zhì)無關(guān)，而是由粘滯流動(dòng)或蠕變過程控制。高溫區(qū)斷裂韌性增大，原因：塑性效應(yīng)導(dǎo)致應(yīng)力松弛.熱壓Si3N4的K1C隨溫度變化的曲線K1C溫度第74頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月3）擴(kuò)散過程裂紋尖端區(qū)域點(diǎn)缺陷擴(kuò)散對裂紋的擴(kuò)展起著一定的作用。

在無外加應(yīng)力作用條件下，材料內(nèi)部的自擴(kuò)散隨著溫度的提高而加速，導(dǎo)致裂紋的愈合和材料的燒結(jié)和致密化。+－裂紋擴(kuò)展速率2K1Al2O3多晶裂紋擴(kuò)展和K1的變化規(guī)律

當(dāng)有外加張應(yīng)力作用時(shí)，裂紋愈合速度很快消失。隨著應(yīng)力的提高，空位從裂紋尖端擴(kuò)散離去的速率下降，在較大的應(yīng)力作用下，出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展。第75頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月4）熱激活鍵撕裂作用引起裂紋擴(kuò)展裂紋尖端晶格點(diǎn)陣的非連續(xù)性，即有高能量的點(diǎn)陣，借助于熱激活作用，裂紋尖端有可能產(chǎn)生移動(dòng)。第76頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.4臨界裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂的過程當(dāng)裂紋由成核生長和亞臨界擴(kuò)展發(fā)展到臨界長度，此時(shí)K1的數(shù)值也隨著裂紋的擴(kuò)展增長到K1c的數(shù)值。至此裂紋的擴(kuò)展從穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)入動(dòng)態(tài)，出現(xiàn)快速斷裂?；蛄鸭y尖端屈服區(qū)附近足夠大的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到了足以撕開原子間鍵，導(dǎo)致固體沿著原子面發(fā)生解理。裂紋快速斷裂具備的能量條件：裂紋前端的彈性應(yīng)變能釋放率等于或大于裂紋擴(kuò)展單位長度所需的表面自由能增量。第77頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

原子鍵斷裂模型第78頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.5斷裂理論在材料中的應(yīng)用

材料工作者應(yīng)致力于提高材料的

f和K1c以提高其抵抗破壞能力的系統(tǒng)材料的研制，以及為減小導(dǎo)致材料失效的動(dòng)力K1的工程設(shè)計(jì)。

斷裂理論闡明裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力強(qiáng)度因子K1是裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致材料斷裂的動(dòng)力；

材料固有的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子K1c是裂紋擴(kuò)展的阻力；

斷裂強(qiáng)度

f是材料的臨界應(yīng)力因子所對應(yīng)的臨界應(yīng)力。

一個(gè)理想材料構(gòu)件的建立包括材料的研制、構(gòu)件的設(shè)計(jì)、壽命的檢測等一系列過程。第79頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月生產(chǎn)和使用于工程材料科學(xué)工程力學(xué)抗裂紋擴(kuò)展裂紋尺寸及分布抗斷裂圖譜材料的實(shí)用性不滿足要求滿足要求后選材料的發(fā)展抗形變抗熱應(yīng)力抗粒子沖刷工程要求抑制裂紋擴(kuò)展構(gòu)件設(shè)計(jì)抗形變圖譜裂紋擴(kuò)展的抑制使用環(huán)境條件應(yīng)力分析

協(xié)調(diào)對材料的要求第80頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月K1c=（2Es)1/2

材料的斷裂韌性是彈性模量和斷裂能的函數(shù)。所以與材料的結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

在材料中設(shè)置裂紋擴(kuò)展中的附加能量耗損機(jī)制：韌性相、微裂紋區(qū)。

設(shè)置裂紋擴(kuò)展的勢壘：長軸晶相、纖維增韌。

1.材料研制方面第81頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月2.工程結(jié)構(gòu)方面理論基礎(chǔ)：亞臨界裂紋擴(kuò)展速率方程：V=AK1n

（1）安全載荷的選擇------保證試驗(yàn)法在構(gòu)件交付使用前，先以一個(gè)超過預(yù)期使用的載荷對該構(gòu)件的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)。在保證試驗(yàn)中，注意兩點(diǎn)：

構(gòu)件中最嚴(yán)重裂紋處的應(yīng)力必須超過使用期間所承受的應(yīng)力；構(gòu)件中最嚴(yán)重處的應(yīng)力強(qiáng)度因子必須小于臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子。目的：保證構(gòu)件不在保證試驗(yàn)期間破壞，保證通過試驗(yàn)的構(gòu)件在使用期間的安全。第82頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）安全期限的確定

------亞臨界裂紋的擴(kuò)展

由V、K的關(guān)系知：材料存在一個(gè)亞臨界裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子門濫值K10，當(dāng)構(gòu)件最嚴(yán)重裂紋尖端的K1K10，裂紋不會(huì)擴(kuò)展。當(dāng)

K10

K1

<K1c時(shí)，出現(xiàn)亞臨界裂紋擴(kuò)展，可以根據(jù)裂紋擴(kuò)展的三個(gè)階段的速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系求構(gòu)件的使用壽命。第83頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）破壞預(yù)報(bào)------聲發(fā)射法材料在釋放彈性能時(shí)，發(fā)生各種形變和斷裂過程的同時(shí)，會(huì)有能量的傳播，這一能量被與構(gòu)件接觸的換能器接受，發(fā)出脈沖信號。（4）斷口分析斷口分析有助于對斷裂根源的判斷?？勺麟娮语@微鏡、掃描電鏡、透射電鏡和電子探針。第84頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

脆性是無機(jī)材料的特征。它間接地反映材料較低的抗機(jī)械沖擊強(qiáng)度和較差的抗溫度聚變性。

脆性直接表現(xiàn)在:一旦受到臨界的外加負(fù)荷，材料的斷裂則具有爆發(fā)性的特征和災(zāi)難性的后果。

脆性的本質(zhì)是缺少五個(gè)獨(dú)立的滑移系統(tǒng)，在受力狀態(tài)下難于發(fā)生滑移使應(yīng)力松弛。1.材料脆性的特點(diǎn)3.6.1材料的脆性3.6材料的脆性和克服脆性的途徑第85頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

NaCl金剛石銅和銀

th/th0.491.1630

顯微結(jié)構(gòu)的脆性根源是材料內(nèi)部存在裂紋，易于導(dǎo)致高度的應(yīng)力集中。

裂紋擴(kuò)展速度決定著是否能發(fā)生消除應(yīng)力集中的塑性流動(dòng)，塑性形變需要一定的起始時(shí)間，若裂紋擴(kuò)展的很快，則發(fā)生脆斷，所以裂紋擴(kuò)展的速度是脆性的一種量度。

斷裂能、

th/th

也是材料脆性的一種量度.第86頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月在一定的條件下，晶體中的滑移系統(tǒng)的數(shù)目及其可動(dòng)程度，都是物質(zhì)本質(zhì)結(jié)構(gòu)所決定的，材料脆性的本質(zhì)難以改變；根據(jù)材料的裂紋擴(kuò)展行為及其斷裂機(jī)理，可以借助于對裂紋擴(kuò)展條件的控制，在一定程度上提高材料的韌性。2.改善材料韌性，提高材料強(qiáng)度第87頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月從斷裂力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，克服脆性和提高強(qiáng)度的關(guān)鍵是：

提高材料的斷裂能，便于提高抵抗裂紋擴(kuò)展的能力；

減小材料內(nèi)部所含裂紋缺陷的尺寸，以減緩裂紋尖端的應(yīng)力集中效應(yīng)。

強(qiáng)度－韌性－裂紋尺寸的關(guān)系裂紋長度的倒數(shù)強(qiáng)度ao斷裂韌性K1c工程陶瓷的發(fā)展應(yīng)是沿著既提高斷裂韌性,又降低裂紋缺陷尺寸的途徑,大幅度地提高材料的強(qiáng)度.第88頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月1.金屬與無機(jī)材料的復(fù)合

------增韌相彌散于材料中增韌相的作用：起附加的能量吸收作用,使裂紋尖端區(qū)域高度集中的應(yīng)力得以部分消除，抑制原先可能到達(dá)臨界狀態(tài)的裂紋，提高材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，相應(yīng)改善其韌性。通過裂紋尖端塑性形變的作用能量吸收：裂紋尖端的原子發(fā)生不可逆的重排，并以塑性功的形式吸收可觀的彈性應(yīng)變能，使裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力減弱。3.6.2克服材料脆性斷裂的途徑第89頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬對材料的增韌具備如下條件：

在顯微結(jié)構(gòu)方面金屬相與無機(jī)相能否均勻分散成彼此交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，決定著能否在裂紋尖端區(qū)域起到吸收部分能量的作用。

金屬對材料具有很好的潤濕性。否則，材料自成為連續(xù)相，金屬成為分散于基體中的粒子，材料的力學(xué)行為仍為陶瓷相所控制，脆性改善有限。有希望的系統(tǒng)：ZrO2－TaW系統(tǒng),(Cr·Al)2O3－Cr·Mo·W系統(tǒng)。此種復(fù)合材料的缺點(diǎn)：金屬在高溫下，易氧化會(huì)損害材料的耐熱性。第90頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月2.材料中的裂紋尖端增韌作用區(qū)

------相變粒子彌散

相變粒子增韌：利用ZrO2四方相轉(zhuǎn)變成ZrO2單斜相的馬氏體相變來實(shí)現(xiàn)增韌。第91頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月馬氏體相變的特點(diǎn)：

相變前后無成分變化；

原子的配位不變；

原子的位移不超過一個(gè)原子間距；

無熱、無擴(kuò)散、相變激活能小，轉(zhuǎn)變速度快，以近似于聲波傳播的速度進(jìn)行，比裂紋擴(kuò)展速度大2～3倍，為吸收斷裂能和增韌提供必要條件。

相變伴隨有體積變化------高溫相向低溫相轉(zhuǎn)化引起體積膨脹。

相變具有可逆性，并受外界因素（溫度、應(yīng)力等）的影響，相變發(fā)生于一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，或降低相變溫度而不是一個(gè)特定的溫度點(diǎn)。第92頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月增韌機(jī)制：

應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌

相變誘發(fā)微裂紋增韌

微裂紋分岔增韌。裂紋尖端出現(xiàn)微裂紋區(qū)時(shí)，將導(dǎo)致彈性能的松弛和應(yīng)力再分布。第93頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)影響ZrO2相變的因素：

1）ZrO2顆粒在基體中相變的能量條件在基體中，四方ZrO2是高溫穩(wěn)定相，單斜ZrO2是低溫穩(wěn)定相在低于相變溫度的條件下，由于受到基體約束力的抑制，未轉(zhuǎn)化的四方ZrO2相保持其介穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)基體的約束力在外力作用下減弱或消失，粒子從高能態(tài)轉(zhuǎn)化為低能態(tài)的單斜相（發(fā)生相變），并在基體中引起微裂紋，吸收主裂紋擴(kuò)展的能量。第94頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月相變反應(yīng)過程中的能量變化UT能量G無抑制受基體抑制單斜相四方相

GchemUaT高溫向低溫的相轉(zhuǎn)變方向第95頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月ZrO2粒子發(fā)生相變時(shí)的自由能平衡關(guān)系式為：

GM/T=－

Gchem+UT－

Ua+S

GM/T------單位體積四方相向單斜相轉(zhuǎn)化引起的自由能變化；（相變動(dòng)力）

Gchem----單斜相和四方相之間的自由能之差；（相變動(dòng)力）

UT------相變彈性應(yīng)變能的變化；（相變阻力）

Ua------激發(fā)相變時(shí)，外應(yīng)力所消耗能量；（相變動(dòng)力）

S------單斜相與基體間的界面能和四方相與基體間的界面能之差,常被忽略。（相變阻力）第96頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月四方相向單斜相的轉(zhuǎn)化能否發(fā)生，取決于轉(zhuǎn)化后系統(tǒng)的自由能是否下降，即轉(zhuǎn)化的能量條件為：

GM/T0或

Gchem

UT－

Ua引起相變單位體積彈性應(yīng)變能的變化UT的根源是單斜相和四方相密度的差別。有UT=E

2/2E------兩相的平均彈性模量；------相變引起的應(yīng)變。借助于外應(yīng)力a激發(fā)相變時(shí)，

Ua=

aV/2，其中體積為單位體積V=1,a=2Ua/得相變的應(yīng)力條件：a2（

UT－

Gchem

）/

第97頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月2）彌散粒子的相變臨界直徑考慮界面能之差

S，以一個(gè)直徑為D的顆粒為例說明相變時(shí)的臨界直徑：

SD2

(

Gchem

－

UT+Ua)D3在一定溫度和應(yīng)力條件下，相應(yīng)有一個(gè)發(fā)生相變的臨界ZrO2粒子直徑Dc

：

Dc=S/(

Gchem

－

UT+Ua)相變能量條件：(

Gchem

－

UT+Ua)

S

/DcD值越小，由于單位體積粒子的比表面積越大，則其

S也越大，即相變勢壘越高，四方晶相更能保持其界穩(wěn)狀態(tài)，直到更低的溫度才轉(zhuǎn)化為單斜相。ZrO2顆粒的尺寸對ZrO2相變溫度有影響。所以小顆粒的四方相向單斜相轉(zhuǎn)化的溫度低。第98頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

陶瓷系統(tǒng)ZrO2顆粒的臨界直徑Dc

ZrO2Vol%16152217.5153.12Al2O30.52Al2O30.3莫來石1尖晶石0.3-1.0Si3O4<0.1ZrO2－MgO0.1-0.2ZrO2－Y2O30.32室溫條件下各種陶瓷中粒子的相變臨界直徑第99頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月3）化學(xué)因素的影響基體的化學(xué)組分和ZrO2彌撒相的含量對ZrO2粒子的相變溫度有一定的影響。凡是能固溶于ZrO2中的摻雜物都或多或少地減小ZrO2相變的自由能差值

Gchem

，相應(yīng)降低其相變溫度TMS,且溶質(zhì)的濃度越大，相變的溫度也越低。(2)增韌機(jī)制1）應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌:

當(dāng)相變溫度低于室溫，基體中儲存著相變彈性壓應(yīng)變能，該相變需在外力作用下產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌。2)微裂紋增韌：當(dāng)相變溫度高于室溫，粒子會(huì)自發(fā)的由四方相轉(zhuǎn)化為單斜相，在基體中誘發(fā)微裂紋引起的增韌.2)裂紋分岔第100頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合體內(nèi)單斜相的熱膨脹

RTMfMsAs

共晶溫度（1）相變增韌（2）微裂紋增韌（3）裂紋分岔（3）（1）（2）室溫單斜相的熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系四方相的熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系第101頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月1）控制彌散粒子的尺寸D彌散粒子的相變溫度隨其顆粒的減小而下降。

D>DH(相變臨界顆粒直徑)

大顆粒在高溫下發(fā)生相變，在到達(dá)常規(guī)相變溫度（11500C）左右，所有D>DH(相變臨界顆粒直徑)的顆粒都發(fā)生相變。這一階段的相變的特點(diǎn)是突發(fā)性的，產(chǎn)生微裂紋的尺寸較大，可導(dǎo)致主裂紋擴(kuò)展過程中的分岔，對基體的增韌效果較小。（3）主裂紋尖端增韌作用區(qū)的控制原則第102頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月DH>

D>

DR(室溫相變臨界顆粒直徑）基體含有相變誘發(fā)微裂紋，對基體的增韌有明顯的提高，但材料的強(qiáng)度由于微裂紋的存在而下降。DR>D基體中儲存著彈性壓應(yīng)變能。只在材料承受適當(dāng)?shù)耐饧討?yīng)力，克服了相變應(yīng)變能對主裂紋擴(kuò)展所起的勢壘作用，粒子才有四方相轉(zhuǎn)化為單斜相，并相應(yīng)誘發(fā)出極細(xì)小的微裂紋。由于相變能和微裂紋的共同作用，增韌效果好，且材料的強(qiáng)度有一定的增強(qiáng)。第103頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月張應(yīng)力誘導(dǎo)相變相對頻率0D1D2D3D4D5粒子直徑室溫條件下粒子的分布范圍與韌化機(jī)制

切應(yīng)力誘導(dǎo)相變

瞬時(shí)相變

應(yīng)力誘導(dǎo)微裂紋Al2O3+M－ZrO2PSZAl2O3+T－ZrO2Al2O3+T/M－ZrO2瞬時(shí)開裂2）控制顆粒的分布狀態(tài)第104頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月3）增韌顆粒最佳體積分?jǐn)?shù)和均勻彌散程度體積分?jǐn)?shù)越高，增韌效果越好，但過高，將會(huì)導(dǎo)致微裂紋的合并，降低增韌效果，甚至惡化材料的性能。體積分?jǐn)?shù)需控制在最佳值。不均勻的彌散導(dǎo)致基體中局部的粒子含量過高，或不足，均勻彌散是最佳的體積分?jǐn)?shù)發(fā)揮作用的前提。第105頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月4）基體和增韌粒子熱膨脹系數(shù)匹配兩者熱膨脹系數(shù)之差要小，目的在于保持基體和粒子之間在冷卻過程中的結(jié)合力。5）控制彌散粒子的化學(xué)性質(zhì)控制彌散粒子的化學(xué)性質(zhì)可以控制相變前后的化學(xué)自由能

Gchem

，即調(diào)節(jié)相變的動(dòng)力。（4）表面韌化基體表面層在一定深度之內(nèi)有四方ZrO2彌散相。第106頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月3.基體中設(shè)置裂紋擴(kuò)展勢壘-----纖維增強(qiáng)纖維的作用：高強(qiáng)度和高模量的纖維能為基體分擔(dān)大部分外加應(yīng)力，也可阻礙裂紋的擴(kuò)展，并能在局部纖維發(fā)生斷裂時(shí)以拔出功的形式消耗部分能量，起到提高斷裂能并克服脆性的效果。纖維復(fù)合材料的性能取決于纖維和基體的本性、復(fù)合配比、兩者的化學(xué)相容性和結(jié)合強(qiáng)度，即纖維在基體中的分布和排列等。1）彈性模量選取纖維的分布是均勻連續(xù)和單向排列的復(fù)合材料，且纖維與基體緊密結(jié)合，纖維的取向和外加應(yīng)力平行，即二者處于等應(yīng)變狀態(tài)。（1）影響復(fù)合材料性能的因素第107頁，課件共119頁，創(chuàng)作于2023年2月

f=Pf/Ef=m=Pm/EmPf=

PcVfPm