第二章脆性断裂与强度.ppt

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1、无机材料物理性能,主讲教师：杨金萍 联系电话：15612875388E mail:imjp_,第二章 脆性断裂与强度,第一节 格里菲斯微裂纹理论第二节 G判据与K判据第三节 平面应变断裂韧性 的意义第四节 脆性材料补强增韧途径第五节 静态疲劳第六节 强度的统计本质,河北联合大学材料科学与工程学院,强度树图的建立：以强度和断裂强度为树干，理论解释为树皮，支配强度的宏观因素和微观因素为树根，将各种强度特性以树枝形式伸展到各个应用领域。例如：高温材料必须在高温下具有一定的断裂强度，必须掌握如何评价它的耐热性、热冲击、化学腐蚀和机械冲击等特性。,强度树图,一、无机材料的理论强度,河北联合大学材料科学与

2、工程学院,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,与材料强度有关的断裂力学的特点：着眼于裂纹尖端应力集中区域的力场和应变场分布；研究裂纹生长、扩展最终导致断裂的动态过程和规律；研究抑制裂纹扩展、防止断裂的条件。给工程设计、合理选材、质量评价提供判据。,断裂力学的分类：断裂力学根据裂纹尖端塑性区域的范围，分为两大类：（1）线弹性断裂力学-当裂纹尖端塑性区的尺寸远小于裂纹长度，可根据线弹性理论来分析裂纹扩展行为。（2）弹塑性断裂力学-当裂纹尖端塑性区尺寸不限于

3、小范围屈服，而是呈现适量的塑性，以弹塑性理论来处理。,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,固体在拉伸应力下，由于伸长而储存了弹性应变能，断裂时，应变能提供了新生断面所需的表面能。即：th x/2=2其中：th 为理论强度；x为平衡时原子间距的增量；：表面能。虎克定律：th=E(x/r0)理论断裂强度：th=2(E/r0)1/2,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,奥洛万模型：假设完整的晶体（内部没有结构缺陷），晶体的断裂是指有一个贯穿整体晶体的一个晶面的裂纹，导致两侧原子分离。Orowa

4、n以应力应变正弦函数曲线的形式近似的描述原子间作用力随原子间距的变化。,(2)Orowan近似,假设x=r-r0（相当于以r0 为原点，建立坐标轴）,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,计算理论断裂强度的依据：将材料拉断时，产生两个新表面，因此单位面积的原子平面分开所做的功（W）应等于产生两个单位面积的新表面所需的表面能。即：,因为：所以：则：（1）,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,（1）在接近平衡位置O的区域，服从虎克定律：（2）因为，原子间距的微小增量(x很小），则有：（3）式（2）=式（3）得：（4）将上式（4）代入式（1）得：则：,L

5、ogo,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,与th=2(E/r0)1/2 相比两者结果是一致的。理论强度取决于键强，键强越大，E越大，表面能越大，原子平衡距离r0 越小，晶体的理论断裂强度越大。,Logo,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,断裂强度理论值和测定值,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,一般固体材料的 理论强度相当于弹性模量得1/10，实际上强度在 之间，一般材料的典型数值 则 而实际上得强度在300-3000Mpa。理论值与实际值为什么有如此大的差距呢？,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂

6、纹理论,二、实际抗张强度远低于理论抗张强度的原因 材料中的裂纹型缺陷：材料中的伤痕、裂纹、气孔、杂质等宏观缺陷。图1是平板弹性体的受力情况。图2是应力尖端的应力集中。图1 平板弹性体的受力情况,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,图2 裂纹尖端处的应力集中,河北联合大学材料科学与工程学院,脆性断裂的本质：低应力（低于断键应力即在平均应力低于理论强度应力）下的裂纹扩展。,第一节 格里菲斯微裂纹理论,三、格里菲斯理论（从能量平衡的观点）为了解释理论强度与实际强度的差异，格里菲斯从能量平衡观点分析了裂纹扩展问题。假设单位厚度的平板，受拉伸作用，发生弹性形变，就会有弹性应变能储

7、存在材料中，形成2c长度的微裂纹，弹性应变能释放，当产生裂纹后使储存在材料中的弹性应变能下降。假设发生的是平面应变：即所有应力和应变都发生在某一平面上（平面应变状态）。2c,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,S形成2c裂纹时储存在材料中的弹性应变能的减小量或释放的应变能。（平面应变状态）则：代表裂纹向两端进一步各自扩展单位面积所释放的弹性应变能。T形成2c微裂纹时形成两个新表面的总共所需要的表面能。单位面积所需的表面能。则：代表裂纹向两端各自扩展单位面积形成新表面所需的表面能。,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,（临界状态）（考虑了平面应变状

8、态）,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,材料中最长裂纹达到断裂的应力，使材料中裂纹，通常是材料中最长裂纹达到临界尺寸时的应力，叫临界应力，即格里菲斯断裂强度。假设裂纹长1um，而一般固体材料的表面能，晶体中，一般 则,，,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,-在固体断裂时，形成单位面积新表面所需的全部能量。实际材料的断裂强度公式为：,Logo,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,例题1：在300K下，硅酸盐玻璃的 在35004700尔格/厘米2，而 只有1700尔格/厘米2。例题2：对于延性材料（金属材料）可不可能发生脆

9、性断裂？答：一样也有可能发生裂纹扩展导致断裂。同样也可以用 上面的公式计算，但对于延性金属材料，塑性变形能非常大，因此 就很大，因此把它单列出来。由于 很大，所以容许的裂纹尺寸C也很长。,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,例题3：为什么玻璃的断裂是四分五裂，且断口是贝壳状的？例题4：工厂新生产的玻璃：强度大约45.5MPa，经砂子冲刷后的强度为14.04MPa，经酸腐蚀后的强度为1750 MPa。例题5：为什么陶瓷晶须、玻璃纤维的强度很高呢？,Logo,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,例题5：为什么陶瓷晶须、玻璃纤维的强度很高呢？陶瓷和玻璃

10、都是硅酸盐材料，是由离子键或共价键构成，键强高，具有潜在高的理论强度。晶须，纤维都是近似内部无缺陷的理想结构；晶须、纤维非常细小，表面微裂纹也极其微小，所以强度高,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,四、多晶材料的强度 同种材质的多晶与单晶的断裂强度高低比较如图3所示。晶界的作用：1.晶界结合强度比晶粒内部低裂纹转向 图3晶界对裂纹扩展的影响,Logo,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,2.晶界结合强度比晶粒内部高穿晶断裂 如果晶界的结合强度比晶粒内部高，在裂纹扩展过程中遇到晶界，晶界未被打开，裂纹将直接跨越晶界，产生穿晶断裂，消耗了原贮存的弹

11、性应变能，裂纹不易扩展，有利于提高强度。晶界阻碍了裂纹的扩展，有利于提高材料强度。,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,五、裂纹的起源1 材料表面的机械损伤或化学腐蚀形成表面微裂纹。机械损伤或化学腐蚀往往在表面形成尖裂纹，尖端应力集中程度高，这类裂纹最危险。,Logo,第一节 格里菲斯微裂纹理论,河北联合大学材料科学与工程学院,2.位错之间的相互作用形成的微裂纹 由于晶体微观结构中存在缺陷，当受到外力作用时，在这些缺陷处就会引起应力集中，导致裂纹成核，见下图。晶界对位错滑移起到了阻碍作用，位错堆积，形成微裂纹，也叫微裂纹成核。位错运动中的塞积，组合，交截，都导致裂纹成核

12、。,第一节 格里菲斯微裂纹理论,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,河北联合大学材料科学与工程学院,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,第一节 格里菲斯微裂纹理论,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,河北联合大学材料科学与工程学院,3.晶界应力产生微裂纹4.材料极冷可能产生微裂纹。,第一节 格里菲斯微裂纹理论,河北联合大学材料科学与工程学院,陶瓷的无釉坯料与上釉坯料的抗弯强度,第一节 格里菲斯微裂纹理论,河北联合大学材料科学与工程学院,上釉NaOBaOAl2O3SiO2系微晶玻璃的抗弯强度,第一节 格里菲斯微裂纹理论,河北

13、联合大学材料科学与工程学院,固定支座对膨胀的约束,自由膨胀,有下列关系：=E(-L/L)=E(TTo)TTo,即在冷却过程，得0，则材料中的内应力为张应力，这种应力易使杆件断裂。,例2:由材料热膨胀或收缩受到限制形成的热应力引起,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,例3：材料中存在温度梯度形成的热应力引起,在373K的沸水中在273K的冰水浴中,表面层趋于T=100收缩,内层的收缩为零。,结果：表面层的收缩受到限制，在表面层产生张应力，内层受到压应力。随着时间的延长，内层温度不断下降，材料中的热应力逐渐减小。,表面 273K,玻璃,内部 373K,河北联合大学材料科学与

14、工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,5.多晶转变 材料随温度变化发生多晶转变时，因为体积效应大，产生微裂纹。（前提材料是带裂纹体）例如：石英在粉碎前预烧，利用石英在冷却时在573的晶型转变所发生的体积效应。将石英在粉碎前预烧，然后急冷使之产生热应力，产生较多的裂纹，提高粉碎效率。,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,本节讨论题,1.怎样计算单晶体理论断裂强度？2.为什么说单晶体的理论断裂强度实际上取决于键的强度？3.实际断裂强度为什么比理论断裂强度低得多？4.脆性断裂有哪些表现形式？为什么延性材料也会发生脆性断裂？什么情况下延性材料发生脆性断裂？5.什么是平面应变状态

15、？6.在平面应变状态下裂纹扩展的条件是什么？为什么对于脆性材料裂纹一旦开始扩展，裂纹扩展极为迅速并将导致断裂？7.什么是格里菲斯微裂纹理论中的临界裂纹长度？为什么说临界裂纹长度是最危险的尺寸？,Logo,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,8.如何计算材料的实际断裂强度？说明计算式中各符号所代表的名称及物理意义。9.断裂表面能与热力学自由表面能有什么区别？10.为什么脆性材料存在微小的裂纹就可能导致断裂而金属材料则在宏观尺寸裂纹存在时才会断裂？11.比较粗晶材料与细晶材料的抗张强度，说明原因。12.为什么通常认为表面裂纹是非常危险的？13.为什么多晶材料内部通常存在大量

16、微裂纹？,Logo,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,14.已知：S形成2c裂纹时储存在材料中的弹性应变能的减小量；T-为形成2C长微裂纹产生两个新表面所需的表面能；W为形成2C长微裂纹需要外界供给的能量。问:(1)S,T,W 三者的关系，为什么？（2）为什么C*是裂纹开始自动扩展的临界尺寸？（3）如何理解CC*，裂纹已经自动扩展，但在CCr，即在 C*-Cr范围内仍旧有W0。,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,能量 T C*Cr C裂纹半长 S W,河北联合大学材料科学与工程学院,第一节 格里菲斯微裂纹理论,第二节 G判据与K判据,格里菲斯

17、从能量平衡的观点，依据关系式：根据这个临界条件推导出了实际断裂强度公式：修正的实际材料的断裂公式为：则：,河北联合大学材料科学与工程学院,第二节 G判据与K判据,格里菲斯条件式中：代表裂纹向两端进一步各自扩展单位面积所释放的弹性应变能。欧文提出：G弹性应变能释放率（或裂纹扩展力），是裂纹每扩展单位面积弹性应变能的释放率，反映了裂纹扩展的推动力。,河北联合大学材料科学与工程学院,第二节 G判据与K判据,欧文还引入了一个应力场强度因子K，定义 裂纹附近应力集中，表现为存在一个能量较平均值大的应力场，用K表示，K称为应力场强度因子，本质上K是比例因子。与 之间的关系：,Logo,河北联合大学材料科学

18、与工程学院,第二节 G判据与K判据,Irwin应用弹性力学的应力场理论，对裂纹尖部附近的应力场进行了分析，裂纹尖端部位某一点的应力与这一点的位置（r,)和外力有关。,河北联合大学材料科学与工程学院,定义：Y为几何形状因子，它和裂纹的型式、试件的几何形状有关。,第二节 G判据与K判据,由 则：此时 G=Gc，达到临界状态。Gc-临界弹性应变能释放率。,河北联合大学材料科学与工程学院,Logo,临界应力强度因子K1C：当K1随着外应力增大到某一临界值，裂纹尖端处的局部应力不断增大到足以使原子键分离的应力f，此时，裂纹快速扩展并导致试样断裂。K1c=f（c),断裂韧性参数K1c：是材料固有的性能，也

19、是材料的组成和显微结构的函数,是材料抵抗裂纹扩展的阻力因素。与裂纹的大小、形状以及外力无关。随着材料的弹性模量和断裂能的增加而提高，,河北联合大学材料科学与工程学院,第二节 G判据与K判据,第二节 G判据与K判据,，,，,，,*实际断裂强度,通过增韧可以补强。,河北联合大学材料科学与工程学院,第二节 G判据与K判据,得出了裂纹扩展的临界条件：（1）（2）G=Gc（3）K=Kc（以声速扩展）这三个判据是完全等价，左边来自弹性应变能的释放率，反映了裂纹扩展的推动力；右边取决于断裂表面能，反映了列为能扩展的阻力。,河北联合大学材料科学与工程学院,本节讨论题1.K1、K1C、G、GC的物理意义是什么？

20、为什么说K判据和G判据是等价的？2.K1的大小取决于什么？3.K1C的大小取决于什么？,Logo,河北联合大学材料科学与工程学院,第二节 G判据与K判据,第三节 平面应变断裂韧性的意义,按照经典强度理论，在设计构件时，断裂准则是：即使用应力应小于或等于容许应力。容许应力 或，为断裂强度，为屈服强度，n为安全系数。,Logo,河北联合大学材料科学与工程学院,第三节 平面应变断裂韧性的意义,河北联合大学材料科学与工程学院,第三节 平面应变断裂韧性的意义,这种设计方法和选材的准则没有抓住断裂的本质，不能防止低应力下的脆性断裂。为此，按照断裂力学的观点，引入一个新的表征材料特征的临界值叫平面应变断裂韧

21、性Kc。它是一个材料常数，从破裂方式为断裂出发，这一判据可表示为：即：应力场强度因子小于等于材料的平面应变断裂韧性，所有设计的构件才是安全的。,Logo,河北联合大学材料科学与工程学院,第三节 平面应变断裂韧性的意义,本节讨论题按经典强度理论选材与按断裂力学观点选材有何不同？各自的依据是什么？哪种方法更合理？为什么？,河北联合大学材料科学与工程学院,从断裂力学观点出发，克服脆性和提高强度的关键是：提高材料的断裂能，便于提高抵抗裂纹扩展的能力；减小材料内部所含裂纹缺陷的尺寸，以减缓裂纹尖端的应力集中效应。,强度韧性裂纹尺寸的关系,ao,工程陶瓷的发展应是沿着既提高断裂韧性,又降低裂纹缺陷尺寸的途

22、径,大幅度地提高材料的强度。,第四节 脆性材料补强增韧途径,河北联合大学材料科学与工程学院,一、尽可能消除材料内部的缺陷。高强度材料要求显微结构：,细、密、匀、纯,（1）细：指细晶结构。（2）密：指致密度高，意味材料气孔少，降低了应力集中。（3）匀：指材料内部均匀。（4）纯：指杂质少，可以赋予材料特定的性质。,河北联合大学材料科学与工程学院,第四节 脆性材料补强增韧途径,二、消除表面缺陷如抛光，化学处理等三、在材料表面引入残余压应力层。1.淬火淬火（钢化玻璃）通过控制冷却作业可在玻璃的表面区域人为地引入残余压应力的过程，称为淬火。,河北联合大学材料科学与工程学院,第四节 脆性材料补强增韧途径,

23、首先要明确玻璃的几个特征温度点：（1）粘度1014.6dPa.s的温度就称为应变点；（2）粘度减小到1013dPa.s的温度点为淬火点；（3）粘度减小到109dPa.s的温度点称为软化温度（也称为软化点）。,河北联合大学材料科学与工程学院,第四节 脆性材料补强增韧途径,退火：把玻璃在某一温度下长时间保温以消除内应力的过程。退火温度区间是在淬火点是退火上限温度，应变点为下限温度。淬火过程：当玻璃加热到淬火点以上，软化点以下的某个温度，迅速冷却，经过淬火的玻璃称为钢化玻璃。为什么钢化玻璃都是厚玻璃，而不是薄玻璃？钢化玻璃的碎裂与普通玻璃有没有区别啊？,河北联合大学材料科学与工程学院,第四节 脆性材

24、料补强增韧途径,2.离子交换法（或化学强化）把玻璃放在一个离子交换槽内，里面放熔盐中，使玻璃表面与熔盐中的离子进行交换，而使玻璃表面引入压应力。方法有两种：（1）通过交换后，使表层与内部有不同的热膨胀系数，从 而使表面产生压应力层。（2）用熔盐中大离子去交换表面层中小离子；,河北联合大学材料科学与工程学院,第四节 脆性材料补强增韧途径,3.表面涂层（陶瓷表面施釉）陶瓷坯体表面涂上一层釉，使釉坯，要 略小于。但冷却时，表面收缩比内部小，使表面受压状态，表面受压应力，使得表面微裂纹不易形成，形成也不易扩展，提高强度。,12,河北联合大学材料科学与工程学院,第四节 脆性材料补强增韧途径,四、制造微裂

25、纹增韧 对于多晶材料，利用它的热膨胀各向异性，E各向异性，在制备的过程中有意识的引入一些微裂纹。微裂纹一旦产生的话就消耗了材料内部原来储存的弹性应变能，将主裂纹扩展可利用的能量减小，就可以减小裂纹扩展的推动力。因此制造裂纹增韧，就相当于在材料内部设置了一个能量吸收机构，把主裂纹扩展可利用的能量吸收掉，主裂纹扩展的推动力减小了，主裂纹就不容易扩展。注意：制造的微裂纹的尺寸要远小于主裂纹的尺寸。,河北联合大学材料科学与工程学院,第四节 脆性材料补强增韧途径,五、相变韧化所谓相变韧化就是利用ZrO2的相变来进行增韧补强1.ZrO2晶型转变及稳定化处理 ZrO2有三种晶型，高温是立方型用c表示，中温是

26、四方型用t表示，低温是单斜型 m。当ZrO2冷却时，四方向单斜转变时有高达7-9的体积效应，体积要膨胀，这么大的体积效应往往使ZrO2冷却时，在出现这个晶型转变时，不可避免出现微裂纹，所以纯的ZrO2很难得到很致密的。,河北联合大学材料科学与工程学院,第四节 脆性材料补强增韧途径,根据稳定剂加入的多少，可以分为两类:一类是完全稳定ZrO2，用FSZ表示。在冷却的时候，ZrO2整个都处于立方型。一类是部分稳定ZrO2，用PSZ表示。所谓部分稳定ZrO2，是稳定剂的量不足以将ZrO2全部稳定在高温立方型，这时候材料中的ZrO2一部分是稳定住的立方ZrO2，另一部分未稳定的ZrO2，未稳定的ZrO2

27、冷却的时候就要转变为四方相，再冷却就转变为单斜m相。,河北联合大学材料科学与工程学院,第四节 脆性材料补强增韧途径,四方型ZrO2向单斜型ZrO2的转变马氏体相变机理：热力学条件：式中：V-相变体积；G-单位体积自由焓；S：表面积；-单位界面能；-单位体积相变应变能。VG体积自由焓，是相变的推动力。后面为阻力。,河北联合大学材料科学与工程学院,第四节 脆性材料补强增韧途径,马氏体相变的特点：相变前后无成分变化；原子的配位不变；原子的位移不超过一个原子间距；无热、无扩散、相变激活能小，转变速度快，以近似于声波传播的速度进行，比裂纹扩展速度大23倍，为吸收断裂能和增韧提供必要条件。相变伴随有体积变

28、化-高温相向低温相转化引起体积膨胀。相变具有可逆性，并受外界因素（温度、应力等）的 影响，相变发生于一个温度区间内，或降低相变温度而不是一个特定的温度点。,河北联合大学材料科学与工程学院,第四节 脆性材料补强增韧途径,动力学条件：马氏体相变通过结构剪切完成的，说明质点未交换位置，不通过扩散的，所以马氏体相变具有无扩散性。无扩散性指的是不需要热激活的，即非热激活的。意味着只要热力学许可，动力学上就可以相变。说明四方相向单斜相的转变，只要热力学许可，多低的温度下都可以相变，动力学就可以相变，即使常温可以相变。这就是ZrO2的马氏体相变。,河北联合大学材料科学与工程学院,第四节 脆性材料补强增韧途径

29、,2.增韧机理（1）表面强化增韧 整个材料就是立方ZrO2包围着介稳的四方ZrO2；表面的ZrO2受到母体一侧的压应力，另面一侧没有压力，就可以发生相变。相变后，表面的四方相向m-ZrO2转变，体积要膨胀，受内部制约，使表面处于挤压状态，表面受到压应力，表面微裂纹就不容易形成，即使形成也不容易扩展，得以强化，韧性提高。,单斜氧化锆,立方氧化锆和介稳的四方氧化锆,河北联合大学材料科学与工程学院,第四节 脆性材料补强增韧途径,（2）应力诱导相变增韧 使裂纹扩展的应力相应也减小了前方ZrO2(t)颗粒受到的压应力，这样就有利于体积膨胀的相变发生，所以四方完全有可能转变为单斜相。裂纹扩展需要能量，而t

30、-m的相变也需要能量，有了ZrO2(t)颗粒，那裂纹扩展就连带发生相变。裂纹扩展必然诱导发生相变，使裂纹扩展需要的能量进一步增加。,河北联合大学材料科学与工程学院,第四节 脆性材料补强增韧途径,（3）相变诱发微裂纹增韧，c+m 材料是部分稳定的ZrO2(t)已经转变为单斜相了，因为有体积膨胀已经产生了微裂纹，那这产生的微裂纹比主裂纹的长度小得多。通过这种方法增韧就相当于在材料中设置了吸收能量的机构，使主裂纹扩展需要的能量减小，裂纹不易扩展。（4）相变产生挤压内应力增韧，c+m,河北联合大学材料科学与工程学院,第四节 脆性材料补强增韧途径,六、制备复合材料 制备复合材料进行增韧补强是指在基体材料

31、中引入粉状或纤维状的材料，把它们构成复合材料，制备成复合材料后，材料的性能就提高了。1.颗粒弥散增韧补强,增韧相的作用：起附加的能量吸收作用,使裂纹尖端区域高度集中的应力得以部分消除，抑制原先可能到达临界状态的裂纹，提高材料抵抗裂纹扩展的能力，相应改善其韧性。金属颗粒增强相通过裂纹尖端塑性形变的作用能量吸收：裂纹尖端的原子发生不可逆的重排，并以塑性功的形式吸收可观的弹性应变能，使裂纹扩展的动力减弱。,河北联合大学材料科学与工程学院,第四节 脆性材料补强增韧途径,2.纤维增韧补强纤维的作用：高强度和高模量的纤维能为基体分担大部分外加应力，也可阻碍裂纹的扩展，并能在局部纤维发生断裂时以拔出功的形式

32、消耗部分能量，起到提高断裂能并克服脆性的效果。它的增韧补强效果取决于：（1）纤维和基体的性质；（2）纤维基体的结合强度、化学相容性；（3）纤维在基体中的数量，长度及排列方式。（长纤维连续排列效果最好）,河北联合大学材料科学与工程学院,第四节 脆性材料补强增韧途径,综合：增韧补强的方法主要有：（1）尽可能消除微裂纹；（2）增大断裂表面能；（3）有意识的在材料中设置消耗能量的机构，消耗材料储存的弹性应变能，使裂纹扩展可利用的能量减少，裂纹扩展的动力减少。,河北联合大学材料科学与工程学院,第四节 脆性材料补强增韧途径,本节讨论题1.增韧是否一定补强？为什么？2.高强度对材料的微观结构有什么要求？为什

33、么？3.什么是退火？怎样确定玻璃的退火温度？为什么？4.为什么表面引入压应力层后可以提高材料的韧性和强度？5.什么叫淬火？淬火对玻璃板的厚度有什么要求？为什么？6.瓷器釉的热膨胀系数与坯的热膨胀系数之间有什么要求？为什么？7.如何通过离子交换使材料强化？8.什么是完全稳定ZrO2？什么是部分稳定ZrO2？为什么部分稳定ZrO2的韧性好？说明可能的增韧机理。,河北联合大学材料科学与工程学院,第四节 脆性材料补强增韧途径,9.应力诱导相变增韧为什么必须依靠ZrO2的马氏体相变机理？10.通过应力诱导相变增韧的部分稳定ZrO2材料与通过相变诱发微裂纹增韧的部分稳定ZrO2材料两者的相组成是否相同？为

34、什么？11.复合材料从微观结构上可以分为哪两大类？12.金属陶瓷为什么韧性好？13.为什么短纤维增韧效果好？,河北联合大学材料科学与工程学院,第四节 脆性材料补强增韧途径,第五节 静态疲劳,一、静态疲劳现象 原始裂纹尺寸小于该应力下的临界尺寸，是否材料永远安全呢？裂纹除了上述快速失稳扩展外，还会在使用应力下，随时间的推移而缓慢的扩展即亚临界生长）或称静态疲劳）。材料安全使用的条件:，但强度随时间的延长逐渐下降，亚临界扩展。,河北联合大学材料科学与工程学院,第五节 静态疲劳,总的裂纹长度等于起始裂纹长度与随时间不断缓慢扩展的长度之和。当，裂纹迅速扩展断裂。,河北联合大学材料科学与工程学院,第五节

35、 静态疲劳,二、静态疲劳产生的机理（一）应力腐蚀模型（常温，高温）微裂纹端部高度应力集中导致较大的裂纹扩展动力，使周围原子处于高能位状态，周围腐蚀介质容易和质点起化学反应。材料的在裂纹尖端处的离子键受到破坏，吸附了表面活性物质（H2O,OH-以及极性液体和气体），使材料的自由表面能降低。即裂纹扩展阻力降低了。如果此值小于裂纹扩展的动力，就会导致在低应力水平下的开裂。新开裂的表面的断裂表面能，因为还没有来得及被介质腐蚀，其表面能仍然大于裂纹扩展的动力，裂纹理解止裂。接着进行下一个腐蚀-开裂循环，周而复始，形成宏观上得裂纹的缓慢生长。环境对裂纹尖端部应力集中区域的腐蚀比对侧面严重，这种腐蚀使裂纹端

36、部原子间化学键受到破坏，导致裂纹缓慢扩展，一旦达到临界尺寸就失稳断裂。环境愈恶劣，扩展速度愈快；随温度的升高，化学反应加快，扩展速度加快。（腐蚀介质的作用，使裂纹尖端部的键更容易断）,河北联合大学材料科学与工程学院,第五节 静态疲劳,玻玻璃在含有OH-介质中的亚临界裂纹扩展机理:OH-对裂纹的强化作用有：吸附导致键强的下降；应力加速了裂纹尖端玻璃的溶解；离子互换导致裂纹尖端张应力的增长。,河北联合大学材料科学与工程学院,SiC界面的氧化作用引起裂纹扩展过程：空气中的氧气在裂纹尖端与SiC发生如下反应:2SiC+3O2=2SiO2+2CO过程包括：氧离子通过氧化层传递至裂纹尖端；氧离子的吸附，S

37、iCSiO2的反应；CO从反应区离去；裂纹形成的新表面被氧化层覆盖，接着进行下一个腐蚀开裂循环，周而复始，形成宏观裂纹。其形成的组分中含有硅酸盐晶界薄层。,河北联合大学材料科学与工程学院,第五节 静态疲劳,晶界处的裂纹扩展,次裂纹,主裂纹,高温下裂纹尖端的应力空腔作用：在高温下，多晶多相材料长期受力作用，晶界玻璃相粘度下降，毛细管力在此处引起局部应力，使晶界发生蠕变或粘性流动，晶界处的气孔、夹杂物、及结构缺陷逐渐长大，形成空腔，空腔进一步沿晶界方向长大、连通形成次裂纹，与主裂纹汇合形成裂纹的缓慢扩展。,（二）高温下裂纹尖端的应力空腔作用,河北联合大学材料科学与工程学院,第五节 静态疲劳,当裂纹

38、由成核生长和亚临界扩展发展到临界长度，此时K1的数值也随着裂纹的扩展增长到K1c的数值。至此裂纹的扩展从稳态转入动态，出现快速断裂。或裂纹尖端屈服区附近足够大的内应力达到了足以撕开原子间键，导致固体沿着原子面发生解理。裂纹快速断裂具备的能量条件：裂纹前端的弹性应变能释放率等于或大于裂纹扩展单位长度所需的表面自由能增量。,河北联合大学材料科学与工程学院,第五节 静态疲劳,第五节 静态疲劳,三、材料寿命的估计 寿命是指从起始裂纹状态，经受力后缓慢扩展直到临界裂纹长度所经历的时间。V瞬间裂纹扩展的速度。经大量实验，V与K的关系可表示为:(A,n 是常数，是由材料本质及环境条件决定的常数),河北联合大

39、学材料科学与工程学院,四、陶瓷材料的高温蠕变断裂多晶材料一般早高温下，在恒定应力作用下，由于形变不断增加二断裂，称为蠕变断裂。陶瓷材料不管常温还是高温，都是脆性断裂。,河北联合大学材料科学与工程学院,第五节 静态疲劳,本节讨论题1.什么是静态疲劳现象？为什么会发生静态疲劳？2.什么是裂纹的亚临界扩展？为什么裂纹会发生亚临界扩展？3.如何估计材料的寿命？4.多晶材料的蠕变断裂属于哪种断裂方式？为什么？,河北联合大学材料科学与工程学院,第五节 静态疲劳,第六节 强度的统计本质,一、陶瓷材料强度测定值的分散性 无机材料的强度数据常因各种原因产生较大的分散性，这是材料研制中不能忽视的问题，因此在提高强

40、度数据及韧性指标的同时常常要增加一个性能分散性指标韦伯模数m。m表征材料均匀性的参数。m越大，材料越均匀，材料的强度分散性越小，意外发生的情况越小。,河北联合大学材料科学与工程学院,第六节 强度的统计本质,二、影响强度测定值的因素尺寸因素：大试件临界微裂纹存在的几率大，故而强度测定值较低。2.试样的受力方式：抗拉（张）强度抗弯（折）强度抗压强度（最大）,河北联合大学材料科学与工程学院,第六节 强度的统计本质,本节讨论题1.为什么脆性材料的强度测试数据必然是分散的？2.为什么试样的体积及强度测试方法均影响强度测定值？,河北联合大学材料科学与工程学院,第六节 强度的统计本质,作业：1.石英玻璃断裂试验，从裂纹慢速扩展试验中，估计表面能为500尔格/厘米2，从裂纹快速扩展试验中表面能为4000尔格/厘米2，如何解释试验现象？2.材料总是在K1K1c条件下使用，作用应力大小是否影响材料寿命，为什么？,河北联合大学材料科学与工程学院,Thank You!,