無機材料物理性能—第三章

1、1第第3章章 無機材料脆性斷裂與強度無機材料脆性斷裂與強度2概述概述1. 材料的斷裂材料的斷裂斷裂是機械和工程構(gòu)件失效的主要形式之一，它比其它失效形式，如彈塑性失穩(wěn)、磨損、腐蝕等，更具有危害性。 研究斷裂的主要目的是防止斷裂，以保證構(gòu)件服役過程中的安全；是了解斷裂的本質(zhì)，如何從材料的選用及材料的研制上來提高材料的抗斷裂的能力。 31.1 脆性斷裂脆性斷裂 脆性斷裂的宏觀特征，理論上講是斷裂前不發(fā)生塑性變形，而裂紋的擴展速度往往很快，幾近音速。脆性斷裂脆性斷裂的微觀機制有的微觀機制有解理斷裂和晶間斷裂解理斷裂和晶間斷裂。 a. 解理斷裂解理斷裂 解理斷裂是材料在拉應(yīng)力的作用下，由于原子間結(jié)合鍵遭

2、到破壞，嚴格地沿一定的結(jié)晶學(xué)平面（即所謂“解理面”）劈開而造成的。解理面一般是表面能最小的晶面，且往往是低指數(shù)的晶面。 4 在電子顯微鏡下，解理斷口的特征是河流狀花樣。河流的流向（一些支流的匯合方向）即為裂紋的擴展方向 5舌狀花樣 解理裂紋沿孿晶界擴展而留下的舌狀凸臺或凹坑 6b.沿晶斷裂沿晶斷裂 沿晶斷裂是裂紋沿晶界擴展的一種脆性斷裂，其斷口形貌呈冰糖狀， 但如晶粒很細小，則肉眼無法辨認出冰糖狀形貌，此時斷口一般呈晶粒狀，且顏色灰暗。71.2 韌性斷裂韌性斷裂 韌性斷裂的過程是“微孔形核微孔長大微孔聚合”三部曲。 8等軸狀韌窩拉長韌窩91.3 脆性斷裂行為脆性斷裂行為 在外力作用下，任意一個

3、結(jié)構(gòu)單元上主應(yīng)力面的拉應(yīng)力足夠大時，尤其在那些高度集中的特征點（例如內(nèi)部和表面的缺陷和裂紋）附近的單元上，所受到的局部應(yīng)力為平均應(yīng)力的數(shù)倍時，此過分集中的拉應(yīng)力如果超過材料的臨界拉應(yīng)力值時，將會產(chǎn)生裂紋或缺陷的擴展，導(dǎo)致脆性斷裂。雖然此時，由外力引起的平均剪應(yīng)力尚小于臨界值，不足以產(chǎn)生明顯的塑性變形或粘性流動。因此，斷裂源往往出現(xiàn)在材料中應(yīng)力集中度很高的地方，并選擇這種地方的某一個缺陷（或裂紋、傷痕）而開裂。101.4 突發(fā)性斷裂與裂紋的緩慢生長突發(fā)性斷裂與裂紋的緩慢生長 裂紋的存在及其擴展行為，決定了材料抵抗斷裂的能力。斷裂時，材料的實際平均應(yīng)力尚低于材料的結(jié)合強度（或稱理論結(jié)合強度）。在臨

4、界狀態(tài)下，斷裂源處的裂紋尖端所受的橫向拉應(yīng)力正好等于結(jié)合強度時，裂紋產(chǎn)生突發(fā)性擴展。一旦擴展，引起周圍應(yīng)力的再分配，導(dǎo)致裂紋的加速擴展，出現(xiàn)突發(fā)性斷裂，這種斷裂往往并無先兆。 有時，當裂紋尖端處的橫向拉應(yīng)力尚不足以引起擴展，但在長期受力的情況下，特別是同時處于高溫環(huán)境中，還會出現(xiàn)裂紋的緩慢生長，尤其在有環(huán)境腐蝕下。 112.強度強度 材料的強度是抵抗外加載荷的能力。強度是材料極為重要的力學(xué)性能，是設(shè)計和使用材料的一項重要指標。因此材料的強度問題一直受到人們的重視，并從兩個不同的角度對材料的強度進行了大量的研究： 以應(yīng)用力學(xué)為基礎(chǔ)，從宏觀現(xiàn)象研究材料應(yīng)力-應(yīng)變狀況，進行力學(xué)分析，總結(jié)出經(jīng)驗規(guī)律，

5、作為設(shè)計、使用材料的依據(jù)-力學(xué)工作者的任務(wù)； 從材料的微觀結(jié)構(gòu)來研究材料的力學(xué)狀態(tài)，也就是研究材料宏觀力學(xué)性能的微觀機理，從而找出改善材料性能的途徑，為工程設(shè)計提供理論依據(jù)-材料學(xué)的研究范圍。 123.1 理論斷裂強度理論斷裂強度材料的斷裂就是外力克服了原子間結(jié)合力，形成了兩個新的表面。理論強度的獲得需要知道原子結(jié)合力的細節(jié)：應(yīng)力-應(yīng)變曲線的精確形式。實際材料種類太多，這種理論計算十分復(fù)雜，對各種材料也不一樣。為了簡單、粗略地估算各種情況都適用的理論強度，奧羅萬提出了為了簡單、粗略地估算各種情況都適用的理論強度，奧羅萬提出了用正弦曲線來近似原子間約束力與距離變化的關(guān)系曲線。用正弦曲線來近似原子

6、間約束力與距離變化的關(guān)系曲線。13Xth2sinth為理論結(jié)合強度；為正弦曲線的波長。將材料拉斷時，產(chǎn)生兩個新的表面，因此使單位面積的原子平因此使單位面積的原子平面分開所做的功應(yīng)等于產(chǎn)生兩個單位面積的新表面所需的表面面分開所做的功應(yīng)等于產(chǎn)生兩個單位面積的新表面所需的表面能，這樣材料才能斷裂。能，這樣材料才能斷裂。設(shè)分開單位面積原子平面所做的功為U，則20202s i n2c o s2t ht ht hxUd xx 1422thth在接近平衡位置的區(qū)域，曲線可以用直線代替，服從虎克定律，即假設(shè)材料新形成的斷裂表面能為，則v=2 ，即EaxEa 為原子間距。x很小時，xx22sin15式中a是晶格

7、常數(shù)，理論斷裂強度只與彈性模量、表面能、晶格間距等材料常數(shù)有關(guān)。通常情況下，通常情況下， 約等于約等于 E/100，th = E/10 石英玻璃纖維 =24。1GPa E/4 碳化硅晶須 =6.47GPa E/23氧化鋁晶須 =15.2GPa E/33尺寸較大的材料實際強度比理論強度低得更多，約為E/100 E/1000，且實際材料強度總在一定范圍內(nèi)波動。aEth16英格里斯曾研究了帶孔洞板的應(yīng)力集中問題，一個重要的結(jié)果是孔洞端部的應(yīng)力幾乎只取決于孔洞的長度和端部曲率半孔洞端部的應(yīng)力幾乎只取決于孔洞的長度和端部曲率半徑而不管孔洞的形狀如何。徑而不管孔洞的形狀如何。12AC3.2 格林菲斯微裂紋

8、理論格林菲斯微裂紋理論格林菲斯為了解釋玻璃的理論強度和實際強度的差異，提出了微裂紋理論，后逐漸成為脆性斷裂的主要理論基礎(chǔ)。認為實際材料中總存在許多細小的裂紋或缺陷，在外力的作用下，實際材料中總存在許多細小的裂紋或缺陷，在外力的作用下，這些裂紋和缺陷附件就產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當應(yīng)力達到一定程度這些裂紋和缺陷附件就產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當應(yīng)力達到一定程度時，裂紋就開始擴展而導(dǎo)致斷裂。所以斷裂并并不是晶體兩部分時，裂紋就開始擴展而導(dǎo)致斷裂。所以斷裂并并不是晶體兩部分沿整個橫截面被拉斷，而是裂紋擴展的結(jié)果。沿整個橫截面被拉斷，而是裂紋擴展的結(jié)果。A點的應(yīng)力為：17如果C ,即為扁平的銳裂紋，則C/ 將很大，

9、上式中的1將被省略，從而可得：奧萬羅注意到很小，可近似認為與原子間距同數(shù)量級原子間距a相當，可以將上式改寫成下面的形式：2AC2ACa當A等于材料的理論強度th時，裂紋就會被拉開而迅速擴展，裂紋擴展，C 隨之變大， A又進一步增加。如此惡性循環(huán)，導(dǎo)致材料迅速斷裂。因此，裂紋擴展的臨界條件是裂紋擴展的臨界條件是：182AthCEaa這時的應(yīng)力就是臨界應(yīng)力c，即： = c 于是就有：4cEC英格里斯只考慮了裂紋端部一點的應(yīng)力，實際上裂紋端部的應(yīng)力狀態(tài)是非常復(fù)雜的。格林菲斯從能量的角度研究了裂紋擴展的臨界條件。格林菲斯從能量的角度研究了裂紋擴展的臨界條件。物體內(nèi)儲存的彈性應(yīng)變能的降低大于或等于形成兩

10、個新表面所需的表面能，裂就會擴展。物體內(nèi)儲存的彈性應(yīng)變能的降低（或釋放）就是裂紋擴展的動力。19EcWe22EcWe2221由彈性理論可以算出，當人為割開長度為2C的裂紋時，平面應(yīng)力狀態(tài)（無限薄板）下系統(tǒng)應(yīng)變能的降低為：如為厚板，則為平面應(yīng)變狀態(tài)：產(chǎn)生長度為2C，厚度為l的兩個新表面所需的表面能為4sWc20WCeddWCsdd裂紋進一步擴展單位面積所釋放的能量為形成新的單位表面積所需的表面能為WWCCesddddWWCCesddddWWCCesdddd當時為穩(wěn)定態(tài)，裂紋不會擴展穩(wěn)定態(tài)，裂紋不會擴展；當時裂紋失穩(wěn)，迅速擴展裂紋失穩(wěn)，迅速擴展；當時為臨界狀態(tài)臨界狀態(tài)。21由于222W2CCedd

11、ccddEEW44CCsddcdd所以，臨界條件是：224ccEcEc2cEc212如果是平面應(yīng)變狀態(tài)，則這就是格林菲斯從能量觀點分析得出的結(jié)果。如果能夠控制裂如果能夠控制裂紋的尺寸在原子間距的數(shù)量級上，就可以使材料的臨界斷裂強紋的尺寸在原子間距的數(shù)量級上，就可以使材料的臨界斷裂強度達到理論強度。度達到理論強度。但實際上，人類目前是很難達到的；不過，這一結(jié)果至少可以告訴人們：制備高強度材料的基本方向制備高強度材料的基本方向-彈彈性模量和斷裂表面能性模量和斷裂表面能要大，裂紋尺寸要小。要大，裂紋尺寸要小。22格林菲斯微裂紋理論應(yīng)用于脆性材料上，已經(jīng)取得了很大的成功，但用于金屬材料等具有延展性的材

12、料領(lǐng)域，其計算結(jié)果與實際測定值的偏差就大了很多。奧萬羅認為延性材料受力時能產(chǎn)生較大的塑性形變，要消耗奧萬羅認為延性材料受力時能產(chǎn)生較大的塑性形變，要消耗大量的能量，因此大量的能量，因此 c c提高了。提高了。c的計算公式可以在格林斯菲方程中引入擴展單位面積裂紋所需的塑性功p而獲得。2pcEc通常p ，因此對具有延性的材料， p控制著斷裂過程。陶陶瓷材料存在微觀尺寸的裂紋就會導(dǎo)致在低于理論強度瓷材料存在微觀尺寸的裂紋就會導(dǎo)致在低于理論強度 thth 的低的低應(yīng)力下斷裂，而金屬材料則要求有宏觀尺寸的裂紋才能導(dǎo)致在應(yīng)力下斷裂，而金屬材料則要求有宏觀尺寸的裂紋才能導(dǎo)致在低應(yīng)力下斷裂，因此塑性是阻止裂紋

13、擴展的一個重要因素。低應(yīng)力下斷裂，因此塑性是阻止裂紋擴展的一個重要因素。233.3 應(yīng)力場強度因子和平面應(yīng)變斷裂韌性應(yīng)力場強度因子和平面應(yīng)變斷裂韌性近二十年來，發(fā)展起來一門新的力學(xué)分支 斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)。它是它是研究含裂紋體的強度和裂紋擴展規(guī)律的科學(xué)，于是人們又稱研究含裂紋體的強度和裂紋擴展規(guī)律的科學(xué)，于是人們又稱其為裂紋力學(xué)，其為裂紋力學(xué)，它說明斷裂是裂紋這種宏觀缺陷擴展的結(jié)果，闡明了宏觀裂紋降低斷裂強度的作用，突出了缺陷對現(xiàn)實材料性能的主要影響。243.3.1 裂紋的擴展方式裂紋的擴展方式張開型張開型滑開型滑開型撕開型撕開型用不同裂紋尺寸的試件做拉伸試驗，測試出斷裂應(yīng)力；結(jié)果發(fā)現(xiàn)斷裂應(yīng)力與

14、裂紋尺寸之間存在如下的關(guān)系式：12CcK設(shè)有一無限大板，含有一長為2c的中心穿透裂紋，在無限遠處作用有均勻分布的雙向拉應(yīng)力，圖a。裂紋尖端附近任意一點P(r,)（極坐標表示的）各應(yīng)力分量的解如下（圖b）： 圖b圖ac263.3.2 裂紋尖端應(yīng)力場分析裂紋尖端應(yīng)力場分析1957年歐文應(yīng)用彈性力學(xué)的應(yīng)力場理論對裂紋尖端附近的應(yīng)力場進行深入分析而得出了I型裂紋的如下結(jié)果：I3cos1 sinsin2222xxKrI3cos1 sinsin2222yyKrI3cossincos2222xyKrK1為與外加應(yīng)力、裂紋長度c、裂紋種類和受力狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)，應(yīng)力場強度因子應(yīng)力場強度因子，其下標I表示裂紋擴展

15、類型為I型；單位為12M Pa m27 I2ijijKfr上述三個表達式也可以用角坐標的形式表示為：式中r為半徑向量，為角坐標。當r C、 0時，即為裂紋尖端處的一點，I2xxyyKr使裂紋擴展的主要動力是yy。283.3.3 應(yīng)力場強度因子及幾何形狀因子應(yīng)力場強度因子及幾何形狀因子IKYcKI是反映裂紋尖端應(yīng)力場強度的強度因子；Y為幾何形狀因子，它與裂紋類型、試件的幾何形狀有關(guān)。對于三點彎曲試樣，當S/W=4時，幾何形狀因子的計算式為：2/5 .14/07. 393. 1WcWcY43/8.25/07.25WcWc293.3.4 臨界應(yīng)力場強度因子及斷裂韌性臨界應(yīng)力場強度因子及斷裂韌性I1C

16、KYcK材料常數(shù)KIC叫做平面應(yīng)變斷裂韌性。這就表明應(yīng)力場強度因子小于或等于材料的平面應(yīng)變斷裂韌這就表明應(yīng)力場強度因子小于或等于材料的平面應(yīng)變斷裂韌性時，材料的使用才是安全的。性時，材料的使用才是安全的。有一構(gòu)件，實際使用應(yīng)力為1.30GPa，有下列兩種鋼供選： 甲鋼： f =1.95GPa, KIc =45Mpam 12 乙鋼： f =1.56GPa, KIc =75Mpam 12 傳統(tǒng)設(shè)計傳統(tǒng)設(shè)計：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)觀點斷裂力學(xué)觀點： 最大裂紋尺寸為1mm, Y=1.5 甲鋼的斷裂應(yīng)力為: 1.0GPa 1.3 GPa303.3.5 裂紋擴展的動力與

17、阻力裂紋擴展的動力與阻力將裂紋擴展單位面積所降低的彈性應(yīng)變能定義為應(yīng)變能釋將裂紋擴展單位面積所降低的彈性應(yīng)變能定義為應(yīng)變能釋放率或裂紋擴展動力放率或裂紋擴展動力，對于有內(nèi)裂紋（長2C）的薄板，有：EcdcdWGe222CCcGE 如為臨界狀態(tài)，則有：2I CCKGE22ICC1KGE（平面應(yīng)力狀態(tài)）（平面應(yīng)變狀態(tài)）31對于脆性材料，GC = 2 ，由此可得：IC2KEIC221EK（平面應(yīng)力狀態(tài)）（平面應(yīng)變狀態(tài)）KIC與材料本征參數(shù)E， ,，物理量有直接關(guān)系，也是材料的本征物理量。反映具有裂紋的材料對于外界作用的一種抵抗反映具有裂紋的材料對于外界作用的一種抵抗能力，即阻止裂紋擴展的能力，是材料

18、的固有性質(zhì)能力，即阻止裂紋擴展的能力，是材料的固有性質(zhì)。323.4 材料斷裂韌性的測試方法材料斷裂韌性的測試方法3.4.1 單邊切口梁技術(shù)單邊切口梁技術(shù) （SENB）三點彎曲法 2927252321)(7 .38)(6 .37)(8 .21)(6 . 4)(9 . 2)()(23wawawawawawafwafBWPLKI33山形切口法所用試樣有兩類：一類是將DCB試樣變了形的Short Bar（短桿法） 和 Short Rod(短棒法)；另一類是與SENB形狀相近的彎曲試樣。（1）Short Rod(短棒) 法 3.4.2 山形切口技術(shù)山形切口技術(shù)34對于板厚b與寬度W相比充分小時，按下式計

19、算 213)1 (3nmIbWbPWK（3-49）3.4.3 其他形狀切口試樣其他形狀切口試樣（1）雙扭試樣）雙扭試樣35IcK雙臂梁法主要用于陶瓷或玻璃的 值的測定。)315. 2467. 3(23attbPaKI試樣：（2）雙懸臂梁試樣（）雙懸臂梁試樣（DCB）36一種端部逐漸變細的雙臂梁試樣： 斷裂韌性值計算表達式為： 23122/IcnaKPbbhh（3-51） 37 Frieiman等人1973年對DCB技術(shù)的改進則采用了另一種思路，他們把一個力矩（而不是一個力）施加在雙臂梁開裂的兩臂上。分析表明這一試樣的應(yīng)力場強度因子的值也與裂紋無關(guān)，計算式如下： IcMKIb （3-52）Icn

20、MKIb （3-53） 38這是一種金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌性測試的標準方法之一。12()IcPaKfWBW（3-54）135792222229.6185.5655.71017639aaaaaafWWWWWW （3-55）（3）緊湊拉伸技術(shù)（）緊湊拉伸技術(shù)（CT）39Knoop壓頭的形狀及在試樣表面壓出的壓痕形狀 3.4.4 Knoop壓痕三點彎曲梁法壓痕三點彎曲梁法此法適用于致密的陶瓷及玻璃。40QaMKeI材料在斷面處的應(yīng)力強度因子可用下式計算： （3-56） 41 為實驗時在垂直于裂紋平面方向上的受拉應(yīng)力。Q是形狀裂紋因子22212. 0yQ（3-57）因為陶瓷材料的 ,故可認為 ， 為橢

21、圓積分y2Q 20212222sin1dcac423.5 裂紋的起源與快速擴展裂紋的起源與快速擴展3.5.1 裂紋的起源裂紋的起源 晶體微觀結(jié)構(gòu)中的缺陷晶體微觀結(jié)構(gòu)中的缺陷432. 2. 材料表面的機械損傷與化學(xué)腐蝕形成的裂紋材料表面的機械損傷與化學(xué)腐蝕形成的裂紋3. 3. 熱應(yīng)力而形成的裂紋熱應(yīng)力而形成的裂紋443.5.2 裂紋的快速擴展裂紋的快速擴展防止裂紋斷裂的措施防止裂紋斷裂的措施應(yīng)使作用應(yīng)力不超過臨界應(yīng)力，不使裂紋失穩(wěn)擴展；在材料中設(shè)置吸收能量的機構(gòu)，阻止裂紋擴展，例如在陶瓷材料基體中加入塑性的粒子或纖維制成金屬陶瓷或復(fù)合材料，達到彌散增韌來吸收主裂紋方向的能量，阻止裂紋的擴展；人為

22、地在材料中造成大量極細微的裂紋（小于臨界尺寸）也能吸收能量，阻止裂紋擴展。453.6 靜態(tài)疲勞靜態(tài)疲勞在使用應(yīng)力下，裂紋隨著時間的推移而緩慢擴展，這種緩慢的擴展也叫臨界擴展，或稱為靜態(tài)疲勞靜態(tài)疲勞，材料在循環(huán)應(yīng)力作用下的破壞叫做動態(tài)疲勞。(1) 應(yīng)力腐蝕理論應(yīng)力腐蝕理論腐蝕環(huán)境下裂紋的開裂或止裂腐蝕環(huán)境下裂紋的開裂或止裂： 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)，使材料的自由表面能降低。也就是說，裂紋的擴展阻力降低了。如果降低到小于裂紋擴展的動力，就會導(dǎo)致材料在低應(yīng)力水平下的開裂。 但新形成的斷裂表面，如果還沒來得

23、及被介質(zhì)腐蝕，其表面能仍大于裂紋擴展動力，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。4647213323112. 4BWMKIKI可用下式計算：應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子場強度因子K KIsccIscc48(2)高溫下裂紋尖端的應(yīng)力空腔作用高溫下裂紋尖端的應(yīng)力空腔作用49v與K1的關(guān)系：nIdcvAKdt 或者 lnv = A + BKI （3-59） （3-58）用波爾茲曼因子表示： 0InKQRTvv e（3-60）亞臨界裂紋擴展的三亞臨界裂紋擴展的三個階段示意圖個階段示意圖(3) 亞臨界裂紋生長速率與應(yīng)力場強度因子的關(guān)系亞臨界裂紋生長

24、速率與應(yīng)力場強度因子的關(guān)系51Evans和和Wiederhorn所作的高溫下所作的高溫下Si3N4陶瓷的裂陶瓷的裂紋生長速率與起始應(yīng)力場強度因子關(guān)系紋生長速率與起始應(yīng)力場強度因子關(guān)系52 (4) 根據(jù)亞臨界裂紋擴展預(yù)測材料壽命根據(jù)亞臨界裂紋擴展預(yù)測材料壽命 瞬時裂紋的生長率 dtdcv nAKdcvdcdt1寫成積分形式ciccnAKdcdtt1代入（3-61）式，得： （3-62）（3-61）由于n值比較大，例如鈉鈣硅酸鹽玻璃的n = 1617,而且)2(1)2(1nCniKK則上式變?yōu)閷?2)(2)112222(2)cinncCincnnaaKKdctn AYAYc1aKYc (2)122

25、2(2)niaKtnAY （3-63） 53 無損探傷法無損探傷法 cYK1的關(guān)系，式（3-63）可寫為： (2)(2)(2)/2(2)/22222(2)(2)nnnnnnaiaiaYcYtcnAYA n 保證試驗法保證試驗法設(shè)檢驗應(yīng)力為p，且apc則對于同樣的ci及Y，有CpiKKK11154聯(lián)立ippcYK1及1iaiKYc，得： 111pCiaappKKK 如果用1CapK代替iK1值，將使iK1對制品來說這樣處理比較安全，這一關(guān)系代入（3-63）式，有 (2)(2)1222()(2)nnaCpCaKttn AY（3-64）值偏大，從而使算得的壽命偏短，（3-65）55563.7 蠕變斷

26、裂蠕變斷裂多晶材料高溫時在恒定應(yīng)力作用下由于形變不斷增加而導(dǎo)致斷裂稱為蠕變斷裂蠕變斷裂，主要形式是沿晶斷裂?？瘴痪鄯e理論空位聚積理論573.8 顯微結(jié)構(gòu)對材料脆性斷裂的影響顯微結(jié)構(gòu)對材料脆性斷裂的影響（1）晶粒尺寸）晶粒尺寸 斷裂強度與晶粒尺寸的關(guān)系：1201fk d（2 2）氣孔的影響）氣孔的影響npfe0npfekd)(210 晶粒尺寸與氣孔率對強度的綜合影響： 綜上所述，高強度單相多晶陶瓷的顯微組織應(yīng)符合綜上所述，高強度單相多晶陶瓷的顯微組織應(yīng)符合如下要求：如下要求：晶粒尺寸小，晶體缺陷少；晶粒尺寸小，晶體缺陷少；晶粒尺寸均晶粒尺寸均勻、等軸，不宜在晶界處引起應(yīng)力集中；勻、等軸，不宜在晶

27、界處引起應(yīng)力集中；晶界相含量晶界相含量適當，并盡量減少玻璃相含量，應(yīng)能阻止晶內(nèi)裂紋過界適當，并盡量減少玻璃相含量，應(yīng)能阻止晶內(nèi)裂紋過界擴展，并能松弛裂紋尖端應(yīng)力集中；擴展，并能松弛裂紋尖端應(yīng)力集中；減小氣孔率，使減小氣孔率，使其盡量接近理論密度。其盡量接近理論密度。 晶界相晶界相陶瓷材料在燒結(jié)的時候要加入助燒劑，以形成一定量的低熔點相來促進致密化，燒結(jié)后這些低熔點相便在晶界和角隅處留下來形成晶界相。晶界相富含雜質(zhì)或多為非晶態(tài)，其斷裂表面能低，強度低，質(zhì)脆，故對強度不利。試樣的尺寸試樣的尺寸體積越大，試樣越長，含有臨界危險裂紋的概率就越大，斷裂強度越低。加載速率加載速率既存裂紋等缺陷擴展有一定的

28、響應(yīng)時間，即滯后性，加載速率越高，裂紋擴展越來不及響應(yīng)，即對缺陷的敏感性降低。 (3) (3) 溫度對強度的影響溫度對強度的影響 陶瓷材料的強度當溫度T0.5Tm時，才出現(xiàn)明顯的降低。陶瓷的強度隨溫度的變化曲線 幾種陶瓷斷裂機理與溫度之間的關(guān)系 陶瓷的強度隨溫度的變化曲線663.10 提高陶瓷材料強度及改善脆性的途徑提高陶瓷材料強度及改善脆性的途徑 3.10.1 微晶化、高密度微晶化、高密度 與高純度與高純度 為了消除缺陷，提高晶體的完整性，細、密、勻、純是當 前陶瓷發(fā)展的一個重要方向，出現(xiàn)了許多微晶、高密度、高純 度陶瓷。值得注意的是各種纖維材料和晶須各種纖維材料和晶須。材料的強度受到材料的

29、彈性模量、斷裂表面能、和裂紋尺寸的控制。其中彈性模量是非結(jié)構(gòu)敏感的，斷裂表面能與微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，但對單相材料，微觀結(jié)構(gòu)對斷裂表面能影響不大。惟一可以控制是材料中微裂紋，可把微裂紋理解惟一可以控制是材料中微裂紋，可把微裂紋理解為各種缺陷的總和。因此，大多強化措施是消除缺陷或阻為各種缺陷的總和。因此，大多強化措施是消除缺陷或阻止其發(fā)展。止其發(fā)展。67幾種陶瓷材料的塊體、纖維和晶須的抗張強度幾種陶瓷材料的塊體、纖維和晶須的抗張強度 3.10.2 預(yù)加應(yīng)力預(yù)加應(yīng)力 脆性斷裂通常是在張應(yīng)力作用下，自表面開始，如果 在表面造成一層殘余壓應(yīng)力層，則在材料使用過程中表面 受到拉伸破壞之前首先要克服表面的殘余壓應(yīng)

30、力。68熱韌化玻璃板受橫向變曲荷載時，殘余應(yīng)力、作用力及合成應(yīng)力分布圖熱韌化玻璃板受橫向變曲荷載時，殘余應(yīng)力、作用力及合成應(yīng)力分布圖 3.10.3 化學(xué)強化化學(xué)強化 采用化學(xué)強化（離子交換）的辦法，通過改變表面的 化學(xué)組成，使表面的摩爾體積比內(nèi)部的大。由于表面體積 脹大受到內(nèi)部材料的限制，就產(chǎn)生一種兩向狀態(tài)的壓應(yīng)力。70 3.10.4 相變增韌相變增韌 利用多相陶瓷中某些相成分在不同溫度的相變，從而 增韌的效果，統(tǒng)稱為相變增韌相變增韌。韌化的主要機理有應(yīng)力誘應(yīng)力誘 導(dǎo)相變增韌、相變誘發(fā)微裂紋增韌、殘余應(yīng)力增韌導(dǎo)相變增韌、相變誘發(fā)微裂紋增韌、殘余應(yīng)力增韌等。例如，利用ZrO2的馬氏體相變來改善陶

31、瓷材料的力學(xué)性能。 含有亞穩(wěn)t- ZrO2的陶瓷中裂紋擴展時裂紋尖端應(yīng)力場誘發(fā)t-m相變及其引起的應(yīng)力變化示意圖裂紋尖端應(yīng)力誘發(fā)相變區(qū)軌跡示意圖顯微裂紋增韌顯微裂紋增韌3.10.5 彌散增韌彌散增韌 在基體中滲入具有一定顆粒尺寸的微細粉末，達到增韌的效果稱為彌散增韌彌散增韌。 纖維和晶須韌化的機理纖維和晶須韌化的機理 長纖維韌化長纖維韌化定向纖維增韌的材料中裂紋平面垂直于纖維時的裂紋擴展示意圖 在斷裂過程中，纖維斷裂并非在同一裂紋平面，因而主裂紋沿纖維斷裂位置的不同發(fā)生裂紋轉(zhuǎn)向：(a)橋連拔出(b) 裂紋轉(zhuǎn)向納米粒子納米粒子843.11 復(fù)合材料復(fù)合材料在一種基體材料中加入另一種粉末材料或纖維

32、材料而制成復(fù)在一種基體材料中加入另一種粉末材料或纖維材料而制成復(fù)合材料材料是提高陶瓷材料強度和改善脆性的有效措施。合材料材料是提高陶瓷材料強度和改善脆性的有效措施。粒子強化的機理在于粒子可以防止基體內(nèi)的位錯運動，或通過粒子的塑性形變而吸收一部分能量，從而達到強化的目的。纖維強化的作用在于負荷主要有纖維承擔(dān)，而基體將負荷傳遞、分散給纖維，此外纖維還可以阻止基體內(nèi)的裂紋擴展。為了評價強化效果，定義強化率強化率：F=粒子或纖維強化材料的強度強化率未加粒子或纖維的材料的強度85對于粒子強化復(fù)合材料來說對于粒子強化復(fù)合材料來說，粒子越小，阻止位錯運動的效果就越大；大的粒子容易成為應(yīng)力集中源，是負荷材料的

33、力學(xué)性能受到破壞。根據(jù)纖維和基體的特點，F(xiàn)的變化范圍較大，這類材料中可用纖維材料來強化韌體基體（如橡膠、樹脂、金屬）和脆性基體（如玻璃和陶瓷材料）。為了達到纖維強化的目的，須注意下面的原則：為了達到纖維強化的目的，須注意下面的原則： 纖維盡可能多地承擔(dān)外加負荷 纖維與基體的結(jié)合強度以適當為宜 應(yīng)力作用的方向應(yīng)與纖維平行 纖維與基體的熱膨脹系數(shù)應(yīng)匹配 纖維與基體在高溫下的化學(xué)相容性863.11.1 連續(xù)纖維單向強化復(fù)合材料的強度連續(xù)纖維單向強化復(fù)合材料的強度連續(xù)纖維單向強化復(fù)合材連續(xù)纖維單向強化復(fù)合材料的纖維排列及受力情況料的纖維排列及受力情況設(shè)纖維與基體的應(yīng)變相同，則cfm=cffmmE =E

34、 VE Vcffmm=V +VfmV +V =1上式為理想狀態(tài)，也是復(fù)合材料彈性模量和強度的最高估計，叫做上上界模量及上界強度界模量及上界強度。87由于在復(fù)合材料中，纖維和基體的應(yīng)變是一樣了，即：mfmfmf=EEfcmfmE=1+V-1E設(shè)m超過基體的臨界應(yīng)變時，復(fù)合材料就破壞，但此時纖維還未充分發(fā)揮作用，因此可以求得復(fù)合材料的下界強度下界強度。88纖維、基體及復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線纖維、基體及復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線I 區(qū)區(qū) cffmmcffmmE =E VE V=V +Vmr0II 區(qū)，基體彈性模量不在是常數(shù)，區(qū)，基體彈性模量不在是常數(shù)， mcffmdE=E V +Vd（ ）（ ）II 區(qū)

35、末尾，破壞有纖維斷裂區(qū)末尾，破壞有纖維斷裂引起，此時引起，此時 *cufufmmfufmf=V +V =V +-V（1）fu= mr為基體屈服點應(yīng)變89*mufummf*mumf*fum=V+V-V=-臨界臨界與與 的關(guān)系的關(guān)系cufVABC線為一直線，理論上 則 。fV1cufu=由于 通常比基體斷裂應(yīng)力 小，而 的點B叫等破壞點，和此點對應(yīng)的纖維體和此點對應(yīng)的纖維體積含有率叫做臨界體積含有積含有率叫做臨界體積含有率率*mmucumu=fV臨 界ffVV臨界才能起到強化的效果90mufff-V=V（1）為了改善陶瓷的脆性，可在陶瓷中加入延性纖維，此時基體是脆性材料，且 ，則當 時，基體就開裂，此時負荷由纖維負擔(dān)，此時加給纖維的平均附加力加給纖維的平均附加力為：mufucmu=如果如果 為基體即將開裂時纖維的應(yīng)力，則纖維將使復(fù)合材料保為基體即將開裂時纖維的應(yīng)力，則纖維將使復(fù)合材料保持在一起而不致斷開持在一起而不致斷開。ffuf-mufmufV =+臨界情況臨界情況ffuf=-mufmufufV=+-臨界如果 ，fufmumuff