金屬材料強度電子教案

金屬材料強度脆性程度材料類別滑移系個數(shù)位錯可移動性裂紋成核途徑室溫高溫可動性靈活性全

脆性Si3N4TiCAl2O3TiO2SiO2無無無制備過程、機械加工引入，熱應力引起，不可能有位錯機理的裂紋成核。半

脆性MgOCaF2LiFNaClCsClAl2O3TiO2MgO小于五個可無制備過程、機械加工引入，熱應力引起，可能有位錯機理的裂紋成核。

無機材料的脆性和裂紋成核途徑塑

性AgBrAgClCaF2LiFNaClCsCl五個可可位錯滑移最終導致塑性形變?？斩春喜е铝鸭y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（1）亞臨界裂紋擴展在受到低于臨界應力的作用狀態(tài)下，脆性材料的裂紋擴展取決于溫度、應力和環(huán)境介質(zhì)。材料處于穩(wěn)態(tài)。2.4.3亞臨界裂紋擴展（靜態(tài)疲勞）（2）亞臨界裂紋擴展速率與應力強度因子的關系其典型關系式：V=AK1n特點：幾乎所有材料都有一個不發(fā)生亞臨界裂紋擴展的應力強度因子低限值K0。超過低限值，V與K1n總是呈正比，其中，n是與機理相關的常數(shù)。恒速裂紋擴展區(qū)?？焖倭鸭y擴展區(qū)。裂紋擴展速率曲線LogV

IIIIIIK01）環(huán)境介質(zhì)的作用(應力腐蝕）引起裂紋的擴展玻璃在含有OH-介質(zhì)中的亞臨界裂紋擴展機理:OH-對裂紋的強化作用有：

吸附導致鍵強的下降；

應力加速了裂紋尖端玻璃的溶解；

離子互換導致裂紋尖端張應力的增長。（3）亞臨界裂紋擴展機理例如：在含水氣不同的N2氣氛中，玻璃Na2O－CaO－SiO2的亞臨界裂紋擴展。裂紋生長的主要原因是應力促進了水與玻璃的化學反應，生長速率受反應速率所控制。裂紋生長速率幾乎與應力無關，此時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，裂紋生長受到玻璃的化學組分和結(jié)構(gòu)的控制。K1（Nm-3/2×105)

V

（ms-1）IIIIII水氣含量K1V鈉鈣玻璃硼硅玻璃硅玻璃鋁硅玻璃化學組成和結(jié)構(gòu)對玻璃區(qū)域III亞臨界裂紋擴展的影響

V

（ms-1）K1（Nm-3/2×105)SiC界面的氧化作用引起裂紋擴展過程：空氣中的氧氣在裂紋尖端與SiC發(fā)生如下反應: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；CO從反應區(qū)離去；裂紋形成的新表面被氧化層覆蓋，接著進行下一個腐蝕開裂循環(huán)，周而復始，形成宏觀裂紋。其形成的組分中含有硅酸鹽晶界薄層。2）塑性效應引起裂紋的擴展在高溫、無害介質(zhì)環(huán)境中，無機材料的亞臨界裂紋擴展，是裂紋尖端的塑性效應的結(jié)果。晶體中的位錯在大于臨界剪應力作用下，一些位錯源開始滑移并發(fā)射位錯，在其露出晶面之前，發(fā)生交滑移，交滑移源發(fā)出的位錯被送回到裂紋尖端，位錯應力場的作用使裂紋尖端的應力提高，結(jié)果在K1<K0的條件下發(fā)生了亞臨界裂紋擴展。裂紋尖端附近切應變的激活，位錯從晶界處的源出發(fā)，在滑移面取向合適的情況下，位錯在晶粒內(nèi)部運動直到在另一側(cè)晶界處發(fā)生塞積，引起裂紋成核。（依據(jù)：多晶體中，晶界既可是位錯的發(fā)源地，也可是位錯前進的障礙。）晶界處的裂紋擴展次裂紋主裂紋高溫下裂紋尖端的應力空腔作用：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，毛細管力在此處引起局部應力，使晶界發(fā)生蠕變或粘性流動，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展。例如熱壓Si3N4的塑性效應控制亞臨界裂紋擴展K1V度速紋裂14000C

13500C

13000C

12500C12000Cn=10低速區(qū)n=50高速區(qū)通過激活能的計算，其激活能遠超過了化學反應激活能或離子擴散激活能，而與粘滯流動或蠕變過程激活能相當，所以，裂紋擴展與環(huán)境介質(zhì)無關，而是由粘滯流動或蠕變過程控制。高溫區(qū)斷裂韌性增大，原因：塑性效應導致應力松弛.熱壓Si3N4的K1C隨溫度變化的曲線K1C溫度3）擴散過程裂紋尖端區(qū)域點缺陷擴散對裂紋的擴展起著一定的作用。在無外加應力作用條件下，材料內(nèi)部的自擴散隨著溫度的提高而加速，導致裂紋的愈合和材料的燒結(jié)和致密化。+－裂紋擴展速率

2K1Al2O3多晶裂紋擴展和K1的變化規(guī)律當有外加張應力作用時，裂紋愈合速度很快消失。隨著應力的提高，空位從裂紋尖端擴散離去的速率下降，在較大的應力作用下，出現(xiàn)裂紋擴展。4）熱激活鍵撕裂作用引起裂紋擴展裂紋尖端晶格點陣的非連續(xù)性，即有高能量的點陣，借助于熱激活作用，裂紋尖端有可能產(chǎn)生移動。2.4.4臨界裂紋擴展導致斷裂的過程當裂紋由成核生長和亞臨界擴展發(fā)展到臨界長度，此時K1的數(shù)值也隨著裂紋的擴展增長到K1c的數(shù)值。至此裂紋的擴展從穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)入動態(tài)，出現(xiàn)快速斷裂。或裂紋尖端屈服區(qū)附