金屬材料強(qiáng)度

金屬材料強(qiáng)度第一頁，共十九頁，2022年，8月28日張應(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。第二頁，共十九頁，2022年，8月28日結(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。2.4.2裂紋成核結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域都會(huì)使裂紋成核。第三頁，共十九頁，2022年，8月28日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四頁，共十九頁，2022年，8月28日塑

性AgBrAgClCaF2LiFNaClCsCl五個(gè)可可位錯(cuò)滑移最終導(dǎo)致塑性形變?？斩春喜?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五頁，共十九頁，2022年，8月28日（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)。2.4.3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第六頁，共十九頁，2022年，8月28日特點(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)?？焖倭鸭y擴(kuò)展區(qū)。裂紋擴(kuò)展速率曲線LogV

IIIIIIK0第七頁，共十九頁，2022年，8月28日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(duì)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。第八頁，共十九頁，2022年，8月28日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水氣含量第九頁，共十九頁，2022年，8月28日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(duì)玻璃區(qū)域III亞臨界裂紋擴(kuò)展的影響

V

（ms-1）K1（Nm-3/2×105)第十頁，共十九頁，2022年，8月28日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。第十一頁，共十九頁，2022年，8月28日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。）第十二頁，共十九頁，2022年，8月28日晶界處的裂紋擴(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。第十三頁，共十九頁，2022年，8月28日例如熱壓Si3N4的塑性效應(yīng)控制亞臨界裂紋擴(kuò)展K1V度速紋裂14000C

13500C

13000C

12500C12000Cn=10低速區(qū)n=50高速區(qū)第十四頁，共十九頁，2022年，8月28日通過激活能的計(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溫度第十五頁，共十九頁，2022年，8月28日3）擴(kuò)散過程裂紋尖端區(qū)域點(diǎn)缺陷擴(kuò)散對(duì)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。第十六頁，共十九頁，2022年，8月28日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)。第十七頁，共十九頁，2022年，8月28日2.4.4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。