無機(jī)材料物理性能

無機(jī)材料物理性能第1頁/共99頁2概述1.材料的斷裂斷裂是機(jī)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①是防止斷裂，以保證構(gòu)件服役過程中的安全；②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。第2頁/共99頁31.1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(kuò)展速度往往很快，幾近音速。脆性斷裂的微觀機(jī)制有解理斷裂和晶間斷裂。

a.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)合鍵遭到破壞，嚴(yán)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。

第3頁/共99頁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(kuò)展方向第4頁/共99頁5舌狀花樣解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展而留下的舌狀凸臺(tái)或凹坑

第5頁/共99頁6b.沿晶斷裂沿晶斷裂是裂紋沿晶界擴(kuò)展的一種脆性斷裂，其斷口形貌呈冰糖狀，但如晶粒很細(xì)小，則肉眼無法辨認(rèn)出冰糖狀形貌，此時(shí)斷口一般呈晶粒狀，且顏色灰暗。第6頁/共99頁71.2韌性斷裂

韌性斷裂的過程是“微孔形核—微孔長(zhǎng)大—微孔聚合”三部曲。

第7頁/共99頁8等軸狀韌窩拉長(zhǎng)韌窩第8頁/共99頁91.3脆性斷裂行為

在外力作用下，任意一個(gè)結(jié)構(gòu)單元上主應(yīng)力面的拉應(yīng)力足夠大時(shí)，尤其在那些高度集中的特征點(diǎn)（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(shí)，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(shí)，將會(huì)產(chǎn)生裂紋或缺陷的擴(kuò)展，導(dǎo)致脆性斷裂。雖然此時(shí)，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(dòng)。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(gè)缺陷（或裂紋、傷痕）而開裂。第9頁/共99頁101.4突發(fā)性斷裂與裂紋的緩慢生長(zhǎng)

裂紋的存在及其擴(kuò)展行為，決定了材料抵抗斷裂的能力。斷裂時(shí)，材料的實(shí)際平均應(yīng)力尚低于材料的結(jié)合強(qiáng)度（或稱理論結(jié)合強(qiáng)度）。在臨界狀態(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(qiáng)度時(shí)，裂紋產(chǎn)生突發(fā)性擴(kuò)展。一旦擴(kuò)展，引起周圍應(yīng)力的再分配，導(dǎo)致裂紋的加速擴(kuò)展，出現(xiàn)突發(fā)性斷裂，這種斷裂往往并無先兆。有時(shí)，當(dāng)裂紋尖端處的橫向拉應(yīng)力尚不足以引起擴(kuò)展，但在長(zhǎng)期受力的情況下，特別是同時(shí)處于高溫環(huán)境中，還會(huì)出現(xiàn)裂紋的緩慢生長(zhǎng)，尤其在有環(huán)境腐蝕下。第10頁/共99頁112.強(qiáng)度

材料的強(qiáng)度是抵抗外加載荷的能力。強(qiáng)度是材料極為重要的力學(xué)性能，是設(shè)計(jì)和使用材料的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此材料的強(qiáng)度問題一直受到人們的重視，并從兩個(gè)不同的角度對(duì)材料的強(qiáng)度進(jìn)行了大量的研究：①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(jìn)行力學(xué)分析，總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，作為設(shè)計(jì)、使用材料的依據(jù)--力學(xué)工作者的任務(wù)；②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(jī)理，從而找出改善材料性能的途徑，為工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)--材料學(xué)的研究范圍。第11頁/共99頁123.1理論斷裂強(qiáng)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(gè)新的表面。理論強(qiáng)度的獲得需要知道原子結(jié)合力的細(xì)節(jié)：應(yīng)力-應(yīng)變曲線的精確形式。實(shí)際材料種類太多，這種理論計(jì)算十分復(fù)雜，對(duì)各種材料也不一樣。為了簡(jiǎn)單、粗略地估算各種情況都適用的理論強(qiáng)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。第12頁/共99頁13th為理論結(jié)合強(qiáng)度；為正弦曲線的波長(zhǎng)。將材料拉斷時(shí)，產(chǎn)生兩個(gè)新的表面，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(gè)單位面積的新表面所需的表面能，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，則第13頁/共99頁14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a為原子間距。x很小時(shí)，第14頁/共99頁15式中a是晶格常數(shù)，理論斷裂強(qiáng)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，約等于E/100，th=E/10石英玻璃纖維=24。1GPaE/4碳化硅晶須=6.47GPaE/23氧化鋁晶須=15.2GPaE/33尺寸較大的材料實(shí)際強(qiáng)度比理論強(qiáng)度低得更多，約為E/100–E/1000，且實(shí)際材料強(qiáng)度總在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。第15頁/共99頁16英格里斯曾研究了帶孔洞板的應(yīng)力集中問題，一個(gè)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(zhǎng)度和端部曲率半徑而不管孔洞的形狀如何。3.2格林菲斯微裂紋理論格林菲斯為了解釋玻璃的理論強(qiáng)度和實(shí)際強(qiáng)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(rèn)為實(shí)際材料中總存在許多細(xì)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(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，裂紋就開始擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂。所以斷裂并并不是晶體兩部分沿整個(gè)橫截面被拉斷，而是裂紋擴(kuò)展的結(jié)果。A點(diǎn)的應(yīng)力為：第16頁/共99頁17如果C,即為扁平的銳裂紋，則C/將很大，上式中的1將被省略，從而可得：奧萬羅注意到ρ很小，可近似認(rèn)為與原子間距同數(shù)量級(jí)原子間距a相當(dāng)，可以將上式改寫成下面的形式：當(dāng)A等于材料的理論強(qiáng)度th時(shí)，裂紋就會(huì)被拉開而迅速擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展，C隨之變大，A又進(jìn)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(kuò)展的臨界條件是：第17頁/共99頁18這時(shí)的應(yīng)力就是臨界應(yīng)力c，即：=c于是就有：英格里斯只考慮了裂紋端部一點(diǎn)的應(yīng)力，實(shí)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(kuò)展的臨界條件。物體內(nèi)儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能的降低大于或等于形成兩個(gè)新表面所需的表面能，裂就會(huì)擴(kuò)展。物體內(nèi)儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能的降低（或釋放）就是裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力。第18頁/共99頁19由彈性理論可以算出，當(dāng)人為割開長(zhǎng)度為2C的裂紋時(shí)，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(zhǎng)度為2C，厚度為l的兩個(gè)新表面所需的表面能為第19頁/共99頁20裂紋進(jìn)一步擴(kuò)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當(dāng)時(shí)為穩(wěn)定態(tài)，裂紋不會(huì)擴(kuò)展；當(dāng)時(shí)裂紋失穩(wěn)，迅速擴(kuò)展；當(dāng)時(shí)為臨界狀態(tài)。第20頁/共99頁21由于所以，臨界條件是：如果是平面應(yīng)變狀態(tài)，則這就是格林菲斯從能量觀點(diǎn)分析得出的結(jié)果。如果能夠控制裂紋的尺寸在原子間距的數(shù)量級(jí)上，就可以使材料的臨界斷裂強(qiáng)度達(dá)到理論強(qiáng)度。但實(shí)際上，人類目前是很難達(dá)到的；不過，這一結(jié)果至少可以告訴人們：制備高強(qiáng)度材料的基本方向---彈性模量和斷裂表面能要大，裂紋尺寸要小。第21頁/共99頁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料領(lǐng)域，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)定值的偏差就大了很多。奧萬羅認(rèn)為延性材料受力時(shí)能產(chǎn)生較大的塑性形變，要消耗大量的能量，因此c提高了。c的計(jì)算公式可以在格林斯菲方程中引入擴(kuò)展單位面積裂紋所需的塑性功p而獲得。通常p>>，因此對(duì)具有延性的材料，p控制著斷裂過程。陶瓷材料存在微觀尺寸的裂紋就會(huì)導(dǎo)致在低于理論強(qiáng)度th

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)致在低應(yīng)力下斷裂，因此塑性是阻止裂紋擴(kuò)展的一個(gè)重要因素。第22頁/共99頁233.3應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)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)。它是研究含裂紋體的強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展規(guī)律的科學(xué)，于是人們又稱其為裂紋力學(xué)，它說明斷裂是裂紋這種宏觀缺陷擴(kuò)展的結(jié)果，闡明了宏觀裂紋降低斷裂強(qiáng)度的作用，突出了缺陷對(duì)現(xiàn)實(shí)材料性能的主要影響。第23頁/共99頁243.3.1裂紋的擴(kuò)展方式張開型滑開型撕開型用不同裂紋尺寸的試件做拉伸試驗(yàn)，測(cè)試出斷裂應(yīng)力；結(jié)果發(fā)現(xiàn)斷裂應(yīng)力與裂紋尺寸之間存在如下的關(guān)系式：第24頁/共99頁設(shè)有一無限大板，含有一長(zhǎng)為2c的中心穿透裂紋，在無限遠(yuǎn)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(diǎn)P(r,θ)（極坐標(biāo)表示的）各應(yīng)力分量的解如下（圖b）：

圖b圖ac第25頁/共99頁263.3.2裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)分析1957年歐文應(yīng)用彈性力學(xué)的應(yīng)力場(chǎng)理論對(duì)裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行深入分析而得出了I型裂紋的如下結(jié)果：K1為與外加應(yīng)力、裂紋長(zhǎng)度c、裂紋種類和受力狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)，應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，其下標(biāo)I表示裂紋擴(kuò)展類型為I型；單位為第26頁/共99頁27上述三個(gè)表達(dá)式也可以用角坐標(biāo)的形式表示為：式中r為半徑向量，為角坐標(biāo)。當(dāng)r<<C、→0時(shí)，即為裂紋尖端處的一點(diǎn)，使裂紋擴(kuò)展的主要?jiǎng)恿κ莥y。第27頁/共99頁283.3.3應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子及幾何形狀因子KI是反映裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的強(qiáng)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(duì)于三點(diǎn)彎曲試樣，當(dāng)S/W=4時(shí)，幾何形狀因子的計(jì)算式為：第28頁/共99頁293.3.4臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子及斷裂韌性材料常數(shù)KIC叫做平面應(yīng)變斷裂韌性。這就表明應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子小于或等于材料的平面應(yīng)變斷裂韌性時(shí)，材料的使用才是安全的。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,KIc=45Mpa·m1\2

乙鋼：f=1.56GPa,KIc=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<1.30GPa

乙鋼的斷裂應(yīng)力為:1.67GPa>1.3GPa第29頁/共99頁303.3.5裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力與阻力將裂紋擴(kuò)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(kuò)展動(dòng)力，對(duì)于有內(nèi)裂紋（長(zhǎng)2C）的薄板，有：如為臨界狀態(tài)，則有：（平面應(yīng)力狀態(tài)）（平面應(yīng)變狀態(tài)）第30頁/共99頁31對(duì)于脆性材料，GC=2

，由此可得：（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(duì)于外界作用的一種抵抗能力，即阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是材料的固有性質(zhì)。第31頁/共99頁323.4材料斷裂韌性的測(cè)試方法3.4.1單邊切口梁技術(shù)（SENB）三點(diǎn)彎曲法

第32頁/共99頁33山形切口法所用試樣有兩類：一類是將DCB試樣變了形的ShortBar（短桿法）和ShortRod(短棒法)；另一類是與SENB形狀相近的彎曲試樣。（1）ShortRod(短棒)法3.4.2山形切口技術(shù)第33頁/共99頁34對(duì)于板厚b與寬度W相比充分小時(shí)，按下式計(jì)算值

（3-49）3.4.3其他形狀切口試樣（1）雙扭試樣第34頁/共99頁35雙臂梁法主要用于陶瓷或玻璃的值的測(cè)定。試樣：（2）雙懸臂梁試樣（DCB）第35頁/共99頁36一種端部逐漸變細(xì)的雙臂梁試樣：斷裂韌性值計(jì)算表達(dá)式為：

（3-51）第36頁/共99頁37Frieiman等人1973年對(duì)DCB技術(shù)的改進(jìn)則采用了另一種思路，他們把一個(gè)力矩（而不是一個(gè)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(chǎng)強(qiáng)度因子的值也與裂紋無關(guān)，計(jì)算式如下：

（3-52）

（3-53）

第37頁/共99頁38這是一種金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌性測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)方法之一。（3-54）

（3-55）（3）緊湊拉伸技術(shù)（CT）第38頁/共99頁39Knoop壓頭的形狀及在試樣表面壓出的壓痕形狀3.4.4Knoop壓痕三點(diǎn)彎曲梁法此法適用于致密的陶瓷及玻璃。第39頁/共99頁40材料在斷面處的應(yīng)力強(qiáng)度因子可用下式計(jì)算：

（3-56）

第40頁/共99頁41σ為實(shí)驗(yàn)時(shí)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（3-57）因?yàn)樘沾刹牧系?gt;>σ,故可認(rèn)為，為橢圓積分

第41頁/共99頁423.5裂紋的起源與快速擴(kuò)展3.5.1裂紋的起源晶體微觀結(jié)構(gòu)中的缺陷第42頁/共99頁432.材料表面的機(jī)械損傷與化學(xué)腐蝕形成的裂紋3.熱應(yīng)力而形成的裂紋第43頁/共99頁443.5.2裂紋的快速擴(kuò)展防止裂紋斷裂的措施①應(yīng)使作用應(yīng)力不超過臨界應(yīng)力，不使裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展；②在材料中設(shè)置吸收能量的機(jī)構(gòu)，阻止裂紋擴(kuò)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(dá)到彌散增韌來吸收主裂紋方向的能量，阻止裂紋的擴(kuò)展；③人為地在材料中造成大量極細(xì)微的裂紋（小于臨界尺寸）也能吸收能量，阻止裂紋擴(kuò)展。第44頁/共99頁453.6靜態(tài)疲勞在使用應(yīng)力下，裂紋隨著時(shí)間的推移而緩慢擴(kuò)展，這種緩慢的擴(kuò)展也叫臨界擴(kuò)展，或稱為靜態(tài)疲勞，材料在循環(huán)應(yīng)力作用下的破壞叫做動(dòng)態(tài)疲勞。(1)應(yīng)力腐蝕理論腐蝕環(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(kuò)展動(dòng)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(kuò)展阻力降低了。如果降低到小于裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力，就會(huì)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，如果還沒來得及被介質(zhì)腐蝕，其表面能仍大于裂紋擴(kuò)展動(dòng)力，裂紋立即止裂。接著進(jìn)行下一個(gè)腐蝕—開裂循環(huán)，周而復(fù)始，形成宏觀上的裂紋的緩慢生長(zhǎng)。第45頁/共99頁46第46頁/共99頁47KI可用下式計(jì)算：應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KIscc第47頁/共99頁48(2)高溫下裂紋尖端的應(yīng)力空腔作用第48頁/共99頁49v與K1的關(guān)系：

或者

lnv=A+BKI

（3-59）

（3-58）用波爾茲曼因子表示：

（3-60）亞臨界裂紋擴(kuò)展的三個(gè)階段示意圖(3)亞臨界裂紋生長(zhǎng)速率與應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的關(guān)系第49頁/共99頁第50頁/共99頁51Evans和Wiederhorn所作的高溫下Si3N4陶瓷的裂紋生長(zhǎng)速率與起始應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子關(guān)系第51頁/共99頁52

(4)根據(jù)亞臨界裂紋擴(kuò)展預(yù)測(cè)材料壽命

瞬時(shí)裂紋的生長(zhǎng)率

∴

寫成積分形式代入（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=16—17,而且則上式變?yōu)閷?/p>

（3-63）

第52頁/共99頁53

①無損探傷法

的關(guān)系，式（3-63）可寫為：

②保證試驗(yàn)法設(shè)檢驗(yàn)應(yīng)力為σp，且則對(duì)于同樣的ci及Y，有第53頁/共99頁54聯(lián)立及，得：

如果用代替值，將使對(duì)制品來說這樣處理比較安全，這一關(guān)系代入（3-63）式，有

（3-64）值偏大，從而使算得的壽命偏短，（3-65）第54頁/共99頁55第55頁/共99頁563.7蠕變斷裂多晶材料高溫時(shí)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，主要形式是沿晶斷裂?？瘴痪鄯e理論第56頁/共99頁573.8顯微結(jié)構(gòu)對(duì)材料脆性斷裂的影響（1）晶粒尺寸

斷裂強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系：第57頁/共99頁（2）氣孔的影響第58頁/共99頁

晶粒尺寸與氣孔率對(duì)強(qiáng)度的綜合影響：

綜上所述，高強(qiáng)度單相多晶陶瓷的顯微組織應(yīng)符合如下要求：①晶粒尺寸小，晶體缺陷少；②晶粒尺寸均勻、等軸，不宜在晶界處引起應(yīng)力集中；③晶界相含量適當(dāng)，并盡量減少玻璃相含量，應(yīng)能阻止晶內(nèi)裂紋過界擴(kuò)展，并能松弛裂紋尖端應(yīng)力集中；④減小氣孔率，使其盡量接近理論密度。

第59頁/共99頁晶界相陶瓷材料在燒結(jié)的時(shí)候要加入助燒劑，以形成一定量的低熔點(diǎn)相來促進(jìn)致密化，燒結(jié)后這些低熔點(diǎn)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(qiáng)度低，質(zhì)脆，故對(duì)強(qiáng)度不利。試樣的尺寸體積越大，試樣越長(zhǎng)，含有臨界危險(xiǎn)裂紋的概率就越大，斷裂強(qiáng)度越低。第60頁/共99頁加載速率既存裂紋等缺陷擴(kuò)展有一定的響應(yīng)時(shí)間，即滯后性，加載速率越高，裂紋擴(kuò)展越來不及響應(yīng)，即對(duì)缺陷的敏感性降低。第61頁/共99頁

(3)溫度對(duì)強(qiáng)度的影響

陶瓷材料的強(qiáng)度當(dāng)溫度T<0.5Tm時(shí)，基本保持不變，當(dāng)溫度T>0.5Tm時(shí)，才出現(xiàn)明顯的降低。陶瓷的強(qiáng)度隨溫度的變化曲線第62頁/共99頁幾種陶瓷斷裂機(jī)理與溫度之間的關(guān)系

第63頁/共99頁第64頁/共99頁

陶瓷的強(qiáng)度隨溫度的變化曲線第65頁/共99頁663.10提高陶瓷材料強(qiáng)度及改善脆性的途徑3.10.1微晶化、高密度與高純度

為了消除缺陷，提高晶體的完整性，細(xì)、密、勻、純是當(dāng)前陶瓷發(fā)展的一個(gè)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。材料的強(qiáng)度受到材料的彈性模量、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(duì)單相材料，微觀結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂表面能影響不大。惟一可以控制是材料中微裂紋，可把微裂紋理解為各種缺陷的總和。因此，大多強(qiáng)化措施是消除缺陷或阻止其發(fā)展。第66頁/共99頁67幾種陶瓷材料的塊體、纖維和晶須的抗張強(qiáng)度3.10.2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)力。第67頁/共99頁68熱韌化玻璃板受橫向變曲荷載時(shí)，殘余應(yīng)力、作用力及合成應(yīng)力分布圖3.10.3化學(xué)強(qiáng)化

采用化學(xué)強(qiáng)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。第68頁/共99頁第69頁/共99頁703.10.4相變?cè)鲰g

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?cè)鲰g。韌化的主要機(jī)理有應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g、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瓷材料的力學(xué)性能。

第70頁/共99頁第71頁/共99頁含有亞穩(wěn)t-ZrO2的陶瓷中裂紋擴(kuò)展時(shí)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)誘發(fā)t-m相變及其引起的應(yīng)力變化示意圖第72頁/共99頁裂紋尖端應(yīng)力誘發(fā)相變區(qū)軌跡示意圖第73頁/共99頁第74頁/共99頁顯微裂紋增韌第75頁/共99頁3.10.5彌散增韌

在基體中滲入具有一定顆粒尺寸的微細(xì)粉末，達(dá)到增韌的效果稱為彌散增韌。

第76頁/共99頁纖維和晶須韌化的機(jī)理

長(zhǎng)纖維韌化定向纖維增韌的材料中裂紋平面垂直于纖維時(shí)的裂紋擴(kuò)展示意圖

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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：第78頁/共99頁(a)橋連拔出(b)裂紋轉(zhuǎn)向第79頁/共99頁第80頁/共99頁第81頁/共99頁納米粒子第82頁/共99頁第83頁/共99頁843.11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材料而制成復(fù)合材料材料是提高陶瓷材料強(qiáng)度和改善脆性的有效措施。粒子強(qiáng)化的機(jī)理在于粒子可以防止基體內(nèi)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，或通過粒子的塑性形變而吸收一部分能量，從而達(dá)到強(qiáng)化的目的。纖維強(qiáng)化的作用在于負(fù)荷主要有纖維承擔(dān)，而基體將負(fù)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(kuò)展。為了評(píng)價(jià)強(qiáng)化效果，定義強(qiáng)化率：第84頁/共99頁85對(duì)于粒子強(qiáng)化復(fù)合材料來說，粒子越小，阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的效果就越大；大的粒子容易成為應(yīng)力集中源，是負(fù)荷材料的力學(xué)性能受到破壞。根據(jù)纖維和基體的特點(diǎn)，F(xiàn)的變化范圍較大，這類材料中可用纖維材料來強(qiáng)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(dá)到纖維強(qiáng)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(fù)荷纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度以適當(dāng)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)相容性第85頁/共99頁863.11.1連續(xù)纖維單向強(qiáng)化復(fù)合材料的強(qiáng)度連續(xù)纖維單向強(qiáng)化復(fù)合材料的纖維排列及受力情況設(shè)纖維與基體的應(yīng)變相同，則上式為理想狀態(tài)，也是復(fù)合材料彈性模量和強(qiáng)度的最高估計(jì)，叫做上界模量及上界強(qiáng)度。第86頁/共99頁87由于在復(fù)合材料中，纖維和基體的應(yīng)變是一樣了，即：設(shè)εm超過基體的臨界應(yīng)變時(shí)，復(fù)合材料就破壞，但此時(shí)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(qiáng)度。第87頁/共99頁88纖維、基體及復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線I區(qū)II區(qū)，基體彈性模量不在是常數(shù)，II區(qū)末尾，破壞有纖維斷裂引起，此時(shí)為基體屈服點(diǎn)應(yīng)變第88頁/共99頁89與的關(guān)系A(chǔ)BC線為一直線，理論上則。由于通常比基體斷裂應(yīng)力小，而的點(diǎn)B叫等破壞點(diǎn)，和此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的纖維體積含有率叫做臨界體積含有率才能起到強(qiáng)化的效果第89頁/共99頁90為了改善陶瓷的脆性，可在陶瓷中加入延性纖維，此時(shí)基體是脆性材料，且，則當(dāng)時(shí)，基體就開裂，此時(shí)負(fù)荷由纖維負(fù)擔(dān)，此時(shí)加給纖維的平均附加力為：如果為基體即將開裂時(shí)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。臨界情況如果，第90頁/共99頁913.11.2短纖維單向強(qiáng)化復(fù)合材