第三章 無機材料的斷裂及裂紋擴展

第三章無機材料的斷裂及裂紋擴展第1頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月強度反映的是材料內(nèi)部裂紋擴展的宏觀結果。而裂紋擴展過程的細節(jié)相對于裂紋擴展的結果，更為重要?！槍Σ牧线M行有效的組成與結構設計。研究裂紋擴展過程的理論工具是斷裂力學。第2頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月

事實表明：結構件中不可避免地存在宏觀裂紋，在低應力下脆性破壞正是這些裂紋擴展的結果。所以，發(fā)展出新學科：斷裂力學上世紀40年代起，發(fā)生了一系列重大脆性斷裂事故1940-1945，近千艘全焊接“自由輪”1000多次脆性破壞事故，238艘完全破壞；1950，北極星導彈固體燃料發(fā)動機殼體爆炸；1952，ESSO公司原油罐脆性倒塌等第3頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月斷裂力學是研究含裂紋物體的強度與裂紋擴展規(guī)律的科學。意義-闡明了宏觀裂紋降低斷裂強度的作用，突出了缺陷對材料性能的重要影響。斷裂力學簡介第4頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1.1、裂紋系統(tǒng)的機械能釋放率：P50,圖3.1試樣伸長量u，外加載荷P,則：，為試樣的柔度

系統(tǒng)的彈性變形能為：

3.1斷裂力學基本知識第5頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月

當裂紋在外力作用下發(fā)生c的擴展時：（1）常力加載時：則總機械能變化量為：（2）常位移加載，又稱固定邊界加載，指在裂紋擴展時，系統(tǒng)u=0，則于是：第6頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月

可見：不同加載條件時，裂紋擴展

c時系統(tǒng)所釋放的機械能與加載系統(tǒng)具體情況無關。所以：定義裂紋擴展單位長度時系統(tǒng)的機械能釋放率為：或?qū)定義為系統(tǒng)釋放的機械能對開裂面積A（A=2c×厚度，厚度設為1）的導數(shù)，于是：G單位為：Nm-1第7頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月

采用恒位移加載，簡化為：

第8頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1、裂紋的擴展方式：（1）掰開型（Ⅰ型）：低應力斷裂的主要原因，主要研究對象（2）錯開型（Ⅱ型）（3）撕開型（Ⅲ型）3.1.2裂紋尖端應力場強度第9頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月2、裂紋尖端應力場分析r-半徑向量θ-角坐標KI-應力場強度因子。與應力、裂紋長度、裂紋類型、受力狀態(tài)有關。下標I表示為Ⅰ型擴展類型。Irwin應用彈性力學的應力場理論，對掰開性（I型）裂紋尖端的應力場進行了分析。第10頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月當r<<C，θ→0時，即為裂紋尖端處的一點，則掰開性（I型）裂紋尖端的應力：使裂紋擴展的主要動力是-第11頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月3、應力場強度因子

與幾何形狀因子Y-幾何形狀因子。與裂紋形式、試件幾何形狀有關。求KI的關鍵在于求Y斷裂力學的內(nèi)容：求不同條件下的YY也可由實驗測定各種條件下的Y已匯編成冊，可供查閱。第12頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月4、臨界應力場強度因子與斷裂韌性經(jīng)典強度理論斷裂準則：

構件設計時的斷裂準則：使用應力小于或等于允許應力。σ<=[σ][σ]=σf/n或σys/n，

σf-斷裂強度，σys–屈服強度，n-安全系數(shù)。

σ

f、σys均為材料常數(shù)。缺點：僅追求高強度，沒有抓住斷裂的本質(zhì)–裂紋擴展。不能防止低應力下的脆性斷裂。提出：斷裂判據(jù)第13頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月

引入一個考慮裂紋尺寸并表征材料特性的臨界值常數(shù)KIC,稱為平面應變斷裂韌性。

新判據(jù)：即：當應力場強度因子小于或等于材料的平面應變斷裂韌性時，所設計的構件才安全，不致發(fā)生低應力下的脆性斷裂。按照斷裂力學觀點，提出新的判據(jù)（新設計思想和選材準則）第14頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月設計實例有一實際使用應力σ=1.30×109Pa的構件，可選用兩種鋼材，參數(shù)為：甲鋼：σys=1.95×109Pa,KIC=4.5×107Pa·m1/2

乙鋼：σys=1.56×109Pa,KIC=7.5×107Pa·m1/2

第15頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月傳統(tǒng)設計觀點使用應力σ×安全系數(shù)n≦屈服強度σys

甲鋼：乙鋼：認為選用甲鋼比乙鋼安全第16頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月斷裂力學觀點

甲鋼：乙鋼：可見：甲鋼的σf<σ,而乙鋼的σf>σ,選用甲鋼不安全，會發(fā)生低應力下的脆性斷裂，而選用乙鋼卻更安全可靠。參數(shù)KIC非常重要。第17頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月5、平面應變斷裂韌性的物理意義裂紋擴展的動力-即裂紋擴展2dc，單位表面所釋放的能量（彈性應變能降低）：則：臨界狀態(tài)第18頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月

對有內(nèi)部裂紋的薄板：（平面應力狀態(tài)）（平面應變狀態(tài)）則：第19頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月（平面應變狀態(tài)）（平面應力狀態(tài)）脆性材料：則：第20頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月K1c與材料的本征參數(shù)E、γ、μ等物理量有直接關系。K1c是材料的本征參數(shù)K1c反映了具有裂紋的材料對外界作用的一種抵抗能力-阻止裂紋擴展的能力?？梢姡旱?1頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月6、柔度標定法求幾何形狀因子Y值根據(jù)裂紋長度和斷裂應力求平面應變斷裂韌性KIC的關鍵是求幾何因子Y.求Y方法：應力場分析;實驗第22頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗方法求Y用已知彈性及形變常數(shù)E、

的典型脆性材料做成試樣，試樣按規(guī)定的尺寸比例、荷載簡圖、人工切口形狀和寬度，改變切口深度C（模擬裂紋擴展的不同階段），測定不同C/W下的荷載F與試件變形

的關系。在彈性形變范圍內(nèi)，對應于每一個C/W，試件的柔度C=

/F為一常數(shù)如圖（2.8）。第23頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)據(jù)處理緩慢加載（位移速率0.05mm/min），裂紋開始擴展的瞬間可視Fc為常數(shù)，此時試件儲存的彈性應變能為：通過測得的C-c/W曲線的斜率，可求出dc/d（c/W）進而可求Gc裂紋擴展了dc時，裂紋擴展動力：第24頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月求解Y將Gc值代入，即可求得幾何形狀因子Y隨c/W變化的表達式。第25頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月7、線彈性計算公式（斷裂判據(jù)）對試件尺寸的要求以上推導出的斷裂判據(jù)，是由線彈性力學推導出來的。實際上在裂紋前沿附近，由于高應力集中，在臨界狀態(tài)之前就已出現(xiàn)小區(qū)域的塑性變形。如果此區(qū)域的大小與原有裂紋長度等尺寸相差不大，則很難將這種應力狀態(tài)歸結為線彈性的。因此為了準確地引用由線彈性力學計算出的斷裂判據(jù)，必須將可能出現(xiàn)的塑性小區(qū)域的大小限制在一定范圍內(nèi)。具體限制有兩個方面：1、裂紋前沿的塑性形變區(qū)尺寸對裂紋長度的要求（c）2、對試樣其它尺寸的要求（厚度B、試樣凈寬W-c）第26頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月裂紋前沿的塑性形變區(qū)尺寸對裂紋長度的要求根據(jù)Irwin應力場公式，當r=r0時，σ=σys，則塑性區(qū)尺寸：平面應變狀態(tài)下，塑性區(qū)尺寸：其極限尺寸：第27頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月J.F.Knott對不同r/c的σy分量的精確解：

與Irwin近似解對比，得到：當r/c<1/15π時，二者的相對誤差小于6%。第28頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月結論所以：如果限制r0，使r/c<1/15π，近似求解線彈性應力場強度因子KI成立則裂紋長：滿足此條件，稱為小范圍塑性形變。

線彈性斷裂判據(jù)僅適用于小范圍塑性形變。即用試樣測定KIC時，裂紋長度不能太短。對氧化鋁c≥0.51mm，鋼材c≥14mm;即試樣的預制裂紋不能太小，即試樣幾何尺寸不能太小。第29頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月對試樣其它尺寸的要求判據(jù)要求足夠的厚度：足夠的凈寬：實際上，無機材料的屈服強度很高，斷裂韌性卻很低，上述限制不難滿足。故尺寸可以做得很小，一般幾毫米即可。第30頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2斷裂韌性的測試方法單邊直通切口梁法：較成熟；

對于細晶瓷側(cè)得的結果偏大；受切口寬度的影響很大，要求過窄的切口，使此法在國內(nèi)、國外推廣受限；國內(nèi)外尚未有試驗標準。雙扭法：方法成熟；裂紋形狀與自然裂紋一樣；數(shù)據(jù)較準確。缺點：試件尺寸大，屬于大裂紋，與陶瓷裂紋有區(qū)別壓痕三點彎曲梁法：針對小裂紋，接近于材料表面的尖銳裂紋；KⅠC值比較接近實際情況；待推廣山形切口劈裂試件法：優(yōu)點與雙扭法相同，未廣泛推廣第31頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月單邊切口梁法（SENB法）試樣要求（P58-P59）Pc為臨界荷載，脆性材料即為最大載荷。加載速度0.05mm/min適用于d=20~40μm的粗晶粒陶瓷第32頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月雙扭法簡化為

試件尺寸：2X24X30~2X24X40（mm3），在試件底面，沿長度方向，在寬度的中間開一條槽，以保證裂紋沿著此槽向后擴展。適用于薄片材料第33頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月壓痕三點彎曲梁法Me-總表面修正因子，由裂紋深度α與試件厚度t的比值計算。Q-裂紋形狀因子Φ-橢圓積分。見表2.2適用于致密的陶瓷及玻璃。特點：在試樣受拉面的中部，用Knoop壓頭制造一人工的非貫穿尖銳裂紋，此裂紋接近無機材料的表面微裂紋。第34頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月山形切口劈裂試件法μ-波桑比此法不需要預先制造裂紋，數(shù)據(jù)準確第35頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3裂紋的起源與快速擴展裂紋的起源裂紋的快速擴展防止裂紋擴展的措施第36頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月裂紋的起源1、晶體微觀結構中存在缺陷。當受到外力作用時，這些缺陷就會引起應力集中，導致裂紋成核。如：位錯塞積、位錯組合、交截等都可使裂紋形核。2、材料表面的機械損傷與化學腐蝕形成表面裂紋。-尤為危險。裂紋的擴展常常由表面裂紋開始。3、熱應力形成裂紋。由于晶粒取向不同、不同相的熱膨脹系數(shù)不同、制造過程中冷卻、相變等引起。第37頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月裂紋的快速擴展按照Griffth理論，材料的斷裂強度不是取決于裂紋的數(shù)量，而是取決于裂紋的大小。

臨界裂紋尺寸決定材料的斷裂強度。一旦裂紋超過臨界尺寸就迅速擴展使材料斷裂。

因為：裂紋擴展動力：G=πCσ2/E。裂紋一旦超過臨界尺寸，隨C增加，G變大。而dws/d2c=2γ，為常數(shù)。裂紋一旦達到臨界尺寸開始擴展，G越來越大于2γ，直至破壞。對于脆性材料，由于沒有大量吸收能量的塑性形變，裂紋的起始擴展，就是破壞過程的臨界階段。

第38頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月裂紋的增殖由于G越來越大于2γ，釋放出多余的能量一方面使裂紋加速擴展（擴展速度達到聲速的40%-60%），另一方面還能使裂紋增殖，或使斷裂面形成復雜的形狀，如條紋、波紋、梳刷狀等斷裂形貌學-研究斷裂表面特征的科學。它有助于了解裂紋的成因及其擴展特點，提供斷裂過程中最大應力的方向變化及缺陷在斷裂中的作用等信息。第39頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月防止裂紋擴展的措施1、作用應力不超過臨界應力。2、在材料中設置吸收能量的機構。如：（a）在陶瓷材料基體中加入塑性粒子或纖維制成金屬陶瓷和復合材料。（b）人為地在材料中制造大量極細微的裂紋（小于臨界尺寸）或擠壓內(nèi)應力。如：在氧化鋁中加入氧化鋯。第40頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4顯微結構對斷裂韌性的影響

無機材料增韌設計，即通過調(diào)整材料的顯微結構，提高材料的裂紋擴展阻力。研究顯微結構與裂紋擴展阻力間關系具有現(xiàn)實意義。若：氧化鋁多晶體，KⅠC

=3MPa.m1/2，當

=500MPa時，2c≦12m，∴對無機材料制備工藝要求苛刻，增韌設計成為無機材料研究的中心問題。第41頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1、裂紋偏轉(zhuǎn)與裂紋偏轉(zhuǎn)增韌（1）相鄰晶粒間取向差增大，裂紋沿晶界偏轉(zhuǎn)擴展傾向增大。沿晶斷裂時，裂紋擴展路徑曲折，表觀斷裂能增大，斷裂韌性提高。（2）第二相粒子存在，也會導致裂紋偏轉(zhuǎn)。增韌效果與第二相粒子形狀和含量有關。圓柱狀優(yōu)于圓片狀和球狀。

裂紋擴展過程中，擴展方向發(fā)生變化稱為裂紋偏轉(zhuǎn)。由于裂紋偏轉(zhuǎn)而導致的材料斷裂韌性提高，稱為裂紋偏轉(zhuǎn)增韌。第42頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月2、裂紋橋接與裂紋橋接增韌（1）調(diào)整材料制備工藝，有意識地使材料具備可能導致裂紋橋接的顯微結構特點，如柱狀晶（高徑比適當大些）等。（2）添加第二相組元，如：大顆粒，定向排布的纖維，隨機分布的晶須，第二相也會導致裂紋偏轉(zhuǎn)。增韌效果與第二相粒子延性顆粒等。

裂紋在發(fā)生偏轉(zhuǎn)的同時分叉，形成橋接?！跇蚪咏M元破壞之前，裂紋的擴展時穩(wěn)態(tài)的，具有裂紋擴展阻力曲線行為。為了獲得橋接增韌效果，可以采取以下措施：第43頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月3、微裂紋增韌與相變增韌

在裂紋尖端前緣區(qū)域存在可以導致盈利松弛的顯微結構因素，可以使裂紋尖端應力集中程度降低，則提高了裂紋擴展阻力，微裂紋增韌和相變增韌，采用的就是此原理。

同時，微開裂和相變伴隨的體積的改變在裂紋面兩個開裂面施加了正應力，導致裂紋擴展阻力提高。第44頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月4、裂紋擴展阻力曲線

P68-71圖3.19

具有阻力曲線行為的材料，裂紋失穩(wěn)擴展的判據(jù)修正為：

具有顯著升高的阻力曲線行為，對于提高材料工程應用的可靠性是極為有利的。在陶瓷材料增韌設計中，在提高韌性的同時，更為關注材料表現(xiàn)出顯著的阻力曲線行為。第45頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5無機材料中裂紋的

亞臨界生長裂紋的亞臨界生長：裂紋除了快速失穩(wěn)擴展外，還會在使用應力作用下，隨著時間的推移而緩慢擴展，稱為裂紋的亞臨界生長，又稱為靜態(tài)疲勞。動態(tài)疲勞：材料在循環(huán)應力或漸增應力作用下的延時破壞。裂紋緩慢生長的結果是裂紋尺寸增大，一旦達到臨界尺寸就會失穩(wěn)擴展而破壞。

C;

第46頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月材料的壽命當

C時，構件在開始負荷時不會破壞，但負荷時間足夠長，仍會在低應力下破壞而斷裂-無先兆。所以，材料的斷裂也取決于時間：

當負荷時間t1

t2

t3時，斷裂強度σ3

σ2

σ1（？？？裂紋生長），

材料的壽命問題？材料的壽命取決于裂紋的亞臨界生長。預測

,t?使用對策t,?第47頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月裂紋緩慢生長理論：（1）應力腐蝕理論理論實質(zhì)：在一定的環(huán)境溫度和應力場強度因子作用下，材料中關鍵裂紋尖端處，裂紋擴展動力與裂紋擴展阻力的比較，構成裂紋開裂與止裂的條件。出發(fā)點：考慮材料長期暴露在腐蝕性環(huán)境介質(zhì)中。第48頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月應力腐蝕理論基本思想裂紋尖端處應力的高度集中，導致較大的裂紋擴展動力。在腐蝕環(huán)境中，裂紋尖端處的離子鍵受到破壞，吸附了表面活性物質(zhì)，使材料的表面自由能降低。即擴展阻力降低。擴展阻力小于擴展動力，材料在低應力水平下開裂。新開裂表面的斷裂表面，未來得及被介質(zhì)侵蝕，其表面能仍大于裂紋擴展動力，裂紋立即止裂。腐蝕-開裂-腐蝕-???，周而復始，形成裂紋的緩慢生長。第49頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月K值隨亞臨界裂紋生長的變化由于裂紋的緩慢生長，其應力強度因子也逐漸增大，一旦達到KIC，立即發(fā)生快速擴展而斷裂。無論K初始大小，每個試件均在K=KIC時斷裂。K初始時間KICKIEAC第50頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）高溫下裂紋尖端的

應力空腔作用多晶多相陶瓷在高溫下長期受力作用，晶界玻璃相的結構粘度下降。由于該處的應力集中，晶界處于很高的局部拉應力狀態(tài)，玻璃相則會發(fā)生蠕變或粘性流動。形變發(fā)生在氣孔、夾雜、晶界層，甚至結構缺陷中。缺陷逐漸長大，形成空腔?？涨贿M一步沿晶界方向長大、聯(lián)通，形成次裂紋，與主裂紋匯合成裂紋的緩慢擴展。第51頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月亞臨界裂紋生長速率

與應力場強度因子的關系如前所述，起始不同的KI，隨著時間延長，因裂紋的不斷增長而緩慢增大。曲線的斜率近似于反映裂紋的生長速率。第52頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月C-裂紋瞬間長度。A、B、n-與材料本質(zhì)和環(huán)境條件有關的常數(shù)。所以，V隨KI增大而增大。由大量實驗得到：

V與KI的關系第53頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月lnv與KI的關系曲線Ⅰ區(qū)：lnv與KI呈直線關系Ⅱ區(qū)：lnv與KI無關Ⅲ區(qū)：lnv與KI呈直線關系，但斜率更大。ⅢⅡⅠkIEACKICK第54頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月V0-頻率因子Q*-斷裂激活能。與作用應力無關，與環(huán)境、和溫度有關。n-常數(shù)。與應力集中狀態(tài)下受到活化的區(qū)域大小有關。R-氣體普適常數(shù)。上述關系用波爾茲曼因子表示為：第55頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月疲勞本質(zhì)Ⅰ區(qū)：隨著KI增加，Q*將因環(huán)境的影響而下降（應力腐蝕），因此lnv增加，且與KI呈直線關系。Ⅱ區(qū)：原子及空位的擴散速度達到了腐蝕介質(zhì)的擴散速度，使得開裂的裂紋端部沒有腐蝕介質(zhì)，因此Q*增高，抵消了KI增加對增加lnv的影響，nKI-Q*為常數(shù)。Ⅲ區(qū)：Q*增加到一定程度，就不再增加（相當于真空中裂紋擴展的Q*值），nKI-Q*增大，lnv迅速增大。第56頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月疲勞過程與

加載速率的關系加載速率越慢，裂紋擴展的時間也越長，在較低應力下就能達到臨界尺寸。大多數(shù)氧化物陶瓷因含有堿性硅酸鹽玻璃相，通常也有疲勞現(xiàn)象。第57頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月實例（P74）Si3N4陶瓷的裂紋生長速率與起始應力場強度因子的關系：1200℃，n≈50>1350℃，n≈11200℃~1350℃

KI較小時，n≈1KI較大時，n≈50第58頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月V-KI曲線測試方法雙扭法緊湊拉伸法靜態(tài)疲勞法（應力疲勞法）動態(tài)疲勞法直接測不同時間的裂紋長度c值，計算v、KⅠ，得對應關系第59頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)亞臨界裂紋擴展

預測材料壽命Ci-起始裂紋長度Cc-臨界裂紋長度無機材料在使用溫度下、受力σa，最長裂紋將會有亞臨界裂紋緩慢擴展，最后斷裂。研究此擴展的終止時間，可預測制品的壽命。第60頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月所以，制品受力后的壽命為：第61頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月壽命預測方法1、無損探傷法：實測c，定ccall，然后代入（上式t公式）計算。對于一批試樣，也可用下述公式求出，以σa為變量，得不同ci下的壽命t，然后做出不同ci時，σa與壽命t的關系曲線，使用時根據(jù)σa、ci，在圖中查出壽命t首先實測不同KⅠi下的裂紋擴展速率V，計算出A，n,然后用以下兩種方法預計：第62頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月壽命預測方法還可繪出保證試驗圖法，選σp2、當裂紋太小，無法測出時，采用保證試驗法。采用保證試驗法：施加檢驗壓力σp，σa

σp

σc，則KIi

KIp

KIc，則：所以：第63頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月無機材料的高溫延遲斷裂（P78）對絕大多數(shù)無機材料來說，在室溫下發(fā)生的延遲斷裂一般都是由于材料中存在固有裂紋在外力作用下發(fā)生緩慢擴展導致的，其壽命可以采用上節(jié)介紹的方法進行預測。然而，在高溫下，無機材料發(fā)生的延遲斷裂則是一個極為復雜的過程。第64頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月

在高溫下，無機材料內(nèi)發(fā)生兩個不同的缺陷發(fā)育過程，一個是固有裂紋的緩慢擴展，另一個是高溫蠕變而導致的新缺陷的形成。

兩個過程競爭的結果，可能是固有裂紋尖端鈍化，破壞由損傷的累積過程主導；也可能是固有裂紋的緩慢擴展直接導致了材料的破壞。

由蠕變斷裂過程主導的材料延遲斷裂，其壽命不能用上節(jié)的方法預測。預測按公式（3.60）第65頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月蠕變斷裂蠕變斷裂：多晶材料在高溫環(huán)境中，在恒定外力作用下，由于形變不斷增加而斷裂。斷裂過程中的裂紋擴展屬于亞臨界擴展。形式：沿晶界斷裂。第66頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月蠕變斷裂的

粘性流動理論高溫下晶界玻璃相粘度降低，在剪應力作用下發(fā)生粘性流動，在晶界處應力集中。若使相鄰晶粒發(fā)生塑性形變而滑移，則將使應力松弛，宏觀上表現(xiàn)為高溫蠕變。若不能使相鄰晶粒發(fā)生塑性形變，則應力集中將使晶界處產(chǎn)生裂紋。裂紋逐步擴展導致斷裂。第67頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月蠕變斷裂的

空位聚積理論在應力及熱振動作用下，受拉的晶界上空位濃度增加?？瘴坏拇罅烤鄯e，形成可觀的真空空腔并發(fā)展成為微裂紋。微裂紋的逐步擴展、聯(lián)通，導致斷裂。第68頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月影響蠕變斷裂的因素溫度：溫度越低，蠕變斷裂所需時間越長。應力：應力越小，蠕變斷裂所需時間越長。蠕變斷裂過程中裂紋的擴展，本質(zhì)上是一種高溫下，較低應力水平的亞臨界裂紋擴展。第69頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月3.6提高無機材料強度

改進材料韌性的途徑材料強度的本質(zhì)是內(nèi)部質(zhì)點的結合力。晶體結構穩(wěn)定情況下，控制材料強度的主要參數(shù)：彈性模量斷裂功（斷裂表面能）裂紋尺寸唯一可以控制的是材料中的微裂紋-各種缺陷的總和。強化措施從消除缺陷、阻止其發(fā)展著手，分為下列幾方面：第70頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月一、微晶、高密度和高純度為消除缺陷，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。近年出現(xiàn)了許多微晶、高密度、高純度陶瓷。纖維：將塊體材料制成細纖維，強度提高大約一個數(shù)量級。晶須：將塊體材料制成細纖維，強度提高大約兩個數(shù)量級，與理論強度大小同數(shù)量級-關鍵是提高了晶體的完整性。晶須強度隨晶須截面直徑的增加而降低。第71頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月二、提高抗裂能力和預加應力

人為地預加應力，在材料表面制造一層應力層，可以提高材料的抗拉強度。措施：熱韌化：通過加熱、冷卻，在材料表面層人為地引入殘余應力的過程。如鋼化玻璃、門窗、眼鏡玻璃。Al2O3在1700℃下于硅油中淬冷，不僅在表面造成正壓力，而且可以使晶粒細化，強度提高。利用表面層與內(nèi)部的熱膨脹系數(shù)不同，也可以達到預加應力的效果。第72頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月三、化學強化如要求表面殘余應力更高，則熱韌化的辦法難以做到，可以采用化學強化?；瘜W強化（離子交換）：通過改變表面的化學組成，使表面的摩爾體積比內(nèi)部大。由于表面體積膨脹受到內(nèi)部材料的限制，產(chǎn)生兩相狀態(tài)的正壓力。表面壓力與體積變化服從虎克定律：方法：大離子置換小離子。另外，表面拋光和化學處理