1、無機材料無機材料(cilio)斷裂斷裂第一頁，共46頁。 雖然材料在短時間內可以承受給定的使用應力而不斷裂，但如果負荷時間足夠長，仍然(rngrn)會在較低應力下破壞，即材料斷裂強度取決于時間。 裂紋除快速失穩擴展(kuzhn)外，還會在使用應力下，隨時間的推移而緩慢擴展(kuzhn)。這種緩慢擴展(kuzhn)也叫亞臨界生長，或稱靜態疲勞。 例如：同樣材料負荷(fh)時間 t1t2t3 ，則 斷裂強度 123材料中裂紋的亞臨界生長材料中裂紋的亞臨界生長第1頁/共46頁第二頁，共46頁。裂紋緩慢生長的本質 一、應力(yngl)腐蝕理論 實質：在一定的環境溫度和應力(yngl)場強度因子作用下，

2、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，構成裂紋開裂或止裂的條件。這一理論的出發點是考慮材料長期(chngq)暴露在腐蝕性環境介質中。 例如玻璃的主成分是SiO2,陶瓷中也含各種硅酸鹽和游離SiO2,如果環境中含水或水蒸氣，特別是pH值大于8的堿溶液，由于毛細現象,含水或水蒸氣進入裂紋尖端與SiO2發生(fshng)化學反應,引起裂紋的進一步擴展。第2頁/共46頁第三頁，共46頁。 在裂紋尖端處的離子鍵受到破壞，吸收了表面活性物質（H2O，OH以及極性液體或氣體）使材料的自由(zyu)表面能降低，即裂紋的擴展阻力降低。 n 新開裂表面的斷裂表面，因沒來得及被介質腐蝕，其表面能仍

3、然大于裂紋擴展動力，裂紋立即(lj)止裂。如果接著下一個腐蝕-開裂循環，周而復始，形成宏觀上的裂紋緩慢生長。n裂紋尖端處的高度應力集中導致(dozh)較大的裂紋擴展動力。水蒸氣分壓對應力腐蝕的影響做過系統的實驗。Bradt認為一般陶瓷即使放置在真空環境中進行受力試驗，也會觀察到亞臨界裂紋生長現象。他解釋這種現象是由于陶瓷中存在氣孔、微裂紋等先天性缺陷。在試驗之前這些缺陷中預先就吸附了水蒸氣、水溶液等介質，因此雖然在真空環境下受力，仍然存在應力腐蝕現象。第3頁/共46頁第四頁，共46頁。（3）由于裂紋(li wn)長度緩慢地增加，使得應力強度因子也緩慢增大，一旦達到KIC值，立即發生快速擴展而斷

4、裂。第4頁/共46頁第五頁，共46頁。二、高溫下裂紋尖端(jindun)的應力空腔作用1. 多晶多相陶瓷在高溫下長期受力的作用時，晶界玻璃相的結構粘度下降，由于該處的應力集中，晶界處于甚高的局部拉應力狀態，玻璃相則會發生蠕變或粘性流動，形變(xngbin)發生在氣孔，夾層，晶界層，甚至結構缺陷中，形成空腔。2這些空腔沿晶界方向長大，聯通形成次裂紋，與主要裂紋匯合(huh)就形成裂紋的緩慢擴展。裂紋緩慢生長的理論第5頁/共46頁第六頁，共46頁。 三、亞臨界裂紋生長速率(sl)與應力場強度因子的關系 起始不同的KI，隨時間的推移，會由于裂紋的不斷增長而緩慢增大。 反映裂紋生長的速率(sl)dtd

5、cv v 隨 的增大而變大K第6頁/共46頁第七頁，共46頁。裂紋生長的速率v 與KI的關系可表示為： 或者 c為裂紋的瞬時長度，A、B、n是由材料本質及環境條件(tiojin)決定的常數。 IlnBKAv+=vo為頻率因子，Q*為斷裂激活能，與作用應力無關，與環境和溫度有關，n為常數，與應力集中狀態下受到活化的區域(qy)的大小有關，R為氣體常數，T為熱力學溫度。 上式用波爾茲曼因子表示為：RTnvKQvexp0第7頁/共46頁第八頁，共46頁。 第一(dy)區： lnv增加與KI成直線關系。 第二區： 表現為lnv不隨KI變化。 第三區：lnv增加與KI成直線關系，但是曲線更陡。 裂紋生長

6、(shngzhng)的速率lnv 與KI的關系可表示為：第8頁/共46頁第九頁，共46頁。 第一區：隨KI增加，Q* 將因環境影響而下降（因應力腐蝕），lnv增加與KI成直線關系。 第二區：原子及空位的擴散速度腐蝕介質擴散速度，使得新開裂(ki li)的裂紋端部沒有腐蝕介質，Q*提高，抵消了KI增加對lnv的影響，表現為lnv不隨KI變化。 第三區： Q* 增加到一定值時不再增加，這樣，nKI- Q*將越來越大，lnv又迅速增加。 RTnvKQvexp0波爾茲曼因子波爾茲曼因子(ynz)第9頁/共46頁第十頁，共46頁。裂紋(li wn)緩慢生長的理論應力腐蝕理論 高溫(gown)下裂紋尖端的

7、應力空腔作用亞臨界(ln ji)裂紋生長速率與應力場強度因子的關系第10頁/共46頁第十一頁，共46頁。根據亞臨界裂紋根據亞臨界裂紋(li wn)擴展預測材料壽命擴展預測材料壽命:dtdcv=無機材料制品在實際使用溫度下，經長期應力的作用，制品上受力區的最長裂紋將會有亞臨界(ln ji)裂紋緩慢擴展，最后斷裂。研究裂紋緩擴展的始終時間，可以預測制品的壽命。積分(jfn)得：Ci 為起始裂長度；CC為臨界裂紋長度。將 dtdcv 第11頁/共46頁第十二頁，共46頁。(2)(2)/2222(2)cinnCICIinnnCaaKKdctAYCn AY由于n值比較大，例如鈉鈣硅酸鹽玻璃(b l)的n

8、=1617，而且上式可計算(j sun)由起始裂紋狀態，經受力后緩慢擴展直到臨界裂紋長度所經歷的時間，此即為制品受力的壽命。第12頁/共46頁第十三頁，共46頁。蠕變斷裂(dun li)定義：多晶材料一般在高溫環境中，在恒定應力作用下，由于形變不斷增加而斷裂(dun li)，稱為蠕變斷裂(dun li)。 主要的形變：晶界滑動 主要斷裂(dun li)形式：沿晶界斷裂(dun li) 第13頁/共46頁第十四頁，共46頁。蠕變斷裂機理 粘性流動理論 高溫下晶界玻璃相粘度降低，在剪應力作用下發生粘性流動，如果在晶界處應力集中使相鄰晶粒發生塑性形變而滑移，則將使應力馳豫，宏觀上表現為高溫蠕變。如果

9、不能使鄰近晶粒發生塑性形變，則應力集中將使晶界處產生裂紋(li wn)，這種裂紋(li wn)逐步擴展導致斷裂。 空位聚集理論 在應力及熱振動作用下，受拉的晶界上空位濃度大大增 加，空位大量聚集，形成可觀的空腔并發展成微裂紋，這種微裂紋逐步擴展(kuzhn)聯通導致斷裂。第14頁/共46頁第十五頁，共46頁。蠕變斷裂的影響因素 蠕變斷裂取決于溫度和外應力。溫度越高應力越小，蠕變斷裂所需時間(shjin)越長。 蠕變斷裂是一種高溫下，較低應力水平的亞臨界裂紋擴展。第15頁/共46頁第十六頁，共46頁。一、晶粒尺寸(ch cun)晶粒越小，強度越高。顯微結構對材料顯微結構對材料(cilio)脆性斷

10、裂的影響脆性斷裂的影響第16頁/共46頁第十七頁，共46頁。一、晶粒尺寸晶粒越小，強度越高。斷裂強度f 與晶粒直徑d 的平方根成反比:式中， 和 為材料常數Hall-Petch關系式如果起始裂紋受晶粒限制，其尺度與晶粒度相當(xingdng),則脆性斷裂與晶粒度的關系為:dKf21100K1dkf212顯微結構對材料顯微結構對材料(cilio)脆性斷裂的影響脆性斷裂的影響第17頁/共46頁第十八頁，共46頁。在許多金屬中(主要是體心立方金屬，包括鋼、鐵、銅、鉬、鉑、鋁、釩等以及一些銅合金)屈服強度(qingd)和晶粒大小的關系滿足上述關系式dkf212由于晶界比晶粒內部弱,所以多晶材料破壞多是

11、沿晶界斷裂，細晶材料晶界比例(bl)大,沿晶界破壞時,裂紋的擴展要走迂回曲折的道路,晶粒愈細,此路程愈長。多晶材料中初始裂紋尺寸與晶粒尺寸相當,晶粒愈細,初始裂紋尺寸愈小,這樣就提高了臨界應力。如果起始裂紋受晶粒限制，其尺度(chd)與晶粒度相當,則脆性斷裂與晶粒度的關系為:第18頁/共46頁第十九頁，共46頁。在常規的多晶體(晶粒尺寸大于l00nm)中，處于晶界核心(hxn)區域的原子數，只占總原于數的一個微不足道的分數(小于10-2)；但在納米微晶材料中，晶界核心(hxn)區域的原于所占的分數可高達50在非晶界核心區域原于密度的明顯下降，以及原子近鄰配置情況的截然不同(ji rn b tn

12、g)，均將對性能產生顯著影響。第19頁/共46頁第二十頁，共46頁。在納米尺寸的晶粒范圍內Hall-Petch關系是否成立引起了人們廣泛的關注(gunzh)，有不少實驗工作表明，該關系在低于100 nm的納米晶中仍然有效。dKf2110但理論模擬的結果顯示，存在一個臨界尺寸dc。當晶粒的尺寸小于dc時，出現反Hall-Petch效應的現象(xinxing)，即強度隨著晶粒尺寸的縮小反而降低，此時晶界附近的形變起了主導作用。模擬結果給出的金屬的臨界尺寸約在十幾到二十納米之間，例如Cu的臨界尺寸19.3nm，Pa的dc11.2nm。細化的晶粒在提高多晶體強度的同時，也使其塑性與韌性得以提高。晶粒越

13、細，單位體積內晶粒越多，形變時同樣的形變量便可分散到更多的晶粒中，產生較均勻(jnyn)的形變而不會造成局部應力過度集中，引起裂紋的過早產生與發展。在工業上，通過壓力加工和熱處理使金屬獲得細而均勻的晶粒，是提高金屬材料力學性質的有效途徑。Hall-Petch關系式第20頁/共46頁第二十一頁，共46頁。第21頁/共46頁第二十二頁，共46頁。二、氣孔的影響(yngxing) 斷裂強度與氣孔率的P關系: n 為常數，一般為47； 為沒有氣孔時的強度。 氣孔不僅減小了負荷面積，而且在氣孔鄰近區域應力集中，減弱了材料的負荷能力。0nPfexp0顯微結構對材料顯微結構對材料(cilio)脆性斷裂的影響

14、脆性斷裂的影響第22頁/共46頁第二十三頁，共46頁。當氣孔率約為10時,強度將下降為沒有氣孔時的強度的一半(ybn),這樣大小的氣孔率在一般陶瓷中是常見的。nPfexp0斷裂強度與氣孔率的P關系(gun x):第23頁/共46頁第二十四頁，共46頁。edknPf2110 綜合考慮(kol)晶粒尺寸和氣孔率的影響 除氣孔率外,氣孔的形狀及分布也很重要。通常氣孔多存在于晶界上,這是特別有害的,它往往成為裂紋源。氣孔除有有害的一面外,在特殊情況下也有有利的一面,就是當存在高的應力梯度時(例如有熱震引起的應力),氣孔能起到阻止裂紋擴展(kuzhn)的作用。顯微結構對材料顯微結構對材料(cilio)脆

15、性斷裂的影響脆性斷裂的影響第24頁/共46頁第二十五頁，共46頁。如雜質的存在,也會由于應力(yngl)集中而降低強度當存在彈性模量較低的第二相時也會使強度降低。其他影響其他影響(yngxing)材料強度的因素材料強度的因素顯微結構對材料顯微結構對材料(cilio)脆性斷裂的影響脆性斷裂的影響第25頁/共46頁第二十六頁，共46頁。第26頁/共46頁第二十七頁，共46頁。硬度是衡量材料軟硬程度硬度是衡量材料軟硬程度(chngd)(chngd)的一種力學性能。的一種力學性能。按加載方式壓入法和刻劃法。按加載方式壓入法和刻劃法。硬度值的物理意義隨試驗方法的不同其含義不同。硬度值的物理意義隨試驗方法

16、的不同其含義不同。壓入法硬度值是材料表面抵抗另一物體局部壓入時所壓入法硬度值是材料表面抵抗另一物體局部壓入時所引起的塑性變形能力；引起的塑性變形能力；刻劃法硬度值表征刻劃法硬度值表征(bio zhn)(bio zhn)材料表面對局部切斷破壞材料表面對局部切斷破壞的抗力。的抗力。因此一般認為硬度是指材料表面抵抗變形或破裂的能因此一般認為硬度是指材料表面抵抗變形或破裂的能力。力。第27頁/共46頁第二十八頁，共46頁。壓入法壓入法刻劃法刻劃法動載壓入法動載壓入法靜載壓入法靜載壓入法錘擊式布氏硬度錘擊式布氏硬度肖氏硬度肖氏硬度超聲波硬度超聲波硬度布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度顯微硬度顯微硬度維氏硬

17、度維氏硬度莫氏硬度順序法莫氏硬度順序法銼刀法銼刀法加載方式加載方式第28頁/共46頁第二十九頁，共46頁。第29頁/共46頁第三十頁，共46頁。表示(biosh)了洛氏硬度的測量原理第30頁/共46頁第三十一頁，共46頁。第31頁/共46頁第三十二頁，共46頁。h= hh= h1 1- h- h0 0主載荷(zi h)引起的塑性變形深度為:第32頁/共46頁第三十三頁，共46頁。第33頁/共46頁第三十四頁，共46頁。標度符號壓頭總載荷N(kg)表盤上刻度顏色常用硬度值范圍應用舉例HRA金剛石圓錐金剛石圓錐588.6(60)黑色7085碳化物、硬質合金、表面淬火鋼等HRB1.588mm鋼球98

18、1(100)紅色25100軟鋼、退火鋼、銅合金HRC金剛石圓錐金剛石圓錐1471.5(150)黑色2067淬火鋼、調質鋼等HRD金剛石圓錐981(100)黑色4077薄鋼板、中等厚度的表面硬化工件HRE3.175mm鋼球981(100)紅色70100鑄鐵、鋁、鎂合金、軸承合金HRF1.588mm鋼球588.6(60)紅色40100薄板軟鋼、退火銅合金HRG1.588mm鋼球1471.5(150)紅色3194磷青銅、鈹青銅HRH3.175mm鋼球588.6(60)紅色 鋁、鋅、鉛表1.各種洛氏硬度值的符號(fho)及應用 第34頁/共46頁第三十五頁，共46頁。比較；比較；對粗大組織的金屬不適用。對粗大組織的金屬不適用。第35頁/共46頁第三十六頁，共46頁。維氏金剛石棱錐維氏金剛石棱錐(lngzhu)壓頭壓頭 第36頁/共46頁第三十七頁，共4