金属材料强度 (2)精选文档.ppt

金属材料强度本讲稿第一页，共十九页 张应力作张应力作用下的裂用下的裂纹扩展和纹扩展和切应力下切应力下的位错运的位错运动动相同点：相同点：裂纹和位错的前端都将晶体划分为已断裂（滑移）和未发生变化裂纹和位错的前端都将晶体划分为已断裂（滑移）和未发生变化的两部分。的两部分。裂纹扩展和位错运动都使原子键连续破坏。裂纹扩展和位错运动都使原子键连续破坏。不同点：裂纹扩展使原子键永久性的撕开，位错运动之后，断不同点：裂纹扩展使原子键永久性的撕开，位错运动之后，断开的原子键随即重新愈合。开的原子键随即重新愈合。本讲稿第二页，共十九页结构不连续区域的特点：结构不连续区域的特点：材料中任何结构不连续性都会使局部能量处于高能量状材料中任何结构不连续性都会使局部能量处于高能量状态，即应力状态；态，即应力状态；外力作用下，能量高的不连续区域首先发生运动，在能量较外力作用下，能量高的不连续区域首先发生运动，在能量较低的不连续区域使其能量降低；低的不连续区域使其能量降低；结构不连续区域在可能情况下总是降低其能量；结构不连续区域在可能情况下总是降低其能量；不连续区域在运动过程中，遇到势垒，会发生塞积，引起高不连续区域在运动过程中，遇到势垒，会发生塞积，引起高度的应力集中，此应力又会激活其他结构不连续区域。度的应力集中，此应力又会激活其他结构不连续区域。2.4.2 裂纹成核裂纹成核结构不连续区域都会使裂纹成核。结构不连续区域都会使裂纹成核。本讲稿第三页，共十九页脆性程度材料类别滑移系个数位错可移动性裂纹成核途径室温高温可动性灵活性 全 脆 性Si3N4TiCAl2O3TiO2SiO2 无无无制备过程、机械加工引入，热应力引起，不可能有位错机理的裂纹成核。半 脆 性MgOCaF2LiFNaClCsClAl2O3TiO2MgO 小 于 五 个可无制备过程、机械加工引入，热应力引起，可能有位错机理的裂纹成核。无机材料的脆性和裂纹成核途径无机材料的脆性和裂纹成核途径本讲稿第四页，共十九页 塑 性AgBrAgClCaF2LiFNaClCsCl五个可可位错滑移最终导致塑性形变。空洞合并导致裂纹成核。热压无压烧结气相沉积夹杂物加工缺陷非均质粗晶不完善结合区大气孔夹杂物粗晶表面层缺陷粗晶分层 各种制备工艺引入的缺陷类型各种制备工艺引入的缺陷类型接上表接上表本讲稿第五页，共十九页（1）亚临界裂纹扩展亚临界裂纹扩展 在受到低于临界应力的作用状态下，脆性材料在受到低于临界应力的作用状态下，脆性材料的裂纹扩展取决于温度、应力和环境介质。材的裂纹扩展取决于温度、应力和环境介质。材料处于稳态。料处于稳态。2.4.3 亚临界裂纹扩展（静态疲劳）亚临界裂纹扩展（静态疲劳）（2）亚临界裂纹扩展速率与应力强度因子的关系亚临界裂纹扩展速率与应力强度因子的关系 其典型关系式：其典型关系式：V=AK1n本讲稿第六页，共十九页特点：特点：几乎所有材料都有一个不几乎所有材料都有一个不发生亚临界裂纹扩展的应发生亚临界裂纹扩展的应力强度因子低限值力强度因子低限值K0。超过低限值，超过低限值，V与与K1n总总是呈正比，其中，是呈正比，其中，n是是与机理相关的常数。与机理相关的常数。恒速裂纹扩展区。恒速裂纹扩展区。快速裂纹扩展区。快速裂纹扩展区。裂纹扩展速率曲线裂纹扩展速率曲线LogV I IIIIIK0本讲稿第七页，共十九页1）环境介质的作用）环境介质的作用(应力腐蚀）引起裂纹的扩展应力腐蚀）引起裂纹的扩展 玻璃在含有玻璃在含有OH-介质中的亚临界裂纹扩展机理介质中的亚临界裂纹扩展机理:OH-对裂纹的强化作用有：对裂纹的强化作用有：吸附导致键强的下降；吸附导致键强的下降；应力加速了裂纹尖端玻璃的溶解；应力加速了裂纹尖端玻璃的溶解；离子互换导致裂纹尖端张应力的增长。离子互换导致裂纹尖端张应力的增长。（3）亚临界裂纹扩展机理亚临界裂纹扩展机理例如：在含水气不同例如：在含水气不同 的的N2气氛中，玻璃气氛中，玻璃Na2OCaOSiO2的亚临界裂纹扩展。的亚临界裂纹扩展。本讲稿第八页，共十九页 裂纹生长的主要原因是裂纹生长的主要原因是应力促进了水与玻璃的化应力促进了水与玻璃的化学反应，生长速率受反应学反应，生长速率受反应速率所控制。速率所控制。裂纹生长速率几乎与应力无裂纹生长速率几乎与应力无关，此时裂纹生长速率取决于关，此时裂纹生长速率取决于OH-离子向裂纹尖端迁移的速离子向裂纹尖端迁移的速率。率。裂纹生长的速率又随裂纹生长的速率又随K1的增大而呈指数的增长，与的增大而呈指数的增长，与水气含量无关，裂纹生长受水气含量无关，裂纹生长受到玻璃的化学组分和结构的到玻璃的化学组分和结构的控制。控制。K1（Nm-3/2105)V （ms-1）IIIIII水水气气含含量量本讲稿第九页，共十九页K1V钠钙玻璃钠钙玻璃硼硅玻璃硼硅玻璃硅玻璃硅玻璃铝硅玻璃铝硅玻璃 化学组成和结构对化学组成和结构对玻璃区域玻璃区域III亚临界裂纹扩展的影响亚临界裂纹扩展的影响 V （ms-1）K1（Nm-3/2105)本讲稿第十页，共十九页SiC界面的氧化作用引起裂纹扩展过程：界面的氧化作用引起裂纹扩展过程：空气中的氧气在裂纹尖端与空气中的氧气在裂纹尖端与SiC发生如下反应发生如下反应:2SiC+3O2=2SiO2+2CO 过程包括：过程包括：氧离子通过氧化层传递至裂纹尖端；氧离子通过氧化层传递至裂纹尖端；氧离子的吸附，氧离子的吸附，SiCSiO2的反应；的反应；CO从反应区离去；从反应区离去；裂纹形成的新表面被氧化层覆盖，接着裂纹形成的新表面被氧化层覆盖，接着进行下一个腐蚀开裂循环，周而复始，形成宏观裂纹。进行下一个腐蚀开裂循环，周而复始，形成宏观裂纹。其形成的组分中含有硅酸盐晶界薄层。其形成的组分中含有硅酸盐晶界薄层。本讲稿第十一页，共十九页2）塑性效应引起裂纹的扩展）塑性效应引起裂纹的扩展在高温、无害介质环境中，无机材料的亚临界裂纹扩展，在高温、无害介质环境中，无机材料的亚临界裂纹扩展，是裂纹尖端的塑性效应的结果。是裂纹尖端的塑性效应的结果。晶体中的位错在大于临界剪应力作用下，一些位错源开始滑晶体中的位错在大于临界剪应力作用下，一些位错源开始滑移并发射位错，在其露出晶面之前，发生交滑移，交滑移源移并发射位错，在其露出晶面之前，发生交滑移，交滑移源发出的位错被送回到裂纹尖端，位错应力场的作用使裂纹尖发出的位错被送回到裂纹尖端，位错应力场的作用使裂纹尖端的应力提高，结果在端的应力提高，结果在K1K0的条件下发生了亚临界裂纹的条件下发生了亚临界裂纹扩展。扩展。裂纹尖端附近切应变的激活，位错从晶界处的源出发，裂纹尖端附近切应变的激活，位错从晶界处的源出发，在滑移面取向合适的情况下，位错在晶粒内部运动直到在滑移面取向合适的情况下，位错在晶粒内部运动直到在另一侧晶界处发生塞积，引起裂纹成核。在另一侧晶界处发生塞积，引起裂纹成核。（依据：多晶体中，晶界既可是位错的发源地，也可是（依据：多晶体中，晶界既可是位错的发源地，也可是位错前进的障碍。）位错前进的障碍。）本讲稿第十二页，共十九页晶界晶界处的处的裂纹裂纹扩展扩展次裂纹次裂纹主裂纹主裂纹高温下裂纹尖端的应力空腔作用：高温下裂纹尖端的应力空腔作用：在高温下，多晶多相材料长期受力作用，晶界玻璃相粘度下在高温下，多晶多相材料长期受力作用，晶界玻璃相粘度下降，毛细管力在此处引起局部应力，使晶界发生蠕变或粘性降，毛细管力在此处引起局部应力，使晶界发生蠕变或粘性流动，晶界处的气孔、夹杂物、及结构缺陷逐渐长大，形成流动，晶界处的气孔、夹杂物、及结构缺陷逐渐长大，形成空腔，空腔进一步沿晶界方向长大、连通形成次裂纹，与主空腔，空腔进一步沿晶界方向长大、连通形成次裂纹，与主裂纹汇合形成裂纹的缓慢扩展。裂纹汇合形成裂纹的缓慢扩展。本讲稿第十三页，共十九页例如例如 热压热压Si3N4的塑性效应控制亚临界裂纹扩展的塑性效应控制亚临界裂纹扩展K1V度度速速纹纹裂裂14000C 13500C 13000C 12500C 12000Cn=10低速区低速区n=50高速区高速区本讲稿第十四页，共十九页通过激活能的计算，其激活能远超过了化学反应激活通过激活能的计算，其激活能远超过了化学反应激活能或离子扩散激活能，而与粘滞流动或蠕变过程激活能或离子扩散激活能，而与粘滞流动或蠕变过程激活能相当，所以，裂纹扩展与环境介质无关，而是由粘能相当，所以，裂纹扩展与环境介质无关，而是由粘滞流动或蠕变过程控制。滞流动或蠕变过程控制。高温区断裂韧性增大，原因：塑性效应导致应力松弛高温区断裂韧性增大，原因：塑性效应导致应力松弛.热压热压Si3N4的的K1C随随温度变化的曲线温度变化的曲线K1C温度温度本讲稿第十五页，共十九页3）扩散过程）扩散过程裂纹尖端区域点缺陷扩散对裂纹的扩展起着一定的作用。裂纹尖端区域点缺陷扩散对裂纹的扩展起着一定的作用。在无外加应力作用条件下，材料内部的自扩散随着在无外加应力作用条件下，材料内部的自扩散随着温度的提高而加速，导致裂纹的愈合和材料的烧结和致温度的提高而加速，导致裂纹的愈合和材料的烧结和致密化。密化。+裂裂纹纹扩扩展展速速率率1 2 K1Al2O3多晶裂纹扩多晶裂纹扩展和展和K1的变化规律的变化规律 当有外加张应力作用时，当有外加张应力作用时，裂纹愈合速度很快消失。随裂纹愈合速度很快消失。随着应力的提高，空位从裂纹着应力的提高，空位从裂纹尖端扩散离去的速率下降，尖端扩散离去的速率下降，在较大的应力作用下，出现在较大的应力作用下，出现裂纹扩展。裂纹扩展。本讲稿第十六页，共十九页4）热激活键撕裂作用引起裂纹扩展）热激活键撕裂作用引起裂纹扩展裂纹尖端晶格点阵的非连续性，即有高能量的点裂纹尖端晶格点阵的非连续性，即有高能量的点阵，借助于热激活作用，裂纹尖端有可能产生移阵，借助于热激活作用，裂纹尖端有可能产生移动。动。本讲稿第十七页，共十九页2.4.4 临界裂纹扩展导致断裂的过程临界裂纹扩展导致断裂的过程当裂纹由成核生长和亚临界扩展发展到临界长度，当裂纹由成核生长和亚临界扩展发展到临界长度，此时此时K1的数值也随着裂纹的扩展增长到的数值也随着裂纹的扩展增长到K1c的数值。的数值。至此裂纹的扩展从稳态转入动态，出现快速断裂。至此裂纹的扩展从稳态转入动态，出现快速断裂。或或裂纹尖端屈服区附近足够大的内应力达到了足以撕裂纹尖端屈服区附近足够大的内应力达到了足以撕开原子间键，导致固体沿着原子面发生解理。开原子间键，导致固体沿着原子面发生解理。裂纹快速断裂具备的能量条件：裂纹快速断裂具备的能量条件：裂纹前端的弹性应变能释放率等于或大于裂纹裂纹前端的弹性应变能释放率等于或大于裂纹扩展单位长度所需的表面自由能增量。扩展单位长度所需的表面自由能增量。本讲稿第十八页，共十九页 原子键断裂模型原子键断裂模型本讲稿第十九页，共十九页