无机材料断裂.ppt

材材 料料 性性 能能材料科学与工程学院材料科学与工程学院 杨正文杨正文 虽然材料在短时间内可以承受给定的使用应力而不断裂，但如果负荷时间足够长，仍然会在较低应力下破坏，即材料断裂强度取决于时间。裂纹除快速失稳扩展外，还会在使用应力下，随时间的推移而缓慢扩展。这种缓慢扩展也叫亚临界生长，或称静态疲劳静态疲劳。例如：同样材料负荷时间t1t2t3，则断裂强度材料中裂纹的亚临界生长材料中裂纹的亚临界生长裂纹缓慢生长的本质裂纹缓慢生长的本质一、应力腐蚀理论 实质：在一定的环境温度和应力场强度因子作用下，材料中关键裂纹尖端处,裂纹扩展动力与裂纹扩展阻力的比较，构成裂纹开裂或止裂的条件。这一理论的出发点是考虑材料长期暴露在腐蚀性环境介质中。例如玻璃的主成分是SiO2,陶瓷中也含各种硅酸盐和游离SiO2,如果环境中含水或水蒸气，特别是pH值大于8的碱溶液，由于毛细现象,含水或水蒸气进入裂纹尖端与SiO2发生化学反应,引起裂纹的进一步扩展。在裂纹尖端处的离子键受到破坏，吸收了表面活性物质（H2O，OH以及极性液体或气体）使材料的自由表面能降低，即裂纹的扩展阻力降低。n 新开裂表面的断裂表面，因没来得及被介质腐蚀，其表面能仍然大于裂纹扩展动力，裂纹立即止裂。如果接着下一个腐蚀-开裂循环，周而复始，形成宏观上的裂纹缓慢生长。裂纹尖端处的高度应力集中导致较大的裂纹扩展动力。水蒸气分压对应力腐蚀的影响做过系统的实验。Bradt认为一般陶瓷即使放置在真空环境中进行受力试验，也会观察到亚临界裂纹生长现象。他解释这种现象是由于陶瓷中存在气孔、微裂纹等先天性缺陷。在试验之前这些缺陷中预先就吸附了水蒸气、水溶液等介质，因此虽然在真空环境下受力，仍然存在应力腐蚀现象。n（3）由于裂纹长度缓慢地增加，使得应力强度因子也缓慢增大，一旦达到KIC值，立即发生快速扩展而断裂。二、高温下裂纹尖端的应力空腔作用1.多晶多相陶瓷在高高温温下下长长期期受受力力的作用时，晶界玻璃相的结构粘度下降，由于该处的应力集中，晶晶界界处处于于甚甚高高的的局局部部拉拉应应力力状状态态，玻璃相则会发生蠕变或粘性流动，形变发生在气孔，夹层，晶界层，甚至结构缺陷中，形成空腔。2这些空腔沿晶界方向长大，联通形成次裂纹，与主要裂纹汇合就形成裂纹的缓慢扩展。裂纹缓慢生长的理论三三、亚临界裂纹生长速率与应力场强度因子的关系 起始不同的KI，随时间的推移，会由于裂纹的不断增长而缓慢增大。反映裂纹生长的速率v 随的增大而变大裂纹生长的速率v 与KI的关系可表示为：或者c为裂纹的瞬时长度，A、B、n是由材料本质及环境条件决定的常数。vo为频率因子，Q*为断裂激活能，与作用应力无关，与环境和温度有关，n为常数，与应力集中状态下受到活化的区域的大小有关，R为气体常数，T为热力学温度。上式用波尔兹曼因子表示为：第一区：lnv增加与KI成直线关系。第二区：表现为lnv不随KI变化。第三区：lnv增加与KI成直线关系，但是曲线更陡。裂纹生长的速率lnv 与KI的关系可表示为：第一区：随KI增加，Q*将因环境影响而下降（因应力腐蚀），lnv增加与KI成直线关系。第二区：原子及空位的扩散速度腐蚀介质扩散速度，使得新开裂的裂纹端部没有腐蚀介质，Q*提高，抵消了KI增加对lnv的影响，表现为lnv不随KI变化。第三区：Q*增加到一定值时不再增加，这样，nKI-Q*将越来越大，lnv又迅速增加。波尔兹曼因子波尔兹曼因子裂纹缓慢生长的理论裂纹缓慢生长的理论应力腐蚀理论 高温下裂纹尖端的应力空腔作用亚临界裂纹生长速率与应力场强度因子的关系根据亚临界裂纹扩展预测材料寿命根据亚临界裂纹扩展预测材料寿命:无机材料制品在实际使用温度下，经长期应力的作用，制品上受力区的最长裂纹将会有亚临界裂纹缓慢扩展，最后断裂。研究裂纹缓扩展的始终时间，可以预测制品的寿命。积分得：Ci为起始裂长度；CC为临界裂纹长度。将由于n值比较大，例如钠钙硅酸盐玻璃的n=1617，而且上式可计算由起始裂纹状态，经受力后缓慢扩展直到临界裂纹长度所经历的时间，此即为制品受力的寿命。蠕变断裂定义：多晶材料一般在高温环境中，在恒定应力作用下，由于形变不断增加而断裂，称为蠕变断裂。主要的形变：晶界滑动 主要断裂形式：沿晶界断裂 蠕变断裂机理 粘性流动理论 高高温温下晶界玻璃相粘度降低，在剪应力作用下发生粘性流动，如果在晶界处应力集中使相邻晶粒发生塑性形变而滑移，则将使应力驰豫，宏观上表现为高温蠕变。如果不能使邻近晶粒发生塑性形变，则应力集中将使晶界处产生裂纹，这种裂纹逐步扩展导致断裂。空位聚集理论 在应力及热振动应力及热振动作用下，受拉的晶界上空位浓度大大增加，空位大量聚集，形成可观的空腔并发展成微裂纹，这种微裂纹逐步扩展联通导致断裂。蠕变断裂的影响因素 蠕变断裂取决于温度和外应力。温度越高应力越小，蠕变断裂所需时间越长。蠕变断裂是一种高温下，较低应力水平的亚临界裂纹扩展。一、一、晶粒尺寸晶粒越小，强度越高。晶粒越小，强度越高。显微结构对材料脆性断裂的影响显微结构对材料脆性断裂的影响一、一、晶粒尺寸晶粒越小，强度越高。晶粒越小，强度越高。断裂强度断裂强度f 与晶粒直径与晶粒直径d d 的平方根成反比的平方根成反比:式中，式中，和和 为材料常数为材料常数Hall-Petch关系式关系式如果起始裂纹受晶粒限制，其尺度与晶粒度相当如果起始裂纹受晶粒限制，其尺度与晶粒度相当,则则脆性断裂与晶粒度的关系为脆性断裂与晶粒度的关系为:显微结构对材料脆性断裂的影响显微结构对材料脆性断裂的影响在许多金属中(主要是体心立方金属，包括钢、铁、铜、钼、铂、铝、钒等以及一些铜合金)屈服强度和晶粒大小的关系满足上述关系式由于晶界比晶粒内部弱,所以多晶材料破坏多是沿晶界断裂，细晶材料晶界比例大,沿晶界破坏时,裂纹的扩展要走迂回曲折的道路,晶粒愈细,此路程愈长。多晶材料中初始裂纹尺寸与晶粒尺寸相当,晶粒愈细,初始裂纹尺寸愈小,这样就提高了临界应力。如果起始裂纹受晶粒限制，其尺度与晶粒度相当,则脆性断裂与晶粒度的关系为:在常规的多晶体(晶粒尺寸大于l00nm)中，处于晶界核心区域的原子数，只占总原于数的一个微不足道的分数(小于10-2)；但在纳米微晶材料中，晶界核心区域的原于所占的分数可高达50在非晶界核心区域原于密度的明显下降，以及原子近邻配置情况的截然不同，均将对性能产生显著影响。在纳米尺寸的晶粒范围内Hall-Petch关系是否成立引起了人们广泛的关注，有不少实验工作表明，该关系在低于100nm的纳米晶中仍然有效。但理论模拟的结果显示，存在一个临界尺寸dc。当晶粒的尺寸小于dc时，出现反Hall-Petch效应的现象，即强度随着晶粒尺寸的缩小反而降低，此时晶界附近的形变起了主导作用。模拟结果给出的金属的临界尺寸约在十几到二十纳米之间，例如Cu的临界尺寸19.3nm，Pa的dc11.2nm。细化的晶粒在提高多晶体强度的同时，也使其塑性与韧性得以提高。晶粒越细，单位体积内晶粒越多，形变时同样的形变量便可分散到更多的晶粒中，产生较均匀的形变而不会造成局部应力过度集中，引起裂纹的过早产生与发展。在工业上，通过压力加工和热处理使金属获得细而均匀的晶粒，是提高金属材料力学性质的有效途径。Hall-Petch关系式二二、气孔的影响 断裂强度与气孔率的断裂强度与气孔率的P关系关系:n 为常数，一般为为常数，一般为47；为没有气孔时的强度。为没有气孔时的强度。n气气孔孔不不仅仅减减小小了了负负荷荷面面积积，而而且且在在气气孔孔邻邻近近区区域域应应力力集集中中，减弱了材料的负荷能力。减弱了材料的负荷能力。显微结构对材料脆性断裂的影响显微结构对材料脆性断裂的影响当气孔率约为10时,强度将下降为没有气孔时的强度的一半,这样大小的气孔率在一般陶瓷中是常见的。断裂强度与气孔率的P关系:综合考虑晶粒尺寸和气孔率的影响综合考虑晶粒尺寸和气孔率的影响除气孔率外,气孔的形状及分布也很重要。通常气孔多存在于晶界上,这是特别有害的,它往往成为裂纹源。气孔除有有害的一面外,在特殊情况下也有有利的一面,就是当存在高的应力梯度时(例如有热震引起的应力),气孔能起到阻止裂纹扩展的作用。显微结构对材料脆性断裂的影响显微结构对材料脆性断裂的影响如杂质的存在,也会由于应力集中而降低强度当存在弹性模量较低的第二相时也会使强度降低。其他影响材料强度的因素其他影响材料强度的因素显微结构对材料脆性断裂的影响显微结构对材料脆性断裂的影响材料的硬度硬度试验的意义硬度试验的意义硬度的种类及其测试方法硬度的种类及其测试方法一、硬度试验的意义一、硬度试验的意义硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能。硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能。按加载方式按加载方式压入法压入法和和刻划法刻划法。硬度值的物理意义随试验方法的不同其含义不同。硬度值的物理意义随试验方法的不同其含义不同。压入法压入法硬度值是硬度值是材料表面抵抗材料表面抵抗另一物体局部压入时所另一物体局部压入时所引起的引起的塑性变形能力塑性变形能力；刻划法刻划法硬度值表征硬度值表征材料材料表面对局部切断表面对局部切断破坏的抗力破坏的抗力。因此一般认为硬度是指材料表面抵抗变形或破裂的能因此一般认为硬度是指材料表面抵抗变形或破裂的能力。力。压入法压入法刻划法刻划法动载压入法动载压入法静载压入法静载压入法锤击式布氏硬度锤击式布氏硬度肖氏硬度肖氏硬度超声波硬度超声波硬度布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度显微硬度显微硬度维氏硬度维氏硬度莫氏硬度顺序法莫氏硬度顺序法锉刀法锉刀法加载方式加载方式二、硬度的测定1.1.洛氏硬度洛氏硬度2.2.布氏硬度布氏硬度 3.3.显微硬度显微硬度4.4.莫氏硬度莫氏硬度洛氏硬度测定法洛氏硬度测定法洛氏硬度的测量原理用顶角为120的金刚石圆锥或为1.588mm的淬火钢球为压头,在规定载荷（初载荷及主载荷）的作用下压入材料表面,经规定保持时间后,卸除主试验力，根据压痕深度来确定硬度值。表示了洛氏硬度的测量原理0-0：未加载荷，压头未接触试件时的位置。1-1：压头在预载荷P0(98.1N)作用下压入试件深度为h0时的位置。h0包括预载所引起的弹形变形和塑性变形。2-2：加主载荷P1后，压头在总载荷P=P0+P1 的作用下压入试件的位置。3-3：去除主载荷P1后仍保留预载荷P0 时压头的位置，压入深度为h1。由于P1所产生的弹性变形被消除，所以压头位置提高了h，主载荷引起的塑性变形深度为:h=h1-h0h值越大，试件越软，h值越小，试件越硬。为适应数值越大硬度越高的概念，用一常数用一常数K K减去减去h h表示表示硬度的高低硬度的高低。并规定每并规定每0.002mm0.002mm为一个洛氏硬度单为一个洛氏硬度单位，位，用符号HR表示，则：测量值直接在表盘上读出。用金刚石圆锥压头时，常数K为0.2mm，硬度值由黑色表盘表示;用钢球(=1.588mm)压头时，常数K为0.26mm，硬度值由红色表盘表示.h=hh=h1 1-h-h0 0主载荷引起的塑性变形深度为:为了扩大洛氏硬度的测量范围，可用不同的压为了扩大洛氏硬度的测量范围，可用不同的压头和不同的总载荷配成不同标尺的洛氏硬度。头和不同的总载荷配成不同标尺的洛氏硬度。洛氏硬度共有洛氏硬度共有1515种标尺供选择，它们分别为：种标尺供选择，它们分别为：HRAHRA，HRBHRB，HRCHRC，HRDHRD，HREHRE，HRFHRF，HRGHRG，HRHHRH，HRKHRK，HRLHRL，HRMHRM，HRPHRP，HRRHRR，HRSHRS，HRVHRV；表面；表面洛氏硬度标尺：洛氏硬度标尺：HR45NHR45N、HR30NHR30N、HR15NHR15N和和HR45THR45T、HR30THR30T、HR15T HR15T。其中常用的几种标。其中常用的几种标尺尺见表见表1 1。标度符号压头总载荷N(kg)表盘上刻度颜色常用硬度值范围应用举例HRA金刚石圆锥金刚石圆锥588.6(60)黑色7085碳化物、硬质合金、表面淬火钢等HRB1.588mm钢球981(100)红色25100软钢、退火钢、铜合金HRC金刚石圆锥金刚石圆锥1471.5(150)黑色2067淬火钢、调质钢等HRD金刚石圆锥981(100)黑色4077薄钢板、中等厚度的表面硬化工件HRE3.175mm钢球981(100)红色70100铸铁、铝、镁合金、轴承合金HRF1.588mm钢球588.6(60)红色40100薄板软钢、退火铜合金HRG1.588mm钢球1471.5(150)红色3194磷青铜、铍青铜HRH3.175mm钢球588.6(60)红色铝、锌、铅表1.各种洛氏硬度值的符号及应用洛氏硬度测定的优缺点洛氏硬度测定的优缺点优点优点:操作简便、迅速，适宜大生产；操作简便、迅速，适宜大生产；压痕小，适宜测成品；压痕小，适宜测成品；适用范围广，从极软到极硬、从极薄到极硬的适用范围广，从极软到极硬、从极薄到极硬的材料都能测定。材料都能测定。缺点：缺点：不同标尺硬度值之间不能相互比较；不同标尺硬度值之间不能相互比较；对粗大组织的金属不适用对粗大组织的金属不适用。维氏硬度的测量原理维氏硬度的测量原理测量原理基本上和布氏硬度测量原理基本上和布氏硬度相同，相同，所不同的是用金刚所不同的是用金刚石正四棱锥压头。石正四棱锥压头。正四棱正四棱锥两对面的夹角为锥两对面的夹角为136136，底面为正方形，如图所示。底面为正方形，如图所示。维氏硬度所用的载荷有维氏硬度所用的载荷有1kg1kg、3kg3kg、5kg5kg、10kg10kg、20kg20kg、30kg30kg、50kg50kg、100kg100kg、120kg120kg等，负载的选择主要等，负载的选择主要取决于试件取决于试件的厚度。维氏硬度测试法维氏硬度测试法维氏金刚石棱锥压头维氏金刚石棱锥压头 维氏硬度的测试原理压痕是一个底面为正方形的正四棱锥。用显微镜测定方坑对角线长度d，维氏硬度值HV等于所用载荷与压痕面积的比值。压痕面积压痕面积F为为：F=d2/2sin6硬度表示为：硬度表示为：HV=P/F=1.8544P/d2kg/mm2式中：P载荷；d对角线长度；F压痕面积。维氏硬度测试法维氏硬度测试法当载荷P已知时，只要测得压痕对角线长度d，就可以求出维氏硬度值。通常是在测量d值后从压印对角线与维氏硬度对照表中查出相应的硬度值。维氏硬度测试法维氏硬度测试法维氏硬度的测量原理维氏硬度的测量原理优缺点优缺点优点优点可测定从极软到极硬各种金属材料的硬度可测定从极软到极硬各种金属材料的硬度,且不同载荷且不同载荷下的维氏硬度值可以进行比较。下的维氏硬度值可以进行比较。维氏硬度值测量精确可靠，在材料科学研究中被广泛维氏硬度值测量精确可靠，在材料科学研究中被广泛应用。应用。缺点缺点维氏硬度需测量对角线的长度，然后通过计算或查表维氏硬度需测量对角线的长度，然后通过计算或查表才能得到硬度值。测量过程繁琐，工作效率低。在测才能得到硬度值。测量过程繁琐，工作效率低。在测量过程中，采用计算机控制测量过程，采集和处理数量过程中，采用计算机控制测量过程，采集和处理数据，可能克服上述缺点并大大提高工作效率。据，可能克服上述缺点并大大提高工作效率。布氏硬度的测量原理 加载荷P,使直径为D的淬火钢球压头压入试件表面并保持一定时间，去载后，测量压痕直径d，算出压痕面积F，P/FP/F即为布氏硬度，即为布氏硬度，用符号HBHB表示表示。压头直径有2.5mm，5mm，10mm三种;布氏硬度试验原理示意图布布 氏氏 硬硬 度度 测测 试试 法法载荷有15.6kg、62.5k、182.5kg、250kg、750kg、1000kg、3000kg七种;显微硬度的测量原理显微硬度的测量原理显微硬度的测量原理与维氏硬度一样，也是用压痕单显微硬度的测量原理与维氏硬度一样，也是用压痕单位面积上所承受的载荷来表示的。位面积上所承受的载荷来表示的。只是试样需要抛光腐蚀制成金相显微试样，以便测量只是试样需要抛光腐蚀制成金相显微试样，以便测量显微组织中各相的硬度。显微硬度一般用显微组织中各相的硬度。显微硬度一般用HMHM表示。表示。显显 微微 硬硬 度度 测测 试试 法法显微硬度测试用的压头有两种：显微硬度测试用的压头有两种：一种是和维氏硬度压头一种是和维氏硬度压头一样的两面之间的夹角一样的两面之间的夹角为为136136的金刚石正四的金刚石正四棱锥压头棱锥压头;另一种显微硬度压头。另一种显微硬度压头。这种压头叫克努普这种压头叫克努普(Knoop)(Knoop)金刚石压头。金刚石压头。它的压痕长对角线与短它的压痕长对角线与短对角线的长度之比为对角线的长度之比为7.117.11。维氏金刚石棱锥压头维氏金刚石棱锥压头 努氏金刚石棱锥压头努氏金刚石棱锥压头 硬度计算公式硬度计算公式n两面之间的夹角为两面之间的夹角为136136的金刚石正四棱锥压头时的金刚石正四棱锥压头时,显显微硬度的计算公式为：微硬度的计算公式为：HV=P/F=1.8544P/dHV=P/F=1.8544P/d2 2kg/mmkg/mm2 2 式中：式中：P P载荷载荷(g)(g)；d d压痕对角线长度压痕对角线长度(m)(m)。显微硬度值与维氏硬度完全一致，计算公式差别只是显微硬度值与维氏硬度完全一致，计算公式差别只是测量时用的载荷和压痕对角线的单位不同造成的。测量时用的载荷和压痕对角线的单位不同造成的。n压头叫克努普压头叫克努普(Knoop)金刚石压头时金刚石压头时,显微硬度显微硬度值为：值为：HK=P/A=14229P/L2kg/mm2式中：式中：P载荷载荷(g)；L压痕对角线长度压痕对角线长度(m)。显微硬度如用显微硬度如用kg/mmkg/mm2 2为单位时，可以将单为单位时，可以将单位省去，例如位省去，例如HM300HM300，表示其显微硬度为，表示其显微硬度为300kg/mm300kg/mm2 2 二级石膏五级磷灰石八级黄玉一级一级 滑石滑石 四级四级 萤石萤石 七级七级 石英石英三级三级 方解石方解石 六级六级 正长石正长石 九级九级 刚玉刚玉 十级十级 金刚石金刚石