第二章无机材料的脆性断裂与强度精选PPT.ppt

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1、第二章无机材料的脆性断裂与强度第1页，本讲稿共119页磨损磨损摩擦摩擦硬度硬度机械冲击机械冲击化学腐蚀化学腐蚀耐热性耐热性热疲劳热疲劳热冲击热冲击断裂断裂强度强度材料的材料的强度强度强度理论强度理论光学材料光学材料多孔质材料多孔质材料高温材料高温材料结构材料结构材料 玻璃玻璃 水泥水泥 耐火材料耐火材料复合材料复合材料电子电器材料电子电器材料生物材料生物材料耐摩擦材料耐摩擦材料耐磨损材料耐磨损材料工具材料工具材料第2页，本讲稿共119页气孔、晶粒、杂质、气孔、晶粒、杂质、晶界晶界(大小、形状、分大小、形状、分布布)等宏观缺陷等宏观缺陷晶体结构晶体结构,单晶多晶单晶多晶和非晶体中的微观和非晶体中

2、的微观缺陷缺陷第3页，本讲稿共119页那些因素影响材料的强度？那些因素影响材料的强度？这些因素与显微结构间的关系？这些因素与显微结构间的关系？材料在怎样的状态下断裂材料在怎样的状态下断裂?断裂过程怎样？断裂过程怎样？韧性是什么？韧性是什么？材料的可靠性？具有怎样的强度？可能用于什么材料的可靠性？具有怎样的强度？可能用于什么地方？地方？与强度有关的问题与强度有关的问题（共性，特性）（共性，特性）第4页，本讲稿共119页与材料强度有关的断裂力学的特点：与材料强度有关的断裂力学的特点：着眼于裂纹尖端应力集中区域的力场和应变场分布；着眼于裂纹尖端应力集中区域的力场和应变场分布；研究裂纹生长、扩展最终导

3、致断裂的动态过程和规律；研究裂纹生长、扩展最终导致断裂的动态过程和规律；研究抑制裂纹扩展、防止断裂的条件。研究抑制裂纹扩展、防止断裂的条件。给工程设计、合理选材、质量评价提供判据。给工程设计、合理选材、质量评价提供判据。断裂力学的分类：断裂力学的分类：断裂力学根据裂纹尖端塑性区域的范围，分为两大类：断裂力学根据裂纹尖端塑性区域的范围，分为两大类：（1）线弹性断裂力学）线弹性断裂力学-当裂纹尖端塑性区的尺寸远小于当裂纹尖端塑性区的尺寸远小于裂纹长度，可根据线弹性理论来分析裂纹扩展行为。裂纹长度，可根据线弹性理论来分析裂纹扩展行为。（2）弹塑性断裂力学）弹塑性断裂力学-当裂纹尖端塑性区尺寸不限于小

4、当裂纹尖端塑性区尺寸不限于小范围屈服，而是呈现适量的塑性，以弹塑性理论来处理。范围屈服，而是呈现适量的塑性，以弹塑性理论来处理。第5页，本讲稿共119页固体在拉伸应力下，由于伸长而储存了弹性应变能，断裂固体在拉伸应力下，由于伸长而储存了弹性应变能，断裂时，应变能提供了新生断面所需的表面能。时，应变能提供了新生断面所需的表面能。即：即：th x/2=2 s其中：其中：th 为理论强度；为理论强度；x为平衡时原子间距的增量；为平衡时原子间距的增量；：表面能。：表面能。虎克定律：虎克定律：th=E(x/r0)理论断裂强度：理论断裂强度：th=2(s E/r0)1/23.1.1理论断裂强度理论断裂强度

5、(1)能量守衡理论能量守衡理论第6页，本讲稿共119页Orowan以应力以应力应变正弦函数曲线的形式近似的描应变正弦函数曲线的形式近似的描述原子间作用力随原子间距的变化。述原子间作用力随原子间距的变化。x /2 th0 r0(2)Orowan近似近似第7页，本讲稿共119页x很小时，根据虎克定律：很小时，根据虎克定律：=E=Ex/r0,且且 sin(2 x/)=2 x/得得 th=(s E/r0)1/2与与 th=2(s E/r0)1/2 相比两者结果是一致的。相比两者结果是一致的。理论断裂强度：理论断裂强度：th=2 s/即即 =th sin(2 x/)分开单位面积的原子作功为：分开单位面积

6、的原子作功为：U=th sin(2 x/)dx=th /=2 s/20第8页，本讲稿共119页a 刚性模型刚性模型3.1.2 塑性形变强度（剪切强度）塑性形变强度（剪切强度）剪切应力与位移的关系：剪切应力与位移的关系：=th sin(2 x/b)当当x10 材料为塑性，断裂前已出现显著的塑性材料为塑性，断裂前已出现显著的塑性流变；流变；th/th 1 材料为脆性；材料为脆性；th/th=5 需参考其他因素作判断。需参考其他因素作判断。第10页，本讲稿共119页材料sThKg/mm2 c th/c材料 th c th/cAl2O3晶须 5000 15403.3Al2O3宝石 500064.477

7、.6铁晶须3000 13002.3BeO357023.8150奥氏型钢2048 3206.4MgO245030.181.4硼3480 24014.5Si3N4热压 385010038.5硬木10.5SiC49009551.6玻璃69310.566.0Si3N4烧结 385029.5130NaCl4001040.0AlN28006010046.728.0Al2O3刚玉 5000 44.1113断裂强度理论值和测定值断裂强度理论值和测定值第11页，本讲稿共119页3.2.1 应力集中强度理论应力集中强度理论流流体体的的流流动动（1）应力集中应力集中3.2 微裂纹强度理论微裂纹强度理论第12页，本讲

8、稿共119页445:材料中的裂纹型缺陷：材料中的伤痕、裂纹、气孔、材料中的裂纹型缺陷：材料中的伤痕、裂纹、气孔、杂质等宏观缺陷。杂质等宏观缺陷。平板弹性体的受力情况平板弹性体的受力情况力线力线n力管力管裂纹裂纹长度长度2c第13页，本讲稿共119页 为了传递力，力线一定穿过材料组织到达固定端为了传递力，力线一定穿过材料组织到达固定端 力以音速通过力管（截面积为力以音速通过力管（截面积为A），把），把P/n大小的力传大小的力传给此端面。给此端面。远离孔的地方，其应力为：远离孔的地方，其应力为：=(P/n)/A 孔周围力管端面积减小为孔周围力管端面积减小为A1，孔周围局部应力为：，孔周围局部应力为

9、：=(P/n)/A1 椭圆裂纹椭圆裂纹 越扁平或者尖端半径越小，其效果越明显。越扁平或者尖端半径越小，其效果越明显。应力集中：材料中存在裂纹时，裂纹尖端处的应力远应力集中：材料中存在裂纹时，裂纹尖端处的应力远超过表观应力。超过表观应力。第14页，本讲稿共119页裂纹尖端处的应力集中裂纹尖端处的应力集中第15页，本讲稿共119页用弹性理论计算得：用弹性理论计算得：Ln=1+/(2x+)c 1/2/(2x+)1/2+/(2x+)当当 x=0,Ln=2(c/)1/2+1当当c ，即裂纹为扁平的锐裂纹，即裂纹为扁平的锐裂纹 Ln=2 (c/)1/2当当 最小时（为原子间距最小时（为原子间距r0）Ln=

10、2 (c/r0)1/2裂纹尖端的弹性应力沿裂纹尖端的弹性应力沿x分布通式：分布通式：Ln=q(c,x)Lnx 2c Ln0裂纹尖端处的弹性应力分布裂纹尖端处的弹性应力分布（2）裂纹尖端的弹性应力裂纹尖端的弹性应力第16页，本讲稿共119页断裂的条件：当裂纹尖端的局部应力等于理论强度断裂的条件：当裂纹尖端的局部应力等于理论强度 th=(s E/r0)1/2时，裂纹扩展，沿着横截面分为两部分，此时的外时，裂纹扩展，沿着横截面分为两部分，此时的外加应力为断裂强度。加应力为断裂强度。即即 Ln=2 (c/r0)1/2=th=(s E/r0)1/2断裂强度断裂强度 f=(s E/4c)1/2考虑裂纹尖端

11、的曲率半径是一个变数，即不等于考虑裂纹尖端的曲率半径是一个变数，即不等于r0，其一般式为：，其一般式为：f=y(s E/c)1/2y是裂纹的几何（形状）因子。是裂纹的几何（形状）因子。(3)应力集中强度理论应力集中强度理论第17页，本讲稿共119页裂纹模型根据固体的受力状态和形变方式，分为三种裂纹模型根据固体的受力状态和形变方式，分为三种基本的裂纹模型，其中最危险的是张开型，一般在计基本的裂纹模型，其中最危险的是张开型，一般在计算时，按最危险的计算。算时，按最危险的计算。张开型张开型错开型错开型撕开型撕开型（1）裂纹模型裂纹模型3.2.2 Griffith微裂纹脆断理论微裂纹脆断理论第18页，

12、本讲稿共119页 (a)(b)(C)(d)(a)平板受力状态平板受力状态 (b)预先开有裂纹的平板受力状态预先开有裂纹的平板受力状态 (c)恒位移式裂纹扩展恒位移式裂纹扩展 (d)恒应力式裂纹扩展恒应力式裂纹扩展裂纹失稳扩展导致材料断裂的必要条件是：在裂裂纹失稳扩展导致材料断裂的必要条件是：在裂纹扩展中，系统的自由能必须下降。纹扩展中，系统的自由能必须下降。2(C+dC)d 2C 2(C+dC)（2）裂纹扩展的判据裂纹扩展的判据第19页，本讲稿共119页(c)、(d)与与(b)状态相比，自由能发生了三项变化：状态相比，自由能发生了三项变化：裂纹扩展弹性应变能的变化裂纹扩展弹性应变能的变化dUE

13、；裂纹扩展新生表面所增加的表面能裂纹扩展新生表面所增加的表面能dUS=4dC s；外力对平板作功外力对平板作功dUW。两个状态与两个状态与(b)相比自由能之差分别为：相比自由能之差分别为：UCUB=dUE dUS dUW和和UDUB=dUE dUS dUW裂纹失稳而扩展的能量判据裂纹失稳而扩展的能量判据:dUW-dUE dUS 或或 d (UW UE)/C dUs/C即：d (UW UE)4dC sMJLN2C2(C+dC)应变应变应应力力OK第20页，本讲稿共119页在恒应力状态在恒应力状态(d)下，外力作功：下，外力作功：UW=P 说明：说明：外力作功一半被吸收成为平板的弹性应变能，另一外

14、力作功一半被吸收成为平板的弹性应变能，另一半支付裂纹扩展新生表面所需的表面能，半支付裂纹扩展新生表面所需的表面能，外力作功平板中储存的外力作功平板中储存的弹性应变能：弹性应变能：UE=2P 有有 UE=UW/2第21页，本讲稿共119页由裂纹扩展的条件：由裂纹扩展的条件：(UW UE)/C US/C及UE=UW/2 得 UE/C US/C结论：结论：在恒应力状态下，弹性应变能的增量大于扩在恒应力状态下，弹性应变能的增量大于扩展单位裂纹长度的表面能增量时，裂纹失稳扩展。展单位裂纹长度的表面能增量时，裂纹失稳扩展。结论：结论：弹性应变能释放率弹性应变能释放率 UE/C等于或大于裂纹等于或大于裂纹扩

15、展单位裂纹长度所需的表面能增量扩展单位裂纹长度所需的表面能增量 US/C，裂纹失稳而扩展。裂纹失稳而扩展。在恒位移状态下，外力不作功，所以，在恒位移状态下，外力不作功，所以，UW=0得裂纹扩展的条件：得裂纹扩展的条件：-UE/C US/C第22页，本讲稿共119页GriffithGriffith提出的关于裂纹扩展的提出的关于裂纹扩展的提出的关于裂纹扩展的提出的关于裂纹扩展的能量判据能量判据能量判据能量判据弹性应变能的变化率弹性应变能的变化率弹性应变能的变化率弹性应变能的变化率 U UE E/C C等于或大于裂纹扩展单位裂等于或大于裂纹扩展单位裂等于或大于裂纹扩展单位裂等于或大于裂纹扩展单位裂纹

16、长度所需的表面能增量纹长度所需的表面能增量纹长度所需的表面能增量纹长度所需的表面能增量 U US S/C C，裂纹失稳而扩展。，裂纹失稳而扩展。，裂纹失稳而扩展。，裂纹失稳而扩展。第23页，本讲稿共119页根据根据Griffith能量判据计算材料能量判据计算材料断裂强度（临界应力）断裂强度（临界应力）外力作功，单位体积内储存弹性应变能：外力作功，单位体积内储存弹性应变能：W=UE/AL=（1/2）P L/A L =（1/2）=2/2E设平板的厚度为设平板的厚度为1个单位，半径为个单位，半径为C的裂纹其弹性应变的裂纹其弹性应变能为：能为：UE=W 裂纹的体积裂纹的体积=W （C21）=C2 2/

17、2E（3）断裂强度（临界应力）的计算）断裂强度（临界应力）的计算第24页，本讲稿共119页平面应力状态下扩展单位长度的微裂纹释放应变能为：平面应力状态下扩展单位长度的微裂纹释放应变能为：dUE/dC=C 2/E（平面应力条件）（平面应力条件）或或 dUE/dC=(1 2)C 2/E （平面应变条（平面应变条件）件）由于扩展单位长度的裂纹所需的表面能为：由于扩展单位长度的裂纹所需的表面能为：US/C=2 s断裂强度（临界应力）的表达式：断裂强度（临界应力）的表达式：f=2E s/C1/2（平面应力条件）（平面应力条件）f=2E s/(1 2)C1/2 （平面应变条（平面应变条件）件）第25页，本

18、讲稿共119页弹性模量弹性模量E：取决于材料的组分、晶体的结构、气孔。：取决于材料的组分、晶体的结构、气孔。对其他显微结构较不敏感。对其他显微结构较不敏感。断裂能断裂能 f：不仅取决于组分、结构，在很大程度上：不仅取决于组分、结构，在很大程度上受到微观缺陷、显微结构的影响，是一种织构敏感参受到微观缺陷、显微结构的影响，是一种织构敏感参数数,起着断裂过程的阻力作用。起着断裂过程的阻力作用。裂纹半长度裂纹半长度c：材料中最危险的缺陷，其作用在于导：材料中最危险的缺陷，其作用在于导致材料内部的局部应力集中，是断裂的动力因素。致材料内部的局部应力集中，是断裂的动力因素。（4）控制强度的三个参数控制强度

19、的三个参数第26页，本讲稿共119页 断裂能断裂能热力学表面能：热力学表面能：固体内部新生单位原子面所吸收的能量。固体内部新生单位原子面所吸收的能量。塑性形变能：塑性形变能：发生塑变所需的能量。发生塑变所需的能量。相变弹性能：相变弹性能：晶粒弹性各向异性、第二弥散质点的可逆相变等晶粒弹性各向异性、第二弥散质点的可逆相变等特性，在一定的温度下，引起体内应变和相应的内应力。结果特性，在一定的温度下，引起体内应变和相应的内应力。结果在材料内部储存了弹性应变能。在材料内部储存了弹性应变能。微裂纹形成能：微裂纹形成能：在非立方结构的多晶材料中，由于弹性和热在非立方结构的多晶材料中，由于弹性和热膨胀各向异

20、性，产生失配应变，在晶界处引起内应力。当应变膨胀各向异性，产生失配应变，在晶界处引起内应力。当应变能大于微裂纹形成所需的表面能，在晶粒边界处形成微裂纹。能大于微裂纹形成所需的表面能，在晶粒边界处形成微裂纹。第27页，本讲稿共119页径向裂纹径向裂纹侧向裂纹侧向裂纹残余应力残余应力材料表面受材料表面受研磨粒子损研磨粒子损伤后形成的伤后形成的裂纹裂纹工艺缺陷工艺缺陷工艺缺陷包括大孔洞、大晶粒、夹杂物等，形成于材料制工艺缺陷包括大孔洞、大晶粒、夹杂物等，形成于材料制备过程中。与原料的纯度、颗粒尺寸、粒度的分布、颗粒备过程中。与原料的纯度、颗粒尺寸、粒度的分布、颗粒形貌等有关。形貌等有关。裂纹的形成裂

21、纹的形成表面裂纹：一个硬质粒子（如研磨粒子）受到力表面裂纹：一个硬质粒子（如研磨粒子）受到力P的作用的作用而穿入脆性固体的表面，可能引起局部屈服，塑性形变造而穿入脆性固体的表面，可能引起局部屈服，塑性形变造成的残余应力将激发出表面裂纹。成的残余应力将激发出表面裂纹。形成于表面加工（切割、研磨、抛光）或粒子冲刷过程。形成于表面加工（切割、研磨、抛光）或粒子冲刷过程。第28页，本讲稿共119页例例1：由坯釉热膨胀系数不同引起。上釉陶瓷：由坯釉热膨胀系数不同引起。上釉陶瓷:釉的热釉的热膨胀系数：膨胀系数：1；坯体的热膨胀系数：；坯体的热膨胀系数：2坯受较强的拉力作用坯受较强的拉力作用釉被拉离坯面釉被

22、拉离坯面 1 2 1 2 釉受较大拉力的作用釉受较大拉力的作用发生龟裂或坯向内侧弯曲发生龟裂或坯向内侧弯曲 第29页，本讲稿共119页陶瓷的无釉坯料与上釉坯料的抗弯强度陶瓷的无釉坯料与上釉坯料的抗弯强度陶瓷的种类无釉坯料(kg/cm2)上釉坯料(kg/cm2)粘土质绝缘子735910滑石瓷绝缘子13301715粘土质化学瓷840925锆英石质化学瓷17402100瓷砖672861硬质瓷364490第30页，本讲稿共119页上釉上釉NaOBaOAl2O3SiO2系微晶玻璃的抗弯强度系微晶玻璃的抗弯强度热膨胀系数(03000oC)10-7/oC热膨胀系数差上釉温度 (oC)抗弯强度(kg/cm2)

23、坯料釉114.16549.110303520114.18133.11030140096.86531.81030260096.88115.81050140096.84056.81100274091.26526.21030316091.28110.21050126088.66523.610302810107.56542.510303020第31页，本讲稿共119页固定支座对膨胀的约束固定支座对膨胀的约束自由膨胀自由膨胀T0 L0T L0+L（a)(b)有下列关系：有下列关系：=E(-L/L)=E(TTo)T E基体基体夹杂物脱离基夹杂物脱离基体，形成空洞体，形成空洞形成与张应力形成与张应力平行的微

24、裂纹平行的微裂纹形成与张应力形成与张应力垂直的微裂纹垂直的微裂纹基体的切向应力引起切向裂基体的切向应力引起切向裂纹纹,最危险最危险 导致断裂的几率较小导致断裂的几率较小 高断裂几率高断裂几率 高断裂几率危险条件高断裂几率危险条件径向热拉径向热拉应力引起应力引起夹杂物类夹杂物类似于楔子似于楔子夹杂物在夹杂物在张应力的张应力的作用下发作用下发生拉伸生拉伸临界和亚临界夹杂物断裂临界和亚临界夹杂物断裂最危险最危险条件条件第40页，本讲稿共119页位错运动对材料断裂有两方面的作用：位错运动对材料断裂有两方面的作用：引起塑性形变，导致应力松弛和抑制裂纹扩引起塑性形变，导致应力松弛和抑制裂纹扩展；展；位错运

25、动受阻，导致应力集中和裂纹成核。位错运动受阻，导致应力集中和裂纹成核。例如：位错塞积群的前端，可产生使裂纹开裂的例如：位错塞积群的前端，可产生使裂纹开裂的应力集中。应力集中。例例7：位错型缺陷引起微裂纹位错型缺陷引起微裂纹第41页，本讲稿共119页1.位错塞积模型位错塞积模型第42页，本讲稿共119页第43页，本讲稿共119页 滑移带的前端有障碍物，领先位错到达时，受阻滑移带的前端有障碍物，领先位错到达时，受阻而停止不前；而停止不前；相继释放出来的位错最终导致位错源的封闭；相继释放出来的位错最终导致位错源的封闭；在障碍物前形成一个位错塞积群，导致裂纹成核。在障碍物前形成一个位错塞积群，导致裂纹

26、成核。第44页，本讲稿共119页2.位错反应模型位错反应模型第45页，本讲稿共119页（110）（100）（110）第46页，本讲稿共119页设：平板为无限大的薄板设：平板为无限大的薄板A点处的点处的 r ，即裂纹为扁平的锐裂纹，即裂纹为扁平的锐裂纹 ，裂纹尖端局部（，裂纹尖端局部（x=0，y=0）的应力：）的应力：Ln=2 (c/)1/2 和和 Ln=yy=K1/(2 r)1/2得得 K1=(2 r)1/2 yy=2(2 r)1/2/1/2 c 1/2 =Y c 1/2定义：张开裂纹模型的应力强度因子为：定义：张开裂纹模型的应力强度因子为：K1 =Y c 1/2说明：说明：Y是与裂纹模型和加

27、载状态及试样形状有关的无是与裂纹模型和加载状态及试样形状有关的无量纲几何因子，与应力场的分布无关，用之以描述裂纹量纲几何因子，与应力场的分布无关，用之以描述裂纹尖端的应力场参量。尖端的应力场参量。对于无限宽板中的穿透性裂纹对于无限宽板中的穿透性裂纹 Y=1/2（2）应力强度因子应力强度因子第48页，本讲稿共119页（3）断裂韧性）断裂韧性临界应力强度因子临界应力强度因子K1C ：当：当K1随着外应力增大到某一临随着外应力增大到某一临界值，裂纹尖端处的局部应力不断增大到足以使原子键界值，裂纹尖端处的局部应力不断增大到足以使原子键分离的应力分离的应力 f，此时，裂纹快速扩展并导致试样断裂。，此时，

28、裂纹快速扩展并导致试样断裂。K1c =f（c)由由 f=（2E s/c)1/2得：得：K1c =（2E s)1/2断裂韧性参数断裂韧性参数(K1c)：是材料固有的性能，也是材料的是材料固有的性能，也是材料的组成和显微结构的函数组成和显微结构的函数,是材料抵抗裂纹扩展的阻力因是材料抵抗裂纹扩展的阻力因素。与裂纹的大小、形状以及外力无关。随着材料的素。与裂纹的大小、形状以及外力无关。随着材料的弹性模量和断裂能的增加而提高，弹性模量和断裂能的增加而提高，第49页，本讲稿共119页经典强度理论与断裂力学强度理论的比较经典强度理论与断裂力学强度理论的比较 经典强度理论经典强度理论 断裂强度理论断裂强度理

29、论断裂准则：f/n K1=（c)K1c 有一构件，实际使用应力为有一构件，实际使用应力为1.30GPa,有下列两种钢供有下列两种钢供选：选：甲钢：甲钢：f=1.95GPa,K1c=45Mpam 12 乙钢：乙钢：f=1.56GPa,K1c=75Mpam 12 传统设计：甲钢的安全系数传统设计：甲钢的安全系数:1.5，乙钢的安全系数乙钢的安全系数 1.2断裂力学观点：断裂力学观点：最大裂纹尺寸为最大裂纹尺寸为1mm,Y=1.5 甲钢的断裂应力为甲钢的断裂应力为:1.0GPa 乙钢的断裂应力为乙钢的断裂应力为:1.67GPa第50页，本讲稿共119页3.2.4 应变能释放率与应力强度因子的关系应变

30、能释放率与应力强度因子的关系说明：应变能释放率与应力强度因子之间有着密切说明：应变能释放率与应力强度因子之间有着密切联系，即两者都是裂纹扩展的动力。联系，即两者都是裂纹扩展的动力。当当 dUE/dC=K1 2/E （dUE/dCC=K1C 2/E(临界临界应变能释放率）时，裂纹发生扩展。应变能释放率）时，裂纹发生扩展。当当 dUE/dC（dUE/dC）C (临界应变能释放率）临界应变能释放率）时，裂纹处于稳定状态。时，裂纹处于稳定状态。平面应力状态下的应变能释放为：平面应力状态下的应变能释放为：dUE/dC=C 2/E=K1 2/E平面应变状态时：平面应变状态时：dUE/dC=（1 2)K1

31、2/E第51页，本讲稿共119页 ij=K1/(2 r)1/2f ij()rC处，弹性应力非常大，处，弹性应力非常大，且在且在r 2000oC温度温度强强度度ABCTAB TBC材料的脆塑性温度取决于多种因素。如：第二相物质、晶界杂质材料的脆塑性温度取决于多种因素。如：第二相物质、晶界杂质第55页，本讲稿共119页(1)晶粒的尺寸晶粒的尺寸 f =KGg-a f =M+KGg-1/22.显微结构显微结构(2)气孔气孔 f =0e-bp (3)晶相晶相 第56页，本讲稿共119页3.3.陶瓷的工艺过程陶瓷的工艺过程陶瓷的工艺过程陶瓷的工艺过程陶瓷制备的工艺过程陶瓷制备的工艺过程干干燥燥母盐的种类

32、母盐的种类沉淀的生成沉淀的生成杂质杂质干燥干燥热分解煅烧热分解煅烧粉碎粉碎添加剂添加剂原料制备工艺原料制备工艺混混合合煅煅烧烧粉粉碎碎造造粒粒成成型型烧烧结结 烧结后烧结后 处理处理烧成气氛烧成气氛 热热 压压干干法法湿湿法法干干法法湿湿法法干干法法湿湿法法干干燥燥干干燥燥第57页，本讲稿共119页 原料制备工艺原料制备工艺 混混 合合 煅煅 烧烧 粉粉 碎碎 造造 粒粒 成成 型型烧烧结结之之前前工工艺艺烧烧成成工工艺艺 固固 相相 反反 应应烧成时间、温度烧成时间、温度 烧烧 成成 气气 氛氛 热热 压压 添添 加加 剂剂陶瓷强度陶瓷强度烧结体中的气孔烧结体中的气孔 （高致密化）（高致密化

33、）控制晶粒生长控制晶粒生长烧成后处理烧成后处理第58页，本讲稿共119页前期因素内在因素外界因素本质的次要的母盐的种类晶粒大小杂质种类添加剂的种类数量母盐的制备条件颗粒大小杂质数量粉碎处理母盐的分解温度颗粒分布结构缺陷高能照射母盐的分解时间颗粒形状结构畸变超声波处理煅烧温度表面状态形态的稳定性储藏气氛煅烧时间表面能成型方法压力扩散系数烧结温度时间粘度升温速度降温速度转变点炉内压力气氛 影响固相烧结的因素影响固相烧结的因素第59页，本讲稿共119页3.4.1 概述概述塑性形变是位错（微观缺陷）运动的结果，说明实际塑性形变是位错（微观缺陷）运动的结果，说明实际晶体在远低于理想晶体的屈服强度的应力下

34、，发生塑晶体在远低于理想晶体的屈服强度的应力下，发生塑性形变。性形变。断裂力学说明材料的断裂是裂纹（宏观缺陷）扩展的断裂力学说明材料的断裂是裂纹（宏观缺陷）扩展的结果。实际晶体在远低于理论强度的应力下，发生断结果。实际晶体在远低于理论强度的应力下，发生断裂。裂。两者有相似之处、差异、和相关点。两者有相似之处、差异、和相关点。断裂与塑性形变的比较断裂与塑性形变的比较3.4 无机材料的断裂过程无机材料的断裂过程第60页，本讲稿共119页 张应力张应力作用下作用下的裂纹的裂纹扩展和扩展和切应力切应力下的位下的位错运动错运动相同点：相同点：裂纹和位错的前端都将晶体划分为已断裂（滑移）和未裂纹和位错的前

35、端都将晶体划分为已断裂（滑移）和未发生变化的两部分。发生变化的两部分。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：不同点：裂纹扩展使原子键永久性的撕开，位错运动之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。后，断开的原子键随即重新愈合。第61页，本讲稿共119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；量状态，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，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

36、不连续区域使其能量降低；在能量较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，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。续区域。3.4.2 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。第62页，本讲稿共119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

37、、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第63页，本讲稿共119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第64页，本讲稿共119页（1）亚临界裂纹扩

38、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。料的裂纹扩展取决于温度、应力和环境介质。材料处于稳态。材料处于稳态。3.4.3 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亚临界裂纹扩展速率与应力强度因子的关系系 其典型关系式：其典型关系式：V=AK1n第65页，本讲稿共119页特点：特点：几乎所有材料都有一个几乎所有材料都有一个不发生亚临界裂纹扩不发生亚临界裂纹扩展的应力强度因子低展的应力强度因子低限值限值K0。超过低限值，超过低限值，V与与K1n总是呈正比

39、，其中，总是呈正比，其中，n是与机理相关的常数。是与机理相关的常数。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第66页，本讲稿共119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。（

40、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。第67页，本讲稿共119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裂纹生长速率几乎与应力无关，此时裂纹生长速力无关，此时裂纹生长速率取决于率取决于OH-离子向裂纹离子向裂纹尖端迁移的速率。尖端迁移的速率。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，的增大而呈指数的增长，与水气含量

41、无关，裂纹生与水气含量无关，裂纹生长受到玻璃的化学组分和长受到玻璃的化学组分和结构的控制。结构的控制。K1（Nm-3/2105)V （ms-1）IIIIII水水气气含含量量第68页，本讲稿共119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第69页，本讲稿共119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

42、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。第70页，本讲稿共119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

43、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，始滑移并发射位错，在其露出晶面之前，发生交滑移，交滑移源发出的位错被送回到裂纹尖端，位错应力场的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端的应力提高，结果在作用使裂纹尖端的应力提高，结果在K1K0的条件下发的条件下发生了亚临界裂纹扩展。生了亚临界裂纹扩展。裂纹尖端附近切应变的激活，位错从晶界处的源出发，在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另滑移面取向合适的情

44、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。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，也可是位（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。）错前进的障碍。）第71页，本讲稿共119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流动，晶界处的气孔、夹杂物

45、、及结构缺陷逐变或粘性流动，晶界处的气孔、夹杂物、及结构缺陷逐渐长大，形成空腔，空腔进一步沿晶界方向长大、连通渐长大，形成空腔，空腔进一步沿晶界方向长大、连通形成次裂纹，与主裂纹汇合形成裂纹的缓慢扩展。形成次裂纹，与主裂纹汇合形成裂纹的缓慢扩展。第72页，本讲稿共119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K1V14000C 13500C 13000C 12500C 12000Cn=10低速区低速区n=50高速区高速区第73页，本讲稿共119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

46、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温度温度第74页，本讲稿共119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，

47、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。第75页，本讲稿共119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

48、，即有高能量的点阵，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动。借助于热激活作用，裂纹尖端有可能产生移动。第76页，本讲稿共119页3.4.4 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

49、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。第77页，本讲稿共119页 原子键断裂模型原子键断裂模型第78页，本讲稿共119页 3.5 断裂理论在材料中的应用断裂理论在材料中的应用 材料工作者应致力于提高材料的材料工作者应致力于提高材料的 f和和K1c以提高其抵抗以提高其抵抗破坏能力的系统材料的研制，以及为减小导致材料失破坏能力的系统材料的研制，以及为减小导致

50、材料失效的动力效的动力K1的工程设计。的工程设计。断裂理论阐明裂纹尖端区域的应力强度因子断裂理论阐明裂纹尖端区域的应力强度因子K1是是裂纹扩展导致材料断裂的动力；裂纹扩展导致材料断裂的动力；材料固有的临界应力强度因子材料固有的临界应力强度因子K1c是裂纹扩展的阻是裂纹扩展的阻力；力；断裂强度断裂强度 f是材料的临界应力因子所对应的临界应是材料的临界应力因子所对应的临界应力。力。一个理想材料构件的建立包括材料的研制、构件一个理想材料构件的建立包括材料的研制、构件的设计、寿命的检测等一系列过程。的设计、寿命的检测等一系列过程。第79页，本讲稿共119页生产和使用于工程生产和使用于工程材料科学材料科