金属材料强度24上课讲义.ppt

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1、金属材料强度24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

2、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接上表（1）亚临界裂纹扩展在受到低于临界应力的作用状态下，脆性材料的裂纹扩展取决于温度、应力和环境介质。材料处于稳态。2.4.3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其典型关系式：V=AK1n特点：几乎所有材料都有一个不发生亚临界裂纹扩展的应力强度因子低限值K0。超过低限值，V与K1n总是呈正比，其中，n是与机理相关的常数。恒速裂纹扩展区。快速裂纹扩展区。裂纹扩展速率曲线LogVIIIIIIK01）环境介质的作用(应力腐蚀）引

3、起裂纹的扩展玻璃在含有OH-介质中的亚临界裂纹扩展机理:OH-对裂纹的强化作用有：吸附导致键强的下降；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。（3）亚临界裂纹扩展机理例如：在含水气不同的N2气氛中，玻璃Na2O－CaO－SiO2的亚临界裂纹扩展。裂纹生长的主要原因是应力促进了水与玻璃的化学反应，生长速率受反应速率所控制。裂纹生长速率几乎与应力无关，此时裂纹生长速率取决于OH-离子向裂纹尖端迁移的速率。裂纹生长的速率又随K1的增大而呈指数的增长，与水气含量无关，裂纹生长受到玻璃的化学组分和结构

4、的控制。K1（Nm-3/2×105)V（ms-1）IIIIII水气含量K1V钠钙玻璃硼硅玻璃硅玻璃铝硅玻璃化学组成和结构对玻璃区域III亚临界裂纹扩展的影响V（ms-1）K1（Nm-3/2×105)SiC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SiC发生如下反应:2SiC+3O2=2SiO2+2CO过程包括：氧离子通过氧化层传递至裂纹尖端；氧离子的吸附，SiCSiO2的反应；CO从反应区离去；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。其形成的组分中含有硅酸盐晶

5、界薄层。2）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，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端的应力提高，结果在K1

6、处的裂纹扩展次裂纹主裂纹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。例如热压Si3N4的塑性效应控制亚临界裂纹扩展K1V度速纹裂14000C13500C13000C12500C12000Cn=10低速区n=50高速区通过激活能的计算，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

7、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。高温区断裂韧性增大，原因：塑性效应导致应力松弛.热压Si3N4的K1C随温度变化的曲线K1C温度3）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。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密化。+－裂纹扩展速率2K1Al2O3多晶裂纹扩展和K1的变化规律当有外加张应力作用时，裂纹愈合速度很快消失。随着应力的提高，空位从裂纹尖端扩散离去的速率下降，在较大的应力作用下，出现裂纹扩展。4）热激活键撕裂作

8、用引起裂纹扩展裂纹尖端晶格点阵的非连续性，即有高能量的点阵，借助于热激活作用，裂纹尖端有可能产生移动。2.4.4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，此时K1的数值也随着裂纹的扩展增长到K1c的数值。至此裂纹的扩展从稳态转入动态，出现快速断裂。