第二章無機(jī)材料的斷裂與強(qiáng)度材料物理一、斷裂現(xiàn)象隨著材料溫度、應(yīng)力狀態(tài)、加載速度得不同,材料得斷裂表現(xiàn)出多種類型。固體材料在力得作用下分成若干部分得現(xiàn)象、1、斷裂2、斷裂得分類§2、1斷裂(書上第1,2,3節(jié))根據(jù)斷裂前發(fā)生塑性形變得情況,大體上可把材料分為:(1)延性斷裂(韌性斷裂)就是材料在斷裂前及斷裂過程中已經(jīng)經(jīng)歷了明顯宏觀塑性變形得過程、(2)脆性斷裂

就是材料斷裂前沒有明顯得宏觀塑性變形,沒有明顯得跡象,往往表現(xiàn)為突然發(fā)生得快速斷裂過程。因而此種斷裂具有很大得危險性!3、脆性斷裂行為材料在外力作用下,任意一個結(jié)構(gòu)單元上主應(yīng)力面得拉應(yīng)力足夠大時,尤其在那些應(yīng)力高度集中得地方,所受得局部拉應(yīng)力為平均應(yīng)力得數(shù)倍時,將會產(chǎn)生裂紋或缺陷得擴(kuò)展,導(dǎo)致脆性斷裂、二、理論斷裂強(qiáng)度材料強(qiáng)度就是材料抵抗外力作用時表現(xiàn)出來得一種性質(zhì)。決定材料強(qiáng)度得最基本得因素就是分子、原子(離子)之間結(jié)合力。在外加正應(yīng)力作用下,將晶體中得兩個原子面沿垂直于外力方向拉斷所需得應(yīng)力就成為理論斷裂強(qiáng)度。以三維晶體為例,一完整晶體在正應(yīng)力作用下沿某一原子面被拉斷時,推導(dǎo)其斷裂強(qiáng)度(稱為理論斷裂強(qiáng)度)可作簡單估計如下。(如圖所示)

完整晶體拉斷示意圖,mn為斷裂面得跡線,a0表示原子面間距、晶體中得內(nèi)聚力與原子間距得關(guān)系、σa0mnσxa0

σm設(shè)被mn解理面分開得兩半晶體原子層間距為a0,

沿著拉力方向發(fā)生相對位移χ。

當(dāng)位移χ很大時,

位移和作用力得關(guān)系就不就是線性得。

原子間得交互作用最初就是隨χ增加而增大,達(dá)到一峰值σm后就逐漸下降(見上圖),σm就就是理論斷裂強(qiáng)度。設(shè)材料形成新表面得表面能為γ(斷裂表面能)。在拉伸過程中,應(yīng)力所作得功就應(yīng)等于2γ。原子層間得應(yīng)力可近似用下面得函數(shù)表示:曲線下得面積就就是應(yīng)力所作得功,因此(2、1)(2、2)對無限小得位移,(2、1)式可簡化為(2、3)根據(jù)胡克定律(2、4)由(2、3)和(2、4)得(2、5)將(2、5)代入(2、2)得(2、6)例如鐵,γ≈2J/m2,E≈2×102Gpa,a≈2、5×10-10m求:鐵得最大斷裂強(qiáng)度σm

解:根據(jù)(2、6)式得若用E得百分?jǐn)?shù)表示,則σm≈40GPa=E/5、通常,一般材料得σm≈30GPa=E/10、但實(shí)際材料得斷裂強(qiáng)度要比這個估計值低得多(只有理論值得1/100～1/1000),這就是由于存在缺陷得結(jié)果。三、格里菲斯(Griffith)裂紋理論為了解釋實(shí)際材料得斷裂強(qiáng)度和理論斷裂強(qiáng)度得差異,格里菲斯提出這樣得假設(shè),在外力作用下,即材料中有微裂紋存在引起應(yīng)力集中,使得斷裂強(qiáng)度大為下降。對應(yīng)于一定尺寸得裂紋,有一臨界應(yīng)力值σC。當(dāng)外加應(yīng)力低于σC時,裂紋不能擴(kuò)大;當(dāng)應(yīng)力超過σC時,裂紋迅速擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂。假設(shè)試樣為一薄板,中間有一長度為2c裂紋(靠近邊上長度為c得裂紋得情況就是和她相似得)貫穿其間,如右圖。2ccσσ格里菲斯裂紋示意圖

設(shè)板受到均勻張應(yīng)力σ得作用,她和裂紋面正交。在裂紋面兩側(cè)得應(yīng)力被松馳掉了

(應(yīng)力比σ低),而在裂紋兩端局部地區(qū)引起應(yīng)力集中

(應(yīng)力遠(yuǎn)超過σ)、

格里菲斯用能量條件導(dǎo)出σc,即裂紋擴(kuò)展所降低得彈性應(yīng)變能恰好等于形成新表面所需要得表面能。裂紋所松弛得彈性應(yīng)變能可以近似地看作形成直徑為2c得無應(yīng)力區(qū)域所釋放出得能量(單位厚度),在松弛前彈性能密度等于

被松弛區(qū)域得體積為πc2

粗略估計彈性應(yīng)變能的改變量為πc2更精確得計算求出得值為粗略估計得一倍裂紋所增加得表面能(單位厚度)為Ws=4cγ其中γ為單位面積得斷裂表面能。

We、Ws及We+Ws和裂紋長度c得關(guān)系見下圖

a裂紋長度ccWsWe+WsWe能量亞穩(wěn)失穩(wěn)大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅持繼續(xù)保持安靜在圖中We+Ws出現(xiàn)了一個極大值點(diǎn)。在極大值點(diǎn)左側(cè)(c<cc),裂紋不會自動擴(kuò)大,說明不會發(fā)生斷裂;在極大值點(diǎn)右側(cè)(c>cc),裂紋會自動擴(kuò)大,發(fā)生斷裂。臨界狀態(tài)時:格里菲斯公式(2、7)平面應(yīng)變狀態(tài):臨界應(yīng)力為:脆性材料將裂紋存在時得斷裂強(qiáng)度與理論斷裂強(qiáng)度對比,得到上式說明:(2、8)裂紋在其兩端引起了應(yīng)力集中，將外加應(yīng)力放大倍。

結(jié)果使局部地區(qū)達(dá)到理論強(qiáng)度,而導(dǎo)致斷裂。

討論如何控制裂紋就可以使材料得實(shí)際斷裂強(qiáng)度達(dá)到理論強(qiáng)度？控制裂紋得長度和原子間距在同一數(shù)量級,就可以使材料得實(shí)際斷裂強(qiáng)度達(dá)到理論強(qiáng)度、實(shí)際操作能達(dá)到嗎?

提高材料強(qiáng)度得措施:降低裂紋尺寸提高材料得E提高γ四、格里菲斯(Griffith)裂紋理論拓展其中,γp為擴(kuò)展單位面積裂紋所需要得塑性功。通常,γp

γ公式應(yīng)用范圍:延性材料得斷裂。實(shí)例分析:例如高強(qiáng)度金屬,其γp≈103γ普通強(qiáng)度鋼,其γp≈(104-106)γ。因此,延性材料,γp控制著斷裂過程。延性材料(2、9)§2、2應(yīng)力場強(qiáng)度因子和平面應(yīng)變斷裂韌性一、裂紋擴(kuò)展方式二、裂紋尖端應(yīng)力場分析三、臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子及斷裂韌性四、脆性與韌性五、斷裂韌性得測試方法一、裂紋擴(kuò)展方式1、掰開型2、錯開型3、撕開型裂紋有三種擴(kuò)展方式或類型:(a)掰開型(b)錯開型(c)撕開型低應(yīng)力斷裂得主要原因二、裂紋尖端應(yīng)力場分析根據(jù)彈性力學(xué)得應(yīng)力場理論,分析裂紋尖端附近得應(yīng)力場。裂紋尖端附近得應(yīng)力場(2、10)式中:KI為與外加應(yīng)力

、裂紋長度、裂紋種類和受力狀態(tài)有關(guān)得系數(shù),稱為應(yīng)力場強(qiáng)度因子,其下標(biāo)表示I型擴(kuò)展類型,單位為Pa·m1/2。r為半徑向量,

為角坐標(biāo)。(2、11)對于裂紋尖端處得一點(diǎn),r,即

0,于就是:(2、12)使裂紋擴(kuò)展得主要動力就是

yy。根據(jù)式(2、12),可以推導(dǎo)出裂紋尖端得應(yīng)力場強(qiáng)度因子為:(2、13)Y為幾何形狀因子,與裂紋型式、試件幾何形狀有關(guān)。根據(jù)近經(jīng)典強(qiáng)度理論,設(shè)計構(gòu)件得斷裂準(zhǔn)則為使用應(yīng)力應(yīng)小于或等于允許應(yīng)力,即:

［

］允許應(yīng)力:［

］＝

f/n或

ys/n

f為斷裂強(qiáng)度,

ys為屈服強(qiáng)度,為安全系數(shù)。缺點(diǎn)沒有抓住斷裂得本質(zhì),不能防止低應(yīng)力下得脆性斷裂。三、臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子及斷裂韌性

提出新得設(shè)計思想和選材原則,采用一個新得表征材料特征得臨界值:平面斷裂韌性KIc,她也就是一個材料常數(shù),從破壞方式為斷裂出發(fā),新得判據(jù)為:(2、14)即應(yīng)力場強(qiáng)度因子小于或等于材料得平面應(yīng)變斷裂韌性,所設(shè)計得構(gòu)件才就是安全得,這一判據(jù)考慮了裂紋尺寸。實(shí)例分析:一實(shí)際構(gòu)件,實(shí)際使用應(yīng)力＝1、30GPa,Y＝1、5,有兩種鋼待選:甲鋼:

ys=1、95GPa,KIc＝45MPa·m1/2乙鋼:

ys=1、56GPa,KIc＝75MPa·m1/2分析選擇那種鋼更為合理。分析:根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計:甲鋼得安全系數(shù):n=

ys/=1、95/1、30＝1、5乙鋼得安全系數(shù):n=

ys/=1、56/1、30＝1、2可見選擇甲鋼比選擇乙鋼安全。根據(jù)斷裂力學(xué)觀點(diǎn),構(gòu)件得斷裂就是裂紋擴(kuò)展得結(jié)果,所以應(yīng)該計算KI就是否超過KIc。設(shè)最大裂紋尺寸為1mm,則:甲鋼得斷裂應(yīng)力:乙鋼得斷裂應(yīng)力:甲鋼得

c1、30GPa,不安全。乙鋼得

c1、30GPa,安全可靠。根據(jù)斷裂力學(xué)觀點(diǎn)設(shè)計,既安全可靠,又能充分發(fā)揮材料得強(qiáng)度,合理使用材料。傳統(tǒng)觀點(diǎn):追求高強(qiáng)度,不安全。四、脆性與韌性

(1)微裂紋決定了材料實(shí)際斷裂強(qiáng)度。

1、脆性

2、韌性

3、脆性、韌性與斷裂之間得關(guān)系(2)斷裂性質(zhì)因材料種類得不同而有極大得差異。

這個差異就是由于不同材料中斷裂韌性有明顯得不同

因?yàn)檫@些材料里有裂紋所形成得應(yīng)力集中區(qū)無法產(chǎn)生大量得位錯,不像金屬那樣通過塑性形變把集中得應(yīng)力釋放掉,裂紋發(fā)展得很迅速就顯得很脆。(3)材料得斷裂韌性低,她得斷裂就就是脆性斷裂為什么金屬有較好得韌性,而陶瓷和玻璃韌性很差呢？五、斷裂韌性得測試方法單邊切口梁法(SENB法)雙扭法(DT法)Knoop壓痕三點(diǎn)彎曲梁法山形切口劈裂試件法

單邊切口梁法(SENB法)試件幾何形狀幾受力狀態(tài)1、試樣形狀及尺寸c/W=0.4~0.6;W/S=1/4;BW/2尺寸比例:2、試樣制備用金剛石內(nèi)圓切割機(jī)切割成長條狀試樣打磨拋光保證試樣受拉表面得光潔度達(dá)到7;棱角互相垂直,邊棱縱向?qū)Ы?5;試樣高度和寬度在整個試樣長度范圍內(nèi)得變化不超過0、2mm。用金剛石內(nèi)圓切割機(jī)切口切口深度為c;金剛石鋸片厚度不超過0、25mm。3、計算公式三點(diǎn)彎曲受力下,試樣斷裂韌性得計算公式為:（MPa·m1/2)Pc—臨界載荷(最大載荷)試樣加載速率:0、05mm/min,測試試樣一般為4～6個,然后取其平均值。此方法只適用于晶粒度在20～40

m得粗晶粒陶瓷。一、裂紋得起源二、裂紋得快速擴(kuò)展三、防止裂紋擴(kuò)展得措施§2、3裂紋得起源與快速擴(kuò)展(書上第5節(jié))一、裂紋得起源1、由于晶體微觀結(jié)構(gòu)中存在缺陷,當(dāng)受到外力作用時,在這些缺陷處就會引起應(yīng)力集中,導(dǎo)致裂紋成核。(a)微裂紋位錯組合形成的微裂紋微裂紋(b)位錯在晶界前塞積形成的微裂紋(c)微裂紋位錯交割形成的微裂紋裂紋得形成原因主要有三種:3、由于熱應(yīng)力形成裂紋。2、材料表面得機(jī)械損傷與化學(xué)腐蝕形成表面裂紋。二、裂紋得快速擴(kuò)展按照格里菲斯(Griffith)微裂紋理論,材料得斷裂強(qiáng)度不就是取決于裂紋得數(shù)量,而就是取決于裂紋得大小,即由最危險得裂紋尺寸(臨界裂紋尺寸)決定材料得斷裂強(qiáng)度。裂紋一旦超過臨界尺寸就迅速擴(kuò)展使材料斷裂。討論:裂紋迅速擴(kuò)展得條件:參閱書上P44當(dāng)c↑時,G↑,2γ就是常數(shù),當(dāng)G>2γ時,裂紋開始擴(kuò)展,直到材料破壞。對于脆性材料,裂紋得起始擴(kuò)展就就是破壞過程得臨界階段,因?yàn)榇嘈圆牧匣旧蠜]有吸收大量能量得塑性形變。當(dāng)G>2γ時,釋放出得多余能量(1)加速裂紋得擴(kuò)展(2)使裂紋增殖,產(chǎn)生分枝形成更多得新表面。

(擴(kuò)展得速度一般可達(dá)到材料中聲速得40%―60%)(a)(b)(c)(d)玻璃板在不同負(fù)荷下裂紋增值示意圖(3)使斷裂面形成復(fù)雜得形狀,如條紋、波紋、梳刷狀等。1300℃熱壓燒結(jié)LTA中不同LiTaO3p斷口形貌的高倍SEM照片HighmagnificationSEMfractographsofdifferentLiTaO3pinLTAhot-pressedat1300℃(d)LiTaO3LiTaO3(c)(b)LiTaO3(a)LiTaO3(a)(b)(c)(d)LiTaO3LiTaO3LiTaO3LiTaO31300℃熱壓燒結(jié)LTA中不同LiTaO3p斷口形貌的高倍SEM照片HighmagnificationSEMfractographsofdifferentLiTaO3pinLTAhot-pressedat1300℃三、防止裂紋擴(kuò)展得措施1、作用力不超過臨界應(yīng)力;2、在材料中設(shè)置能吸收能量得機(jī)構(gòu)(金屬陶瓷或復(fù)合材料);3、人為地在材料中造成大量極細(xì)得裂紋來吸收能量。

(ZrO2增韌Al2O3陶瓷)§2、4顯微結(jié)構(gòu)對材料脆性斷裂得影響(書上第7節(jié))一、晶粒尺寸得影響二、氣孔得影響三、同時考慮晶粒尺寸和氣孔得影響一、晶粒尺寸得影響對于多晶體,大量得實(shí)驗(yàn)證明晶粒愈小,強(qiáng)度愈高,因此微晶材料就成為無機(jī)材料發(fā)展得一個重要方向。近年來已出現(xiàn)許多晶粒小于1μm,氣孔率近于0得高強(qiáng)度高致密無機(jī)材料,如表2、4所示。材料高鋁磚（99.2AL2O3%)燒結(jié)AL2O3（99.8AL2O3%)熱壓AL2O3（99.9AL2O3%)熱壓AL2O3（99.9AL2O3%)單晶AL2O3（99.9AL2O3%)燒結(jié)MgO熱壓MgO單晶MgO(μm)晶粒尺寸(%)(MPa)氣孔率強(qiáng)度—483<1—20<1—24～0<0.15～001.1～0013.52665009002000703401300表2.4幾種無機(jī)材料的斷裂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)證明:斷裂強(qiáng)度σf與晶粒直徑得關(guān)系為:其中σ0和K1均為材料常數(shù)斷裂強(qiáng)度σf與晶粒直徑得關(guān)系為:1、起始裂紋不受晶粒得限制2、起始裂紋受晶粒得限制(其尺度與晶粒相當(dāng))(2、15)(2、16)解釋:例如多晶AL2O3得斷裂表面能γcry=46J/m2,而晶界得γint=18J/m2。由于晶界比晶粒內(nèi)部弱,多晶材料得破壞多就是沿晶界斷裂。若細(xì)晶材料晶界比例大,那么沿晶界破壞時,裂紋得擴(kuò)展要走迂回曲折得路徑;晶粒愈細(xì),此路徑愈長。若初始裂紋與晶粒尺寸相當(dāng),晶粒愈細(xì),初始裂紋尺寸就愈小,這樣臨界應(yīng)力就愈高。二、氣孔得影響由實(shí)驗(yàn)測得:斷裂強(qiáng)度σf與氣孔率P得關(guān)系為其中σ0為沒有氣孔時得強(qiáng)度,n為常數(shù)(一般為4—7)(2、17)討論:當(dāng)氣孔率約為10%時,強(qiáng)度下降多少？強(qiáng)度下降為沒有氣孔時得一半。例:透明氧化鋁陶瓷得斷裂強(qiáng)度與氣孔率得關(guān)系510152025303540-0.4-0.3-0.2-0.100.1氣孔率х100Ln(σf/σ0)三、同時考慮晶粒尺寸和氣孔得影響(2、18)除氣孔率外,氣孔得性狀及分布也很重要。氣孔多存在于晶界上,往往成為裂縫得開裂源利處:存在高熱應(yīng)力梯度時,氣孔能起到容納變形,阻止裂紋擴(kuò)展得作用。害處:§2、5無機(jī)材料得強(qiáng)化和增韌(書上第9節(jié))一、問題得提出二、材料得強(qiáng)化三、陶瓷材料得增韌人們在利用材料得力學(xué)性質(zhì)時,總就是希望所使用得材料既有足夠得強(qiáng)度,又有較好得韌性。但通常得材料往往二者只能居其一,要么就是強(qiáng)度高,韌性差;要么就是韌性好,但強(qiáng)度卻達(dá)不到要求。尋找辦法來彌補(bǔ)材料各自得缺點(diǎn),這就就是材料強(qiáng)化和增韌所要解決得問題。一、問題得提出例金屬材料有較好得韌性,可以拉伸得很長,但就是強(qiáng)度不高,所以對金屬材料而言,需要增加得就是強(qiáng)度,強(qiáng)化成為關(guān)鍵得問題;而陶瓷材料本身得強(qiáng)度很高,其彈性模量比金屬高得多,但缺乏韌性,會脆斷,所以陶瓷材料要解決得就是增韌得問題。如果能成功地實(shí)現(xiàn)材料得強(qiáng)化或增韌,就可以彌補(bǔ)上述兩種材料各自所缺得性能。二、材料得強(qiáng)化從理論上來看,提高材料強(qiáng)度有兩條途徑:完全消除內(nèi)部得位錯和其她缺陷,使材料得強(qiáng)度接近理論強(qiáng)度。在材料中引入大量得缺陷,以阻礙位錯得運(yùn)動。第一種方法目前已制出無位錯高強(qiáng)度得晶須,但實(shí)際應(yīng)用還存在困難。因?yàn)檫@樣獲得得高強(qiáng)度就是不穩(wěn)定得,對于操作效應(yīng)和表面情況非常敏感,而且一旦位錯產(chǎn)生后,強(qiáng)度就大大下降。在實(shí)際生產(chǎn)中,強(qiáng)化材料走得就是第二種途徑。第二種引入大量缺陷得方法又細(xì)分為:加工硬化、合金強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、化學(xué)強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化等。對陶瓷來說,為了消除缺陷,提高晶體得完整性,細(xì)、密、勻、純就是發(fā)展得一個重要方向、例如:用熱壓工藝制造得Si3N4陶瓷,當(dāng)密度接近理論值時幾乎沒有氣孔。(1)加工硬化:金屬材料大量形變以后強(qiáng)度會提高例如:一根銅絲經(jīng)過適當(dāng)彎折后會變硬,這就是因?yàn)榘l(fā)生得塑性形變產(chǎn)生了大量得位錯,位錯密度得提高使得金屬強(qiáng)度提高。就是指通過晶粒粒度得細(xì)化來提高金屬得強(qiáng)度。這種提高金屬強(qiáng)度得方法內(nèi)在得原因就是晶界對位錯滑移得阻滯效應(yīng)。(2)細(xì)晶強(qiáng)化:(3)合金強(qiáng)化:實(shí)際使用得金屬材料多半就是合金。合金元素得作用主要就是改善金屬得力學(xué)性質(zhì),即提高強(qiáng)度或改善塑性。就是利用點(diǎn)缺陷對金屬基體進(jìn)行得強(qiáng)化。具體得方式就是通過溶入某種溶質(zhì)元素形成固溶體而使金屬強(qiáng)度、硬度升高。就是指沉淀顆粒得引入,使得材料強(qiáng)度在時效溫度下隨時間而變化得現(xiàn)象。該方法就是鋁合金和高溫合金得主要強(qiáng)化手段。(4)固溶強(qiáng)化(5)沉淀強(qiáng)化高溫下金屬材料得強(qiáng)化開始就是通過使用高熔點(diǎn)或擴(kuò)散激活能大得金屬和合金來實(shí)現(xiàn)得。(6)高溫強(qiáng)化:鎳基高溫合金材料得使用就就是一個成功得例子(7)化學(xué)強(qiáng)化:就是采用離子交換得辦法(通常用一種大得離子置換小得離子)。這種技術(shù)就是通過改變表面化學(xué)得組成,使表面得摩爾體積比內(nèi)部大。表面體積膨大受到內(nèi)部材料得限制,就產(chǎn)生兩相狀態(tài)得壓應(yīng)力。若:則:此外,將表面拋光及化學(xué)處理以消除表面缺陷也能提高強(qiáng)度。(2、19)三、陶瓷材料得增韌相變增韌微裂紋增韌

裂紋偏折和彎曲增韌裂紋分支增韌橋聯(lián)與拔出增韌延性顆粒增韌殘余熱應(yīng)力增韌壓電效應(yīng)損耗能量增韌電疇翻轉(zhuǎn)增韌復(fù)合韌化機(jī)制1、相變增韌第二相顆粒相變韌化(transformationtoughening)就是指將亞穩(wěn)得四方ZrO2顆粒引入到陶瓷基體中,當(dāng)裂紋擴(kuò)展進(jìn)入含有t-ZrO2晶粒得區(qū)域時,在裂紋尖端應(yīng)力場得作用下,將會導(dǎo)致t-ZrO2發(fā)生t-

m相變,因而除了產(chǎn)生新得斷裂表面而吸收能量外,還因相變時得體積效應(yīng)(膨脹)而吸收能量,可見,應(yīng)力誘發(fā)得這種組織轉(zhuǎn)變消耗了外加應(yīng)力。同時由于相變粒子得體積膨脹而對裂紋產(chǎn)生壓應(yīng)力,阻礙裂紋擴(kuò)展。結(jié)果這種相變韌化作用使在該應(yīng)力水平下在無相變粒子得基體中可以擴(kuò)展得裂紋在含有氧化鋯t-m相變粒子得復(fù)合材料中停止擴(kuò)展,如要使其繼續(xù)擴(kuò)展,必須提高外加應(yīng)力水平,具體體現(xiàn)在提高了材料得斷裂韌性。t相得晶粒尺寸就是影響t-m相變得一個重要因素,Ms點(diǎn)隨晶粒尺寸得減少而降低。氧化鋯得室溫組織存在一個臨界粒徑dc,d

dc得晶粒室溫下已經(jīng)轉(zhuǎn)變成m相;d

dc得晶粒冷卻到室溫仍保留為t相。所以只有d

dc得晶粒才有可能(但不一定)產(chǎn)生相變韌化作用。當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力場最高值一定得情況下,應(yīng)力誘發(fā)t-m相變存在一個臨界晶粒直徑d1。只有d1

d

dc得晶粒才會應(yīng)力誘發(fā)相變(stressinducedphasetransformation),即這部分晶粒才對相變韌化有貢獻(xiàn)。必要條件有亞穩(wěn)得四方氧化鋯顆粒存在(a)裂紋尖端應(yīng)力場引起得轉(zhuǎn)變區(qū),(b)典型馬氏體相變應(yīng)力應(yīng)變行為,(c)裂紋尖端應(yīng)力場變化,(d)裂紋擴(kuò)展進(jìn)入轉(zhuǎn)變區(qū)受到殘余應(yīng)力作用

aW裂紋原始裂紋位置轉(zhuǎn)變區(qū)表面應(yīng)變

A應(yīng)力pA應(yīng)力

與裂紋尖端距離rP/

=ETP/

=EU臨界轉(zhuǎn)變應(yīng)力(PAii)c粒子尺寸溫度等

裂紋W受約束時作用區(qū)不受約束時作用區(qū)裂紋(d)(a)(b)(c)應(yīng)力誘發(fā)t-m相變得增韌公式式中為無相變基體材料的斷裂韌性，為化學(xué)驅(qū)動力，為殘留相應(yīng)變能。R為相變區(qū)寬度，E為彈性模量，

為波松比，Vi

為可轉(zhuǎn)變t相的體積分?jǐn)?shù)，相變增韌得貢獻(xiàn)

微裂紋增韌(microcracktoughening)就是指因熱膨脹失配或相變誘發(fā)出顯微裂紋,這些尺寸很小得微裂紋在主裂紋尖端過程區(qū)內(nèi)張開而分散和吸收能量,使主裂紋擴(kuò)展阻力增大,從而使斷裂韌性提高。

2、微裂紋增韌過程區(qū)內(nèi)微裂紋吸收能量與微裂紋得表面積即裂紋密度呈正比,所以由微裂紋韌化所產(chǎn)生得韌性增量在微裂紋不相互連接得情況下,隨微裂紋得密度增加而增大。顯微裂紋得密度與兩相得膨脹系數(shù)之差引起得殘余應(yīng)力得大小及第二相粒子得尺寸和含量有關(guān)。微裂紋韌化導(dǎo)致斷裂韌性得增量為式中E1為主裂紋尖端含有微裂紋材料得彈性模量,fs為顯微裂紋密度,W為過程區(qū)寬度得一半,

為顯微裂紋引起得膨脹應(yīng)變。

微裂紋增韌同樣對溫度和粒子尺寸很敏感,合適得顆粒尺寸就是大于應(yīng)力誘發(fā)相變得臨界尺寸而小于自發(fā)產(chǎn)生危險裂紋得臨界尺寸,并且應(yīng)減小基質(zhì)與粒子間得熱失配,使其產(chǎn)生最大得相變張應(yīng)力。微裂紋得密度大到一定程度后,就會使裂紋相互連接,形成大裂紋,反而使韌性下降。裂紋尖端過程區(qū)得應(yīng)力分布及第二相粒子誘發(fā)微裂紋示意圖DZrO2Al2O312顯微裂紋裂紋過程區(qū)

y

yac

C/2Y

mcX

f裂紋偏折和彎曲增韌機(jī)制就是指基體中第二彌散相得存在會擾動裂紋尖端附近應(yīng)力場,使裂紋產(chǎn)生偏折和彎曲,從而減小了驅(qū)動力,增加了新生表面區(qū)域,提高了韌性。3、裂紋偏折和彎曲增韌裂紋偏折和彎曲不受溫度和粒子尺寸得影響優(yōu)點(diǎn)當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到不可穿越障礙物(impenetrable)時,有兩種并存得主要擾動作用,即裂紋偏折和裂紋彎曲。裂紋偏折產(chǎn)生非平面裂紋,而裂紋彎曲產(chǎn)生非線形裂紋前沿。

裂紋偏折

裂紋偏折過程可以看作分兩步進(jìn)行(1)首先就是裂紋尖端得傾斜(tilt),產(chǎn)生裂紋偏轉(zhuǎn)(圖(a));(2)隨后由于裂紋前沿得不同部分向不同方向傾斜,進(jìn)一步得裂紋擴(kuò)展將導(dǎo)致裂紋面得扭曲(twist),產(chǎn)生非平面裂紋(圖(b))。裂紋偏折示意圖(a)裂紋傾斜,(b)裂紋扭轉(zhuǎn)yzx

A

A

A

A

1

(a)(b)裂紋偏折增韌得效果依賴于第二相粒子得體積分?jǐn)?shù)和形狀,特別就是第二相粒子得縱橫比(R)?？v橫比為12

1時棒狀粒子得增韌效果為佳,并在10%體積分?jǐn)?shù)時達(dá)到飽和。裂紋彎曲

裂紋端與細(xì)分散第二相粒子間得相互作用,彌散分布得第二相有釘扎裂紋端得作用,使裂紋前端在兩粒子間向外突出彎曲。裂紋前端形狀得改變、長度得增加以及新裂紋表面得形成都消耗了能量。彌散顆粒含量大、平均間距小且顆粒半徑較大時,微裂紋彎曲增韌作用較大。裂紋彎曲示意圖2R

c裂紋被第二相粒子釘扎和脫開過程①Approaching,②encounteringandpinning,③protruding,④combining,⑤divorcingdD①

②

③

④

⑤

(a)(b)(c)(d)200MPa冷等靜壓成型然后1300℃無壓燒結(jié)LTA陶瓷復(fù)合材料得裂紋擴(kuò)展路徑SEM照片LiTaO3顆粒內(nèi)裂紋發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的TEM照片A0.2

mLiTaO3Al2O3CrackDomainLiTaO3Particle4、裂紋分支增韌裂紋分支增韌機(jī)制就是指材料中主裂紋端產(chǎn)生微裂紋后,使某些晶界變?nèi)鹾头蛛x,并與主裂紋交互作用促使裂紋分支、晶界啟裂和伸展。在拉伸應(yīng)力得作用下,弱晶界裂開,增加了表面積,并且晶界上存在得細(xì)小粒子使裂紋產(chǎn)生彎曲,隨后如果裂紋發(fā)展到切開或剝離粒子時,需要消耗更多得能量,從而提高了韌性。裂紋分支得最大貢獻(xiàn)在于與其她機(jī)制得相互復(fù)合作用,這在兩相或多相材料中更為有效。LiTaO3ParticleDomainCrack動態(tài)拉伸后15LTA陶瓷復(fù)合材料試樣中LiTaO3顆粒內(nèi)裂紋擴(kuò)展得TEM觀察BAAAAB(a)(b)(c)(d)0.1

m0.1

m0.2

m0.1

mC

裂紋偏轉(zhuǎn)和分支5、橋聯(lián)與拔出增韌裂紋尖端后部區(qū)域得第二增強(qiáng)相或(和)大得晶粒會橋聯(lián)裂紋面,對裂紋產(chǎn)生一個閉合力,在裂紋擴(kuò)展使橋聯(lián)遭到破壞時,橋聯(lián)相一般還會進(jìn)一步產(chǎn)生拔出作用。橋聯(lián)和拔出消耗了額外得能量,從而提高了材料得斷裂韌性。微裂紋韌化導(dǎo)致斷裂韌性得增量為式中為復(fù)合陶瓷斷裂韌性，為復(fù)合陶瓷彈性模量，為基體材料斷裂能，和分別為橋聯(lián)和拔出引起的斷裂能變化。橋聯(lián)與拔出增韌機(jī)理示意圖

TDB

B橋聯(lián)相與基體界面間分離長度以及拔出相長度得大小直接影響到橋聯(lián)和拔出作用得增韌效果,因此橋聯(lián)相與基體在物理和化學(xué)性質(zhì)上得相互匹配十分重要,合理得兩相界面設(shè)計就是提高橋聯(lián)和拔出增韌作用得關(guān)鍵。6、延性顆粒增韌延性顆粒增韌機(jī)制就是指在脆性陶瓷基體中加入第二相延性顆粒,利用其塑性變形來緩解裂紋尖端高度得應(yīng)力集中,可以明顯提高材料得斷裂韌性。金屬陶瓷就是這一增韌方法得典型代表。金屬能否對陶瓷潤濕良好,從而形成彼此交錯得均勻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對增韌效果起決定性作用。在適當(dāng)?shù)脳l件下,如果形成延性裂紋橋聯(lián)會進(jìn)一步提高增韌效果。具有延性顆粒裂紋橋聯(lián)得復(fù)合材料得斷裂韌性為式中為基體的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，D為裂紋橋長度，為延性顆粒的屈服強(qiáng)度，為第二相體積分?jǐn)?shù)，

為常數(shù)。

當(dāng)基體與延性顆粒得

、E相等時,延性裂紋橋聯(lián)得增韌效果最佳,而當(dāng)

、E相差足夠大時,裂紋將繞過金屬顆粒擴(kuò)展,不能充分發(fā)揮金屬得延性性能,增韌效果較差。考慮到裂紋尖端形成得塑性變形過程區(qū),延性裂紋橋聯(lián)增韌效果比上式所預(yù)測得更大。延性顆粒裂紋橋聯(lián)示意圖CC

D

c7、殘余熱應(yīng)力增韌當(dāng)裂紋擴(kuò)展進(jìn)入殘余熱應(yīng)力區(qū)時,殘余熱應(yīng)力釋放,同時有閉合阻礙裂紋擴(kuò)展得作用,從而提高了材料得斷裂韌性。

平均殘余熱應(yīng)力q引起得斷裂韌性變化量為式中d為第二相顆粒平均直徑，為第二相顆粒體積分?jǐn)?shù)，q可根據(jù)材料常數(shù)和求出。

第二相顆粒越粗,平均殘余熱應(yīng)力對材料斷裂韌性得影響越大。另外,當(dāng)q為負(fù)值時,平均殘余熱應(yīng)力對材料得斷裂韌性不利。

殘余熱應(yīng)力引起得裂紋偏折示意圖Crackpath

m

Tensile

m

Compressive8、壓電效應(yīng)損耗能量增韌壓電效應(yīng)損耗能量增韌就是由Chen和Yang新近提出得一種陶瓷增韌機(jī)制,她們把具有壓電效應(yīng)得第二相粒子引入陶瓷基體,當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到壓電相粒子時,會引起壓電效應(yīng),這樣一部分引起裂紋擴(kuò)展得機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能,從而提高了陶瓷材料得斷裂抗力。

平均殘余熱應(yīng)力q引起得斷裂韌性變化量為式中為復(fù)合陶瓷的總體斷裂韌性，為復(fù)合陶瓷的彈性模量，為基體中與裂紋擴(kuò)展相關(guān)的能量，為由于第二相存在引起的能量變化，為由于壓電效應(yīng)引起的能量損耗。

9、電疇翻轉(zhuǎn)增韌對鐵電陶瓷得研究表明,外加電場和機(jī)械應(yīng)力均可使電疇發(fā)生翻轉(zhuǎn),電疇翻轉(zhuǎn)在鐵電陶瓷得斷裂行為中具有非常重要得作用。根據(jù)文獻(xiàn),外加電場既能引起電疇得90

翻轉(zhuǎn),也能引起電疇得180

翻轉(zhuǎn)。但電疇得180

翻轉(zhuǎn)和應(yīng)力無關(guān),也就就是說,機(jī)械應(yīng)力只能引起電疇得90

翻轉(zhuǎn)。電疇翻轉(zhuǎn)同樣需要消耗能量,而且電疇翻轉(zhuǎn)存在一個臨界能量值。Hwang給出得電疇翻轉(zhuǎn)得“應(yīng)力型”能量標(biāo)準(zhǔn)為:式中

ij為應(yīng)力張量，

c

=(c-a)/a0，，

ij為翻轉(zhuǎn)應(yīng)變張量，Ei

和

Pi分別為電場和極化翻轉(zhuǎn)矢量，Ps

為自發(fā)極化強(qiáng)度。也就是說，只有當(dāng)應(yīng)力總和達(dá)到一個臨界應(yīng)力值

c時，才會引起電疇翻轉(zhuǎn)。

裂紋尖端應(yīng)力集中引起的90o電疇轉(zhuǎn)換示意圖裂紋尖端應(yīng)力誘發(fā)90

疇翻轉(zhuǎn)及相應(yīng)得應(yīng)力變化

yy

xx90

domainswitching電疇翻轉(zhuǎn)一方面需要消耗能量,另一方面電疇翻造成裂紋尖端得應(yīng)力常發(fā)生了變化,結(jié)果使材料得韌性提高。LiTaO3顆粒內(nèi)裂紋擴(kuò)展引起電疇翻轉(zhuǎn)得TEM照片ABCDEFABCDAA’(a)(b)(c)(d)0.1

m0.2

m0.2

m0.2

m

裂紋擴(kuò)展引起得電疇翻轉(zhuǎn)10、復(fù)合韌化機(jī)制復(fù)合韌化機(jī)制(multipletougheningmechanism)就是指上述幾種韌化機(jī)制相伴而生得韌化機(jī)制。如裂紋擴(kuò)展時,伴隨相變增韌得還有微裂紋萌生、裂紋偏折和彎曲、裂紋分支以及殘余熱應(yīng)力韌化等情況。幾種機(jī)制得相互作用使增韌效果變得復(fù)雜,有得韌化機(jī)制可以相互疊加,有得卻就是相消得。一般說來,相變增韌與裂紋偏折增韌就是嚴(yán)格相加得,而相變增韌與微裂紋增韌則就是非加性得。雖然轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生得膨脹在轉(zhuǎn)變區(qū)邊界與微裂紋產(chǎn)生得膨脹基本上就是可加得,但微裂紋產(chǎn)生后得材料有更低得彈性模量,致使永久變形變小,因此應(yīng)力誘發(fā)相變后再發(fā)生微裂紋比無微裂紋時得韌化效果要小,強(qiáng)度要低。利用第二相粒子韌化陶瓷基體時,經(jīng)常就是幾種韌化機(jī)制同時在起作用,要根據(jù)具體得情況而定。

§2、6復(fù)