《无机材料物理性能》第7讲

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1、2022年年5月月27日日3.6 静态疲劳在临界应力之下，裂纹随时间的推移而发在临界应力之下，裂纹随时间的推移而发生的缓慢扩展的现象称为生的缓慢扩展的现象称为亚临界生长亚临界生长，或，或称为称为静态疲劳静态疲劳 。材料在循环应力或渐增应力作用下的延时材料在循环应力或渐增应力作用下的延时破坏叫做破坏叫做动态疲劳动态疲劳。裂纹亚临界生长机制裂纹亚临界生长机制1.1.应力腐蚀理论应力腐蚀理论要点：要点：在一定的环境条件和应力场强在一定的环境条件和应力场强 度因子作用下，材料中关键裂纹尖端度因子作用下，材料中关键裂纹尖端处，裂纹扩展的动力与裂纹阻力的相处，裂纹扩展的动力与裂纹阻力的相对大小，构成裂纹生

2、长或不生长的必对大小，构成裂纹生长或不生长的必要充分条件。要充分条件。起因：起因：材料长期暴露在腐蚀性环境介材料长期暴露在腐蚀性环境介 质中，断裂强度降低质中，断裂强度降低。K K值随亚临界裂纹增长的变化值随亚临界裂纹增长的变化 裂纹亚临界生长机制裂纹裂纹尖端尖端吸附介质表吸附介质表面面 能能 下下 降降新裂纹新裂纹尖尖 端端动力动力阻力阻力动力动力阻力阻力腐蚀介质腐蚀介质裂纹停止生长裂纹停止生长裂纹生长裂纹生长裂纹快速生长裂纹快速生长断裂断裂裂纹亚临界生长机制开裂阻力开裂阻力：Gc=dWs/dc=2 开裂动力：开裂动力：G =2c/E 开裂阻力的减小，使得动力开裂阻力的减小，使得动力大于阻力

3、大于阻力裂纹亚临界生长机制裂纹尖端附近空腔的形成裂纹尖端附近空腔的形成 裂纹亚临界生长机制多晶多相陶瓷在高温下长期受力作用，多晶多相陶瓷在高温下长期受力作用，晶界玻璃相的结构粘度下降，发生蠕变或晶界玻璃相的结构粘度下降，发生蠕变或粘性流动，形变发生在气孔、夹杂、晶界粘性流动，形变发生在气孔、夹杂、晶界层，甚至结构缺陷中。使这些缺陷逐惭长层，甚至结构缺陷中。使这些缺陷逐惭长大，形成空腔。它们进一步沿晶界方向长大，形成空腔。它们进一步沿晶界方向长大，联通形成次裂纹，与主裂纹汇合就形大，联通形成次裂纹，与主裂纹汇合就形成裂纹的缓慢扩展。成裂纹的缓慢扩展。裂纹亚临界生长机制亚临界裂纹及生长速率与亚临界

4、裂纹及生长速率与应力强度因子的关系应力强度因子的关系亚临界裂纹扩展亚临界裂纹扩展的三个阶段的三个阶段裂纹亚临界生长机制或表示成或表示成: :亚临界裂纹及生长速率与亚临界裂纹及生长速率与应力强度因子的关系应力强度因子的关系大量试验表明：大量试验表明：裂纹缓慢扩展速度用裂纹缓慢扩展速度用波尔兹曼因子表示为：波尔兹曼因子表示为：nIAKdtdcIBKA lnRTnKQI*0exp 1、如何用应力腐蚀理论解释裂、如何用应力腐蚀理论解释裂 纹的亚临界生长？纹的亚临界生长？ 2、裂纹的快速扩展和亚临界生、裂纹的快速扩展和亚临界生 长有什么区别和联系？长有什么区别和联系？根据亚临界裂纹扩展预测材料寿命根据亚

5、临界裂纹扩展预测材料寿命ciciccanIinIcnnanccnIAYnKKcAYdcAKdcdtt22)2()2(2/22无机材料无机材料n很大，很大，)2()2(nIinIcKK22222anIiAYnKtv 无损探伤法无损探伤法v 保证试验法保证试验法无损探伤法无损探伤法不同不同c c1 1下下t ta a关系图关系图 保证试验法保证试验法瓷器的保证瓷器的保证试验图试验图 保证试验法保证试验法另一种保证试验另一种保证试验 实验证明：断裂强度与晶粒直径的平方根成实验证明：断裂强度与晶粒直径的平方根成反比反比起始裂纹受晶粒限制，其尺度与晶粒相当，起始裂纹受晶粒限制，其尺度与晶粒相当，则脆性断

6、裂与晶粒粒度的关系为则脆性断裂与晶粒粒度的关系为 由于晶界比晶粒内部弱，所以多晶材料破坏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多是沿晶界断裂。2/110dKf2/12dKf断裂强度与粒径的关系断裂强度与粒径的关系气孔的存在降低了无机材料的实际承载面积，气孔的存在降低了无机材料的实际承载面积，并引发应力集中，从而导致强度显著下降。实验并引发应力集中，从而导致强度显著下降。实验发现多孔材料的强度随气孔率的增加呈近似指数发现多孔材料的强度随气孔率的增加呈近似指数规律下降。规律下降。断裂强度与气孔率的关系可表示为断裂强度与气孔率的关系可表示为 为没有气孔时的强度。为没有气孔时的强度。)e

7、xp(0nPf0透明氧化铝陶瓷断裂强度与气孔率有关系透明氧化铝陶瓷断裂强度与气孔率有关系 断裂应力与温度的关系断裂应力与温度的关系 无机材料强度波动原因的分析无机材料强度波动原因的分析材料的临界应力只决定于材料中的材料的临界应力只决定于材料中的最最大大裂纹长度裂纹长度裂纹的长度裂纹的长度c在材料内的分布是在材料内的分布是随机随机的的体积越大，存在最大裂纹长度的概率体积越大，存在最大裂纹长度的概率也越大。而材料中，只要有一条最大也越大。而材料中，只要有一条最大长度的初始裂纹，材料就要失效长度的初始裂纹，材料就要失效影响材料强度的因素影响材料强度的因素提高材料的强度是指提高其抗弹性、塑性及断提高材

8、料的强度是指提高其抗弹性、塑性及断裂形变的能力，这几项主要决定的指标裂形变的能力，这几项主要决定的指标是是E或或G、 及裂纹长度。及裂纹长度。弹性模量表示原子间的结合力，它是一种结构弹性模量表示原子间的结合力，它是一种结构不敏感性能常数，不敏感性能常数， 则与微观结构有关则与微观结构有关(但单相材料但单相材料的微观结构对其影响不大的微观结构对其影响不大)。关键的因素是裂纹长度。关键的因素是裂纹长度。 l 微晶，高密度与高纯度微晶，高密度与高纯度l 提高抗裂能力与预加应力提高抗裂能力与预加应力l 化学强化化学强化l 相变增韧相变增韧l 弥散增韧弥散增韧l 复合增韧复合增韧 1、如何用应力腐蚀理论解释裂、如何用应力腐蚀理论解释裂 纹的亚临界生长？纹的亚临界生长？ 2、裂纹的快速扩展和亚临界生、裂纹的快速扩展和亚临界生 长有什么区别和联系？长有什么区别和联系？ 3、为什么细晶材料强度高？为什么细晶材料强度高？