[材料科学]性能 第二章.ppt

第二章 无机材料的脆性断裂与强度 2.2 理论结合强度 理论结合强度与原子间结合力有关 材料断裂时产生两个新表面，因此单位面积的原子平面分开所作的功应等于产生两个单位面积新表面所需的表面能，材料才能断裂。 断裂表面能γ通常约为aE/100 2.3 Griffith微裂纹理论 Griffith根据弹性理论求得孔洞端部的应力σA为： Griffith从能量的角度来研究裂纹扩展的条件，即物体内储存的弹性应变能的降低大于等于由于开裂形成两个新表面所需要的表面能。（针对无机非金属等脆性材料）认为弹性应变能的释放就是裂纹扩展的动力。 多晶陶瓷由于裂纹路径不规则，阻力较大，测得的断裂表面能比单晶大 断裂力学的发展： 低应力下材料的断裂表明，Griffith微裂纹理论不仅适用于无机非金属等脆性材料而且还适用于金属材料。 裂纹与位错、空位等相比属于宏观缺陷。 断裂力学就是研究物体的强度和裂纹扩展规律的一门学科。突出了缺陷对材料性能的重要影响， 一、裂纹的扩展方式 裂纹尖端附近的应力分布 当r＜＜c时，分析点即微裂纹尖端处的一点，则有 Y为几何形状因子，它与裂纹形式、试件几何形状有关，求KI得关键就是求Y。Y已汇编成册！ 传统方法设计选材时 断裂力学观点设计选材时采用一个新的表征材料特征的临界值，称为平面应变断裂韧性，为一个材料常数 例：甲钢：σys=1.95GPa，KIC=45MPa-1/2 乙钢： σys=1.56GPa，KIC=75MPa-1/2 实际使用应力为1.3GPa。（最大裂纹尺寸为1mm，几何形状因子Y=1.5） 问：选用哪种钢材安全？ 五、裂纹扩展的动力与阻力 缓慢加载下，裂纹开始扩展的瞬间可视Fc为常数，试件储存的弹性应变能为 七、两参数韦伯分布及其应用 认为σu为零 裂纹扩展的动力与阻力 莫氏硬度 透明氧化铝陶瓷强度与气孔率之间的关系 可以将晶粒度和气孔率结合起来考虑 气孔的形状和分布对强度也有影响。 气孔通常有害，有时有利（容纳热应力变形） 杂质和低弹性模量的第二相也会降低强度 2.8 无机材料强度的统计性质 一、无机材料强度波动的分析 KIC是材料的本征参数，Y为常数，因此σc只与裂纹长度c有关，而裂纹的长短在材料内部是随机分布的，因此临界应力也是随机分布的，具有分散的统计性。 强度具有尺寸效应 强度还和裂纹分布函数、受力状态、应力应变状态有关 二、强度的统计分析 应力分布函数n（σ）为σc0- σci之间的面积 应力σci下发生断裂的几率 每个单元在σci应力下不断裂的几率 若有r个单元，即V=rΔV，则整个试件在σci应力下不断裂的几率为 r→∞时 ? 三、求应力函数的方法及韦伯分布 试件有代表性，应力函数均匀分布则 应力函数不是均匀分布则 求n(σ)比较复杂，韦伯提出半经验公式（韦伯函数） σ为作用应力，σu为最小断裂强度，σ0为经验常数，m为均一性常数 四、韦伯函数中m及σ0的求法 韦伯函数中的常数可用实测强度数据求得 σu 确定的话，m为斜率，截距与V和σ0有关 根据实测的n和σ可以算出 五、有效体积的计算 三点弯曲试件 四点弯曲试件 VT为实际总体积，先估计m，求出体积后再修正 六、韦伯统计的应用实例 韦伯统计与断裂几率图 2.9 提高无机材料强度改进材料韧性的途径 理论结合强度 临界应力 实际强度与Ｅ、γ和ｃ有关，只有ｃ是可控的。因此，强化措施大多从消除缺陷和阻止裂纹扩展入手。ｃ可以理解为各种缺陷的总和（包括气孔、夹杂、不均匀性等） 一、微晶、高密度与高纯度 细、密、匀、纯 热压或高压烧结可保证细、密 球磨可保证细、匀，但通常降低纯度 化学提纯 二、提高抗裂能力与预加应力 由于无机材料通常抗压不抗拉，材料破坏往往是在拉应力作用下自表面开始断裂，因此在材料表面人为的预加一层压应力层，可以提高材料的抗拉强度。 压 拉 压 拉 人为施加压应力的办法－－热韧化：通过加热冷却，在表面层中人为地引入残余压应力的过程。 内部受拉、外部受压，常用于钢化玻璃的制造。 三、化学强化 热韧化的办法很难获得高表面残余压应力，可通过化学强化（离子交换）的办法获得高的表面残余压应力。 用大的离子置换表面小的离子，即表面摩尔体积比内部大，由于表面体积膨大受到内部材料的限制，产生压应力。 由于受扩散限制及受带电离子的影响，化学强化的压应力层厚度被限制在数百微米内。 压 拉 四、相变增韧 相变增韧：利用多晶多相陶瓷中某些成分在不同温度的相变及体积变化，从而增韧的效果。 ZrO2马氏体相变（由四方相转变为单斜相）体积增大 3-5%。使材料内部产生压应力，从而提高韧性。 五、弥散增韧 弥散增韧：在基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微细粉料，达到增韧的效果。 金属颗粒通过塑性变形吸收弹性应变