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寿命预测方法 还可绘出保证试验图法,选σp 2、当裂纹太小,无法测出时,采用保证试验法。 采用保证试验法:施加检验压力σp, σa ? σp ? σc,则 KIi ? KIp ? KIc, 则: 所以: 无机材料的高温延迟断裂(P78) 对绝大多数无机材料来说,在室温下发生的延迟断裂一般都是由于材料中存在固有裂纹在外力作用下发生缓慢扩展导致的,其寿命可以采用上节介绍的方法进行预测。 然而,在高温下,无机材料发生的延迟断裂则是一个极为复杂的过程。 在高温下,无机材料内发生两个不同的缺陷发育过程,一个是固有裂纹的缓慢扩展,另一个是高温蠕变而导致的新缺陷的形成。 两个过程竞争的结果,可能是固有裂纹尖端钝化,破坏由损伤的累积过程主导;也可能是固有裂纹的缓慢扩展直接导致了材料的破坏。 由蠕变断裂过程主导的材料延迟断裂,其寿命不能用上节的方法预测。预测按公式(3.60) 蠕变断裂 蠕变断裂:多晶材料在高温环境中,在恒定外力作用下,由于形变不断增加而断裂。断裂过程中的裂纹扩展属于亚临界扩展。 形式:沿晶界断裂。 蠕变断裂的粘性流动理论 高温下晶界玻璃相粘度降低,在剪应力作用下发生粘性流动,在晶界处应力集中。 若使相邻晶粒发生塑性形变而滑移,则将使应力松弛,宏观 上表现为高温蠕变。 若不能使相邻晶粒发生塑性形变,则应力集中将使晶界处产生裂纹。 裂纹逐步扩展导致断裂。 蠕变断裂的空位聚积理论 在应力及热振动作用下,受拉的晶界上空位浓度增加。 空位的大量聚积,形成可观的真空空腔并发展成为微裂纹。 微裂纹的逐步扩展、联通,导致断裂。 影响蠕变断裂的因素 温度:温度越低,蠕变断裂所需时间越长。 应力:应力越小,蠕变断裂所需时间越长。 蠕变断裂过程中裂纹的扩展,本质上是一种高温下,较低应力水平的亚临界裂纹扩展。 3.6提高无机材料强度改进材料韧性的途径 材料强度的本质是内部质点的结合力。 晶体结构稳定情况下,控制材料强度的主要参数: 弹性模量 断裂功(断裂表面能) 裂纹尺寸 唯一可以控制的是材料中的微裂纹-各种缺陷的总和。强化措施从消除缺陷、阻止其发展着手,分为下列几方面: 一、微晶、高密度和高纯度 为消除缺陷,提高晶体的完整性,细、密、匀、纯是当前陶瓷发展的一个重要方向。近年出现了许多微晶、高密度、高纯度陶瓷。 纤维:将块体材料制成细纤维,强度提高大约一个数量级。 晶须:将块体材料制成细纤维,强度提高大约两个数量级,与理论强度大小同数量级-关键是提高了晶体的完整性。晶须强度随晶须截面直径的增加而降低。 二、提高抗裂能力和预加应力 人为地预加应力,在材料表面制造一层应力层,可以提高材料的抗拉强度。 措施: 热韧化:通过加热、冷却,在材料表面层人为地引入残余应力的过程。如钢化玻璃、门窗、眼镜玻璃。 Al2O3在1700℃下于硅油中淬冷,不仅在表面造成正压力,而且可以使晶粒细化,强度提高。 利用表面层与内部的热膨胀系数不同,也可以达到预加应力的效果。 三、化学强化 如要求表面残余应力更高,则热韧化的办法难以做到,可以采用化学强化。 化学强化(离子交换):通过改变表面的化学组成,使表面的摩尔体积比内部大。由于表面体积膨胀受到内部材料的限制,产生两相状态的正压力。表面压力与体积变化服从虎克定律: 方法:大离子置换小离子。 另外,表面抛光和化学处理以消除表面缺陷 四、相变增韧 相变增韧:利用多相多晶陶瓷中某些成分在不同温度的相变,从而增韧的效果。统称为相变增韧。 利用ZrO2的马氏体相变(四方转变为单斜,体积增大3~5%)来改善陶瓷材料的力学性能。 相变增韧材料可以看作复合材料的一种。 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。 微细粉料可以是金属粉末,也可以是非金属粉末。 粉体弥散相与基体之间必须具备化学相容性和物理润湿性,以使其在烧结后成为完整的整体,不会出现第三相。 弥散增韧陶瓷也是复合材料的一种。 3.7 材料的硬度与压痕开裂的应用 硬度没有统一的定义,各种硬度单位也不同,彼此间没有固定的换算关系。 莫氏硬度:常用的划痕硬度。它不表示软硬的程度,只表示硬度由小到大的顺序,顺序在后面的材料能划破前面材料的表面。莫氏硬度分为15级。 测试方法:布氏硬度法、维氏硬度法、洛氏硬度法、努普硬度法。(P81) 矿物、晶体、陶瓷材料的硬度取决于其组成和结构。离子半径越小、离子电价越高、配位数越小,结合能就越大,抵抗外力摩擦、划痕、压入的能力就越强,硬度也就越大。 陶瓷材料的显微结构、裂纹、杂质等对硬度有影响。 温度生高,硬度下降。 无机材料的压痕开裂及其分类 压痕裂纹:压头与无机材料接触点附近产生的高应力集中会导致压痕附近区域材
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