2.2斷裂韌性及測量方法

第二章無機(jī)材料的脆性斷裂與強(qiáng)度 主講：李享成博士 電話：027-68862616 材冶學(xué)院6256辦公室 http://www.yjsc.wust.edu.en/old/t eacher/dsinfo?aspx?dsbh=dl38 2.4應(yīng)力場強(qiáng)度因子與平面應(yīng)變斷裂韌性 ■ Griffith從能量平衡的觀點(diǎn)出發(fā)，提岀了含裂紋 固體的強(qiáng)度和裂紋關(guān)系之條件：裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展。 而導(dǎo)致材料斷裂的必要條件是：在裂紋擴(kuò)展過 程中系統(tǒng)的自由能必須下降（熱力學(xué)條件） ■ Griffith 方程: 7TC ■ K與外加應(yīng)力、裂紋長度、裂紋種類及受力 狀態(tài)等有關(guān)的系數(shù)，稱為應(yīng)力場強(qiáng)度因子, 它反映裂紋尖端應(yīng)力場強(qiáng)度。 2 ■裂紋的三種類型 1 ■對 1 型有：K］二 Yac2 ■ Y為幾何形狀因子，它和裂紋型式、試 件幾何形狀有關(guān)，各種情況的Y已匯制 成冊，供檜素。 3 ■三種情況下的Y值 K[= FaV? y=l.!2<n K 円p、G Y ■ B丿 (b) a} # 臨場應(yīng)力場強(qiáng)度因子及斷裂韌性 ■斷裂判據(jù):K] = Yac1 < ( ■ be為平面應(yīng)變斷裂韌性，為材料常數(shù), ■ Klc與材料本征參數(shù)E”，|J等物理量相 關(guān)，反映具有裂紋的材料對外界作用的 一種抵抗能力，即阻止裂紋擴(kuò)展能力， 是卅*斗宙肴性質(zhì)。 KIC的意義 ■舉例:P51 ■抓住裂紋本質(zhì)，提供新的設(shè)計(jì)思想和選材 *示準(zhǔn); ■表征材料特征的臨界值。 5 ? Problem ■ The fracture toughness of polyciystaline Alumina(Youngt modulus 30oGra) is about 4MPa?mi/2 while the toughness of MgO partially stabilized zirconia(PSZ)(Youngt modulus 138GPa) is about lOMPa ml/2. ■ a) Estimate the fracture surface energy of (i) alumina and (ii) PSZ assuming these toughness values were obtained under conditions of plane stress? ■ b) Polycrystalline ceramics often have intergranula「 cracks in them due to thermal expansi on mismatch ? Their strength is therefore limited by these cracks whose size is on the order of the grain size? Calculate the maximum strength you would expect to observe in (i) alumina with 20-um-diametergrain 引ze and (ii) PSZ with a 50um- diameter grain size. Model the cracks as internal circular cracks with the same size as the grains. 斷裂韌性的測量方法 ■單邊切口梁法(SENB) ■雙扭法(DT) ■ Knoop壓痕三點(diǎn)彎曲梁法 ■山形切口劈裂試件法 標(biāo)準(zhǔn)尺寸，Km的表達(dá)式，單位MPa.nri/2 9 2.5裂紋的起源與快速擴(kuò)展 裂紋的起源 # 甲裂紋的三種起源 J在外力作用下京體中的缺陷處形成應(yīng)力集中, 導(dǎo)致裂紋成核； b）材料表面的機(jī)械損傷與化學(xué)腐蝕形成表面裂 紋； 0由于晶粒熱膨脹系數(shù)差異，受熱后形成裂紋。 11 裂紋快速擴(kuò)展 ■ Griffith微裂紋理論，材料的斷裂強(qiáng)度不是取 決于裂紋的數(shù)量，而是取決于裂紋的大小， 即由最危險(xiǎn)的裂紋尺寸（臨界尺寸）決定材 料的斷裂。 ■裂紋擴(kuò)展速度為聲速的40%-60%,并會產(chǎn)生 新的斷裂紋。  裂紋擴(kuò)展機(jī)理 a) 應(yīng)力腐蝕理論 這種理論的實(shí)質(zhì)在于:在一定環(huán)境溫度和應(yīng)力場強(qiáng)度因子作 用下，材料中關(guān)鍵裂紋尖端處,裂紋擴(kuò)展動(dòng)力與裂紋擴(kuò)展阻 力的比較，構(gòu)成裂紋開裂和止裂的條件。 裂紋尖端處的高度的應(yīng)力集中導(dǎo)致較大的裂紋擴(kuò)展動(dòng)力。 從物理化學(xué)角度分析，在裂紋尖端處的離子鍵受到破壞, 吸附了表面活性物質(zhì)（H20、H0■以及極性液體和氣體），使 材料的自由表面能降低。也就是說，裂紋的擴(kuò)展阻力降低 了。如果此值小于裂紋擴(kuò)展動(dòng)力，就會導(dǎo)致在低應(yīng)力水平 下的開裂。新開裂表面的斷裂表面，因?yàn)檫€沒有來得及被 介質(zhì)腐蝕，其表面能仍然大于裂紋擴(kuò)展動(dòng)力，裂紋立即止 裂，接著進(jìn)行下一個(gè)腐蝕■開裂循環(huán)，周而復(fù)始，形成宏觀 上的裂紋的緩慢生長。 13 圖1?43 K值隨亞臨界裂紋增長的變化 低Ki階段，速率與Ki 成正比，由水與玻璃 表面的化學(xué)反應(yīng)所控 薊，隨著蒸汽壓增加, 速率增大； 高Ki階段，擴(kuò)散速率 與蒸汽壓相關(guān)，但與 Ki葩矣系渝弱，仍受 水與玻璃反應(yīng)控制， 并受水傳輸?shù)搅鸭y尖 端的速牽#空儒1。 更高Ki階段，裂紋擴(kuò) 展與環(huán)境無關(guān)，而受 材料組成與溫度的影 響。 # 15 圖1?45亞臨界裂紋擴(kuò)展的三個(gè)階段 In v = A + BK1 b）亞臨界裂紋生長速率與應(yīng)力場強(qiáng)度因子 的關(guān)系 「 -nK v = v exp RT c）材料壽命的預(yù)測 17 # K\ = Key c,y/2 dK\ _ bY 竺 + 1/2空 莎 一 2R/2 dt 十 dt # # / Y值變化很小，可忽略， 裂紋擴(kuò)展速率v=dc/dt,則有 # # KlC 0 dK\ V # # 2 （丄 "=市丙匚②KJ /裂紋擴(kuò)展1階段，v=AKf 由起始裂紋狀態(tài)，經(jīng)受力后緩慢擴(kuò) 展直到臨界裂紋長度所經(jīng)歷的時(shí)間 此即為剖品受力的看命 # 壽命預(yù)計(jì)的方法 ■無損探傷法 ■可測出比較長的表面裂紋，對小裂紋及小尺 寸制品難以測量； ■保證試驗(yàn)法 ■施加界于臨界應(yīng)力和工作應(yīng)力之間的力。 d）高溫下裂紋尖端的應(yīng)力空腔作用 # # 圖1?44裂紋尖端附近空腔的形成 多晶多相陶瓷在髙 溫下長期熒力作用時(shí)，晶 界玻璃相的結(jié)構(gòu)黏度下 降，由于該處的應(yīng)力集中， 晶界處于甚高的局部拉 應(yīng)力狀態(tài)，玻璃相則會發(fā) 生蠕變或粘性流動(dòng)，形成 發(fā)生在氣孔、夾雜、晶 界層，甚至結(jié)構(gòu)缺陷中。 # e）蠕變斷裂 圖1?46沿晶界斷裂的幾種形式 的 閱瓷材料的脆性和克服脆性的途徑 ■材料強(qiáng)度的本質(zhì)（根本）:內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的結(jié)合 力"各種化學(xué)鍵商綜合表現(xiàn)/在“固體材料 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)中已經(jīng)學(xué)習(xí)?同學(xué)們應(yīng)該把原來的 知識和現(xiàn)在的學(xué)習(xí)結(jié)合起來?材料的“表觀” 強(qiáng)度是由材料的本征強(qiáng)度和材料的各種 “結(jié)構(gòu)” “包括缺陷和強(qiáng)化 # ■脆性是陶瓷的特征，亦是陶瓷的致命弱點(diǎn), 它間接地反映在陶瓷較低的抗機(jī)械沖擊強(qiáng) 度和較差的抗溫度驟變性，直觀地表現(xiàn)在 一旦受到臨界的外加負(fù)荷，陶瓷的斷裂則 具有爆發(fā)性的特征和災(zāi)難性的后果。 21 ■6陶瓷增韌 K、c oy = /增加強(qiáng)度，需增加斷裂韌性，減小裂紋長度 z Becher(1991)歸納岀，玻璃和單晶陶瓷的斷 裂韌性在0.5-2MPaml/2的范圍內(nèi),多晶陶瓷 斷裂韌性不會超過5Mpaml/2,前提是不采 用特殊的顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 # TABLE 10.1 A Classification of Toughening Mechanisms in C eramics General Mechanism Detailed Mechanisms Crack tip shielding by crack bridging Crack tip shielding by process zone activity Crack deflection〈爲(wèi)^ Crack bowing 扌狂曲 Second-phase brittle fibers with partial debonding Frictional and ligamentary grain bridges Second-phase ductile ligament bridging Microcracking Transformation toughening Ductile yielding in process zone i Tilt and twist out of crack plane around grains^ and second-phase additions Bowing in crack plane between second-phase crack-pinning points 23 巳gTractiiiT I ougjincss Values for Various Ceramic iviaienais Material Alumina ~ 1 20 ML % SiC whiskers Alumina I 2() vol. % T7P h i ^iumin：i 1 Mg%T“ i；爲(wèi)：yg)； Polycrystalline cubic zirconia tC，，a) TZP (12 mol % ceria)" TZP (2 mol % yttria)tt TZP (2 mol % yttria)a PSZ(9mo] % magnesia) with increasing precipitate sizea g Silicon nitride, equiaxed grains Silicon nitride, elongated grains Silicon carbide, densification additive_ alumina Silicon carbide, densification additive—boron and carbon Silicon carbide + 25 vol. % titanium carbide Grain Size (pm) fracture Joughness (MPa ? rn12) 1 2 1()12 2.5-3, 4.5 1 2 K 10 2 K 7 13 5() 4 6 15 18 1.5 12 0.5 7 50 8-16 2-3 4 ? 10 2 3.5Y 5-7 2.5-3 2.5 6 nrecracked (3-5 mm precrack length) applied  2.7顯微結(jié)構(gòu)與材料強(qiáng)度的關(guān)系 實(shí)際材料的強(qiáng)度接近理論強(qiáng)度的途徑 ■提咼晶體的完整度, 細(xì)：細(xì)晶微晶 消除缺陷: 密：高密度 勻：均勻 ■晶須(Whisker)：和理論強(qiáng)度在一個(gè)數(shù)量級 ■纖維(fiber)：低于理論強(qiáng)度一個(gè)數(shù)量級 ■單晶(Crystal)：接近理論強(qiáng)度 ■氧化鋁:抗拉強(qiáng)度(GPa), particle-0.28, fiber-2.1, whisker-21 27 晶體尺寸與斷裂韌性、強(qiáng)度的關(guān)系 10 100 Grain Size, d (um) 6 5 4 3 2 (2/E? edw) ss ① u€)nol ①」noalLL 超過特征尺寸 時(shí)，微裂紋瞬 間擴(kuò)展，主要 裂紋連接微裂 紋，而降低Kic; 在特征尺寸范 圍內(nèi)，顆粒增 1000 般口裂紋的 29 ■ 強(qiáng)度與氣孔的關(guān)系 ■多孔材料的強(qiáng)度隨其所含氣孔率的提高而 下降，這不僅由于固相截面減少導(dǎo)致的實(shí) 際應(yīng)力增大，更主要的是氣孔引起的應(yīng)力 集中導(dǎo)致了強(qiáng)度下降。此外，彈性模量和 斷裂能隨氣孔率的變化亦間接影響著強(qiáng)度 值。Duckworth早年提出的強(qiáng)度與氣孔率 之間的關(guān)系式： -bp  ■高溫下，氣孔能容納變形，阻止裂紋擴(kuò)展。 ＞適當(dāng)氣孔可提高耐火材料的熱需穩(wěn)定性。 ＞雜質(zhì)的存在，彈性模量較低的第二相，會 使強(qiáng)度降低。 Homework ■教材第10 6頁第4、5題 ■ PPT的英文題（可選） 思考題（不需要交） ■如何提高材料的強(qiáng)度? 33