【文章內(nèi)容簡介】 片面追求高強度，其結果不但不安全，而且還埋沒了乙鋼這種非常合用的材料。從上面分析可以看到KIC這一材料常數(shù)的重要性，有必要進一步研究其物理意義。 1．裂紋擴展的動力——應變能釋放率GIrwin提出用應變能釋放率（或裂紋擴展）G描述裂紋擴展單位面積所降低的彈性應變能。對于有內(nèi)裂(長2c)的薄板，彈性應變能的降低上節(jié)已推出(2．16)公式，即： （）G即為使裂紋擴展的動力。如為臨界狀態(tài)，則 ()2．裂紋擴展有阻力——KIC對于有內(nèi)裂的薄板，根據(jù)式（），所以， 即：將上式代入式（）,得 （平面應力狀態(tài)） （平面應變狀態(tài)）對于脆性材料，斷裂時，材料的彈性應變能的降低應等于產(chǎn)生兩個新斷面的斷裂表面能，即，GC=2γ，由此得 （平面應力狀態(tài)） （平面應變狀態(tài)）可見KIC與材料本征參數(shù)E，γ，μ等物理量有直接關系，因而KIC也應是材料的本征參數(shù)，它反映了具有裂紋的材料對外界作用的一種抵抗能力，也可以說是阻止裂紋擴展的能力，因此是材料的固有性質(zhì)。 167。2．５裂紋的起源與快速發(fā)展 實際材料均帶有或大或小、或多或少的裂紋，其形成原因分析如下：1．由于晶體微觀結構中存在缺陷，當受外力作用時，在這些缺陷處就會引起應力集中導致裂紋成核。在介紹位錯理論時，曾列舉位錯運動中的塞積、位錯組合、交截等都能導致裂紋成核， 這種情況通常對呈延性或半脆性的晶態(tài)材料比較突出。要某些試驗條件下可以觀察到解理斷裂或脆性斷裂。低溫、沖擊荷載及塑性形變受到約束的地方，如在缺口處，都促進這種形式的破壞。在這些情況下，通常都發(fā)生在斷裂開始之前總是出現(xiàn)一些塑性形變。塑性形變過程中產(chǎn)生的位錯可聚集起來以引起微裂紋而導致脆性斷裂。在滑移帶、晶界或表面這些障礙的地方，通常位錯大量堆積在一起當發(fā)生這種情況時，就產(chǎn)生高的局部應力，足以迫使位錯擠在一起形成裂紋核心。2．材料表面的機械損傷與化學腐蝕形成表面裂紋。這種表面裂紋最危險，裂紋的擴展常常由表面裂紋開始。有人研究過新制備的材料表面，用手觸摸就能使強度降低約一個數(shù)量級；從幾十厘米高度落下的一粒砂子就能在玻璃面上形成微裂紋。直徑為6．4mm的玻璃棒,在不同的表面情況下測得的強度值見表23。大氣腐蝕造成表面裂紋的情況前已述及。如果材料處于其他腐蝕性環(huán)境中，情況更加嚴重。比外，在加工、搬運及使用過程中也極易造成表面裂紋。要使強度保持良好，就要保證表面清潔和不受損傷或者使表面處于受壓的初始狀態(tài)。腐蝕受傷物理表面，如用HF酸腐蝕常可恢復原始強度。表2．3不同表面情況對玻璃強度的影響 表面情況 強度(MPa)工廠剛制得受砂子嚴重沖刷后用酸腐蝕除去表面缺陷后 17503．由于熱應力形成裂紋。大多數(shù)無機材料是多晶多相體，晶粒在材料內(nèi)部取向不同，不同相的熱膨脹系數(shù)也不同，這樣就會因各方向膨脹或收縮不同而在晶界或相界出現(xiàn)應力集中，導致裂紋生成，如圖2．19所示。 在制品的制造和使用過程中，由高溫迅速冷卻時，因內(nèi)部和表面的溫度差別引起熱應力，導致表面生成裂紋。此外，溫度變化時發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變的材料也會因體積變化而引起裂紋。 總之，裂紋的成因很多，要制造沒有裂紋的材料是極困難的，因此假定實際材料都是裂紋體，是符合實際情況的。 需要強調(diào)的是，Griffith理論的前提是材料中存在著裂紋，但不涉及裂紋的來源。二．裂紋的快速擴展 1．裂紋快速擴展條件 1）按照Griffith微裂紋理論材料的斷裂強度不是取決于裂紋的數(shù)量，而是決定于裂紋的大小，即由最危險的裂紋尺寸(臨界裂紋尺寸)決定材料的斷裂強度。一旦裂紋超過臨界尺寸就迅速擴展使材料斷裂。2）根據(jù)裂紋擴展動力G從裂紋擴展力G＝πcσ2／Ｅ 可知c增加，G變大。而形成新表面所需的表面能dWs／dc＝2γ是常數(shù)，因此，裂紋一旦達到臨界尺寸開始擴展，G就愈來愈大于2γ，直到破壞。所以對于脆性材料，裂紋的起始擴展就是破壞過程的臨界階段。因為脆性材料基本上沒有吸收大量能量的塑性形變。 另一方面，由于G愈來愈大于2γ，釋放出來的多余的能量一方面使裂紋擴展加速(擴展的速度一般可達到材料中聲速的40％一60％)；另一方面，還能使裂紋增殖，產(chǎn)生分枝，形成更多的新表面。圖2．20是四塊玻璃板在不同負荷下用高速照相機拍攝的裂紋增殖情況。多余的能量也可能不表現(xiàn)為裂紋增殖，而是使斷裂面形成復雜的形狀，如條紋、波紋、梳刷狀等。這種表面極不平整，表面積比平的表面大得多，因此能消耗較多能量。對于斷裂表面的深入研究，有助于了解裂紋的成因及其擴展的特點，也能提供斷裂過程中最大應力的方向變化及缺陷在斷裂中的作用等信息?！皵嗔研蚊矊W”就是專門研究斷裂表面特征的科學。三．防止裂紋擴展的措施 　1．使作用應力不超過臨界應力這樣裂紋就不會失穩(wěn)擴展。2．在材料中設置吸收能量的機構這也能阻止裂紋擴展。例如在陶瓷材料基體中加入塑性的粒子或纖維制成金屬陶瓷和復合材料。3．人為地在材料中造成大量極微細的裂紋(小于臨界尺寸)因為產(chǎn)生微裂紋也能吸收能量，阻止裂紋擴展。近來出現(xiàn)的韌性陶瓷就是在氧化鋁中加入氧化鋯，利用氧化鋯的相變產(chǎn)生體積變化，在基體上形成大量微裂紋或可觀的擠壓內(nèi)應力，從而提高材料的韌性。 167。2．6 材料中裂紋的亞臨界生長 一．亞臨界生長的定義裂紋在使用應力作用下，隨著時間的推移而緩慢擴展。這種緩慢擴展也叫亞臨界生長，或稱為靜態(tài)疲勞(材料在循環(huán)應力或漸增應力作用下的延時破壞叫做動態(tài)疲勞)。裂紋緩慢生長的結果是裂紋尺寸逐漸加大。一旦達到臨界尺寸就會失穩(wěn)擴展而破壞。就是說，雖然材料在短時間內(nèi)可以承受給定的使用應力而不斷裂，但如果負荷時間足夠長，仍然會在較低應力下破壞。即可以說材料的斷裂強度取決于時間。這就提出了材料的壽命問題因為這種斷裂往往沒有先兆。如果我們能預先推測材料的壽命，則可避免許多事故。 關于裂紋緩慢生長的本質(zhì)至今尚無成熟的理論，這里介紹幾個觀點：二．裂紋亞臨界生長理論1．應力腐蝕理論 材料在靜應力和腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生的脆性斷裂稱為應力腐蝕斷裂。應力腐蝕并不是應力和腐蝕介質(zhì)兩個因素分別對材料性能損傷的簡單疊加。應力腐蝕斷裂常發(fā)生在相當緩和的介質(zhì)和不大的應力狀態(tài)下，而且往往事先沒有明顯的預兆，因此常造成災難性的事故。 應力腐蝕理論的實質(zhì)在于：在一定的環(huán)境溫度和應力場強度因子作用下，材料中關鍵裂紋尖端處，裂紋擴展動力與裂紋擴展阻力的比較，構成裂紋開裂或止裂的條件。 應力腐蝕理論的出發(fā)點是考慮材料長期暴露在腐蝕性環(huán)境介質(zhì)中。例如玻璃的主成分是Si02，陶瓷中也含各種硅酸鹽或游離 Si02，如果環(huán)境中含水或水蒸汽，特別是pH值大于8的堿溶液，由于毛細現(xiàn)象，進入裂紋尖端與Si02發(fā)生化學反應，引起裂紋進一步擴展。 裂紋尖端處的高度的應力集中導致較大的裂紋擴展動力。即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，OH—以及極性液體和氣體)，使材料的自由表面能降低。（即裂紋的擴展阻力降低）。如果此值（裂紋表面自由能的降低）小于裂紋擴展動力，就會導致在低應力水平下的開裂。新開裂表面的斷裂表面，因為還沒有來得及被介質(zhì)腐蝕，其表面能仍然大于裂紋擴展動力，裂紋立即止裂。接著進行下一個腐蝕——開裂循環(huán)，周而復始，形成宏觀上的裂紋的緩慢生長。 　由于裂紋的長度緩慢地增加，使得應力強度因子也跟著慢慢增大，一旦達到KIC值，立即發(fā)生快速擴展而斷裂。從圖2．2l中可以看出，盡管Ｋ初始有大有小，但每個試件均在K＝KIC時斷裂。2．高溫下裂紋尖端的應力空腔作用 多晶多相陶瓷在高溫下長期受力作用時，晶界玻璃相的結構粘度下降，由于該處的應力集中，晶界處于甚高的局部拉應力狀態(tài)，玻璃相則會發(fā)生蠕變或粘性流動，形變發(fā)生在氣孔、夾雜、晶界層，甚至結構缺陷中。使以上這些缺陷逐漸長大。這些空腔進一步沿晶界方向長大、聯(lián)通形成次裂紋，與主裂紋匯合就形成裂紋的緩慢擴展。 高溫下亞臨界裂紋擴展的特點，與常溫或不太高溫度下亞臨界裂紋擴展是不一樣的，分屬于兩種不同的機理。三．亞臨界裂紋生長速率與應力場強度因子的關系1. 亞臨界裂紋生長速率與應力場強度因子的關系式從圖2．2 1可以看出，起始不同的KI，隨著時間的推移，會由于裂紋的不斷增長而緩慢增大，其軌跡如圖中虛線所示。虛線的斜率近似于反映裂紋生長的速率。起始KI不同，v不同。v隨 KI的增大而變大。1）表示式1經(jīng)大量試驗，v與KI的關系可表示為　　　　　　　?。ǎ┦街衏為裂紋的瞬時長度，n為應力場強度指數(shù)，按此方法測定的典型的n值在3040范圍內(nèi)，說明裂紋生長速度突出地領帶于應力場強度因子。 2）表示式2表示成對數(shù)形式： lnv＝Ａ＋ＢＫＩ　　　　　　　　　　　　()A、B、n是由材料本質(zhì)及環(huán)境條件決定的常數(shù)。3）表示式3(2．64)式用波爾茲曼因子表示為：　　　　 　?。ǎ┦街校瑅0為頻率因子。Q*為斷裂激活能，與作用應力無關，與環(huán)境和溫度有關。n為常數(shù)，與應力集中狀態(tài)下受到活化的區(qū)域的大小有關。R為氣體常數(shù)。T為熱力學溫度。將式（）寫成對數(shù)形式，則為因此， lnv與成比例，顯然曲線的形狀取決于nKI與Q的大小。2．亞臨界裂紋生長速率與應力場強度因子的關系圖。該曲線可分為三個區(qū)域：Ⅰ區(qū)：lnv與KI成直線關系原因：隨著KI增加，斷裂激活能Q*將因環(huán)境的影響而下降(應力腐蝕)，所以lnv增加且與KI成直線關系；Ⅱ區(qū)：lnv基本和KI無關原因：此時，原子及空位的擴散速度達到了腐蝕介質(zhì)的擴散速度，使得新開裂的裂紋端部沒有腐蝕介質(zhì)，于是Q*提高，結果抵消了KI增加對lnv的影響，使n KI一Q*≈常數(shù)，表現(xiàn)為lnv不隨KI變化； Ⅲ區(qū)：lnv與KI成直線關系，但曲線更陡。原因：Q*增加到一定值時就不再增加(此值相當于真空中裂紋擴展的Q*值)。這樣，使得nKI一Q*愈來愈大，lnv又迅速增加。3．疲勞過程與加載速率的關系疲勞過程還受加載速率的影響。加載速率愈慢，裂紋緩慢擴展的時間較長，在較低的應力下就能達到臨界尺寸。即強度隨加載速率的降低而下降，荷載以緩慢速度增加，為裂紋長大提供更多時間，因而在較低的作用力下就可以達到引起破壞的臨界應力強度因子。這種關系已由實驗證實。4．不同溫度下，v與KI的關系 作為一個重要實例，Evans及Wiederhorn曾進行過高溫下Si3N4陶瓷的裂紋生長速率與起始應力場強度因子關系的研究，其結果見圖22 4所示。從圖可見，不同溫度下的v K１直線有兩種斜率。T= l2OO℃時，求出的n≈50T＞1350℃， n≈1T=12OO一135O℃ 有明顯的過渡階段，低KI時屬于n≈l，高KI時屬于n≈50。對于這種現(xiàn)象，可根據(jù)裂紋形成機理解釋如下：（1）溫度不太高時(≤12OO℃)，KI稍有增加，裂紋擴展速率v很快提高。此段直線位于圖2．24曲線的中段，說明由于溫度甚高，曲線的第Ⅱ區(qū)相對較短，I區(qū)與Ⅲ區(qū)幾乎相連,曲線總的趨勢很陡，屬于應力腐蝕機理。由，通過直線求出Si3N4的Q*值為836kJ／mol。此值遠遠大于典型玻璃相中的離子擴散激活能，或化學反應激活能，所以，還應有斷裂表面能等。（2）當溫度再高時（12OO一135O℃），晶界玻璃相的結構粘度隨溫度的升高而銳減。在此情況下，除了晶相的蠕變變形加大之外，占主導作用的是晶界玻璃相的粘滯流動。①在高度應力集中的裂紋尖端，雖然所加ＫI不大，但可引起該處附近空腔的生成，并隨之長大，連通，引起裂紋的緩慢擴展。即便ＫI稍有增大，但上述空腔開裂機制不會使v增大很多，從而解釋了n=1。這是空腔形成機理。②在此同樣溫度下，當ＫI值甚高時，粘滯體成空腔連通的速度趕不上ＫI的增長，這一過程符合應力腐蝕機理。此時Q*逐步達到真空中裂紋擴展的激活能，為一常數(shù)。lnv與lnＫI成正比，n值較大。 （3）溫度繼續(xù)升高(≥1350℃)，則因晶界玻璃相的結構粘度進一步降低，空腔連通機理貫穿到整個ＫI的數(shù)值范圍。四. 蠕變斷裂1．定義：多晶材料一般