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正文內(nèi)容

無機(jī)材料性能講義(編輯修改稿)

2024-08-31 01:11 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 半徑ρ與晶格常數(shù)a相當(dāng):裂紋擴(kuò)展的條件是:一旦c增加, 進(jìn)一步增大,更大于 ,裂紋加速擴(kuò)展。v 貢獻(xiàn):看到了缺陷、解釋了實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度的事實(shí)。v 缺點(diǎn):沿用了傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論,引用了現(xiàn)成的彈性力學(xué)應(yīng)力集中理論,并將缺陷視為橢圓孔,未能討論裂紋型的缺陷。2. Griffith微裂紋理論v 裂紋擴(kuò)展的臨界條件:物體內(nèi)儲存的彈性應(yīng)變能的降低大于或等于形成兩個(gè)新表面所需的表面能。v 由彈性理論,當(dāng)人為割開長2C的裂紋時(shí),可求得裂紋擴(kuò)展時(shí)的彈性能改變量:v 產(chǎn)生長度為2C的新表面,所需的表面能為: 當(dāng)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展一個(gè)微小量時(shí),單位面積釋放的能量為 ,形成新生的單位表面積所需的表面能為:由臨界條件得: 平面應(yīng)力狀態(tài)下裂紋擴(kuò)展時(shí)的臨界裂紋長度或臨界應(yīng)力: 平面應(yīng)變狀態(tài)下裂紋擴(kuò)展時(shí)的臨界裂紋長度或臨界應(yīng)力: 平面應(yīng)力:只在平面內(nèi)有應(yīng)力,與該面垂直方向的應(yīng)力可忽略,例如薄板拉壓問題。 平面應(yīng)變:只在平面內(nèi)有應(yīng)變,與該面垂直方向的應(yīng)變可忽略,例如水壩側(cè)向水壓問題。3. Irwin Orowan理論 4. 控制強(qiáng)度的三個(gè)參數(shù)彈性模量E:取決于材料的組分、晶體的結(jié)構(gòu)、氣孔。對其他顯微結(jié)構(gòu)較不敏感。斷裂能gf :不僅取決于組分、結(jié)構(gòu),在很大程度上受到微觀缺陷、顯微結(jié)構(gòu)的影響,是一種織構(gòu)敏感參數(shù),起著斷裂過程的阻力作用。裂紋半長度C:材料中最危險(xiǎn)的缺陷,其作用在于導(dǎo)致材料內(nèi)部的局部應(yīng)力集中,是斷裂的動(dòng)力因素。33 應(yīng)力場強(qiáng)度因子和平面應(yīng)變斷裂韌性v 從上世紀(jì)四十年代開始,不少學(xué)者基于彈性理論討論裂紋頂端附近應(yīng)力分布問題---斷裂力學(xué)v 與材料強(qiáng)度有關(guān)的斷裂力學(xué)的特點(diǎn): 著眼于裂紋尖端應(yīng)力集中區(qū)域的力場和應(yīng)變場分布; 研究裂紋生長、擴(kuò)展,最終導(dǎo)致斷裂的動(dòng)態(tài)過程和規(guī)律; 研究抑制裂紋擴(kuò)展、防止斷裂的條件。 給工程設(shè)計(jì)、合理選材、質(zhì)量評價(jià)提供判據(jù)。v 根據(jù)裂紋尖端塑性區(qū)域的范圍,斷裂力學(xué)分為兩大類:(1)線彈性斷裂力學(xué)當(dāng)裂紋尖端塑性區(qū)的尺寸遠(yuǎn)小于裂紋長度,可根據(jù)線彈性理論來分析裂紋擴(kuò)展行為。(2)彈塑性斷裂力學(xué)當(dāng)裂紋尖端塑性區(qū)尺寸不限于小范圍屈服,而是呈現(xiàn)適量的塑性,以彈塑性理論來處理。1. 裂紋擴(kuò)展方式Ⅰ型(掰開型)張開或拉伸型:裂紋表面直接分開。Ⅱ型(錯(cuò)開型)滑開或面內(nèi)剪切型:兩個(gè)裂紋表面在垂直于裂紋前緣的方向上相對滑動(dòng)。Ⅲ型(撕開型)外剪切型:兩個(gè)裂紋表面在平行于裂紋前緣的方向上相對滑動(dòng)。其中最危險(xiǎn)的是張開型,一般在計(jì)算時(shí),按最危險(xiǎn)的計(jì)算。 裂紋長度與斷裂應(yīng)力的關(guān)系: K是與材料、試件尺寸、形狀、受力狀態(tài)等有關(guān)的系數(shù)。說明,斷裂應(yīng)力受現(xiàn)有的裂紋長度制約。2. 裂紋尖端應(yīng)力場分析 KI稱為應(yīng)力場強(qiáng)度因子,是與外加應(yīng)力,裂紋長度,裂紋種類和受力狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)。3. 應(yīng)力場強(qiáng)度因子及幾何形狀因子4. 臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子及斷裂韌性5. 裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力與阻力 應(yīng)力場強(qiáng)度因子和平面應(yīng)變斷裂韌性2. 裂紋尖端應(yīng)力場分析 1957年lrwin歐文應(yīng)用彈性力學(xué)的應(yīng)力場理論對裂紋尖端附近的應(yīng)力場進(jìn)行了分析,對Ⅰ型裂紋得到如下結(jié)果。 KI稱為應(yīng)力場強(qiáng)度因子,是與外加應(yīng)力、裂紋長度、裂紋種類和受力狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)。當(dāng) r<<c,q→0時(shí),即為裂紋尖端處的一點(diǎn): sy是裂紋擴(kuò)展的主要?jiǎng)恿Α?. 應(yīng)力場強(qiáng)度因子及幾何形狀因子 sy是裂紋擴(kuò)展的主要?jiǎng)恿Γ词乔笆龅膕AKI是反映裂紋尖端應(yīng)力場強(qiáng)度的強(qiáng)度因子。Y為幾何形狀因子,它和裂紋型式、試件幾何形狀有關(guān)。應(yīng)力場強(qiáng)度因子有如下特性:a)應(yīng)力場強(qiáng)度因子僅與荷載與裂紋幾何尺寸有關(guān),而與坐標(biāo)無關(guān)。b)裂紋頂端附近的應(yīng)力和位移分布,完全由應(yīng)力場強(qiáng)度因子來確定。c)應(yīng)力場強(qiáng)度因子是裂紋頂端應(yīng)力場大小的比例因子,因此應(yīng)力分量正比于應(yīng)力強(qiáng)度因子。求KI的關(guān)鍵在于求Y:4. 臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子及斷裂韌性KI反映了裂紋尖端應(yīng)力場的強(qiáng)度,是決定彈性材料中裂紋行為的重要力學(xué)參數(shù)。 按斷裂力學(xué)的觀點(diǎn),裂紋是否擴(kuò)展取決于應(yīng)力場強(qiáng)度因子的大小,當(dāng)K值達(dá)到某一極限值時(shí),裂紋就擴(kuò)展,即構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂的條件:KI>KIC 極限值KIC稱為斷裂韌性,它是反映材料抗斷性能的參數(shù)。 因此,應(yīng)力場強(qiáng)度因子小于或等于材料的平面應(yīng)變斷裂韌性,即:KI≤KIC,所設(shè)計(jì)的構(gòu)件才是安全的,這一判據(jù)考慮了裂紋尺寸。 臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KIC:當(dāng)KI隨著外應(yīng)力增大到某一臨界值,裂紋尖端處的局部應(yīng)力不斷增大到足以使原子鍵分離的應(yīng)力sth,此時(shí),裂紋快速擴(kuò)展并導(dǎo)致試樣斷裂。對于薄板: KIC = sc( p c )189。 由: sc= (2E g / pc)1/2 得: KIC =(2E g )1/2斷裂韌性參數(shù)(KIC ): 是材料固有的性能,也是材料的組成和顯微結(jié)構(gòu)的函數(shù),是材料抵抗裂紋擴(kuò)展的阻力因素。與裂紋的大小、形狀以及外力無關(guān)。隨著材料的彈性模量和斷裂能的增加而提高。5. 裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力與阻力1)裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力 Irwin將裂紋擴(kuò)展單位面積所降低的彈性應(yīng)變能定義為應(yīng)變能釋放率或裂紋擴(kuò)展力。 對于有內(nèi)裂紋2C的薄板: 其中G為裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力。2)裂紋擴(kuò)展的阻力——斷裂表面能 KIC表示阻止裂紋擴(kuò)展的能力,是材料固有的性質(zhì);KIC是結(jié)構(gòu)敏感的;既能反映材料的強(qiáng)度,也能反映塑性。補(bǔ)充:晶體材料斷裂與塑性形變的比較? 塑性形變是位錯(cuò)(微觀缺陷)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,說明實(shí)際晶體在遠(yuǎn)低于理想晶體的屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下,發(fā)生塑性形變。 斷裂力學(xué)說明材料的斷裂是裂紋(宏觀缺陷)擴(kuò)展的結(jié)果。實(shí)際晶體在遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度的應(yīng)力下,發(fā)生斷裂。相同點(diǎn): 裂紋和位錯(cuò)的前端都將晶體劃分為已斷裂(滑移)和未發(fā)生變化的兩部分。 裂紋擴(kuò)展和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)都使原子鍵連續(xù)破壞。不同點(diǎn): 裂紋擴(kuò)展使原子鍵永久性的撕開,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)之后,斷開的原子鍵隨即重新愈合。 裂紋的起源和擴(kuò)展1. 裂紋的起源v (1) 晶體微觀結(jié)構(gòu)中存在缺陷,當(dāng)受到外力作用時(shí),在這些缺陷處引起應(yīng)力集中,導(dǎo)致裂紋成核。? 由于晶粒取向不同,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)會受到晶界的阻礙,而在晶界產(chǎn)生位錯(cuò)塞積。? 材料中的雜質(zhì)原子引起應(yīng)力集中而成為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。? 熱缺陷、交叉(位錯(cuò)組合、位錯(cuò)線與位錯(cuò)線或位錯(cuò)線與其他缺陷相互交叉)都能使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到阻礙。v 當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到各種阻礙時(shí),就會在障礙前塞積起來,導(dǎo)致微裂紋形成。 v (2)材料表面的機(jī)械損傷與化學(xué)腐蝕形成表面裂紋,這種裂紋最危險(xiǎn),裂紋的擴(kuò)展常常由表面裂紋開始。v (3)由于熱應(yīng)力而形成裂紋。 ①晶粒在材料內(nèi)部取向不同,熱膨脹系數(shù)不同,在晶界或相界出現(xiàn)應(yīng)力集中。 ②高溫迅速冷卻,內(nèi)外溫度差引起熱應(yīng)力。 ③溫度變化發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變,體積發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域都會使裂紋成核。v 結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域的特點(diǎn): 材料中任何結(jié)構(gòu)不連續(xù)性都會使局部能量處于高能量狀態(tài),即應(yīng)力狀態(tài); 外力作用下,能量高的不連續(xù)區(qū)域首先發(fā)生運(yùn)動(dòng),在能量較低的不連續(xù)區(qū)域使其能量降低; 結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域在可能情況下總是降低其能量; 不連續(xù)區(qū)域在運(yùn)動(dòng)過程中,遇到勢壘,會發(fā)生塞積,引起高度的應(yīng)力集中,此應(yīng)力又會激活其他結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域。各種制備工藝引入的缺陷類型:2. 裂紋的快速擴(kuò)展 按照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,而是決定于裂紋的大小。(1)由臨界裂紋尺寸決定材料的斷裂強(qiáng)度 裂紋擴(kuò)展力: 若 C 增加,則 G 變大,而 是常數(shù)。 當(dāng) C=C臨界 ,即Gc≥ 2r 時(shí),裂紋擴(kuò)展,材料斷裂(2)G的增大,釋放出多余的能量,一方面使裂紋擴(kuò)展加速。另一方面能使裂紋增殖,產(chǎn)生分支,形成更多的新表面,或者使斷裂面形成復(fù)雜的形狀,如條紋、波紋、梳刷紋等。3. 影響裂紋擴(kuò)展的因素v (1)使作用力不超過臨界應(yīng)力。v (2)在材料中設(shè)置吸收能量的機(jī)構(gòu)。? 陶瓷材料中加入塑性粒子或纖維。? 人為地造成大量極微細(xì)的裂紋(小于臨界尺寸)能吸收能量,阻止裂紋擴(kuò)展。 靜態(tài)疲勞v 裂紋除快速失穩(wěn)擴(kuò)展外,還會在使用應(yīng)力下,隨時(shí)間的推移而緩慢擴(kuò)展。這種緩慢擴(kuò)展叫亞臨界生長,或稱靜態(tài)疲勞。v 雖然材料在短時(shí)間內(nèi)可以承受給定的使用應(yīng)力而不斷裂,但如果負(fù)荷時(shí)間足夠長,仍然會在較低應(yīng)力下破壞,即材料斷裂強(qiáng)度取決于時(shí)間。v 例如:同樣材料負(fù)荷時(shí)間 t1>t2>t3 ,則斷裂強(qiáng)度 下面介紹裂紋緩慢生長的本質(zhì)。一、應(yīng)力腐蝕理論 實(shí)質(zhì):在一定的環(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)成裂紋開裂或止裂的條件。 出發(fā)點(diǎn):考慮材料長期暴露在腐蝕性環(huán)境介質(zhì)中?;緝?nèi)容:v ⑴ 在裂紋尖端處的離子鍵受到破壞,吸收了表面活性物質(zhì)(H2O,OH-以及極性液體或氣體),使材料的自由表面能降低,即裂紋的擴(kuò)展阻力降低;v ⑵ 若新開裂表面的斷裂表面,因沒來得及被介質(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。v ⑶ 周而復(fù)始,形成宏觀上的裂紋緩慢生長。v ⑷ 由于裂紋長度緩慢地增加,使得應(yīng)力場強(qiáng)度因子也緩慢增大,一旦達(dá)到KIC值,立即發(fā)生快速擴(kuò)展而斷裂。環(huán)境介質(zhì)的作用 (應(yīng)力腐蝕理論)引起裂紋的擴(kuò)展機(jī)理實(shí)例:玻璃在含有OH介質(zhì)中的亞臨界裂紋擴(kuò)展:OH對裂紋的強(qiáng)化作用有: 吸附導(dǎo)致鍵強(qiáng)的下降; 應(yīng)力加速了裂紋尖端玻璃的溶解; 離子互換導(dǎo)致裂紋尖端張應(yīng)力的增長。 裂紋生長的主要原因是應(yīng)力促進(jìn)了水與玻璃的化學(xué)反應(yīng),生長速率受反應(yīng)速率所控制(Ⅰ)。 裂紋生長速率幾乎與應(yīng)力無關(guān),此時(shí)裂紋生長速率取決于OH離子向裂紋尖端遷移的速率。(Ⅱ) 裂紋生長的速率又隨KI的增大而呈指數(shù)的增長,與水氣含量無關(guān),裂紋生長受到玻璃的化學(xué)組分和結(jié)構(gòu)的控制(Ⅲ)。SiC界面的氧化作用引起裂紋擴(kuò)展過程:空氣中的氧氣在裂紋尖端與SiC發(fā)生如下反應(yīng): 2SiC+3O2=2SiO2+2CO173。過程包括: 氧離子通過氧化層傳遞至裂紋尖端; 氧離子的吸附,SiC174。SiO2的反應(yīng); CO從反應(yīng)區(qū)離去; 裂紋形成的新表面被氧化層覆蓋,接著進(jìn)行下一個(gè)腐蝕開裂循環(huán),周而復(fù)始,形成宏觀裂紋。其形成的組分中含有硅酸鹽晶界薄層。二、高溫下裂紋尖端的應(yīng)力空腔作用 1. 多晶多相陶瓷在高溫下長期受力的作用時(shí),晶界玻璃相的結(jié)構(gòu)粘度下降。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),形變發(fā)生在氣孔,夾層,晶界層,甚至結(jié)構(gòu)缺陷中,形成空腔。 2. 這些空腔沿晶界方向長大,聯(lián)通形成次裂紋,與主要裂紋匯合就形成裂紋的緩慢擴(kuò)展。三、亞臨界裂紋生長速率與應(yīng)力場強(qiáng)度因子的關(guān)系 起始不同的KI,隨時(shí)間的推移,會由于裂紋的不斷增長而緩慢增大。 v隨KI的增大而變大,經(jīng)大量實(shí)驗(yàn),v與KI的關(guān)系可表示為: 用波爾茲曼因子表示為:⑴ 第一區(qū):隨KI增加, 將因環(huán)境影響而下降(因應(yīng)力腐蝕),lnv增加,與KI成直線關(guān)系。⑵ 第二區(qū):原子及空位的擴(kuò)散速度=腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散速度,使得新開裂的裂紋端部沒有腐蝕介質(zhì), 提高,抵消了KI增加對lnv 的影響,表現(xiàn)為lnv不隨KI變化。⑶ 第三區(qū): 增加到一定值時(shí)不再增加,這樣, 將越來越大,lnv又迅速增加。v 解釋:第I區(qū),隨著KI增加, 將因環(huán)境的影響而下降(應(yīng)力腐蝕),于是lnv增加且與KI呈直線關(guān)系;v 第II區(qū),原子及空位的擴(kuò)散速率達(dá)到了腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散速率,使得新開裂的裂紋端部沒有腐蝕介質(zhì),于是 提高,結(jié)果抵消了KI增加對lnv的影響, 常數(shù),表現(xiàn)為lnv不隨KI變化;v 第III區(qū), 增加到一定值時(shí)就不再增加,這樣, 將愈來愈大,lnv又迅速增加。 大多數(shù)氧化物陶瓷由于含有堿性硅酸鹽玻璃相,通常有疲勞現(xiàn)象。疲勞過程受加載速率的影響,加載速率越慢,裂紋緩慢擴(kuò)展的時(shí)間較長,在較低的應(yīng)力下就能達(dá)到臨界尺寸。 四、根據(jù)亞臨界裂紋擴(kuò)展預(yù)測材料壽命 無機(jī)材料在實(shí)際使用溫度下,經(jīng)受長期應(yīng)力 的作用,制品上典型受力區(qū)的最長裂紋將有亞臨界裂紋緩慢擴(kuò)展,最后斷裂。研究此擴(kuò)展的始終時(shí)間,即可預(yù)測制品的壽命。ci為初始裂紋長度,cc為臨界裂紋長度。v 將 代入上式,得:v 由于n值比較大,則 ,上式變成v A、n可通過實(shí)測不同KIj下的裂紋緩慢擴(kuò)展速率v,通過式(358)求得。KIi由初始裂紋長度確定,Y由試樣確定。v (1)無損探傷法—探測最長裂紋長度civ (2)保證試驗(yàn)法 v 在一批制品中,每個(gè)制品均按實(shí)際工作時(shí)的受力方式,施加一個(gè)檢測應(yīng)力 , ,則 由于
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