【正文】 性斷裂通常在拉應(yīng)力下自表面開(kāi)始 —— 拉應(yīng)力要先克服表面殘余壓應(yīng)力才能在表面形成拉伸破壞 —— 表面形成應(yīng)力層可提高材料的抗拉強(qiáng)度 熱韌化 通過(guò)加熱、冷卻的方法在表面層中人為地造成表面殘余壓應(yīng)力 應(yīng)用：制造安全玻璃（鋼化玻璃） —— 將玻璃加熱后快冷 —— 表面立即硬化不繼續(xù)變形，內(nèi)部可流動(dòng)適應(yīng)表面收縮 —— 內(nèi)部冷卻硬化后收縮，表面不能適應(yīng)這種大收縮 —— 表面形成殘余壓應(yīng)力 其他應(yīng)用：將 Al2O3加熱到 1700?C在硅油中淬冷 —— 熱韌化＋晶粒細(xì)化 化學(xué)強(qiáng)化 通過(guò)改變表面化學(xué)組成形成表面壓應(yīng)力，從而提高陶瓷材料的強(qiáng)度的方法。 向陶瓷表面滲入離子半徑較大的離子可使表面體積膨脹形成表面壓應(yīng)力 —— 類似金屬化學(xué)熱處理 認(rèn)為體積膨脹與壓應(yīng)力 ?的關(guān)系服從虎克定律，即 VVEVVB ???????)21(3 ??B：體彈性模量， V：體積， E：正彈性模量， ?：泊松比。 如果內(nèi)部的拉應(yīng)力較小，則經(jīng)過(guò)化學(xué)強(qiáng)化的玻璃可韌化到能夠切割和鉆孔。 如果體積變化為 2％， E=70GPa， ?=，則表面壓應(yīng)力可高達(dá) 1167MPa—— 化學(xué)強(qiáng)化可獲得比熱韌化更大的表面壓應(yīng)力。 但固態(tài)擴(kuò)散困難，化學(xué)強(qiáng)化的壓應(yīng)力層的厚度被限制在數(shù)百微米的厚度內(nèi)。 消除表面缺陷 將陶瓷表面拋光或化學(xué)處理消除表面缺陷也可提高強(qiáng)度。與此類似，降低金屬材料的表面粗糙度也可提高其疲勞強(qiáng)度。 3 形成增韌相 對(duì)陶瓷進(jìn)行摻雜和熱處理，使其中形成第二相以提高其韌性的方法。 增韌機(jī)制： 1. 裂紋擴(kuò)展使應(yīng)力升高 ， t相通過(guò)馬氏體相變轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?(m)，相變吸收能量并使體積膨脹產(chǎn)生壓應(yīng)力 ， 使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展困難 相變?cè)鲰g 基底立方相 (cZrO2) 盤狀四方相 (tZrO2) 3. 第二相顆?？梢鹆鸭y偏轉(zhuǎn)，使裂紋的表面積和有效表面能增加，裂紋擴(kuò)展需要更大的能量。 ，并形成許多微裂紋，可有效降低初始裂紋尖端附近的有效應(yīng)力； 應(yīng)用：多種增韌陶瓷 ， 如用氧化釔或氧化鈣部分穩(wěn)定的氧化鋯 (Partially Stabilized Zirconia，PSZ)、 四方氧化鋯多晶陶瓷 、 氧化鋯增韌氧化鋁 (Zirconia Toughened Alumina, ZTA)、 氧化鋯增韌莫來(lái)石 、 氧化鋯增韌尖晶石 、 氧化鋯增韌鈦酸鋁 、 氧化鋯增韌 Si3N4等 ， 斷裂韌性 KIc可高達(dá)20MPam1/2。 問(wèn)題：溫度升高時(shí)會(huì)發(fā)生逆相變使相變?cè)鲰g失效 彌散增韌 通過(guò)人為加入第二相形成復(fù)合材料提高陶瓷韌性的方法 加入的第二相：金屬粉末、其他陶瓷細(xì)粉、纖維、晶須等 增韌機(jī)制：通過(guò)塑性變形吸收能量、阻礙裂紋擴(kuò)展使其擴(kuò)展路徑增長(zhǎng)等。 優(yōu)點(diǎn)：這種機(jī)制可以保留到高溫。 注意事項(xiàng)：加入的彌散相與基體之間應(yīng)該具有良好的化學(xué)相容性和物理潤(rùn)濕性，使材料燒結(jié)后成為完整的整體且不產(chǎn)生有害的界面反應(yīng)。 9. 5 材料的疲勞 (Fatigue of materials) 現(xiàn)象：在變動(dòng)應(yīng)力下工作的構(gòu)件 ， 如軸 、 齒輪 、彈簧等 ， 最大應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度 ， 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工作后斷裂 。 疲勞：材料在低于屈服應(yīng)力的變動(dòng)載荷作用下經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。 特點(diǎn)：無(wú)明顯塑性變形突然斷裂，易造成事故 本節(jié)討論應(yīng)力較低，應(yīng)力交變頻率較高的情況。 不討論低周大應(yīng)力疲勞（應(yīng)力較高，最大應(yīng)力接近或超過(guò)屈服強(qiáng)度；應(yīng)力交變頻率較低，斷裂時(shí)的交變周次少于 102～ 105次）的情形。 9. 5. 1 疲勞現(xiàn)象和疲勞極限 (Fatigue phenomenon and fatigue limit) 1 變動(dòng)載荷 大小、方向或二者都隨時(shí)間變化的載荷。 例：車軸上的一點(diǎn) —— 載荷大小和方向均發(fā)生變化；氣缸蓋的緊固螺釘 —— 載荷方向不變，大小在不斷變化；飛機(jī)外殼 —— 不規(guī)則的變動(dòng)載荷。 周期性的變動(dòng)載荷的特征可用應(yīng)力半幅 ?a、平均應(yīng)力 ?m和應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱系數(shù) ?等描述，其定義為 2m i nm a xa??? ??2m i nm a xm??? ??m a xm i n??? ??max、 ?min分別為應(yīng)力循環(huán)中的最大和最小應(yīng)力。如果 ?=1，則稱為對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)。 2 疲勞極限 疲勞極限 (??)：材料在交變應(yīng)力下發(fā)生無(wú)限次循環(huán)也不斷裂的最大應(yīng)力 —— 疲勞曲線水平部分的應(yīng)力 。 應(yīng)力小于一定值后 ，無(wú)限次循環(huán)也不斷裂 對(duì)于對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)， ?=1， 其疲勞極限表示為 ?1 3 兩種類型的疲勞曲線 條件疲勞極限（有限疲勞極限）：疲勞斷裂前循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)于規(guī)定次數(shù) N0的應(yīng)力。 N0根據(jù)工件的使用條件和壽命確定： 例：汽車曲軸 N0=12?107，汽輪機(jī)葉片 N0=25?1010 沒(méi)有水平部分 裂紋產(chǎn)生擴(kuò)展區(qū)，有疲勞線，如果反復(fù)摩擦，疲勞線也可能磨平形成亮面 最后斷裂區(qū) ， 面積減小 ， 實(shí)際應(yīng)力達(dá)到斷裂強(qiáng)度 ， 斷口與靜載情況相同 4 疲勞斷裂宏觀斷口 9. 5. 2 疲勞破壞的微觀機(jī)制 (Micromechanism of fatigue failure) 1 疲勞裂紋的形成 缺陷處產(chǎn)生裂紋：表面、晶界、孿晶界、夾雜物等局部應(yīng)力集中區(qū) —— 弱區(qū)集中滑移形成裂紋源 駐留滑移帶：多次循環(huán)后在拋光表面形成較粗大的滑移帶，經(jīng)電解拋光將滑移帶拋掉以后再進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，新的滑移帶仍然在原來(lái)的滑移帶的位置產(chǎn)生；經(jīng)多次循環(huán)之后即使進(jìn)行電解拋光也總會(huì)在表面殘留一些未被拋去的滑移帶 —— 局部的材料比材料整體“弱”，交變載荷下的滑移總是集中在某些局部發(fā)生。 交變應(yīng)力下金屬表面形成擠出脊和擠入溝 駐留滑移帶、擠出脊、擠入溝等都是疲勞裂紋核心策源地。晶界、孿晶界、夾雜物等處也容易成為疲勞裂紋核心 —— 疲勞裂紋幾乎都在表面產(chǎn)生，提高表面光潔度或形成表面壓應(yīng)力都可顯著地提高疲勞抗力。 擠入溝是表面缺口 擠出脊表面有裂紋 2 疲勞裂紋的擴(kuò)展 第 I階段：從裂紋萌生處沿最大切應(yīng)力方向 （ 與主應(yīng)力約成 45?角 ） 擴(kuò)展 ， 逐漸轉(zhuǎn)向和主應(yīng)力垂直 。 深度幾個(gè)晶粒 ， 速率很慢 ， 每循環(huán)埃的數(shù)量級(jí) 。 有應(yīng)力集中時(shí)不經(jīng)過(guò)此階段 ， 直接進(jìn)入第 II階段 。 第 II階段：擴(kuò)展較快 ， 每循環(huán)可擴(kuò)展微米數(shù)量級(jí) 。 在掃描電鏡下疲勞斷口 ， 可見(jiàn)疲勞輝紋 （ 疲勞條帶 ） SEM 下7178鋁合金疲勞斷口的塑性輝紋 塑性材料和脆性材料的疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中形成的輝紋有所不同 。 裂紋擴(kuò)展方向 應(yīng)力為零，裂紋閉合 拉應(yīng)力 ， 裂紋張開(kāi) ，尖端應(yīng)力集中 ， 與裂紋 45?方向滑移 拉應(yīng)力最大 ， 滑移使尖端變鈍 ， 滑移停止 ，裂紋停止擴(kuò)展 。 壓應(yīng)力 ， 裂紋閉合 ，彎成耳狀切口 尖端變銳 ， 開(kāi)始下一循環(huán) 9. 6 材料的抗沖擊性能 (Impact resistance properties of materials) 9. 6. 1 沖擊韌性試驗(yàn) (Impact toughness test) 沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別 —— 加載速度。 可以用應(yīng)變速度間接反映加載速度的變化。 相對(duì)變形速度在 104～ 101/s時(shí)金屬的力學(xué)性能變化不大，可按靜載荷處理； 變形速度大于 101/s時(shí)金屬的力學(xué)性能有明顯變化，必須考慮加載速度的影響。 沖擊韌性 ak為按一定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件沖斷材料時(shí)單位面積所消耗的功。 ak越大，材料的韌性越好 沖擊載荷：短時(shí)間內(nèi)變動(dòng)劇烈的載荷 。 起動(dòng) 、 剎車時(shí)火車車廂間的連接桿 、 鍛錘 、 沖床 、鑿巖機(jī) 、 球磨機(jī) 、 鉚釘槍等 沖擊功：沖斷所作的功。即擺錘沖斷試樣損失的能量 AK=G(H1H2) 用試樣缺口處的截面積 S去除沖擊功，稱為材料的沖擊韌性（沖擊值） aK，即 aK=AK/S 對(duì)韌性不同的材料，沖擊試樣有不同的形式 脆性材料的沖擊試樣不開(kāi)缺口； —— 用不同形式的試樣測(cè)得的沖擊值是不能直接比較的。 韌性較高的材料開(kāi) V形缺口 —— 夏氏試樣 韌性一般的材料開(kāi)圓弧形缺口 —— 梅氏試樣 9. 6. 2 金屬材料的冷脆 (Cold brittleness of metallic materials) 冷脆轉(zhuǎn)變溫度：沖擊功突然降低的溫度 冷脆：當(dāng)溫度低于某一臨界值 TK時(shí)，沖擊功突然降低，材料從韌性狀態(tài)變成脆性狀態(tài)的現(xiàn)象。 低應(yīng)力脆斷，災(zāi)難性事故 物理本質(zhì)：隨溫度的降低屈服強(qiáng)度比斷裂強(qiáng)度升高快， 低于 TK時(shí)屈服強(qiáng)度高于斷裂強(qiáng)度。 晶體結(jié)構(gòu)：對(duì)稱性越差，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的派－納力越高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力（屈服強(qiáng)度）受溫度影響越大，冷脆傾向越大 —— 體心立方或密排六方晶體結(jié)構(gòu)的金屬具有冷脆現(xiàn)象。面心立方金屬很少見(jiàn)到冷脆現(xiàn)象。 合金元素和雜質(zhì)：偏聚于晶界，降低晶界能，或者在晶界形成脆性相，使脆性斷裂容易沿晶界發(fā)生，提高冷脆轉(zhuǎn)變溫度。 P為甚。 晶粒細(xì)化：增加晶界面積，降低雜質(zhì)原子在晶界的偏聚程度，同時(shí)可提高塑性，因此可降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度。 影響因素 高強(qiáng)度鋼本身的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力大 ， 塑性差 ，沖擊功低 ， 受溫度影響小 ，因此無(wú)明顯冷脆 。 中低強(qiáng)度鋼有明顯的冷脆現(xiàn)象