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1、第三章 无机材料的断裂及裂纹扩展本讲稿第一页，共八十页n强度强度反映的是材料内部裂纹扩展的宏观结反映的是材料内部裂纹扩展的宏观结果。而果。而裂纹扩展过程的细节裂纹扩展过程的细节相对于裂纹扩相对于裂纹扩展的结果，更为重要。展的结果，更为重要。针对材料进行有效的组成针对材料进行有效的组成与结构设计。与结构设计。n研究裂纹扩展过程的理论工具是研究裂纹扩展过程的理论工具是断裂力学。断裂力学。本讲稿第二页，共八十页 事实表明：结构件中不可避免地存在宏事实表明：结构件中不可避免地存在宏观裂纹，在低应力下脆性破坏正是这些观裂纹，在低应力下脆性破坏正是这些裂纹扩展的结果。裂纹扩展的结果。所以，发展出新学所以，
2、发展出新学科：科：断裂力学断裂力学上世纪上世纪40年代起，发生了一系列重大脆性断裂事故年代起，发生了一系列重大脆性断裂事故1940-1945，近千艘全焊接，近千艘全焊接“自由轮自由轮”1000多次脆性破坏事故，多次脆性破坏事故，238艘完全破坏；艘完全破坏；1950，北极星导弹固体燃料发动机壳体爆炸；，北极星导弹固体燃料发动机壳体爆炸；1952，ESSO公司原油罐脆性倒塌等公司原油罐脆性倒塌等本讲稿第三页，共八十页n断裂力学是断裂力学是研究含裂纹物体的强度与裂纹研究含裂纹物体的强度与裂纹扩展规律的科学。扩展规律的科学。n意义意义-阐明了宏观裂纹降低断裂强度的作用，阐明了宏观裂纹降低断裂强度的作
3、用，突出了缺陷对材料性能的重要影响。突出了缺陷对材料性能的重要影响。断裂力学简介断裂力学简介本讲稿第四页，共八十页n3.1.1、裂纹系统的机械能释放率：、裂纹系统的机械能释放率：P50,图图3.1 试样伸长量试样伸长量u，外加载荷，外加载荷P,则：则：，为试样的柔为试样的柔度度 系统的弹性变形能为：系统的弹性变形能为：3.1断裂力学基本知识断裂力学基本知识本讲稿第五页，共八十页 当裂纹在外力作用下发生当裂纹在外力作用下发生 c的扩展时：的扩展时：（1）常力加载时：）常力加载时：则总机械能变化量为：则总机械能变化量为：（2）常位移加载，又称固定边界加载，指在裂纹扩展时，）常位移加载，又称固定边界
4、加载，指在裂纹扩展时，系统系统 u=0，则，则 于是：于是：本讲稿第六页，共八十页 可见：不同加载条件时，裂纹扩展可见：不同加载条件时，裂纹扩展 c时系统所释放的机械时系统所释放的机械能能 与加载系统具体情况无关。所以：与加载系统具体情况无关。所以：定义定义裂纹扩展单位长度时系统的机械能释放率为裂纹扩展单位长度时系统的机械能释放率为：或将或将G定义为定义为系统释放的机械能对开裂面积系统释放的机械能对开裂面积A（A=2c 厚度，厚度设为厚度，厚度设为1）的导数）的导数，于是：于是：G单位为：Nm-1本讲稿第七页，共八十页 采用恒位移加载，简化为：采用恒位移加载，简化为：本讲稿第八页，共八十页n1
5、、裂纹的扩展方式：、裂纹的扩展方式：n（1）掰开型（）掰开型（型）：低应力断裂的型）：低应力断裂的主要原因，主要研究对象主要原因，主要研究对象n（2）错开型（）错开型（型）型）n（3）撕开型（）撕开型（型）型）3.1.2裂纹尖端应力场强度裂纹尖端应力场强度本讲稿第九页，共八十页2、裂纹尖端应力场分析、裂纹尖端应力场分析r-半径向量半径向量-角坐标角坐标KI-应力场强度因应力场强度因子。与应力、子。与应力、裂纹长度、裂裂纹长度、裂纹类型、受力纹类型、受力状态有关。状态有关。下标下标I表示为表示为型型扩展类型。扩展类型。Irwin应用弹性力学的应力场理论，对掰开性（应用弹性力学的应力场理论，对掰开
6、性（I型）裂纹尖端的应力场进行了分析。型）裂纹尖端的应力场进行了分析。本讲稿第十页，共八十页当当rC，0时，即为裂纹尖端处的一时，即为裂纹尖端处的一点，则掰开性（点，则掰开性（I型）裂纹尖端的应力：型）裂纹尖端的应力：使裂纹扩展的主要动力是使裂纹扩展的主要动力是-本讲稿第十一页，共八十页3、应力场强度因子、应力场强度因子与几何形状因子与几何形状因子nY-几何形状因子。与裂纹形式、试件几几何形状因子。与裂纹形式、试件几何形状有关。求何形状有关。求KI的关键在于求的关键在于求Yn断裂力学的内容：求不同条件下的断裂力学的内容：求不同条件下的YnY也可由实验测定也可由实验测定n各种条件下的各种条件下的
7、Y已汇编成册，可供查阅。已汇编成册，可供查阅。本讲稿第十二页，共八十页4、临界应力场强度因子、临界应力场强度因子与断裂韧性与断裂韧性n经典强度理论经典强度理论断裂准则断裂准则：构件设计时的断裂准则：使用应力小于或等于允许应构件设计时的断裂准则：使用应力小于或等于允许应力。力。=f/n或或ys/n，f-断裂强度，断裂强度，ys 屈服强度，屈服强度，n-安全系数。安全系数。f、ys均为材料常数。均为材料常数。n缺点：缺点：仅追求高强度，没有抓住断裂的本仅追求高强度，没有抓住断裂的本质质 裂纹扩展。不能防止低应力下的脆性裂纹扩展。不能防止低应力下的脆性断裂。断裂。提出：断提出：断裂判据裂判据本讲稿第
8、十三页，共八十页 引入一个考虑裂纹尺寸并表征材料特性的引入一个考虑裂纹尺寸并表征材料特性的临界值常数临界值常数KIC,称为称为平面应变断裂韧性平面应变断裂韧性。新判据：新判据：n即：当应力场强度因子小于或等于材料的平即：当应力场强度因子小于或等于材料的平面应变断裂韧性时，所设计的构件才安全，面应变断裂韧性时，所设计的构件才安全，不致发生低应力下的脆性断裂。不致发生低应力下的脆性断裂。按照断裂力学观点，提出新的判据按照断裂力学观点，提出新的判据（新设计思想和选材准则新设计思想和选材准则）本讲稿第十四页，共八十页设计实例设计实例n有一实际使用应力有一实际使用应力=1.30109Pa的构件，可的构件
9、，可选用两种钢材，参数为：选用两种钢材，参数为：n 甲钢：甲钢：ys=1.95109Pa,KIC=4.5107Pam1/2n 乙钢：乙钢：ys=1.56109Pa,KIC=7.5107Pa m1/2 本讲稿第十五页，共八十页传统设计观点传统设计观点n使用应力使用应力安全系数安全系数n 屈服强度屈服强度ys 甲钢：甲钢：乙钢：乙钢：n认为选用甲钢比乙钢安全认为选用甲钢比乙钢安全本讲稿第十六页，共八十页断裂力学观点断裂力学观点n 甲钢：甲钢：乙钢：乙钢：n可见：甲钢的可见：甲钢的f,选用选用甲钢不安全，会发生低应力下的脆性断甲钢不安全，会发生低应力下的脆性断裂，而选用乙钢却更安全可靠。裂，而选用乙
10、钢却更安全可靠。n参数参数KIC非常重要非常重要。本讲稿第十七页，共八十页5、平面应变断裂韧性的、平面应变断裂韧性的物理意义物理意义n裂纹扩展的动力裂纹扩展的动力-即裂纹扩展即裂纹扩展2dc，单位表面，单位表面所释放的能量（弹性应变能降低）：所释放的能量（弹性应变能降低）：n则：临界状态则：临界状态本讲稿第十八页，共八十页 对有内部裂纹的薄板：对有内部裂纹的薄板：（平面应力状态）（平面应力状态）（平面应变状态）（平面应变状态）则：本讲稿第十九页，共八十页（平面应变状态）（平面应变状态）（平面应力状态）（平面应力状态）脆性材料：脆性材料：则：则：本讲稿第二十页，共八十页nK1c与材料的本征参数与
11、材料的本征参数E、等物等物理量有直接关系。理量有直接关系。nK1c是材料的本征参数是材料的本征参数nK1c反映了具有裂纹的材料对外界作反映了具有裂纹的材料对外界作用的一种抵抗能力用的一种抵抗能力-阻止裂纹扩展的阻止裂纹扩展的能力。能力。可见：可见：本讲稿第二十一页，共八十页6、柔度标定法求几何形状因子柔度标定法求几何形状因子Y Y值值n根据裂纹长度和断裂应力根据裂纹长度和断裂应力求平面应变求平面应变断裂韧性断裂韧性KIC的关键的关键是求几何因子是求几何因子Y.n求求Y方法：应力场分析方法：应力场分析;实验实验本讲稿第二十二页，共八十页实验方法求实验方法求Yn用已知弹性及形变常数用已知弹性及形变
12、常数E、的典型脆性材料做成的典型脆性材料做成试样，试样按规定的尺寸比例、荷载简图、人工试样，试样按规定的尺寸比例、荷载简图、人工切口形状和宽度，切口形状和宽度，改变切口深度改变切口深度C（模拟裂纹扩（模拟裂纹扩展的不同阶段）展的不同阶段），测定不同，测定不同C/W下的荷载下的荷载F与试件与试件变形变形 的关系。的关系。n在弹性形变范围内，对应于每一个在弹性形变范围内，对应于每一个C/W，试件的，试件的柔度柔度C=/F为一常数如图（为一常数如图（2.8）。）。本讲稿第二十三页，共八十页数据处理数据处理n缓慢加载（位移速率缓慢加载（位移速率0.05mm/min），裂纹开始扩展的瞬间可视），裂纹开始
13、扩展的瞬间可视Fc为常数，此时试件储存的弹性应变能为：为常数，此时试件储存的弹性应变能为：n通过测得的通过测得的C-c/W曲线的斜率，可求出曲线的斜率，可求出dc/d（c/W）n进而可求进而可求Gcn裂纹扩展了裂纹扩展了dc时，裂纹扩展动力：时，裂纹扩展动力：本讲稿第二十四页，共八十页求解求解Yn将将Gc值代入，即可求得几何形状因子值代入，即可求得几何形状因子Y随随c/W变化的表达式。变化的表达式。本讲稿第二十五页，共八十页7、线弹性计算公式（断裂判据）、线弹性计算公式（断裂判据）对试件尺寸的要求对试件尺寸的要求n以上推导出的断裂判据，是由以上推导出的断裂判据，是由线弹性力学线弹性力学推导出来
14、的。推导出来的。实际上在裂纹前沿附近，由于高应力集中，在临界状实际上在裂纹前沿附近，由于高应力集中，在临界状态之前就已出现态之前就已出现小区域的塑性变形小区域的塑性变形。如果此区域的大。如果此区域的大小与原有裂纹长度等尺寸小与原有裂纹长度等尺寸相差不大相差不大，则很难将这种应，则很难将这种应力状态归结为线弹性的。力状态归结为线弹性的。因此为了准确地引用由线弹性因此为了准确地引用由线弹性力学计算出的断裂判据，必须将可能出现的塑性小区域的力学计算出的断裂判据，必须将可能出现的塑性小区域的大小限制在一定范围内。大小限制在一定范围内。n具体限制有两个方面：具体限制有两个方面：n1、裂纹前沿的塑性形变区
15、尺寸对裂纹长度的要求（、裂纹前沿的塑性形变区尺寸对裂纹长度的要求（c）n2、对试样其它尺寸的要求（厚度、对试样其它尺寸的要求（厚度B、试样净宽、试样净宽W-c）本讲稿第二十六页，共八十页裂纹前沿的塑性形变区尺寸对裂纹前沿的塑性形变区尺寸对裂纹长度的要求裂纹长度的要求n根据根据Irwin应力场公式，当应力场公式，当r=r0时，时，=ysys，则，则塑性塑性区尺寸：区尺寸：n平面应变状态下，塑平面应变状态下，塑性区尺寸：性区尺寸：n其极限尺寸：其极限尺寸：本讲稿第二十七页，共八十页nJ.F.Knott对不同对不同r/c的的y y分量的分量的精确解：精确解：与与Irwin近似解对比，得到：当近似解对
16、比，得到：当r/c1/15时，时，二者的相对误差小于二者的相对误差小于6%。本讲稿第二十八页，共八十页结论结论n所以：所以：如果限制如果限制r0，使，使r/c1350，n112001350 vKI较小时，较小时，n1vKI较大时，较大时，n50本讲稿第五十八页，共八十页V-KI曲线测试方法曲线测试方法n双扭法双扭法n紧凑拉伸法紧凑拉伸法n静态疲劳法静态疲劳法（应力疲劳法）（应力疲劳法）n动态疲劳法动态疲劳法直接测不同时间的裂纹直接测不同时间的裂纹长度长度c值，计算值，计算v、K，得对应关系得对应关系本讲稿第五十九页，共八十页根据亚临界裂纹扩展根据亚临界裂纹扩展预测材料寿命预测材料寿命nCi-起
17、始裂纹长度起始裂纹长度 Cc-临界裂纹长度临界裂纹长度无机材料在使用温度下、受力无机材料在使用温度下、受力a a，最长裂纹将会有亚临，最长裂纹将会有亚临界裂纹缓慢扩展，最后断裂。研究此扩展的终止时间，可预界裂纹缓慢扩展，最后断裂。研究此扩展的终止时间，可预测制品的寿命。测制品的寿命。本讲稿第六十页，共八十页所以，制品受力后的寿命为：所以，制品受力后的寿命为：本讲稿第六十一页，共八十页寿命预测方法寿命预测方法n1、无损探伤法：实测、无损探伤法：实测c，定，定ccall，然后代入（上式然后代入（上式t公式）计算。公式）计算。n对于一批试样，也可用下述公式求出，以对于一批试样，也可用下述公式求出，以
18、a为变量，得不同为变量，得不同ci下的寿命下的寿命t，然后做出不同然后做出不同ci时，时，a与寿命与寿命t的关系曲线，使用时根据的关系曲线，使用时根据a、ci，在图中查出在图中查出寿命寿命t首先实测不同首先实测不同K i下的裂纹扩展速率下的裂纹扩展速率V，计，计算出算出A，n,然后用以下两种方法预计：然后用以下两种方法预计：本讲稿第六十二页，共八十页寿命预测方法寿命预测方法还可绘出保证试验图法，选还可绘出保证试验图法，选p n2、当裂纹太小，无法测出时，采用保证试验法。、当裂纹太小，无法测出时，采用保证试验法。n采用保证试验法：施加检验压力采用保证试验法：施加检验压力p，a p c，则，则 K
19、Ii KIp KIc，n则：则：n所以：所以：本讲稿第六十三页，共八十页无机材料的高温延迟断裂（无机材料的高温延迟断裂（P78P78）n 对绝大多数无机材料来说，在室温下发生的延迟断裂一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。致的，其寿命可以采用上节介绍的方法进行预测。n 然而，在高温下，无机材料发生的延迟断裂则是一个极为然而，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。复杂的过程。本讲稿第六十四页，共八十页 n 在高温下，
20、无机材料内发生两个不同的缺陷发育过程，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。缺陷的形成。n 两个过程竞争的结果，可能是固有裂纹尖端钝化，破坏由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。了材料的破坏。n 由蠕变断裂过程主导的材料延迟断裂，其寿命不能用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（上节的方法预测。预测按
21、公式（3.60）本讲稿第六十五页，共八十页蠕变断裂蠕变断裂n蠕变断裂：蠕变断裂：多晶材料在高温环境中，多晶材料在高温环境中，在恒定外力作用下，由于形变不断在恒定外力作用下，由于形变不断增加而断裂。断裂过程中的裂纹扩增加而断裂。断裂过程中的裂纹扩展属于亚临界扩展。展属于亚临界扩展。n形式：形式：沿晶界断裂。沿晶界断裂。本讲稿第六十六页，共八十页蠕变断裂的蠕变断裂的粘性流动理论粘性流动理论n高温下晶界玻璃相粘度降低，在剪应力作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。用下发生粘性流动，在晶界处应力集中。n若使相邻晶粒发生塑性形变而滑移，则将若使相邻晶粒发生塑性形变而滑
22、移，则将使应力松弛，宏观使应力松弛，宏观 上表现为高温蠕变。上表现为高温蠕变。n若不能使相邻晶粒发生塑性形变，则应力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。集中将使晶界处产生裂纹。n裂纹逐步扩展导致断裂。裂纹逐步扩展导致断裂。本讲稿第六十七页，共八十页蠕变断裂的蠕变断裂的空位聚积理论空位聚积理论n在应力及热振动作用下，受拉的晶界上在应力及热振动作用下，受拉的晶界上空位浓度增加。空位浓度增加。n空位的大量聚积，形成可观的真空空腔空位的大量聚积，形成可观的真空空腔并发展成为微裂纹。并发展成为微裂纹。n微裂纹的逐步扩展、联通，导致断裂。微裂纹的逐步扩展、联通，导致断裂。本讲稿第六
23、十八页，共八十页影响蠕变断裂的因素影响蠕变断裂的因素n温度：温度：温度越低，蠕变断裂所需时温度越低，蠕变断裂所需时间越长。间越长。n应力：应力：应力越小，蠕变断裂所需时应力越小，蠕变断裂所需时间越长。间越长。n蠕变断裂过程中裂纹的扩展，本质蠕变断裂过程中裂纹的扩展，本质上是一种高温下，较低应力水平的上是一种高温下，较低应力水平的亚临界裂纹扩展。亚临界裂纹扩展。本讲稿第六十九页，共八十页3.6提高无机材料强度提高无机材料强度改进材料韧性的途径改进材料韧性的途径n材料强度的材料强度的本质本质是内部质点的是内部质点的结合力。结合力。n晶体结构稳定情况下，控制材料强度的主要晶体结构稳定情况下，控制材料
24、强度的主要参数：参数：n弹性模量弹性模量n断裂功（断裂表面能）断裂功（断裂表面能）n裂纹尺寸裂纹尺寸n唯一可以控制的是材料中的唯一可以控制的是材料中的微裂纹微裂纹-各种缺陷的各种缺陷的总和。强化措施从消除缺陷、阻止其发展着手，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：分为下列几方面：本讲稿第七十页，共八十页一、微晶、高密度和高纯度一、微晶、高密度和高纯度n为消除缺陷，提高晶体的完整性，为消除缺陷，提高晶体的完整性，细、密、细、密、匀、纯匀、纯是当前陶瓷发展的一个重要方向。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、高纯度陶近年出现了许多微晶、高密度、高纯度陶瓷。瓷
25、。n纤维：纤维：将块体材料制成细纤维，强度提高大约一个数量级。将块体材料制成细纤维，强度提高大约一个数量级。n晶须：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论强度大小同数量级-关键是提高了晶体的完整性。关键是提高了晶体的完整性。晶须强度随晶须强度随晶须截面直径的增加而降低。晶须截面直径的增加而降低。本讲稿第七十一页，共八十页二、提高抗裂能力和预加应力二、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。力层，可以提高材料的抗拉强度。措施
26、：措施：n热韧化：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。过程。如钢化玻璃、门窗、眼镜玻璃。nAl2O3在在1700下于硅油中淬冷，不仅在表面造成正压力，而且可下于硅油中淬冷，不仅在表面造成正压力，而且可以使晶粒细化，强度提高。以使晶粒细化，强度提高。n利用表面层与内部的热膨胀系数不同，也可以达到预加应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。力的效果。本讲稿第七十二页，共八十页三、化学强化三、化学强化n如要求表面残余应力更高，则热韧化的办法难以如要求表面残余应力更高，则热韧化的
27、办法难以做到，可以采用化学强化。做到，可以采用化学强化。n化学强化（离子交换）：化学强化（离子交换）：通过改变表面的化学组成，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。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：表面压力与体积变化服从虎克定律：n方法：大离子置换小离子。方法：大离子置换小离子。n另外，表面抛光和化学处理以消除表面缺陷另外，表面抛光和化学处理以消除表面缺陷本讲稿第七十三页，共八十页四、相变增韧四、相变增韧n相变增韧：相变增韧：利用多相多晶陶瓷中
28、某些成分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。统在不同温度的相变，从而增韧的效果。统称为相变增韧。称为相变增韧。n利用利用ZrO2的马氏体相变（四方转变为单的马氏体相变（四方转变为单斜，体积增大斜，体积增大35%）来改善陶瓷材料）来改善陶瓷材料的力学性能。的力学性能。n相变增韧材料可以看作复合材料的一种。相变增韧材料可以看作复合材料的一种。本讲稿第七十四页，共八十页五、弥散增韧五、弥散增韧n弥散增韧：弥散增韧：在基体中渗入具有一定颗粒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。尺寸的微细粉料，达到增韧的效果。n微细粉料可以是微细粉料可以是金属粉末金属粉末，也可
29、以是，也可以是非非金属粉末金属粉末。n粉体弥散相与基体之间必须具备化学相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。为完整的整体，不会出现第三相。n弥散增韧陶瓷也是复合材料的一种。弥散增韧陶瓷也是复合材料的一种。本讲稿第七十五页，共八十页3.7 材料的硬度与压痕材料的硬度与压痕开裂的应用开裂的应用n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。换算关系。n莫氏硬度：莫氏硬度：常用的划痕硬度。它不表示软硬的程度，只表示硬度由常用的划痕
30、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。莫氏硬度分为度分为1515级。级。n测试方法：测试方法：布氏硬度法、维氏硬度法、洛氏硬度法、努普硬布氏硬度法、维氏硬度法、洛氏硬度法、努普硬度法。（度法。（P81P81）n矿物、晶体、陶瓷材料的硬度取决于其组成和结构。离子矿物、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，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。抵抗外力摩擦、划痕、压入的能
31、力就越强，硬度也就越大。n陶瓷材料的显微结构、裂纹、杂质等对硬度有影响。陶瓷材料的显微结构、裂纹、杂质等对硬度有影响。n温度生高，硬度下降。温度生高，硬度下降。本讲稿第七十六页，共八十页无机材料的压痕开裂及其分类无机材料的压痕开裂及其分类n压痕裂纹：压痕裂纹：压头与无机材料接触点附近产生的高应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料开裂，引入的裂纹称为力集中会导致压痕附近区域材料开裂，引入的裂纹称为压痕裂纹。压痕裂纹。n压痕裂纹的尺寸通常比较小，接近于材料内部的压痕裂纹的尺寸通常比较小，接近于材料内部的固有裂纹尺寸，加之压痕裂纹的形状比较规则，固有裂纹尺寸，加之压痕裂纹的
32、形状比较规则，尺寸可以通过调整硬度试验载荷而加以控制，是尺寸可以通过调整硬度试验载荷而加以控制，是一种比较理想的人工裂纹。近年来在无机材料力一种比较理想的人工裂纹。近年来在无机材料力学行为研究中得到了广泛的应用。学行为研究中得到了广泛的应用。本讲稿第七十七页，共八十页n压痕分类：压痕分类：P82。nVickers压痕裂纹压痕裂纹:压头为正棱锥形，裂纹如压头为正棱锥形，裂纹如P83，图图3.30nKnoop压痕裂纹：压头为棱锥形，裂纹如压痕裂纹：压头为棱锥形，裂纹如P83，图，图3.31本讲稿第七十八页，共八十页压痕裂纹在断裂韧性测试中的压痕裂纹在断裂韧性测试中的应用应用n借助于压痕裂纹测定无机
33、材料的断裂韧性借助于压痕裂纹测定无机材料的断裂韧性主要有两类方法：主要有两类方法：直接压痕法和压痕弯曲直接压痕法和压痕弯曲梁法。梁法。n直接压痕法指的是直接压痕法指的是由材料表面的压痕裂纹尺寸直由材料表面的压痕裂纹尺寸直接算出材料的断裂韧性的方法。（经验公式）如接算出材料的断裂韧性的方法。（经验公式）如公式公式3.61和和3.62n压痕弯曲梁法是压痕弯曲梁法是在常规的弯曲强度试样受拉面上引在常规的弯曲强度试样受拉面上引进一条压痕裂纹，进而测定弯曲梁的断裂强度以确进一条压痕裂纹，进而测定弯曲梁的断裂强度以确定材料的断裂韧性。定材料的断裂韧性。本讲稿第七十九页，共八十页VicherVicher压痕测定压痕测定无机材料的断裂韧性法无机材料的断裂韧性法根据不同荷载下，根据不同荷载下，c c与与a a的关系，并应用直接法的关系，并应用直接法测定测定K KICIC的值。的值。本讲稿第八十页，共八十页