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1、金属材料强度第一页，本课件共有34页 NaCl 金刚石金刚石 铜和银铜和银 th/th 0.49 1.16 30 2.显微结构的脆性根源是材料内部存在裂纹，易于导致高度的应力集中显微结构的脆性根源是材料内部存在裂纹，易于导致高度的应力集中。裂纹扩展的速度是脆性的一种量度裂纹扩展的速度是脆性的一种量度 裂纹扩展速度决定着裂纹扩展速度决定着是否能发生消除应力集中的塑性流动，塑性形变需要一定的起始时间，若裂是否能发生消除应力集中的塑性流动，塑性形变需要一定的起始时间，若裂纹扩展的很快，则发生脆断。纹扩展的很快，则发生脆断。断裂能、断裂能、th/th 也是材料脆性的一种量度也是材料脆性的一种量度.第二
2、页，本课件共有34页材料脆性的本质难以改变材料脆性的本质难以改变 在一定的条件下，晶体在一定的条件下，晶体中的滑移系统的数目及其可动程度，是物质本质结构所决定的；中的滑移系统的数目及其可动程度，是物质本质结构所决定的；任务任务 根据材料的裂纹扩展行为及其断裂机理，可以借助于对裂根据材料的裂纹扩展行为及其断裂机理，可以借助于对裂纹扩展条件的控制，在一定程度上提高材料的韧性。纹扩展条件的控制，在一定程度上提高材料的韧性。2.改善材料韧性，提高材料强度改善材料韧性，提高材料强度第三页，本课件共有34页 从断裂力学观点出发，克服脆性和提高强度的关键是：从断裂力学观点出发，克服脆性和提高强度的关键是：提
3、高材料的断裂能，便于提高抵抗裂纹扩展的能力；提高材料的断裂能，便于提高抵抗裂纹扩展的能力；减小材料内部所含裂纹缺陷的尺寸，以减缓裂纹尖端的应力集中效应。减小材料内部所含裂纹缺陷的尺寸，以减缓裂纹尖端的应力集中效应。强度韧性裂纹强度韧性裂纹尺寸的关系尺寸的关系裂纹长度的倒数裂纹长度的倒数强度强度ao断裂韧性断裂韧性K1c工程陶瓷的发展工程陶瓷的发展 沿着既提高断裂韧性沿着既提高断裂韧性,又降低裂纹尺寸的又降低裂纹尺寸的途径途径,大幅度地提高材料的强度大幅度地提高材料的强度.第四页，本课件共有34页1.金属与无机材料的复合金属与无机材料的复合 -增韧相弥散于材料中增韧相弥散于材料中增韧相的作用：增
4、韧相的作用：起起附加能量吸收的作用，使裂纹尖端高度集中的应力附加能量吸收的作用，使裂纹尖端高度集中的应力得以部分消除，抑制可能到达临界状态的裂纹数量，提高得以部分消除，抑制可能到达临界状态的裂纹数量，提高材料抵抗裂纹扩展的能力，相应改善其韧性。材料抵抗裂纹扩展的能力，相应改善其韧性。通通过裂纹尖端塑性形变的作用吸收能量。裂纹尖端的原子发过裂纹尖端塑性形变的作用吸收能量。裂纹尖端的原子发生不可逆的重排，并以塑性功的形式吸收可观的弹性应变能，使生不可逆的重排，并以塑性功的形式吸收可观的弹性应变能，使裂纹扩展的动力减弱。裂纹扩展的动力减弱。2.6.2 2.6.2 克服材料脆性断裂的途径克服材料脆性断
5、裂的途径克服材料脆性断裂的途径克服材料脆性断裂的途径1.金属与无机材料的复合金属与无机材料的复合2.材料中的裂纹尖端增韧作材料中的裂纹尖端增韧作用区用区3.基体中设置裂纹扩展势垒基体中设置裂纹扩展势垒-纤维增强纤维增强4.减缓裂纹尖端的应力集中减缓裂纹尖端的应力集中效应效应第五页，本课件共有34页金属对材料的增韧具备如下条件：金属对材料的增韧具备如下条件：在显微结构方面在显微结构方面 金属相与无机相能否均匀分散成彼此交错的网络金属相与无机相能否均匀分散成彼此交错的网络结构，决定着能否在裂纹尖端区域起到吸收部分能量的作用。结构，决定着能否在裂纹尖端区域起到吸收部分能量的作用。金属对材料具有很好的
6、润湿性。金属对材料具有很好的润湿性。否则，材料自成为连续相，否则，材料自成为连续相，金属成为分散于基体中的粒子，材料的力学行为仍为陶瓷相所控制，脆性金属成为分散于基体中的粒子，材料的力学行为仍为陶瓷相所控制，脆性改善有限。改善有限。有希望的系统：有希望的系统：ZrO2TaW系统系统,(CrAl)2O3CrMoW系统。系统。此种复合材料的缺点：此种复合材料的缺点：金属在高温下，易氧化会损害材料的耐金属在高温下，易氧化会损害材料的耐热性。热性。第六页，本课件共有34页2.材料中的裂纹尖端增韧作用区材料中的裂纹尖端增韧作用区 -相变粒子弥散相变粒子弥散 相变粒子增韧：相变粒子增韧：利用利用 ZrO2
7、 四方相转变成四方相转变成 ZrO2 单斜相的马单斜相的马氏体相变氏体相变来实现增韧。来实现增韧。(1)影响影响ZrO2相变的因素相变的因素(2)增韧机制增韧机制(3)主裂纹尖端增韧作用区的控制原则主裂纹尖端增韧作用区的控制原则(4)表面韧化表面韧化第七页，本课件共有34页马氏体相变的特点：马氏体相变的特点：相变前后无成分变化；相变前后无成分变化；原子的配位不变；原子的配位不变；原子的位移不超过一个原子间距；原子的位移不超过一个原子间距；无热、无扩散、相变激活能小，转变速度快，以近似于声无热、无扩散、相变激活能小，转变速度快，以近似于声波传播的速度进行，比裂纹扩展速度大波传播的速度进行，比裂纹
8、扩展速度大23倍，为吸收断倍，为吸收断裂能和增韧提供必要条件。裂能和增韧提供必要条件。相变伴随有体积变化相变伴随有体积变化-高温相向低温相转化引起体积膨胀。高温相向低温相转化引起体积膨胀。相变具有可逆性，并受外界因素（温度、应力等）的相变具有可逆性，并受外界因素（温度、应力等）的影响，相变发生于一个温度区间内，或降低相变温度而影响，相变发生于一个温度区间内，或降低相变温度而不是一个特定的温度点。不是一个特定的温度点。第八页，本课件共有34页增韧机制：增韧机制：应力诱导相变增韧应力诱导相变增韧 相变诱发微裂纹增韧相变诱发微裂纹增韧 微裂纹分岔增韧。微裂纹分岔增韧。裂纹尖端出现微裂纹区时，将导裂纹
9、尖端出现微裂纹区时，将导致弹性能的松弛和应力再分布。致弹性能的松弛和应力再分布。与裂纹尖端距离与裂纹尖端距离 r r应应力力Kl(2r r)-1/2第九页，本课件共有34页(1)影响影响ZrO2相变的因素：相变的因素：1）ZrO2颗粒在基体中相变的能量条件颗粒在基体中相变的能量条件 在基体中，四方在基体中，四方ZrO2是高温稳定相，单斜是高温稳定相，单斜ZrO2是低温稳定相在低于相变温是低温稳定相在低于相变温度的条件下，由于受到基体约束力的抑制，未转化的四方度的条件下，由于受到基体约束力的抑制，未转化的四方ZrO2相保持其介稳状态；相保持其介稳状态；当基体的约束力在外力作用下减弱或消失，粒子从
10、高能态转化为低能态的单斜相当基体的约束力在外力作用下减弱或消失，粒子从高能态转化为低能态的单斜相（发生相变），并在基体中引起微裂纹，吸收主裂纹扩展的能量。（发生相变），并在基体中引起微裂纹，吸收主裂纹扩展的能量。1）ZrO2颗粒在基体中相变的能量条件颗粒在基体中相变的能量条件2）弥散粒子的相变临界直径）弥散粒子的相变临界直径3）化学因素的影响）化学因素的影响第十页，本课件共有34页相变反应过程中的能量变化相变反应过程中的能量变化UT能能量量G无抑制无抑制受基体抑制受基体抑制单斜相单斜相四方相四方相GchemUaT高温向低温的相转变方向高温向低温的相转变方向第十一页，本课件共有34页ZrO2粒子
11、发生相变时的自由能平衡关系式为：粒子发生相变时的自由能平衡关系式为：GM/T=Gchem+UTUa+SGM/T-单位体积四方相向单斜相转化引起的自由能变化单位体积四方相向单斜相转化引起的自由能变化；（相；（相 变动力）变动力）Gchem-单斜相和四方相之间的自由能之差；（相变动力）单斜相和四方相之间的自由能之差；（相变动力）UT-相变弹性应变能的变化；（相变阻力）相变弹性应变能的变化；（相变阻力）Ua -激发相变时，外应力所消耗能量激发相变时，外应力所消耗能量；（相变动力）；（相变动力）S-单斜相与基体间的界面能和四方相与基体间的界面能之差单斜相与基体间的界面能和四方相与基体间的界面能之差,常
12、被忽略。常被忽略。（相变阻力）（相变阻力）第十二页，本课件共有34页 四方相向单斜相的转化能否发生，取决于转化后系统的四方相向单斜相的转化能否发生，取决于转化后系统的自由能是否下降，即转化的能量条件为：自由能是否下降，即转化的能量条件为：GM/T 0 或或 Gchem UTUa 引起相变单位体积弹性应变能的变化（引起相变单位体积弹性应变能的变化（UT）的根源是）的根源是 单斜相和四方相密度的差别。单斜相和四方相密度的差别。有有 UT=E 2/2E-两相的平均弹性模量两相的平均弹性模量；-相变引起的应变相变引起的应变。借助于外应力借助于外应力 a激发相变时，激发相变时，Ua=a V/2，其中，体
13、积为单位体积其中，体积为单位体积V=1,a=2Ua/得相变的应力条件：得相变的应力条件：a 2（UT Gchem）/第十三页，本课件共有34页2）弥散粒子的相变临界直径）弥散粒子的相变临界直径 考虑界面能之差考虑界面能之差S，以一个直径为，以一个直径为D的颗粒为例说明相变时的临界直径的颗粒为例说明相变时的临界直径：S D2 (Gchem UT+Ua)D3 在一定温度和应力条件下，相应有一个发生相变的临界在一定温度和应力条件下，相应有一个发生相变的临界ZrO2粒子直径粒子直径Dc：Dc=S/(Gchem UT+Ua)相变能量条件相变能量条件：(Gchem UT+Ua)S /Dc D值越小，由于单
14、位体积粒子的比表面积越大，则其值越小，由于单位体积粒子的比表面积越大，则其S也越大，即相变势也越大，即相变势垒越高，四方晶相更能保持其界稳状态，直到更低的温度才转化为单斜相。垒越高，四方晶相更能保持其界稳状态，直到更低的温度才转化为单斜相。ZrO2颗粒的尺寸对颗粒的尺寸对ZrO2相变温度有影响。相变温度有影响。所以小颗粒的四方相向单斜相所以小颗粒的四方相向单斜相转化的温度低。转化的温度低。第十四页，本课件共有34页 陶 瓷 系 统 ZrO2颗粒的临界直径Dc ZrO2 Vol%16152217.5153.12 Al2O30.52 Al2O30.3 莫来石1 尖晶石0.3-1.0 Si3O4 D
15、H (相变临界颗粒直径相变临界颗粒直径)大颗粒在高温下发生相变，在到达常规相变温度（大颗粒在高温下发生相变，在到达常规相变温度（11500C）左右，所）左右，所有有 D DH 的颗粒都发生相变。这一阶段的相变的特点是突发性的，产生的颗粒都发生相变。这一阶段的相变的特点是突发性的，产生微裂纹的尺寸较大，可导致主裂纹扩展过程中的分岔，对基体的增韧效果微裂纹的尺寸较大，可导致主裂纹扩展过程中的分岔，对基体的增韧效果较小。较小。（3）主裂纹尖端增韧作用区的控制原则主裂纹尖端增韧作用区的控制原则1）控制弥散粒子的尺寸）控制弥散粒子的尺寸D2）控制颗粒的分布状）控制颗粒的分布状态态3）增韧颗粒最佳体积分数
16、）增韧颗粒最佳体积分数和均匀弥散程度和均匀弥散程度4）基体和增韧粒子热膨胀）基体和增韧粒子热膨胀系数匹配系数匹配5）控制弥散粒子的化学）控制弥散粒子的化学性质性质第十八页，本课件共有34页DH D DR(室温相变临界颗粒直径）室温相变临界颗粒直径）基体含有相变诱发微裂纹，对基体的增韧有明显的提高，但材料的强度由于微裂基体含有相变诱发微裂纹，对基体的增韧有明显的提高，但材料的强度由于微裂纹的存在而下降。纹的存在而下降。DR D 基体中储存着弹性压应变基体中储存着弹性压应变 能能。只在材料承受适当的外加应力时，。只在材料承受适当的外加应力时，克服了相克服了相变应变能对主裂纹扩展所起的势垒作用，粒子
17、才由四方相转化为单斜相，变应变能对主裂纹扩展所起的势垒作用，粒子才由四方相转化为单斜相，并相应诱发出极细小的微裂纹。由于相变能和微裂纹的共同作用，增韧并相应诱发出极细小的微裂纹。由于相变能和微裂纹的共同作用，增韧效果好，且材料的强度有一定的增强。效果好，且材料的强度有一定的增强。第十九页，本课件共有34页相相对对频频率率 0 D1 D2 D3 D4 D5 粒子直径粒子直径室温条件下粒子的分布范围与韧化机制室温条件下粒子的分布范围与韧化机制切应力诱导相变切应力诱导相变 瞬时相变瞬时相变应力诱导微裂纹应力诱导微裂纹Al2O3+MZrO2PSZAl2O3+TZrO2Al2O3+T/MZrO2瞬时开裂
18、瞬时开裂张应力诱导相变张应力诱导相变2）控制颗粒的分布状态）控制颗粒的分布状态第二十页，本课件共有34页3）增韧颗粒最佳体积分数和均匀弥散程度）增韧颗粒最佳体积分数和均匀弥散程度 体积分数越高，增韧效果越好体积分数越高，增韧效果越好 但过高，将会导致微裂但过高，将会导致微裂纹的合并，降低增韧效果，甚至恶化材料的性能。体积分数需控制在最佳值纹的合并，降低增韧效果，甚至恶化材料的性能。体积分数需控制在最佳值。不均匀的弥散导致基体中局部的粒子含量过高，不均匀的弥散导致基体中局部的粒子含量过高，或不足。或不足。均匀弥散是最佳的体积分数发挥作用的前提。均匀弥散是最佳的体积分数发挥作用的前提。第二十一页，
19、本课件共有34页4）基体和增韧粒子热膨胀系数匹配）基体和增韧粒子热膨胀系数匹配 两者热膨胀系数之差要小，目的在于保持基体和粒子之间在冷却过程中的结合两者热膨胀系数之差要小，目的在于保持基体和粒子之间在冷却过程中的结合力。力。5）控制弥散粒子的化学性质）控制弥散粒子的化学性质 控制弥散粒子的化学性质可以控制相变前后的化学自由能控制弥散粒子的化学性质可以控制相变前后的化学自由能 Gchem，即调节相，即调节相变的动力。变的动力。（4）表面韧化表面韧化基体表面层在一定深度之内有四方基体表面层在一定深度之内有四方ZrO2弥散相。弥散相。第二十二页，本课件共有34页3.基体中设置裂纹扩展势垒基体中设置裂
20、纹扩展势垒 -纤维增强纤维增强纤维的作用：纤维的作用：高强度和高模量的纤维能为基体分担大部分外加应力，也可阻碍裂纹的扩展，并能在高强度和高模量的纤维能为基体分担大部分外加应力，也可阻碍裂纹的扩展，并能在局部纤维发生断裂时以拔出功的形式消耗部分能量，起到提高断裂能并克服脆性的效果。局部纤维发生断裂时以拔出功的形式消耗部分能量，起到提高断裂能并克服脆性的效果。纤维复合材料的性能取决于纤维和基体的本性、复合配比、两者的化学相容性纤维复合材料的性能取决于纤维和基体的本性、复合配比、两者的化学相容性和结合强度，和结合强度，and 纤维在基体中的分布和排列等。纤维在基体中的分布和排列等。1）弹性模量）弹性
21、模量选材选材 选取纤维的分布是均匀连续和单向排列的复合材料，且纤维与基体紧密选取纤维的分布是均匀连续和单向排列的复合材料，且纤维与基体紧密结合，纤维的取向和外加应力平行，即二者处于等应变状态。结合，纤维的取向和外加应力平行，即二者处于等应变状态。（1）影响复合材料性能的因素影响复合材料性能的因素（1）影响复合材料性能的因素影响复合材料性能的因素（2）纤维的临界体积纤维的临界体积1）弹性模量）弹性模量2）断裂应变）断裂应变3）纤维与基体的热膨胀匹配）纤维与基体的热膨胀匹配4）纤维与基体的化学相容性）纤维与基体的化学相容性第二十三页，本课件共有34页 f =Pf/Ef =m=Pm/EmPf =Pc
22、Vf Pm=Pc(1V m)其中：其中：V-体积分数体积分数Pf /Pm =Ef/Em V f /(1V m)Pf /P c =E f/Em /E f/Em +Vf /(1Vm)应变应变应应力力mfc 纤维和基体所承受的载荷之比等于它们的弹性模量和体积分数的乘积之比。纤维和基体所承受的载荷之比等于它们的弹性模量和体积分数的乘积之比。即纤维的弹性模量越高，其对提高强度所起的作用越大。即纤维的弹性模量越高，其对提高强度所起的作用越大。Ef/Em对复合材料的选择对复合材料的选择有重要的参考意义。有重要的参考意义。第二十四页，本课件共有34页弹性模量E(GN/m2)Ef/Em碳纤维200400玻璃陶瓷
23、10024Al2O32704001Si3N41501.32.7石英玻璃742,75.4碳纤维和几种无机材料的弹性模量比碳纤维和几种无机材料的弹性模量比第二十五页，本课件共有34页纤维在复合材料中所承受的载荷分数与纤维和基体的弹性模量比之间的关系纤维在复合材料中所承受的载荷分数与纤维和基体的弹性模量比之间的关系 1 5 Ef/Em8530Pf/P cVf 第二十六页，本课件共有34页2）断裂应变断裂应变 c=f m f c m复合材料的应变达到纤维的断裂应复合材料的应变达到纤维的断裂应变值变值 f 时，纤维断裂。时，纤维断裂。复合材料的强度为：复合材料的强度为：c=Vf f+(1Vf)m这种复合
24、材料达到增强的效果。这种复合材料达到增强的效果。A Ef Em c=fEm B Ef Em第二十七页，本课件共有34页复合材料的应变达到基体的断裂应变值复合材料的应变达到基体的断裂应变值 m 时，时，复合材料断裂。复合材料断裂。复合材料的强度为：复合材料的强度为：c =Vf（Ef m）+(1Vf)m m c=f f c m即即 Ef m m 有有 c =Vf Ef m高弹性模量的纤维可获得更好补强效果。高弹性模量的纤维可获得更好补强效果。例如例如 SiC 纤维与纤维与 CVD SiC 基体的复合基体的复合材料。材料。B Ef Em c=m f f c m f m=c 第二十八页，本课件共有34
25、页 f=c m复合材料的强度为：复合材料的强度为：c =Vf f+(1Vf)m 或或 c =Vf f具有较好的补强效果。具有较好的补强效果。例如：例如：C 纤维纤维/SiO2 玻璃玻璃,B 纤维纤维/PbO 玻璃、玻璃、SiC 纤维纤维/PbO 玻璃。玻璃。纤维的弹性模量小于基体的弹性模量，纤维所承受的载纤维的弹性模量小于基体的弹性模量，纤维所承受的载荷较小，复合材料的强度不可能提高。荷较小，复合材料的强度不可能提高。第二十九页，本课件共有34页 3）纤维与基体的热膨胀匹配）纤维与基体的热膨胀匹配 轴向热应力的作用轴向热应力的作用 当当 m f,基体在沿纤维轴向处于张应力状态。基体在沿纤维轴向
26、处于张应力状态。当当 m f m u Vf 临界临界=m u/fu 第三十二页，本课件共有34页（3）复合材料中的临界纤维长度复合材料中的临界纤维长度x0 纤维表面上的剪应力与截面上的拉应力平纤维表面上的剪应力与截面上的拉应力平衡，有下列关系：衡，有下列关系：r2 (x)=2 rx 如果在纤维的中心应力达到纤维强度如果在纤维的中心应力达到纤维强度 fu，界面上的剪应力为，界面上的剪应力为 fu，纤维长度（临界纤，纤维长度（临界纤维长度）可用下式表示：维长度）可用下式表示：Lc=r fu/fu 当纤维长度比当纤维长度比 fu短时，复合材料的强度短时，复合材料的强度由下式给出：由下式给出：c=f
27、u L/2r Vf+(1Vf)m第三十三页，本课件共有34页纤维的长度大于临界长度，复合材料的强度有下式纤维的长度大于临界长度，复合材料的强度有下式：c=f 1(Lc/2L)Vf+(1Vf)m*（1）采用化学抛光净化陶瓷表面，去除加工损伤。采用化学抛光净化陶瓷表面，去除加工损伤。（2）微晶化（细化晶粒），可减小晶粒内部裂纹尺寸，又降低裂纹出现的几率，微晶化（细化晶粒），可减小晶粒内部裂纹尺寸，又降低裂纹出现的几率，且减小多晶体中由于晶粒弹性和热性各向异性引起的残余应力，有利于克服且减小多晶体中由于晶粒弹性和热性各向异性引起的残余应力，有利于克服脆性和提高强度。脆性和提高强度。（3）裂纹尖端钝化或裂纹愈合。裂纹尖端钝化或裂纹愈合。4.减缓裂纹尖端的应力集中效应减缓裂纹尖端的应力集中效应第三十四页，本课件共有34页