《材料物理性能》课程教学资源（PPT课件）无机材料中微裂纹的起源、无机材料断裂强度测试方法、显微结构对无机材料断裂强度的影响

2.2无机材料中微裂纹的起源 2.2无机材料中微裂纹的起源

2.2 无机材料中微裂纹的起源 2.2 无机材料中微裂纹的起源

根据裂纹形成机制不同，可以把无机材料中的裂纹大致分为本征裂纹和非本 征裂纹。 本征裂纹：在材料制备过程中引进的缺陷，包括气孔、夹杂、分层以及在 烧结过程中由于各向异性热膨张、相变等原因导致的内部裂纹，甚至异常长大 的晶粒等。 非本征裂纹：在材料的运输、装配及使用的过程中，由于外力及环境作用 而产生的缺陷，如材料与环境介质中存在的微颗粒之间发生碰撞（或）接触而 形成的表面裂纹，以及在使用过程中由于相变、蠕变、热冲击、腐蚀、氧化等 原因而产生的其他缺陷等

根据裂纹形成机制不同，可以把无机材料中的裂纹大致分为本征裂纹和非本 征裂纹。 非本征裂纹：在材料的运输、装配及使用的过程中，由于外力及环境作用 而产生的缺陷，如材料与环境介质中存在的微颗粒之间发生碰撞（或）接触而 形成的表面裂纹，以及在使用过程中由于相变、蠕变、热冲击、腐蚀、氧化等 原因而产生的其他缺陷等。 本征裂纹：在材料制备过程中引进的缺陷，包括气孔、夹杂、分层以及在 烧结过程中由于各向异性热膨胀、相变等原因导致的内部裂纹，甚至异常长大 的晶粒等

2.2.1无机材料中本征裂纹的起源 1、气孔（烧结过程产生） 气孔可不可以看成原始裂纹？ 气孔总是不可避免地存在于所有的无机材料中，但因为气孔 一般被视为圆球形（即RJr≈1)而不是椭圆球形（RJr>1),所以 气孔导致的应力集中效应并不显著，在外加应力水平较低的情况 下，气孔本身作为一种体缺陷并不可能成为导致材料破坏最直接 的原因，即气孔一般不能单独作为裂纹来看待

2.2.1 无机材料中本征裂纹的起源 1、气孔（烧结过程产生） 气孔总是不可避免地存在于所有的无机材料中，但因为气孔 一般被视为圆球形（即R/r1）而不是椭圆球形（ R/r1 ），所以 气孔导致的应力集中效应并不显著，在外加应力水平较低的情况 下，气孔本身作为一种体缺陷并不可能成为导致材料破坏最直接 的原因，即气孔一般不能单独作为裂纹来看待。 气孔可不可以看成原始裂纹？

气孔如何产生裂纹？ 当气孔附近区域中存在有其他显微结构缺陷时，情况就不同了： 当球形气孔处于三晶交界处时，由于两晶粒的界面间结合力弱， 这时气孔端部因为应力集中而产生的局部应力就有可能克服晶 界间的结合力，从而使晶界产生松动。从宏观上看：这就相当 于在气孔边缘处附着了一条尖锐的裂纹，而尖锐裂纹的出现将 大大提高气孔附近区域的应力集中程度，从而使这个局部区域 成为材料中最薄弱区域

气孔如何产生裂纹？ 当气孔附近区域中存在有其他显微结构缺陷时，情况就不同了： 当球形气孔处于三晶交界处时，由于两晶粒的界面间结合力弱， 这时气孔端部因为应力集中而产生的局部应力就有可能克服晶 界间的结合力，从而使晶界产生松动。从宏观上看：这就相当 于在气孔边缘处附着了一条尖锐的裂纹，而尖锐裂纹的出现将 大大提高气孔附近区域的应力集中程度，从而使这个局部区域 成为材料中最薄弱区域

为了最大限度地减小气孔导致断裂发生的概率，改善措施： (1)尽可能减小晶粒尺寸； (2)减小气孔尺寸是制备高强度材料的基本要求； (3)想办法保证气孔基本上呈球形状态，以缓解气孔导致的应力 集中效应

为了最大限度地减小气孔导致断裂发生的概率，改善措施： （1）尽可能减小晶粒尺寸； （2）减小气孔尺寸是制备高强度材料的基本要求； （3）想办法保证气孔基本上呈球形状态，以缓解气孔导致的应力 集中效应

2、夹杂（起源于粉体制备过程和成型过程、烧结过程的炉膛污染） 为了提高材料性能而引入的第二相粒子、纤维、晶须，通常不作为夹杂来处理。 无机材料中夹杂导致微开裂现象的原因： (1)在材料制备过程中，由于夹杂物与基体间热膨胀及弹性形变的失配，夹 杂物/基体界面附近产生显著的残余内应力，如果失配程度较大，就可能 导致微开裂现象。 (2)即使微开裂现象在材料的制备过程中没有发生，在材料工作过程中，夹 杂物/基体界面附近的残余内应力对外加应力起到一个补充作用，从而诱 发微开裂

2、夹杂（起源于粉体制备过程和成型过程、烧结过程的炉膛污染） 为了提高材料性能而引入的第二相粒子、纤维、晶须，通常不作为夹杂来处理。 无机材料中夹杂导致微开裂现象的原因： （1）在材料制备过程中，由于夹杂物与基体间热膨胀及弹性形变的失配，夹 杂物/基体界面附近产生显著的残余内应力，如果失配程度较大，就可能 导致微开裂现象。 （2）即使微开裂现象在材料的制备过程中没有发生，在材料工作过程中，夹 杂物/基体界面附近的残余内应力对外加应力起到一个补充作用，从而诱 发微开裂

夹杂物与基体界面上残余应力P: △a△T P1= 1+ym+ 1-Vp 2Em Ep 式中，p和m分别代表夹杂物和基质材料；△a=am一a, 两者膨胀系数的差值；△T为冷却阶段的温差；ν和E分别为材料 的泊松比和弹性模量

现在讨论一下夹杂物与基体间热膨胀失配的几种情况(o。一基质的膨胀 系数。一夹杂的膨胀系数)： 首先，如果>a,在冷却过程中基体的收缩比夹杂物的收缩更为刷烈，当△o达到某 一临界值，就会诱发左图所示的径向裂纹，从而导致材料强度的急剧下降。 其次，如果a<0,夹杂物在冷却过程中的收缩比基体剧烈，当△o达到某一临界值， 使得夹杂物从基体剥落出来，而导致基体内部产生一个类似于气孔的缺陷，如右图。 不可能发生 可能性很小 夹杂引起径向开裂 夹杂从基体中剥落

现在讨论一下夹杂物与基体间热膨胀失配的几种情况（m—基质的膨胀 系数p—夹杂的膨胀系数）： 首先，如果mp，在冷却过程中基体的收缩比夹杂物的收缩更为剧烈，当达到某 一临界值，就会诱发左图所示的径向裂纹，从而导致材料强度的急剧下降。 其次，如果mp，夹杂物在冷却过程中的收缩比基体剧烈，当达到某一临界值， 使得夹杂物从基体剥落出来，而导致基体内部产生一个类似于气孔的缺陷，如右图。 夹杂引起径向开裂 夹杂从基体中剥落 不 可 能 发 生 可 能 性 很 小

最后，更常见的情况是： 虽然c<0,但是△o却并不足以导致夹杂物与基体发生分离，这时，在夹杂 物/基体界面附近就可能会因为内应力作用而出现一些微裂纹

最后，更常见的情况是： 虽然mp，但是却并不足以导致夹杂物与基体发生分离，这时，在夹杂 物/基体界面附近就可能会因为内应力作用而出现一些微裂纹

3、烧结过程中异常长大的晶粒 烧结过程中异常长大的晶粒将影响到材料的整体均匀性，而导致局部的应 力集中。只要这些异常长大的晶粒附近存在有任何一种其他的显微结构缺 陷，都有可能成为一个与周围区域相比显得薄弱的部位，从而导致材料强 度的降低

3、烧结过程中异常长大的晶粒 烧结过程中异常长大的晶粒将影响到材料的整体均匀性，而导致局部的应 力集中。只要这些异常长大的晶粒附近存在有任何一种其他的显微结构缺 陷，都有可能成为一个与周围区域相比显得薄弱的部位，从而导致材料强 度的降低