《无机材料物理性能》第三章 脆性断裂与强度（3.4）无机材料的断裂过程

34无机材料的断裂过程 34.1概述 断裂与塑性形变的比较 塑性形变是位错(微观缺陷)运动的结果,说明实际 晶体在远低于理想晶体的屈服强度的应力下,发生塑 性形变 断裂力学说明材料的断裂是裂纹(宏观缺陷)扩展的 结果。实际晶体在远低于理论强度的应力下,发生断 裂 两者有相似之处、差异、和相关点

3.4.1 概述 塑性形变是位错（微观缺陷）运动的结果，说明实际 晶体在远低于理想晶体的屈服强度的应力下，发生塑 性形变。 断裂力学说明材料的断裂是裂纹（宏观缺陷）扩展的 结果。实际晶体在远低于理论强度的应力下，发生断 裂。 两者有相似之处、差异、和相关点。 断裂与塑性形变的比较 3.4 无机材料的断裂过程

张应力 作用下 的裂纹 ○○O○ 扩展和 切应力 错运动 相同点: 裂纹和位错的前端都将晶体划分为已断裂(滑移)和未 发生变化的两部分。 裂纹扩展和位错运动都使原子键连续破坏。 不同点:裂纹扩展使原子键永久性的撕开,位错运动之 后,断开的原子键随即重新愈合

                      张应力 作用下 的裂纹 扩展和 切应力 下的位 错运动 相同点： 裂纹和位错的前端都将晶体划分为已断裂（滑移）和未 发生变化的两部分。 裂纹扩展和位错运动都使原子键连续破坏。 不同点：裂纹扩展使原子键永久性的撕开，位错运动之 后，断开的原子键随即重新愈合。                            

32裂纹成核 结构不连续区域都会使裂纹成核。 结构不连续区域的特点 材料中任何结构不连续性都会使局部能量处于高能 量状态,即应力状态; ●外力作用下,能量高的不连续区域首先发生运动, 在能量较低的不连续区域使其能量降低; 结构不连续区域在可能情况下总是降低其能量; 不连续区域在运动过程中,遇到势垒,会发生塞积, 引起高度的应力集中,此应力又会激活其他结构不连 续区域

结构不连续区域的特点： • 材料中任何结构不连续性都会使局部能量处于高能 量状态，即应力状态； • 外力作用下，能量高的不连续区域首先发生运动， 在能量较低的不连续区域使其能量降低； • 结构不连续区域在可能情况下总是降低其能量； • 不连续区域在运动过程中，遇到势垒，会发生塞积， 引起高度的应力集中，此应力又会激活其他结构不连 续区域。 3.4.2 裂纹成核 结构不连续区域都会使裂纹成核

无机材料的脆性和裂纹成核途径 脆性材料类别滑移系位错可移动性裂纹成核途径 程度室温高温个数可动性灵活性 全Si 无无无制备过程、机 iC 械加工引入, 脆A2O 热应力引起, 不可能有位错 TiO 机理的裂纹成 性 SiO 核 半 Mgo al2O小可 无 制备过程、机 脆i2TO3 CaF 3 械加工引入, 五 热应力引起, MgO 可能有位错机 Nacl 个 理的裂纹成核。 性CsCl

脆性 程度 材料类别 滑移系 个数 位错可移动性 裂纹成核途径 室温 高温 可动性 灵活性 全 脆 性 Si3N4 TiC Al2O 3 TiO2 SiO2 无 无 无 制备过程、机 械加工引入， 热应力引起， 不可能有位错 机理的裂纹成 核。 半 脆 性 MgO CaF2 LiF NaCl CsCl Al2O 3 TiO2 MgO 小 于 五 个 可 无 制备过程、机 械加工引入， 热应力引起， 可能有位错机 理的裂纹成核。 无机材料的脆性和裂纹成核途径

接上表 Ag Br Caf2五个可可位错滑移最终导致塑 塑 AgCl liF 性形变。 NaCl 空洞合并导致裂纹成 性 核 各种制备工艺引入的缺陷类型 热压 无压烧结气相沉积 夹杂物 大气孔 表面层缺陷 加工缺陷 夹杂物 粗晶 非均质粗晶 粗晶 分层 不完善结合区

塑 性 AgBr AgCl CaF2 LiF NaCl CsCl 五个 可 可 位错滑移最终导致塑 性形变。 空洞合并导致裂纹成 核。 热压 无压烧结 气相沉积 夹杂物 加工缺陷 非均质粗晶 不完善结合区 大气孔 夹杂物 粗晶 表面层缺陷 粗晶 分层 各种制备工艺引入的缺陷类型 接上表

343亚临界裂纹扩展(静态疲劳) (1)亚临界裂纹扩展 在受到低于临界应力的作用状态下,脆性材 料的裂纹扩展取决于温度、应力和环境介质 材料处于稳态 (2)亚临界裂纹扩展速率与应力强度因子的关 系 其典型关系式:V=AK1

（1） 亚临界裂纹扩展 在受到低于临界应力的作用状态下，脆性材 料的裂纹扩展取决于温度、应力和环境介质。 材料处于稳态。 3.4.3 亚临界裂纹扩展（静态疲劳） （2） 亚临界裂纹扩展速率与应力强度因子的关 系 其典型关系式：V=AK1 n

特点: Log V 几乎所有材料都有 个不发生亚临界裂纹 扩展的应力强度因子 低限值K 超过低限值,V与K1 总是呈正比,其中, 是与机理相关的常数 恒速裂纹扩展区 裂纹扩展速率曲线 快速裂纹扩展区

特点： • 几乎所有材料都有一 个不发生亚临界裂纹 扩展的应力强度因子 低限值K0。 • 超过低限值，V与K1 n 总是呈正比，其中，n 是与机理相关的常数。 • 恒速裂纹扩展区。 裂纹扩展速率曲线 • 快速裂纹扩展区。 LogV I II III K0

(3)亚临界裂纹扩展机理 1)环境介质的作用(应力腐蚀)引起裂纹的扩展 玻璃在含有OH介质中的亚临界裂纹扩展机理: OH对裂纹的强化作用有: 吸附导致键强的下降; 应力加速了裂纹尖端玻璃的溶解; 离子互换导致裂纹尖端张应力的增长。 例如:在含水气不同的N2气氛中,玻璃Na2O-CaO SiO2的亚临界裂纹扩展

1）环境介质的作用 (应力腐蚀）引起裂纹的扩展 玻璃在含有OH-介质中的亚临界裂纹扩展机理: OH-对裂纹的强化作用有： • 吸附导致键强的下降； • 应力加速了裂纹尖端玻璃的溶解； • 离子互换导致裂纹尖端张应力的增长。 （3） 亚临界裂纹扩展机理 例如：在含水气不同 的N2气氛中，玻璃Na2O－CaO －SiO2的亚临界裂纹扩展

●裂纹生长的主要原因是 应力促进了水与玻璃的化 学反应,生长速率受反应 速率所控制。 水·裂纹生长速率几乎与应 ms-D) 力无关,此时裂纹生长速 率取决于OH离子向裂纹 尖端迁移的速率。 裂纹生长的速率又随K1 的增大而呈指数的增长, 与水气含量无关,裂纹生 长受到玻璃的化学组分和 K1(Nm-3/2×105) 结构的控制

• 裂纹生长的主要原因是 应力促进了水与玻璃的化 学反应，生长速率受反应 速率所控制。 • 裂纹生长速率几乎与应 力无关，此时裂纹生长速 率取决于OH-离子向裂纹 尖端迁移的速率。 • 裂纹生长的速率又随K1 的增大而呈指数的增长， 与水气含量无关，裂纹生 长受到玻璃的化学组分和 K1（Nm-3/2×105 ) 结构的控制。 V （ms-1） III I II 水 气 含 量

注玻璃 钠钙玻璃 铝硅玻璃 硼硅玻璃 化学组成和结构对 玻璃区域I亚临界裂纹扩展的影响

K1 V 钠钙玻璃 硼硅玻璃 硅玻璃 铝硅玻璃 化学组成和结构对 玻璃区域III亚临界裂纹扩展的影响