《无机材料物理性能》第三章 脆性断裂与强度（3.6）材料的脆性和克服脆性的途径

36材料的脆性和克服脆性的途径 361材料的脆性 1.材料脆性的特点 脆性是无机材料的特征。它间接地反映材料较低的 抗机械冲击强度和较差的抗温度聚变性 脆性直接表现在:一旦受到临界的外加负荷,材料 的断裂则具有爆发性的特征和灾难性的后果。 ●脆性的本质是缺少五个独立的滑移系统,在受力状 态下难于发生滑移使应力松弛

• 脆性是无机材料的特征。它间接地反映材料较低的 抗机械冲击强度和较差的抗温度聚变性。 • 脆性直接表现在:一旦受到临界的外加负荷，材料 的断裂则具有爆发性的特征和灾难性的后果。 • 脆性的本质是缺少五个独立的滑移系统，在受力状 态下难于发生滑移使应力松弛。 1. 材料脆性的特点 3.6.1 材料的脆性 3.6 材料的脆性和克服脆性的途径

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 裂纹扩展的很快,则发生脆断,所以裂纹扩展的 速度是脆性的一种量度。 断裂能、σ/τt也是材料脆性的一种量度 a 金刚石 铜和银 o th /tth 0.49 1.16 30

NaCl 金刚石 铜和银  th /th 0.49 1.16 30 • 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 裂纹扩展的很快，则发生脆断，所以裂纹扩展的 速度是脆性的一种量度。 • 断裂能、 th /th 也是材料脆性的一种量度

2.改善材料韧性,提高材料强度 在一定的条件下,晶体中的滑移系统的数目及 其可动程度,都是物质本质结构所决定的,材 料脆性的本质难以改变; 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

在一定的条件下，晶体中的滑移系统的数目及 其可动程度，都是物质本质结构所决定的， 材 料脆性的本质难以改变； 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。 2. 改善材料韧性，提高材料强度

从断裂力学观点出发,克服脆性和提高强度的关键是: 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。 强度 断裂韧性 强度一韧性一裂纹 尺寸的关系 裂纹长度的倒数 a 工程陶瓷的发展应是沿着既提高断裂韧性,又降低 裂纹缺陷尺寸的途径,大幅度地提高材料的强度

从断裂力学观点出发，克服脆性和提高强度的关键是： • 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。 强度－韧性－裂纹 尺寸的关系 裂纹长度的倒数 强度 ao 断裂韧性 K1c 工程陶瓷的发展应是沿着既提高断裂韧性,又降低 裂纹缺陷尺寸的途径,大幅度地提高材料的强度

362克服材料脆性断裂的途径 1.金属与无机材料的复合 增韧相弥散于材料中 增韧相的作用:起附加的能量吸收作用,使裂纹尖 端区域高度集中的应力得以部分消除,抑制原先可 能到达临界状态的裂纹,提高材料抵抗裂纹扩展的 能力,相应改善其韧性。 通过裂纹尖端塑性形变的作用能量吸收: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,使裂纹扩展的动力减弱

1. 金属与无机材料的复合 ------增韧相弥散于材料中 增韧相的作用：起附加的能量吸收作用,使裂纹尖 端区域高度集中的应力得以部分消除，抑制原先可 能到达临界状态的裂纹，提高材料抵抗裂纹扩展的 能力，相应改善其韧性。 通过裂纹尖端塑性形变的作用能量吸收：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，使裂纹扩展的动力减弱。 3.6.2 克服材料脆性断裂的途径

金属对材料的增韧具备如下条件 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润湿性。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,脆性改善有限。 有希望的系统:ZrO2-TaW系统,(CrAD2O3 Cr Mow系统。 此种复合材料的缺点:金属在高温下,易氧化会损 害材料的耐热性

金属对材料的增韧具备如下条件： • 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润湿性。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，脆性改善有限。 有希望的系统：ZrO2－TaW系统, (Cr·Al)2O3－ Cr·Mo·W系统。 此种复合材料的缺点：金属在高温下，易氧化会损 害材料的耐热性

2.材料中的裂纹尖端增韧作用区 相变粒子弥散 相变粒子增韧: 利用ZrO2四方相转变成ZrO2单斜相的马氏体相变 来实现增韧

2. 材料中的裂纹尖端增韧作用区 ------相变粒子弥散 相变粒子增韧： 利用ZrO2四方相转变成ZrO2单斜相的马氏体相变 来实现增韧

马氏体相变的特点: 相变前后无成分变化; 原子的配位不变; 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 似于声波传播的速度进行,比裂纹扩展速度大2~3倍, 为吸收断裂能和增韧提供必要条件。 相变伴随有体积变化-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

马氏体相变的特点： • 相变前后无成分变化； • 原子的配位不变； • 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 似于声波传播的速度进行，比裂纹扩展速度大2～3倍， 为吸收断裂能和增韧提供必要条件。 • 相变伴随有体积变化------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 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

增韧机制: 应力诱导相变增韧 相变诱发微裂纹增韧 微裂纹分岔增韧。 裂纹尖端出现微裂纹 区时,将导致弹性能 的松弛和应力再分布

增韧机制： • 应力诱导相变增韧 • 相变诱发微裂纹增韧 • 微裂纹分岔增韧。 裂纹尖端出现微裂纹 区时，将导致弹性能 的松弛和应力再分布

(1)影响ZrO2相变的因素: 1)ZrO2颗粒在基体中相变的能量条件 在基体中,四方ZrO2是高温稳定相,单斜ZrO2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ZrO2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

(1)影响ZrO2相变的因素： 1） ZrO2颗粒在基体中相变的能量条件 在基体中，四方ZrO2是高温稳定相，单斜ZrO2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ZrO2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