3.6材料的脆性和克服脆性的途径.ppt

* ? 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 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. 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－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. 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, (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。 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。 (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。 相变反应过程中的能量变化 ?UT 能 量 G 无抑制 受基体抑制 单斜相 四方相 ?Gchem ?Ua T 高温向低温的相转变方向 ZrO2粒子发生相变时的自由能平衡关系式为： ?GM/T= － ?Gchem +?UT－?Ua+?S ?GM/T ------单位体积四方相向单斜相转化引起的自由能变化；（相变动力） ?Gchem ----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