文档介绍：化工过程机械
主要内容
陶瓷材料的疲劳
陶瓷材料的疲劳概念
陶瓷材料的疲劳
金属材料的疲劳:金属在循环载荷作用下,即使所受的应力低于屈服强度,也会发生断裂。
陶瓷材料的疲劳分为静态疲劳、动态疲劳和循环疲劳。
动
态
疲
劳
以恒定的速率加载,研究材料的失效断裂
对加载速率的敏感性,类似于金属材料应
力腐蚀研究中的慢应变速率拉伸
静
态
疲
劳
在持久载荷的作用下发生的失效断裂,
对应于金属材料中的应力腐蚀和高温蠕变
循
环
疲
劳
在循环应力作用下发生的失效断裂,对应
于金属中的疲劳
1)微裂纹及微塑性在裂尖区域的累积,使得材料局部弱化,从而裂纹得以亚临界扩展。
2)裂纹表面的粗糙不平或裂纹面间的碎粒在卸载过程中引起裂纹的闭合并产生楔子效应。这种楔子效应一方面使裂纹面产生错配,造成裂纹尖端较大的剪应力和张应力,从而导致Ⅰ型或Ⅱ型裂纹的扩展。另一方面会产生类似于压痕的损伤,导致裂纹前沿的扩展。
3)裂纹尖端的永久不可逆应变在卸载过程中引起残余拉应力,而使疲劳裂纹短距离扩展. 有限元计算表明,由不可逆应变导致的残余拉应力可超过材料的抗拉强度。
4)裂纹面及裂尖在应力循环过程中因摩擦而发热,使材料晶界上的玻璃相弱化,从而更易于发生晶间断裂。
陶瓷材料疲劳的本质机理:仅与疲劳有关的裂尖损伤区内微观结构的变化,主要包括以下几个方面
陶瓷材料循环疲劳的特点
陶瓷材料的循环疲劳寿命
疲劳寿命的试验结果非常分散,最长与最短的疲劳寿命相差达5-6个数量级。因此,陶瓷材料循环疲劳寿命的试验结果,必须进行统计分析。统计分析表明,陶瓷材料循环疲劳寿命的试验结果也遵循对数正态分布,如图14-7所示。
图14-7 Al2O3陶瓷材料循环疲劳寿命的试验结果的概率分布
1-σa=169MPa;2-σa=148MPa
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图14-8 Al2O3陶瓷具有给定存活率的循环疲劳寿命曲线
陶瓷材料的疲劳裂纹扩展速率
图14-7 陶瓷材料的裂纹扩展速率曲线
a) 循环疲劳 b) 静疲劳
与金属材料相比,陶瓷材料的KIC值和ΔKth/KIC的比值较低,只有金属的十分之一到几十分之一。因此陶瓷材料的裂纹扩展曲线非常陡峭。而且,当ΔK<ΔKth时,裂纹不扩展,一旦开始扩展,则裂纹扩展很快。当Kmax=kIC时,裂纹失稳扩展,引起陶瓷零部件的断裂。提高断裂韧性kIC。
陶瓷材料的韧性
陶瓷材料的静态韧性
陶瓷材料的静态韧性,即单位体积材料断裂前所吸收的功,可按下式计算:
而陶瓷材料的断裂强度并不比钢的屈服强度高,但其弹性模量却比钢的高,见表14-1。因此,陶瓷材料的静态韧性很低。