9工程材料力学性能第九章

第九章陶瓷、复合材料的力学性能§1.1陶瓷材料的变形与断裂§1.2陶瓷材料的强度§1.3陶瓷材料的硬度与耐磨性§1.4陶瓷材料的断裂韧度与增韧§1.5陶瓷材料的疲劳§1.6陶瓷材料的抗热震性耐高温、硬度高、弹性模量高、耐磨、耐蚀、抗蠕变性能好§1.1陶瓷材料的变形与断裂一.弹性变形特点：1）弹性模量大；2）成型与烧结工艺对弹性模量影响大；3）压缩弹性模量高于拉伸弹性模量。二.塑性变形在1000℃以上高温条件下，出现主滑移系运动引起的塑性变形。三.断裂陶瓷材料断裂过程都是以其内部或表面存在的缺陷为起点而发生。晶粒和气孔尺寸在决定陶瓷材料强度方面与裂纹尺寸有等效作用。陶瓷材料断裂概率按韦伯分布函数考虑：用韦伯模数m度量强度均匀性。m值大，材料强度分布窄。优质工程陶瓷m为10.陶瓷材料主要断裂机理：解理（穿晶解理→沿晶断裂。VmudVF])(exp[1)(0§1.2陶瓷材料的强度一.抗弯强度采用三点弯曲或四点弯曲试验方法（实用）。σf,4σf,3m越小其差值愈大。二.抗拉强度常用抗弯强度代替，抗弯强度比抗拉强度高20%－40%。三.抗压强度拉伸时，陶瓷材料中的缺陷作为裂纹源快速扩展导致断裂；压缩时，裂纹缓慢扩展并相互连接，最终导致压碎。表10－4某些材料的抗拉强度和抗压强度材料抗拉强度/Mpa抗压强度/Mpa抗拉强度/抗压强度铸铁FC10100-150400-6001/4化工陶瓷30－40250－4001/8.3-1/10多铝红柱石12513501/10.8烧结B4C30030001/10§1.3陶瓷材料的硬度与耐磨性一.陶瓷材料的硬度工程陶瓷材料硬度高，常用洛氏硬度、维氏硬度或努氏硬度表示。测量维氏或努氏硬度时，表面须研抛至镜面，表面粗糙度在0.1μm以下。二.陶瓷材料的耐磨性工程陶瓷材料耐磨性较高，重要的耐磨陶瓷材料包括：Al2O3、SiC、ZrO2、Si3N4等。弹性接触微小塑性区微裂纹陶瓷材料的磨损机理：1）在滑动摩擦条件下的磨损机理主要是以微断裂方式导致的磨粒磨损。陶瓷与陶瓷材料配对的摩擦副粘着倾向小（金属+陶瓷金属+金属）2）在特定条件下可能形成摩擦化学磨损（特有磨损机理）。§1.4陶瓷材料的断裂韧度与增韧一.陶瓷材料的断裂韧度测定陶瓷材料断裂韧度的方法：单边切口梁法，山形切口法，压痕法，双扭法，双悬臂梁法。名称优点缺点适用条件单边切口梁法数据分散性小，重现性好，试样加工测定简单所测KIC值受切口宽度影响大高温和各种介质条件山形切口法切口宽度对KIC影响小，测定值误差小试样加工困难，需专用夹具高温和各种介质条件压痕法测试方便，可用很小试样进行多点韧度测试表面质量、加载速率、载荷时间、卸载后测量时间对裂纹长度有影响，KIC误差大用于对韧度相对评价，压头下部材料在加载过程中无相变或体积致密化；压痕表面无碎裂二.陶瓷材料的增韧陶瓷材料强度提高，断裂韧度值增大，因此陶瓷材料的增韧常与增强相联系。陶瓷增韧途径：1）改善陶瓷显微结构a.使材料达到细、密、匀、纯b.晶粒长宽比增大，KIC值增大。2）相变增韧：受使用温度限制（应800℃）3）微裂纹增韧主裂纹扩展遇到微裂纹发生分叉转向前进，增加扩展过程中的表面能；主裂纹尖端应力集中被松弛，扩展减慢。§1.5陶瓷材料的疲劳一.陶瓷材料的疲劳类型陶瓷的疲劳包括静态疲劳、动态疲劳和循环疲劳。静态疲劳是在静载荷作用下，材料的承载能力随时间延长而下降产生的断裂，对应于金属材料的应力腐蚀和高温蠕变断裂。循环疲劳是陶瓷材料在循环载荷作用下所产生的低应力断裂。当外加应力低于断裂应力时，陶瓷材料也可能出现亚临界裂纹扩展。1）KI≤Kth区：裂纹不发生亚临界扩展；2）低速区（I区）da/dt随KI提高而增大3）中速区（Ⅱ区）da/dt与KI无关4）高速区（Ⅲ区）da/dt随KI变化呈指数关系增大。工程陶瓷零件的使用寿命由裂纹慢速扩展区决定。二.陶瓷材料疲劳特性评价1）陶瓷材料的疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子范围符合Paris公式：n值10(金属材料n在2－4）2）疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth与断裂韧度KIC之比较金属大，一般为0.4－0.8，说明陶瓷更难产生疲劳裂纹。3）陶瓷材料在室温及大气中也会产生应力腐蚀断裂，其应力腐蚀门槛值KIscc与KIC之比较钢低。4）陶瓷材料KIscc/KICΔKth/KIC说明应力腐蚀开裂比疲劳更难产生。nIKcdNda)(§1.6陶瓷材料的抗热震性热震破坏分类热震断裂：由热震引起的瞬时断裂；热震损伤：在热冲击循环作用下，材料先出现开裂，随之裂纹扩展，导致材料强度降低，最终整体破坏。陶瓷材料的抗热震性通常用抗热震参数表示。a.对于急剧加热或冷却的陶瓷材料:抗热震断裂参数fER1b.对于缓慢加热或冷却的陶瓷材料：抗热震断裂参数用热弹性应变能表示的抗热震损伤参数用热弹性应变能和断裂表面能表示的抗热震损伤参数2'')1(fER2''')1(ffERRERf)1('§2.1复合材料的定义和性能特点§2.2单向复合材料的力学性能§2.3复合材料的断裂、冲击和疲劳§2.1复合材料的定义和性能特点一.定义复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合形成的新型材料。连续相称为基体；有一种或几种不连续相分布于基体中，不连续相的强度、硬度比连续相高，称为增强体。二.复合材料的性能特点高比强度、比模量；各向异性；抗疲劳性好；减振性能好；可设计性强。§2.2单向复合材料的力学性能单向连续纤维增强复合材料：连续纤维在基体中呈同向平行排列的复合材料。单向复合材料有5个特征强度值：纵（横）向抗拉强度、纵（横）向抗压强度、面内抗剪强度。4个特征弹性常数：纵（横）向弹性模量、主泊松比、切变模量。一.单向复合材料的弹性性能（一）纵向弹性模量—混合定律工程上常加修正系数K，即（二）横向弹性模量Ⅰ型：纤维含量少，串联模型；Ⅱ型：纤维含量高，并联模型。实际应为两者线性组合：c为分配系数。)1(fmffmmffcLVEVEVEVEE)]1([fmffcLVEVEKEmTmfTfIcTEVEVE1mmTffTIIcTVEVEEIIcTIcTcTcEEcE)1(（三）切变模量Ⅰ型：纤维和基体轴向串联模型；Ⅱ型：纤维和基体轴向并联模型。实际应为两者线性组合：（四）泊松比单向复合材料的正交各向异性决定了其在纵横2个方向呈现的泊松效应不同。mmffIcGVGVG1mmffIIcVGVGGIIcIcccGGcG)1(纵向泊松比：单向复合材料沿纤维方向受到拉伸，在横向要产生收缩，其横向应变与纵向应变之比横向泊松比：当沿垂直纤维方向弹性拉伸时，其纵向应变与横向应变之比麦克斯韦尔定律cLcTLTcTcLTLcLcTLTTLEE二.单向复合材料的强度（一）纵向抗拉强度单向复合材料在拉伸载荷下的变形过程分为：Ⅰ纤维和基体都是弹性变形；Ⅱ纤维弹性变形，基体非弹性变形；Ⅲ纤维与基体均为非弹性变形；Ⅳ纤维断裂，随之复合材料断裂。（二）纵向抗压强度当单向复合材料纵向受压时，连续纤维像细长的杆件而产生屈曲。屈曲形式：拉压型和剪切型。在拉压型失稳模型中，复合材料的纵向抗压强度为在剪切失稳模型中，复合材料的纵向抗压强度为由于实际纤维的平直度偏离理想状态很多，且纤维在基体中分布不均匀，上述计算值高于实测值。)1(32fffmfcLuVVEEVfV-1mcLuG§2.3复合材料的断裂、冲击和疲劳一.复合材料的断裂纤维复合材料断裂过程包括裂纹形成和扩展2个阶段。裂纹（在材料制、造使用中形成）源于微观缺陷。a.损伤累积机理复合材料的断裂过程可视为损伤（多种类型）累积过程。纤维断裂；基体变形和开裂；纤维脱粘；纤维拔出；分层裂纹。b.非累积损伤机理（界面粘结强度高金属基复合材料）在个别纤维断裂时立即造成复合材料的整体破坏或在增加一定载荷后破坏。三种类型：接力破坏机理；脆性粘接断裂机理；最弱环节机理。实际复合材料的断裂是混合型的。二.复合材料的韧性复合材料的韧性决定于裂纹的扩展功。（一）裂纹和纤维桥联裂纹和脆性纤维桥联增加复合材料的韧性；裂纹和韧性纤维桥联复合材料韧性增加。（二）纤维脱粘和纤维拔出当纤维强度高，纤维与基体结合强度低时，可使纤维局部脱粘，有利于提高复合材料的韧性。脆性的或不连续的纤维嵌于韧性基体中时会发生纤维拔出，利于提高复合材料的韧性。三.复合材料的冲击性能复合材料的冲击性能特点：1）单向复合材料的应变速率敏感性因纤维种类不同而不同，钢的应变速率敏感性因强度不同而异。2）钢的冲击断裂机理是穿晶解理或微孔聚集断裂；复合材料的冲击断裂是各类损伤的累积或非累积破坏。3）高弹性模量复合材料比低弹性模量复合材料的冲击韧性差。前者以纤维断裂为主要损伤模式；后者以纤维拔出和分层裂纹为损伤模式。四.复合材料的疲劳性能复合材料疲劳性能的特点：复合材料与各向同性材料有完全不同的疲劳机理。各向同性材料：在受交变载荷时，出现单一的疲劳主裂纹并控制其最终的疲劳破坏；纤维复合材料：在高应力区出现较大规模的损伤，互相影响和组合，表现出复杂的疲劳破坏行为。考试时间：第14周星期四6月3日14：00—15：30地点：B102答疑时间：第10周星期四14：30—15：30地点：教工楼3#205室