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1、第17卷第4期太原重型机械学院学报Vol.17No141996年12月JOURNALOFTAIYUANHEAVYMACHINERYINSTITUTEDec.1996微晶玻璃的疲劳行为周俊琪张敏刚王永兰(太原重型机械学院,030024)(西安交通大学,西安710049)摘要本文系统研究了K2O-MgO-Al2O3-B2O3-SiO2-F多元系统的可切削微晶玻璃的疲劳行为.研究材料在静载荷、动载荷、循环载荷作用下的疲劳断裂的宏观规律,得到了材料在空气中三种载荷形式下的疲劳指数(应力腐蚀指数)n分别为69154,3512和18118.实验结果表明
2、,应力腐蚀指数n的大小强烈依赖于加载方式,并能作为材料抵抗裂纹扩展的某种抗力指标,循环载荷和动载荷对材料造成了附加损伤,致使在相同应力水平下材料寿命明显下降.关键词微晶玻璃;静疲劳;动疲劳;循环疲劳中图分类号TB321##0引言[1]微晶玻璃(或称玻璃陶瓷)是对特定组成的玻璃进行晶化所形成的一类多晶体材料.[2]微晶玻璃不同于玻璃和陶瓷结构,因此它具有独特的机械、电磁、热学和光学性能.可切削玻璃陶瓷是以云母为主晶相的一种新型陶瓷材料,它不仅具有优良的介电、绝缘性能、还可以使用普通刀具进行加工,制造出具有表面光洁和形状复杂的零部件,在一些高新
3、领域[3,4]得到了应用.玻璃陶瓷与许多氧化物陶瓷一样,也存在着疲劳断裂现象,玻璃陶瓷是典型的多晶脆性材料,它的晶体结构和显微组织,包括晶粒尺寸、形态、数量、分布等均可在很大范围内可控调整,研究其疲劳特性,有利于揭示脆性多晶材料疲劳特性的一些共同规律和机理,具有重要科学价值.目前,对氧化物陶瓷的疲劳行为研究的很活跃,但对玻璃陶瓷的研究还比较少,报道不多.本研究工作针对一种在成分、显微组织及性能上,与美国Corning公司Macor9658可切削玻璃陶瓷相似的材料,研究了其在静载荷、动载荷、循环载荷作用下的疲劳特性.1实验部分收稿日期:199
4、6-6-20340太原重型机械学院学报1996年111实验材料实验材料是以氟金云母(KMg3(Si3AlO10)F2)为主晶相的可切削玻璃陶瓷,化学组成见表1.表1原料的化学组成(重量百分比)SiO2Al2O3MgOB2O3K2OF471216171415818915613原料熔制后,形成原始玻璃,再经650e@2h+810e@1h+910e@5h热处理后,成为可切削玻璃陶瓷,其显微组织见图1.3性能测试的试样3@4@35mm条型试样,表#面经400水砂纸研磨,为减小试验分散性,在试样窄侧面中部,用控制压痕技术预制表面裂纹,作为断裂源,并使
5、裂纹面垂直于试样棱边.压痕采用vickers压头,载荷为49N.112试验方法用试样分别进行静疲劳、动疲劳、循环疲劳试验,试样上有预制裂纹的一面,试验中处于弯曲载荷的拉伸侧,并使预制裂纹与三点弯曲加载装置的中间压头严格对中,保证数据的精确性.图1微晶玻璃的显微组织11211静疲劳试验静疲劳试验在专用小型静疲劳试验机上进行,三点弯曲加载,跨距为30mm.试验机带有自动时间记录装置.11212动疲劳试验动疲劳(动疲劳是指通过改变应力速率来获得裂纹扩展参数的实验方法).在instron1195试验机上进行,采用三点弯曲加载,跨距为24mm,选用5
6、种压头速率:分别为0105mm/min、015mm/min、5mm/min、10mm/min、50mm/min.加载速率的计算应为加#cc载过程的平均值,即R(加载速率)=Rf/tf,Rf为断裂应力,tf为加载持续的时间.加载速率为2173MPa/sec、2713MPa/sec、273MPa/sec、546MPa/sec、2730MPa/sec实验结果中的所有实验点均为8个试样所测量值的平均值.11213循环疲劳试验循环疲劳试验在自制专用小型循环疲劳试验机上进行,试验机带有自动记数和停机保护装置.三点弯曲加载,跨距24mm,应力比R=015
7、,循环频率f=10HZ.2实验结果及分析211静疲劳脆性材料疲劳特点是亚临界裂纹扩展的结果,裂纹扩展速率V与应力强度因子KI之间第17卷第4期周俊琪等:微晶玻璃的疲劳行为341的经验关系式nV=AKI(1)式中A、n为常数,n为应力腐蚀指数.1/2KI=YRa#a(2)式中Y为裂纹几何因子,Ra为施加应力,a为裂纹长度.将(2)式代入(1)式,并考虑到Ra为恒值,积分可得到材料的寿命tf为n-2-nRan-2tf=B#Rc#Ra[1-()](3)Rc2式中Rc为材料固有强度,B=2/[AY(n-2)#n-2KIC],是仅与材料和环境有关,与
8、所加载荷无关的常数.由于Ra
