莫来石陶瓷的室温应力腐蚀开裂行为

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1、第卷第期无机材料学报一一年月入’莫来石陶瓷的室温应力腐蚀开裂行为‘杜春生龚江宏杨正方袁启明天津大学材料科学与工程来天津摘要分别在空气、蒸馏水和碱性溶液中测定了莫来石陶瓷材料在不同外加应力水平下的室温断裂寿命,探讨了应力腐蚀裂纹缓慢扩展机理研究表明,在高载荷下,吸附效应为裂纹扩展的主导机理,而在低载荷下,裂纹尖端钝化效应为主导机理此外,在蒸馏水和碱性溶液两种介质中裂纹扩展指数值有所不同,反映了介质对水合层的不同溶解能力关键词应力腐蚀,裂纹扩展,莫来石陶瓷分类号引言,,、近年来莫来石陶瓷以其优良的性能日益引起人们的重视

2、围绕其化学组成显微结构‘,及力学性能之间的关系进行了一系列的研究但这些研究却极少涉及到莫来石材料在腐蚀环境下的裂纹扩展行为这对于进一步拓宽莫来石陶瓷的工业应用领域显然是不利的,因为作为一种链状硅酸盐晶体,莫来石陶瓷的结构与典型的硅酸盐玻璃较为相似根,,据等人,的理论分析在腐蚀性环境中受到外力作用时莫来石结构中起架桥,、一作用的键和一键将处于活化状态具有与腐蚀性介质发生应力诱导化学反应从而导致裂纹缓慢扩展的可能性事实上,作者最近的工作已经发现,即使在室温空气气氛中,莫来石陶瓷在外力作用下,也会表现出较为显著的裂纹缓慢

3、扩展行为因此,本文将对莫来石陶瓷在三种不同的介质一空气、蒸馏水及碱性溶液中的应力腐蚀开裂行为进行初步的探讨实验过程及实验结果本研究采用一种常压烧结莫来石陶瓷试样经磨削加工后名义尺寸约为宽、高、长试样受拉面用金相砂纸适度抛光,与受拉面相邻的两棱沿长度方向倒角、,,采用跨距为加载速率为的三点弯曲方式测得试样平均断裂强度为士人在自制的疲劳试验机上,采用跨距为的三点弯曲加载方式,测定了试样在不同水平的外加应力二。作用下发生断裂的时间。即试样的断裂寿命测试环境分别为空气、蒸馏水和碱性溶液,测试温度均为室温图给出了相应的实验结

4、果可以看出,在所考虑的三种介质中,莫来石陶瓷均表现出显著的延迟断裂行为,表明在受力过程中材料内部发生了一定程度的裂纹缓慢扩展与空气中的测试结果相比较,蒸馏水,和碱性溶液中的测试结果的一个显著特点是二,,。在某一特定外加应力附近断裂寿命的实测结果出现了一个异常大的波动从而使得率一一,一收一到初稿收到修改稿中国科学院上海硅酸研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室资助课题期杜春生等莫来石陶瓷的室温应力腐蚀开裂行为二。“”区域这,曲线出现了一个明显的平台一个在以往研究中较为少见的实验现象似乎表明莫来石陶瓷在腐蚀性介质水及

5、碱性溶液中的裂纹缓慢扩展至少存在着两种不同,“”。区所对应的外加应力。的主导机理而平台则为这两种机理作用区域的过渡应力根据由亚临界裂纹扩展理论导出的断裂寿命基本方程厂ō,àù一一一一一一一一一一一一一厂甲一一一一一一一。卜卜卜贝、‘、、,,ó曰、之了。卫三」月之二军卜一飞卜、一匕⋯犷,’卜⋯⋯卜‘“,,⋯,一,一。,,,一。,日岁茸岁称优宁节弋,图莫来石陶瓷断裂寿命与外加应力的关系一一,、,,、,式中和均为材料环境系统常数对图所示实验结果进行分段回归处理得到两种介质中材料在不同应力范围内的指数回归分析结果列于表可以

6、看出,材料在“”“”平台区域以上的应力范围内的指数凡与平台区域以下的应力范围内的指数,不同表明室温下腐蚀性介质中莫来石陶瓷的应力腐蚀开裂行为有不同的机理讨论实验数据的离散性,图所示空气中的实验结果呈现出较大的离散性,这是由材料自身的不均匀,表不同介质中莫来石的指数性决定的从照片图可以看出毛本研究所采用的原始试样表面及内部存在有大量非均匀分布的气孔·由于式中入的材料、环境系统常数与材料本征强度之有关,气孔尺寸的不均匀性造成了材料本认恤,征强度的波动从而使得不同试样的值一之间存在较大偏差,最终导致了材料断裂寿命的离散性

7、在蒸馏水及碱性溶液中,实验结果的离散程度得到明显改善这显然与介质水的存在有直接关系已经有研究表明环境中存在的液态介质会在裂纹表面处产生粘滞流动,从而影响裂纹尖端处的应力集中程度一般来说,在存在有粘度为刀的液态介质的条件下,裂纹尖端处有效应力场强度可由下式决定。一刀了三生、丫凡伯,。牙诬兀无机材料学报卷,,,于水的这种作用当然在碱性溶液中由于水合层的溶解而使裂纹扩展加快的作用仍未,超过裂纹尖端钝化对裂纹扩展的阻碍作用因而仍高于凡,图为莫来石材料受碱液侵蚀后的照片从中可以看出在应力作用下碱液对材料明显的侵蚀痕迹结论莫来

8、石陶瓷在空气、蒸馏水及碱性溶液中均表现出了一定程度的延迟断裂行为由,于液态介质在裂纹表面的粘滞流动效应降低了裂纹尖端的应力集中程度材料在水及碱性溶液中的断裂寿命离散程度比在空气中有所改善,莫来石陶瓷在水及碱性溶液中的应用力腐蚀开裂有两种不同的机理高载荷下吸附效应使得材料的局部断裂表面能降低,促进裂纹的扩展低载荷下,钝化效应降低了裂纹尖端的应力集中,,程度降低