【】陶瓷材料的疲劳特性与寿命预测

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1、陶瓷材料的疲劳特性与寿命预测第11卷第1期航空材料Vol.u,Nol1991年8刀J.OFAERONAUTICALMATERIALSJune.1991陶瓷材料的疲劳特性与寿命预测王建金志浩王笑天（西安变通大学）摘要本文根据线弹性断裂力学基础讨论了陶瓷材料灼疲劳特性,介绍了对陶瓷材料进行寿命预潮的理论与方法.，刖S陶瓷材料在力学性能方面最大的弱点是其固有的脆性.为了将陶瓷更多地用于结构零件，人们在克服陶瓷的脆性，提高其韧性方而进行了太髦的研究工作•由于遁十1几年來结构陶瓷的发展，尤其是Si?N?,SiC,ZrO,等高温结构陶瓷的开发，将陶瓷材料用于

2、一些机构的关键性零部件上，已具有现实的可能性.在这种情况下.人们越来越需要了解陶瓷材料在服役过程中的可靠性，陶瓷材料在疲劳断裂方面的特性，以及如何预测陶瓷材料的使用寿命.本文从断裂力学的观点出发•说明对陶瓷材料的使用寿命进行预测的理论基础与研究方法,介绍在陶瓷疲劳研究方面的进展.二，理论基础1裹蚊矿晨速率与应力强度墨子之嘲的关系用断裂力学的观点对脆性材料的亚临界裂纹扩展所进行的解释是由Wiederhorn与Evans在六十年代提出的n.裂纹扩展速率与应力强度因子Z阔的基本关系示于图1.图中包扌舌了三个区域.在低速区（I区），裂纹的扩展依赖于环境与

3、应力强度因子•在中速区（I区），裂纹扩展速率与环境有关，但与应力强度因子无美.在高速区（I区），裂纹扩展速率强烈地依赖于应力强度因子，而与环境无关.环境屮水蒸汽的浓度或活性物质的存在可使I区左移或右移.提高湿度歲温度可使I区左移.在曲线的平坦阶段（I区），活性物质在裂纹尖端的扩展速度达到极限.增加环境湿度可使I区上移.在I区,裂纹扩展速度超过活性物质向裂纹尖端的扩散速度此区中的应力强度因子K即为临界应力强度因子Kc•在极低的裂纹扩展速率T（<10I,m?s一），可确定应力强度因子的门槛值•一个陶瓷零部件的使用寿命，儿乎完全是由裂纹慢速扩展区

4、（I区）决定的.对I区而言，裂纹扩展速率V与应力强度因子K之间的基本关系为：V=Voexp｛（〜AH+bk）/RT｝（1）56航空材料11卷式中,AH为裂纹尖端活性物质的反应澈活能，R为气体常数,T为温度.Vo与b为常数.该式表明了裂纹尖端的物理与化学反应,但对于寿命预渊则显得有些不使•通常人们所采用的是另一个简化了的表达式”：v—AK:(2)式屮A与n为经验常数.通常将n称作应力腐蚀指数・一般来说，材料的n值随其韧性的增加而增加m值通常表现为对湿度很敏感•典型的n值可以从玻璃的10H,-20到非氧化物杼料(如SiC)的100以上.A与II这两个

5、常数，在寿命预测方面具有非常重要的意义•在下面的讨论中可以清起地看到•对陶瓷材料使用寿应力强度因子K图1裂纹扩展速率与应力强度因子的关系命的预测.主要是通过对A与n(尤其n)值的估价实现的.2,蕾毫•■•悻下曲••估算线弹性断裂力学是进行寿命预测的基础.对于太多数陶瓷材料来说•失效断裂起源于其表面上的裂毂，设其尺寸为比所施加的应力强度因子为K.与此相关的应力为a.按照线弹性断裂力学•有下式成立”.K;Yo7T(3)或,Klc—cVi其中Y是与裂纹和试样儿何条件有关的常数,ac是在无活性物质存在的环境中,或是在以很快的加载速率条件下浏得的强度值.常

6、称其为固有强度(Ineftstrength).设一都件所受应力为a一常数(<ac).缺陷尺寸为a.・其临界尺寸为ac.将(3)式代入(2)式进行积分,并假设ao<<ac,射在恒定应力a作用下的寿命(或断裂时间)tt由下式确定t.,tl—Ba：—o*-(4)其中B=2/(AY:(n一2)K].是仅与材料和环境有关而与所加载荷无关的常数.对(4)式两边琅对数，Inti—In(Ba:J—nlno(5)由(5)式可知•在双对数崖标系屮贞与a的关系为一直线，其斜率为一11,在纵轴上的截距为据⑷式与(5)式，可以用在较大应力与较短时间内溅得

7、的数据.来预测在较小应力作用下的材料使用寿命.图2给出了用(5)式对陶瓷的使用寿命进行预测的例子…'•图屮的两条直线分别为高强度Mg-PSZ(代号MS)与抗热震Mg-PSZ(代号Ts)两种材料•由于采用了•为纵座标，所以直线的斜率为一｝.从图中可以很容动地确定应力腐蚀指数n.应该指岀的是;用恒定应力法来确定n值并菲易事.逮是由于,冉瓷檢料的n值很大，这导致图2中所示的a-tr关系曲线的斜率很小;而且阿•赡曦#j哇图2两种Mg-Psz在匿点弯曲条件下的静态疲劳曲线薫嚣件下相类似的处孕•将【3)式代入()式，从•卸”仍刀孙后臺二删础(十)锚蕊耄器嚣署

8、孥篡鼬任no一〜.t-I;o:?dtB.:..此处己假定了n值不■J变.进雨可得蓟等效恒定应力的定义⑻〜1/1二二:的材料寿命与在应力.