3.4.1 概述

3.4 无机材料的断裂过程 3.4.1 概述断裂与塑性形变的比较塑性形变是位错（微观缺陷）运动的结果，说明实际晶体在远低于理想晶体的屈服强度的应力下，发生塑性形变。断裂力学说明材料的断裂是裂纹（宏观缺陷）扩展的结果。实际晶体在远低于理论强度的应力下，发生断裂。两者有相似之处、差异、和相关点。

张应力作用下的裂纹扩展和切应力下的位错运动张应力作用下的裂纹扩展和切应力下的位错运动 •       •       •              •                      相同点：裂纹和位错的前端都将晶体划分为已断裂（滑移）和未发生变化的两部分。裂纹扩展和位错运动都使原子键连续破坏。不同点：裂纹扩展使原子键永久性的撕开，位错运动之后，断开的原子键随即重新愈合。

3.4.2 裂纹成核 结构不连续区域都会使裂纹成核。结构不连续区域的特点：  材料中任何结构不连续性都会使局部能量处于高能量状态，即应力状态；  外力作用下，能量高的不连续区域首先发生运动，在能量较低的不连续区域使其能量降低；  结构不连续区域在可能情况下总是降低其能量；  不连续区域在运动过程中，遇到势垒，会发生塞积，引起高度的应力集中，此应力又会激活其他结构不连续区域。

无机材料的脆性和裂纹成核途径

接上表 各种制备工艺引入的缺陷类型

3.4.3 亚临界裂纹扩展（静态疲劳） （1）亚临界裂纹扩展在受到低于临界应力的作用状态下，脆性材料的裂纹扩展取决于温度、应力和环境介质。材料处于稳态。（2）亚临界裂纹扩展速率与应力强度因子的关系其典型关系式：V=AK1n

特点：  几乎所有材料都有一个不发生亚临界裂纹扩展的应力强度因子低限值K0。  超过低限值，V与K1n总是呈正比，其中，n是与机理相关的常数。  恒速裂纹扩展区。  快速裂纹扩展区。 LogV III II I K0 裂纹扩展速率曲线

（3）亚临界裂纹扩展机理 1）环境介质的作用 (应力腐蚀）引起裂纹的扩展玻璃在含有OH-介质中的亚临界裂纹扩展机理: OH-对裂纹的强化作用有：  吸附导致键强的下降；  应力加速了裂纹尖端玻璃的溶解；  离子互换导致裂纹尖端张应力的增长。例如：在含水气不同的N2气氛中，玻璃Na2O－CaO－SiO2的亚临界裂纹扩展。

裂纹生长的主要原因是应力促进了水与玻璃的化学反应，生长速率受反应速率所控制。裂纹生长的主要原因是应力促进了水与玻璃的化学反应，生长速率受反应速率所控制。  裂纹生长速率几乎与应力无关，此时裂纹生长速率取决于OH-离子向裂纹尖端迁移的速率。  裂纹生长的速率又随K1的增大而呈指数的增长，与水气含量无关，裂纹生长受到玻璃的化学组分和结构的控制。 V （ms-1）水气含量 III II I K1（Nm-3/2×105)

V 硅玻璃钠钙玻璃铝硅玻璃硼硅玻璃 K1 化学组成和结构对玻璃区域III亚临界裂纹扩展的影响

SiC界面的氧化作用引起裂纹扩展过程： 空气中的氧气在裂纹尖端与SiC发生如下反应: 2SiC+3O2=2SiO2+2CO 过程包括：  氧离子通过氧化层传递至裂纹尖端；  氧离子的吸附，SiCSiO2的反应；  CO从反应区离去；  裂纹形成的新表面被氧化层覆盖，接着进行下一个腐蚀开裂循环，周而复始，形成宏观裂纹。其形成的组分中含有硅酸盐晶界薄层。

2）塑性效应引起裂纹的扩展 在高温、无害介质环境中，无机材料的亚临界裂纹扩展，是裂纹尖端的塑性效应的结果。晶体中的位错在大于临界剪应力作用下，一些位错源开始滑移并发射位错，在其露出晶面之前，发生交滑移，交滑移源发出的位错被送回到裂纹尖端，位错应力场的作用使裂纹尖端的应力提高，结果在K1<K0的条件下发生了亚临界裂纹扩展。裂纹尖端附近切应变的激活，位错从晶界处的源出发，在滑移面取向合适的情况下，位错在晶粒内部运动直到在另一侧晶界处发生塞积，引起裂纹成核。（依据：多晶体中，晶界既可是位错的发源地，也可是位错前进的障碍。）

晶界处的裂纹扩展 次裂纹主裂纹高温下裂纹尖端的应力空腔作用：在高温下，多晶多相材料长期受力作用，晶界玻璃相粘度下降，毛细管力在此处引起局部应力，使晶界发生蠕变或粘性流动，晶界处的气孔、夹杂物、及结构缺陷逐渐长大，形成空腔，空腔进一步沿晶界方向长大、连通形成次裂纹，与主裂纹汇合形成裂纹的缓慢扩展。

例如热压Si3N4的塑性效应控制亚临界裂纹扩展 14000C 13500C 13000C 12500C 12000C V n=50高速区 n=10低速区 K1

通过激活能的计算，其激活能远超过了化学反应激活能或离子扩散激活能，而与粘滞流动或蠕变过程激活能相当，所以，裂纹扩展与环境介质无关，而是由粘滞流动或蠕变过程控制。通过激活能的计算，其激活能远超过了化学反应激活能或离子扩散激活能，而与粘滞流动或蠕变过程激活能相当，所以，裂纹扩展与环境介质无关，而是由粘滞流动或蠕变过程控制。高温区断裂韧性增大，原因：塑性效应导致应力松弛. K1C 热压Si3N4的K1C随温度变化的曲线温度

3）扩散过程 裂纹尖端区域点缺陷扩散对裂纹的扩展起着一定的作用。  在无外加应力作用条件下，材料内部的自扩散随着温度的提高而加速，导致裂纹的愈合和材料的烧结和致密化。  当有外加张应力作用时，裂纹愈合速度很快消失。随着应力的提高，空位从裂纹尖端扩散离去的速率下降，在较大的应力作用下，出现裂纹扩展。 + －裂纹扩展速率 • 2 • K1 Al2O3多晶裂纹扩展和K1的变化规律

4）热激活键撕裂作用引起裂纹扩展 裂纹尖端晶格点阵的非连续性，即有高能量的点阵，借助于热激活作用，裂纹尖端有可能产生移动。

3.4.4 临界裂纹扩展导致断裂的过程 当裂纹由成核生长和亚临界扩展发展到临界长度，此时K1的数值也随着裂纹的扩展增长到K1c的数值。至此裂纹的扩展从稳态转入动态，出现快速断裂。或裂纹尖端屈服区附近足够大的内应力达到了足以撕开原子间键，导致固体沿着原子面发生解理。裂纹快速断裂具备的能量条件：裂纹前端的弹性应变能释放率等于或大于裂纹扩展单位长度所需的表面自由能增量。

原子键断裂模型

3.4.1 概述

3.4.1 概述

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