919陶瓷和高分子材料的潜变.ppt

9.1 簡介 9.2 破壞之基礎　 9.3 延性破壞　 9.4 脆性破壞 9.5 破壞力學原理 9.6 陶瓷的脆性破壞 學習目標 描述延性和脆性破壞模式的裂紋成長機構。 解釋為何脆性材料的強度比理論計算值低得多。 利用 (a) 簡單的敘述及 (b) 方程式，定義破壞韌性及定義方程式中的所有參數。 簡單解釋為何相同的陶瓷材料和試片，其破壞強度值通常分散不均。 簡單描述龜裂現象。 說出並描述兩種衝擊破壞試驗的名稱和方法。 定義疲勞，並說明疲勞發生的條件。 從某材料的疲勞圖決定 (a)（在某一特定應力大小下的）疲勞壽命，(b)（在某一特定循環次數下的）疲勞強度。 定義潛變，並說明潛變發生的條件。 從某材料的潛變圖決定 (a) 穩態潛變速率，和 (b) 破斷壽命。 9.1 簡介 工程材料發生破壞常見的原因有材料選用不當、製程和元件設計不當或使用不當。 工程師的責任是預先考慮到可能的破壞，而且當破壞發生時，追蹤其原因並採取適當的防範措施，以免將來再發生意外。 9.2 破壞之基礎 簡單破壞是指一個物體在低溫下（相對於熔點），受到施加靜態應力（即應力為常數或隨時間緩慢改變），分裂為兩個或更多的碎片。 對工程材料而言，依據材料發生塑性變形的能力將其分類，有兩種可能的破壞模式：延性（ductile）和脆性（brittle）。延性材料在破壞之前通常出現高能量吸收的大量塑性變形，而脆性材料的破壞幾乎沒有塑性變形，只有低能量吸收。 9.3 延性破壞 破斷面上大量的塑性變形，就是延性破壞的證據。受到拉伸時，高度延性金屬破斷面會頸縮至一點；杯錐形破壞面則屬於中等延性。 延性材料的裂紋是穩定的（沒有增加外在應力即不會生長），由於不是突然及災難性的破壞，所以這種破壞模式較能接受。 圖9.1 圖9.2 圖9.3 9.4 脆性破壞 脆性破壞藉著快速的裂紋生長，在幾乎沒有變形的情況下就發生了。裂紋的運動方向幾乎是垂直於施加的拉伸應力，產生出一個相當平坦的破斷面。 斷面上可見山形紋和脊線紋路，這些紋路也指出裂紋生長的方向。 圖9.5(a) 圖9.5(b) 對多數脆性結晶材料而言，裂紋成長相當於沿著特定結晶平面，相繼重覆地打斷原子鍵（圖 9.6a），這個過程稱為劈裂（cleavage），這種形式的破壞稱為穿晶破壞（transgranular；或稱 transcrystalline），因為破壞裂縫穿越晶粒而成。 有些合金的裂紋沿晶界前進（圖 9.7a）；此形式的破壞稱之為沿晶破壞（intergranular）。 圖9.6 圖9.7 9.5 破壞力學原理 應力集中 Stress Concentration 材料在正常情況下，其表面或內部總是存在非常微小的瑕疵或裂縫，這些瑕疵對於破壞強度是一種損傷，因為施加應力會放大或集中於裂紋的尖端，應力放大的量取決於裂紋的方向和幾何形狀。這些瑕疵由於它們所在之處有放大應力的能力，因此有時稱為應力集中源（stress raiser）。 圖9.8 例題9.1 最大裂紋長度的計算 一大玻璃片承受 40 MPa 的張應力，若玻璃的比表面能和彈 性模數分別為 0.3 J/m2 和 69 GPa，試決定不發生破壞的表面 裂紋之最大長度。 解 解決這個問題必須利用 9.3 式，重新整理該式使 a 成為因變 數，且已知 σ = 40 MPa，γs = 0.3 J/m2，E = 69 GPa，可得 破壞韌性 Fracture Toughness 應用破壞力學還可以表示出裂紋前進的臨界應力（σc）和裂紋長度（a）的關係式： 式中的 Kc 為破壞韌性（fracture toughness），表示當有裂紋存在時，材料抵抗脆性破壞的性質。 對於相對較薄的試片，Kc 的值取決於厚度，當試片厚度遠大於裂紋的大小時，Kc 的值就變得與厚度無關，這就構成平面應變（plane strain）的條件。 平面應變破壞韌性（plane strain fracture toughness）KIc，可定義為 圖9.9 圖9.10 利用破壞力學之設計 Design Using Fracture Mechanics 某些結構性零件發生破壞的可能性，有三個變數必須加以考慮，即破壞韌性（Kc）或平面應變破壞韌性（KIc）、施加應力（σ）和瑕疵的大小（a）。 表 9.2　 常用的非破壞試驗（NDT）方法 9.6 陶瓷的脆性破壞 在室溫下，結晶和非結晶陶瓷在受到拉伸負荷時，幾乎在塑性變形發生之前就已破壞。 當應力基本上是靜態的，陶瓷材料的破壞是藉著裂紋的緩慢前進來發生的，這種現象稱為靜力疲勞（static fatigue）或是延遲破壞（delayed fracture）。 同一種脆性陶瓷材料做的不同試片所測得的破壞強度值常有所變動。對於壓應力