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以材料受力的情況為主線,分別是材料的彈性變形、塑性變形和斷裂
彈性變形----可逆、虎克定律
塑性變形----特點是不可逆、機(jī)制是滑移和孿晶,陶瓷中特色還有:蠕變和高溫粘性流動
斷裂----理論、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、方式和加載方式.
脆性材料的強(qiáng)度測試可能成為派生的應(yīng)力源而導(dǎo)致測試結(jié)果的誤差。要求對各種試樣幾何形狀和各種加載方式下的應(yīng)力分布有一定了解,對一些引入誤差的根源亦應(yīng)有合理的估計,由于陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的微不勻性,尚應(yīng)考慮到基于宏觀連續(xù)介質(zhì)的線彈性力學(xué)解來處理陶瓷力學(xué)性能問題時,所存在的實際與理論之間的差別.
抗張強(qiáng)度:
夾持試樣的卡頭應(yīng)力集中效應(yīng):抗張試樣裝置到測試系統(tǒng)中去,需要采用夾具卡住試樣的端部或肩部,導(dǎo)致接觸點附近的應(yīng)力集中,這種應(yīng)力集中效應(yīng)隨著與加載區(qū)距離的增大而減弱,至工作段達(dá)到簡單的靜態(tài)平衡應(yīng)力分布。解決的辦法是用階梯式試樣
偏心度的影響:受卡端部所承受的載荷在端部截面上產(chǎn)生了非均勻的應(yīng)力分布,直到工作段截面上應(yīng)力趨于均勻.
在給定的外應(yīng)力條件下,偏心效應(yīng)系數(shù)隨著試樣截面積增大而減少,另一方面,試樣的截面積愈大,欲使試樣破壞所需的載荷亦愈大,并愈有利于減少彎曲導(dǎo)致的額外偏心應(yīng)力.
測試原理:1)當(dāng)一個矩形截面的梁承受彎曲載荷,其截面上就出現(xiàn)應(yīng)力,從三點抗彎和四點抗彎的彎矩分布和切力分布對照來看,四點抗彎法具有一定的恒彎矩范圍,而且在這一范圍內(nèi)不存在截面的切應(yīng)力,能較全面地反映純彎曲應(yīng)力狀態(tài)下的材料強(qiáng)度 .
2)支點的楔入作用:在梁處于承受載荷的狀態(tài)下,支撐的刃口或小圓棒與試樣表面呈線接觸,所形成的高度應(yīng)力集中可能使試樣局部受剪切或壓碎,更嚴(yán)重的是支撐點的楔入作用引起了半圓狀分布的附加應(yīng)力,脆性陶瓷材料抗彎試樣的斷面往往偏離彎矩zui大的加載點就是這個緣故.
3)扭曲作用:抗彎試樣的支撐點重心不處于同一Z面上,就將引起沿試樣寬度方向的載荷不均勻分布,導(dǎo)致試樣扭曲。
4)試樣支撐點處的摩擦效應(yīng):在抗彎試驗中,試樣中和面以下的受張力側(cè)沿長度方向伸長,而中和面以上的受壓力側(cè)沿長度方向縮短,結(jié)果引起了兩對摩擦作用力以及相應(yīng)的力矩,從而影響了原始的靜態(tài)平衡應(yīng)力分布.
5)彎曲試樣的影響
6)試樣支撐點的非對稱分布:誤差根源對四點抗彎加載形式的影響較為嚴(yán)重.
抗彎試樣的合理選擇1)幾何形狀:圓形截面的三點抗彎試樣上的zui大彎距僅在一點,而矩形截面試樣的zui大彎距處在一條線上;圓形截面的四點抗彎試樣上的zui大彎距處在一條線上,而矩形截面試樣的zui大彎距處在一條面上.因此矩形截面試樣更能顯示由zui危險缺陷所決定的材料強(qiáng)度本質(zhì).
2)試樣高度:抗彎試樣截面各點的正應(yīng)力與該點至中和面的垂距成正比,因而同樣的缺陷尺度由于在試樣中所處的位置不同而導(dǎo)致破壞的幾率是不相等的,并且破壞幾率隨著缺陷離表面層間距的增長而減少。減少試樣的厚度可降低支點的楔入作用和原始試樣彎曲所導(dǎo)致的實際應(yīng)力偏差.
3)試樣長度:為了得到較大范圍的zui大應(yīng)力等值面,四點抗彎試樣的兩個內(nèi)支點間距L要求長一些,為了緩和支點非對稱分布的影響,同側(cè)的內(nèi)外支點間距K亦需要大一點,因此抗彎試樣應(yīng)具有足夠的長度。從上報道的資料來看,新型陶瓷材料研究領(lǐng)域中所采用的小型試樣一般處于〔3~5)´(3~5) ´(20~30)mm3,內(nèi)支點間距為10~20mm的范圍.
徑向加載的張力破壞強(qiáng)度:徑向加載的張力破壞強(qiáng)度測試法主要用于進(jìn)行薄壁管狀陶瓷的強(qiáng)度試驗。薄壁管狀試樣承受了徑向載荷,就在試樣外表面與上下壓頭的接觸處,以及與之成正交的內(nèi)壁處產(chǎn)生zui大壓應(yīng)力;而在前一方位的內(nèi)壁和后一方位的外壁產(chǎn)生zui大的張應(yīng)力。從而導(dǎo)致了試樣沿垂直方向或水平方向斷裂.
陶瓷材料的斷裂韌性測試:
陶瓷材料力學(xué)行為的某些特點,要求進(jìn)行斷裂力學(xué)參數(shù)測量時應(yīng)考慮某些特殊的問題:
1)陶瓷材料的塑性極其有限,在裂紋擴(kuò)展之前不易偏離線彈性力學(xué)關(guān)系,一般可以斷裂的zui大載荷代替開裂點的載荷來進(jìn)行斷裂韌性K1c的計算,免去在裂紋根部測量張開位移的程序.
2)由于陶瓷材料的塑性很小,其屈服強(qiáng)度比值相應(yīng)很低,因而斷裂韌性測試樣品的厚度邊界條件b>2.5總是能夠滿足。但由于陶瓷顯微結(jié)構(gòu)方面的微不均性,仍需要試樣截面有足夠的范圍以表征結(jié)構(gòu)的特點
3)試樣預(yù)制尖形裂紋是一種難度較大的技術(shù),鋸切缺口的方法比較容易掌握,但需力求缺口的曲率半徑小于臨界值,以保證測試結(jié)果的穩(wěn)定性和精度.
4)陶瓷體內(nèi)起始裂紋的尺度與mm級的顯微結(jié)構(gòu)尺度相當(dāng),但進(jìn)行斷裂力學(xué)參數(shù)測定所采用的卻是mm級尺度的人工裂紋,這對測量的難免有些影響
5)陶瓷高溫測試過程中的應(yīng)力傳遞、應(yīng)變測量以及裂紋觀察都有一定難度,因此對測試方程的選擇更需慎重.
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