恒电场下BaTiO3陶瓷压痕裂纹的滞后扩展

在硅油中加恒电场,研究了BaTiO3铁电陶瓷上维氏压痕裂纹的瞬时扩展和滞后扩展的规律.结果表明,当电场E≥2 kV/mm时,压痕裂纹能发生瞬时扩展,瞬时扩展量随外电场升高而升高.当E≤1.5 kV/mm后,裂纹不能瞬时扩展,但在恒电场下保持一定时间后,就开始滞后扩展,大约60 h后将止裂.电场愈小,发生滞后扩展的孕育期ti愈长;当E≤0.8 kV/mm后,压痕裂纹不发生滞后扩展.随电场升高,裂纹扩展量及平均扩展速率均升高.     

应力促进PZT铁电陶瓷的电致滞后断裂

用单边缺口拉伸试样研究了外加应力强度因子对PZT-5铁电陶瓷电致瞬时断裂以及在硅油中电致滞后断裂的影响。结果表明，在硅油中发生瞬时断裂的临界电场强度EF随外加应力强度因子KI的升高而线性下降，外加正、负恒电场在硅油中能发生滞后断裂，外加KI则促进电致滞后断裂，电致滞后断裂的门槛电场EDF随KI升高而线性下降，且和电场符号无关，外加应力促进恒电场下的滞后断裂表明，应力、电场和环境对铁电陶瓷的断裂存在耦合作用。     

电场对铁电陶瓷压痕裂纹的作用

研究了极化锆钛酸铅（PZT-5）铁电陶瓷压痕裂纹在硅油中电场作用下的扩展过程。结果表明,当外加电场强度大于裂纹瞬时扩展临界电场强度（Eip=5.25kv/cm）,压痕裂纹能够发生瞬时扩展,继续保持恒电场,裂纹会继续扩展。当外加电场强度小于裂纹瞬时扩展临界电场强度,裂纹不发生瞬时扩展,但保持恒定电场,裂纹会发生滞后扩展。同时,裂纹扩展量显示各向异性,与垂直于电场方向裂纹相比,平行于电场方向的裂纹扩展量很小。     

湿空气中恒磁场导致(Tb,Dy)Fe2合金的滞后开裂

对（Tb,Dy）Fe2超磁致伸缩合金,用微分相衬显微镜原位研究了应力和磁场引起的畴变、卸载压痕裂纹在湿空气中的滞后扩展以及在湿空气中恒磁场引起的滞后畴变及滞后开裂．结果表明,当磁场大于门槛值上Hth后就能使压痕裂纹发生瞬时扩展;在湿空气中,残余应力能使（Tb,Dy）Fe2发生滞后扩展,当裂纹止裂后,恒磁场（H〈Hth）能使磁畴发生滞后变化,并能使压痕裂纹进一步发生滞后扩展．     

单晶硅压痕裂纹的氢致滞后扩展

利用压痕裂纹恒载荷试样，研究了单晶硅在空气中应力腐蚀以及动态充氢时氢致滞后开裂的可能性；利用卸载的压痕裂纹试样研究了残余应力引起氢致滞后开裂的可能性．结果表明，单晶硅压痕裂纹恒载荷试样当KI=KIC时在空气中并不发生应力腐蚀．在H2SO4溶液中动态充氢，则能发生氢致滞后开裂，止裂时归一化门槛应力强度因子为KIH／KIC≈0.9、卸载压痕裂纹的残余应力在充氢过程中也能引起氢致滞后开裂，归一化门槛应力强度因子为KIH／KIC≈0．9．     

恒应力下BaTiO3单晶压痕裂纹的滞后扩展和畴变

原位研究了残余应力和外加应力导致BaTiO3单晶压痕裂纹在湿空气和水中的滞后扩展及畴变．结果表明;很小的外应力就可使压痕裂纹扩展,裂尖的应力场强度因子KI=0．242σ√c＋0．0117d√YP／c^3／2．残余应力能使卸载压痕裂纹在湿空气和水中滞后扩展并使裂纹所围的畴变区增大．在水中外加恒应力,经过一定时间后畴变区先增大,然后才导致裂纹滞后扩展．     

环境断裂研究进展

本文介绍了环境断裂近年来的研究进展.第一部分是功能材料的环境断裂.研究发现,铁电陶瓷如PZT和Ba-TiO3在有水或无水环境中,应力能使压痕裂纹发生滞后扩展(即存在应力腐蚀).恒电场能引起铁电陶瓷的畴变,不协调畴变会产生内应力,电场和应力场对环境断裂存在耦合作用,因此,恒电场下环境断裂的本质是内应力引起的环境断裂;对磁致伸缩材料如(ThDy)Fe2,应力和磁场均能引起畴变,卸载压痕裂纹在湿空气中的滞后扩展以及恒磁场引起的滞后畴变及滞后开裂均能发生.第二部分是关于氢压裂纹(白点)的再认识.氢压裂纹形核前是一个内壁光滑的空腔,微裂纹从空腔壁产生,而后连接形成白点.白点断口和含白点试样的断口概念不同,对车轮钢,前者为准解理的穿晶断裂,和氢致滞后开裂断口相同,但后者则依赖断裂方式和试样厚度.钢中白点除了产生二次裂纹外,对各种断口形貌均没有影响.车轮钢的滞后断裂由原子氢引起,与白点无关.     

Propagating of Unloaded Indentation Crack in PZT—5H Ferroelectric Ceramics Under Single or Combined Mechanical and Electric Loadings

研究了不同极化状态下PZT-5H铁电陶瓷压痕裂纹在应力和电场单独作用以及耦合作用下的扩展行为结果表明, 压痕裂纹残余应力引起的应力场强度因子近似等于断裂韧性.对沿长度方向极化的试样,正、负电场均能引起压痕裂纹的扩展,但正电场的作用更大.电场和应力的耦合作用表现为对应力的线性叠加.电场引起的内应力σin=(?)YE/[1.16(1-v2)Ec],式中(?)=(2.75=5.71)×10-4,与PZT的极化状态有关.     

Zr基块状非晶的氢损伤与氢致滞后断裂

研究了Zr41.2Ti13.8Ni10Cu12.5Be22.5块状非晶在充氢过程中氢致滞后断裂规律以及氢鼓泡的形核、长大及破裂过程.结果表明,当充氢电流i<20 mA/cm2时,不出现氢损伤(鼓泡及微裂纹),但在恒载荷条件下能发生氢致滞后断裂,其归一化门槛应力强度因子为KIH/KIC=0.63.当i>20 mA/cm2后,无载荷下充氢会产生氢损伤,恒载荷下发生滞后断裂时KIH/KIC从0.63降为0.26.氢鼓泡(直径约为30 nm)形核时的内压pi≈3.6 GPa.随氢的进入,鼓泡不断长大;内压增大至pC≈3.9 GPa时,鼓泡就会解理扩展变成裂纹;但扩展20-30 μm后,内压下降从而止裂.当一定量原子氢进入氢鼓泡后,它又能解理扩展,从而在鼓泡边缘局部解理断口上可以观察到止裂线.     

BaTiO3单晶压痕裂纹的畴变和裂纹扩展的原位观察

金相显微镜原位观察了面内极化的BaTiO3单晶在瞬时电场作用下的畴变和裂纹形核、扩展的关系以及未极化BaTiO3单晶在恒电场下Vickers压痕裂纹扩展和电致畴变的关系.结果表明,畴变是裂纹形核、扩展的先决条件,但不存在直接的关系.在恒电场下,未极化的BaTiO3单晶卸载压痕裂纹的滞后扩展可以导致畴变区的扩大.     

Cohesive interface simulations of indentation cracking as a fracture toughness measurement method for brittle materials

Cracks in brittle solids induced by pyramidal indenters are ideal for toughness evaluation since the indentation stress fields decay rapidly from the contact center and any cracks will be eventually arrested. Thus, if the applied energy release rate can be determined analytically, the material toughness can be deduced by measuring the crack length. However, such a driving force calculation is a nontrivial task because of the complex stress fields; only a number of limit cases can be solved, such as the long half-penny cracks (at least two times larger than the contact size) in the classic Lawn–Evans–Marshall (LEM) model. Important questions such as the evolution from short cracks to median/radial and then to half-penny cracks, the form of the scaling relationship that relates fracture toughness to material hardness and indenter angles, the threshold load for indentation cracking, etc., cannot easily be answered without a detailed knowledge of the co-evolution history of the stress fields and crack morphology. To this end, a finite element model of four-sided pyramidal indentation adopting cohesive interface elements is developed to study the effects of indenter geometry, load, cohesive interface parameters, and material properties on the initiation and propagation of the median/radial/half-penny crack systems. The validity and artifacts of the cohesive interface model are carefully examined, and the crack morphologies under various indentation and material parameters are systematically studied. Numerical predictions lead to a quantitative evaluation of the threshold load for indentation fracture, and an improved method for the evaluation of material toughness from the indentation load, crack size, hardness, elastic constants, and indenter geometry, which compare favorably to a large set of experiments in the literature. It is also found that the toughness evaluation method is very sensitive to Poisson’s ratio – an observation that has previously received little attentions. An approximate analysis for short cracks is developed based on the fracture mechanics of annular cracks and the embedded-center-of-dilatation model for indentation-induced residual stress fields.     

PZT-5铁电陶瓷恒载荷压痕裂纹在空气和水中的扩展过程

用Vickers硬度计作为加载装置,研究了极化锆钛酸铅(PZT-5)铁电陶瓷压痕裂纹恒载荷下在室温空气和水中的扩展规律.结果表明,恒载荷下,压痕裂纹在空气和水中不断扩展, 120 h后趋于稳定,从而就可获得裂纹扩展速率和裂纹止裂的门槛应力强度因子KISCC,它们均显示各向异性.研究表明,裂纹扩展速率和KISCC的各向异性与铁电陶瓷断裂韧性的各向异性有关,即裂纹扩展速率随KIC的增加而降低,而KISCC随KIC的增加而升高.平行极化方向裂纹的断裂韧性比垂直极化方向高,即KCICdn/dt;与在空气中相比,在水中应力腐蚀更敏感,即裂纹扩展速率更高、门槛值更低.     

焊接残余应力对7N01铝合金疲劳裂纹扩展影响

焊接残余应力作为平均应力影响裂纹扩展. 将残余应力与外载平均应力分离,通过构建典型焊接残余应力场,借助扩展有限元计算焊接残余应力场的应力强度因子. 开展了紧凑拉伸（CT）试样的疲劳扩展试验,基于Walker公式将裂纹尖端平均应力强度因子K_m（静态量）和应力强度因子幅值ΔK（动态量）分离,获得疲劳裂纹扩展速率da/dN与K_m及ΔK的非线性关系. 结果表明,不同外载荷下,应力比与裂纹长度为非线性关系;残余应力对裂纹扩展存在尺度效应:CT试样裂纹长度小于2 mm时,残余应力场明显影响疲劳裂纹扩展速率;当裂纹长度大于2 mm,外载荷为主导因素.     

航空发动机高压涡轮叶片叶冠焊后裂纹分析及控制

航空发动机高压涡轮工作叶片阻尼叶冠表面堆焊耐磨层后,发现焊接热影响区存在延迟裂纹。通过基体材料成分分析、金相观察、扫描电镜分析等手段分析裂纹原因,结果表明:裂纹为焊接及磨削残余应力与时效组织应力叠加导致应变集中产生的应变-时效裂纹。通过增加焊前预热、焊后缓冷、焊后立即退火、控制叶片磨削进刀量等措施有效降低裂纹故障率。冷热循环试验表明在正常工作过程中叶片裂纹扩展速率缓慢,一般不会形成封闭裂纹;叶冠边缘处裂纹有向叶冠外侧扩展倾向,可能造成掉块,影响飞行安全。