3879 中厚煤層采煤機(jī)牽引部設(shè)計(jì),煤層,采煤,牽引,設(shè)計(jì) 1陶瓷棒在疲勞狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)斷裂美國(guó)羅德島州普羅維登斯布朗大學(xué)工學(xué)部這篇論文介紹了關(guān)于多晶體氧化鋁(平均晶粒尺寸~ 3 #美元)在室溫下韌性斷裂的純扭力（模式 III）的研究結(jié)果。起初是齒輪接觸時(shí)鋸齒狀的圓柱棒在單軸循環(huán)壓縮引入疲勞預(yù)制裂紋，隨后，圓柱棒在準(zhǔn)靜態(tài)扭矩狀態(tài)下裂解。模式 III 開(kāi)始破裂的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子測(cè)量值是模式 I 的 2.3 倍. 這個(gè)機(jī)制的準(zhǔn)靜態(tài)扭轉(zhuǎn)破裂和所觀察到的陶瓷拉伸失敗所對(duì)照.模式 III 在陶瓷上失效機(jī)制也同樣對(duì)照常見(jiàn)金屬材料的扭轉(zhuǎn)斷裂.摩擦和干擾對(duì)于扭轉(zhuǎn)斷裂形成的粗糙斷裂面的影響是突出的.1 介紹在使用先進(jìn)陶瓷材料結(jié)構(gòu)的多種工程部件，需要清楚了解他們?cè)诙噍S載荷條件下的斷裂.廣義的負(fù)荷情況，在實(shí)際應(yīng)用的情況涉及 I（拉伸斷裂模式） ， II（純滑動(dòng)） ，III （扭轉(zhuǎn)/反平面）.陶瓷材料在彎曲/ 拉伸 /壓縮（模式 I 型破壞）的抗斷裂在過(guò)去一直受到廣泛的研究.迄今為止，致力于其他脆性固體斷裂的研究一直很少.陶瓷在純扭（模式 III）的斷裂是有特別科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義的重要話題.彼得羅維奇和同事 [1-4]在房間溫度條件下進(jìn)行了陶瓷材料在純破碎，張緊，純扭和拉扭的全面研究.他們發(fā)現(xiàn)，熱壓的四氮化三硅在模式 III 的斷裂韌性值為百分之 50，比模式 I 更大.彼得羅維奇的實(shí)驗(yàn)中，斷裂韌性值測(cè)定管和圓周缺口棒不含有疲勞的預(yù)裂紋.扭轉(zhuǎn)破碎結(jié)果顯示 [2，4]（非共面）裂紋增長(zhǎng)相差約45 度的平面缺口.這表明所觀察到的裂紋路徑是個(gè)失敗的拉伸模式（本地）的表現(xiàn).陳和利奧波德也試圖測(cè)量在模式 III 下使用撕1裂裂紋板樣品鈉鈣玻璃的斷裂韌性值.他們發(fā)現(xiàn)，扭轉(zhuǎn)的段斷裂韌性約為張緊的 3.5 倍.然而，因?yàn)樯婕八毫蚜鸭y玻璃板的困難，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中測(cè)試純扭破碎的有效性和可能性已遭到質(zhì)疑.就筆者所知，迄今為止，還沒(méi)有在陶瓷材料的扭轉(zhuǎn)失敗中，其中含有標(biāo)本（自然傳播）疲勞裂紋（類似于廣泛實(shí)行的斷裂韌性的程序）的研究.最近，蘇雷什和同事[6-8]表示在循環(huán)壓縮中缺口脆性固體板或棒（如陶瓷和陶瓷復(fù)合材料）導(dǎo)致的傳播穩(wěn)定的疲勞裂紋.從這種缺陷的產(chǎn)生，再沿缺口尖端遞減傳播，沿缺口在一個(gè)方向的平面和正常的壓縮軸，對(duì)于特定情況下的微裂紋介質(zhì)，尤爾特和蘇雷什[6 ， 8]的實(shí)驗(yàn)數(shù)值，布朗科斯和蘇雷什揭示這種相現(xiàn)象促進(jìn)殘余應(yīng)力在缺口尖端誘導(dǎo)應(yīng)力時(shí)當(dāng)缺口尖端損害內(nèi)裂紋在壓縮應(yīng)力狀態(tài)下的卸載.一般情況下，殘余拉伸應(yīng)力誘導(dǎo)尖端附近區(qū)域缺口板的非彈性變形的結(jié)果受遠(yuǎn)場(chǎng)的循環(huán)壓縮.它的程度可以方便的通過(guò)從缺口尖端裂紋增長(zhǎng)操控控制的壓應(yīng)力范圍和平均應(yīng)力以及缺口的幾何形狀.作為一個(gè)逐步影響下發(fā)生裂紋生長(zhǎng)在遠(yuǎn)場(chǎng)的循環(huán)壓縮，在殘余拉應(yīng)力場(chǎng)中斷裂現(xiàn)象減少，這是穩(wěn)定和非災(zāi)難性，即使在是脆性固體.在陶瓷材料的尖銳疲勞缺陷斷裂韌性實(shí)驗(yàn)中，循環(huán)壓縮前開(kāi)裂提供了一個(gè)引進(jìn)的新型能力.1圖 1 試樣的幾何結(jié)構(gòu)示意圖在本文中，我們檢查了在室溫中模式 III 加載條件下鋁氧化物的多晶體斷裂特征.使用早起的開(kāi)發(fā)技術(shù)， 99.8%的純氧化鋁圓周缺口棒預(yù)先破獲循環(huán)壓縮產(chǎn)生統(tǒng)一的疲勞裂紋[6,8].在此之后，標(biāo)本的準(zhǔn)靜態(tài)斷裂扭轉(zhuǎn)，我們研究了從裂紋形態(tài)逐漸改變到破碎突變的失敗.扭破裂的機(jī)制對(duì)比拉伸載荷條件下觀察到的行為. 第三模式在陶瓷的失敗機(jī)制相對(duì)于金屬材料扭破碎也比較熟悉.2 材料和程序調(diào)查材料是 99.8%的純鋁可以從庫(kù)爾斯瓷業(yè)有限公司（科羅拉多州）買到的等級(jí)為 998 從氧化物. 這種材料中主要雜質(zhì)包括二氧化硅，氧化鎂，鈣，鈉和鐵.這種材料的平均晶粒尺寸是約 3/微米，粒度范圍是 1 至 14/微米. 在房間溫度下的材料特性;彈性模量=345GPa，抗彎強(qiáng)度 =331MPa（不受約束） ，壓縮強(qiáng)度 =2071MPa和比重=3.9 在純破碎的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，環(huán)境溫度 23 度，相對(duì)濕度 40%，圓周缺口式樣樣本( 示意圖見(jiàn)圖一) 加工尺寸如下；do=19ram，DI=9 毫米，L=5 毫米，T=1.8ram，O=60 度，Q=0.127毫米. 介紹了金剛石砂輪的使用缺口，標(biāo)本預(yù)裂下完全壓縮在一個(gè)恒定的單軸循環(huán)載荷，在一個(gè)封閉的頻率 15 赫茲（波形正弦）環(huán)電液壓伺服機(jī).標(biāo)本被置于兩平行面（對(duì)齊檢查，以避免彎曲或屈曲）被裝在一個(gè)完全壓縮載荷范圍約 50 到 785MPa，約 50000至 150000 疲勞周期的壓縮加載條件，這樣設(shè)計(jì)的最大長(zhǎng)度（同心）疲勞裂紋的比約 80 米，以減少裂紋面的效果摩擦壁板上KMO 實(shí)測(cè)值（見(jiàn)后面的章節(jié)討論）1圖 2 呈現(xiàn)出疲勞裂紋沿周口的缺口的照片圖 3 電掃描顯微鏡掃描 AD 998 氧化鋁扭轉(zhuǎn)斷裂表面的失敗 .有關(guān)詳細(xì)信息, 請(qǐng)參考文本圖 2 顯示了一個(gè)例子，圓周疲勞裂紋起源沿缺口根部均勻預(yù)裂，據(jù)介紹，被安置在管標(biāo)本（其內(nèi)經(jīng)為直徑相同圓柱形陶瓷棒）與縱向通過(guò)厚度槽和陷入緊縮有縫套管.他專門設(shè)計(jì)了通過(guò)了萬(wàn)向節(jié)連結(jié)到火車負(fù)載的液壓伺服機(jī)，事先錄到突發(fā)性故障的發(fā)生的關(guān)鍵，裂應(yīng)力強(qiáng)度因子在模式三的扭矩計(jì)算值，使用表達(dá)式1KⅢ=6??????3??[??????2(1???)]12(1+0.5??+0.375??2+0.3125??3+0.273??4+0.208??5)Where d= and T is the torque????????3 結(jié)果和討論模式 III 中，K iic 多晶硅的氧化物裂韌性為 7.63MPa ，推導(dǎo)??1/2出幾個(gè)重復(fù)試驗(yàn)的最大偏差是 0.2MPa .圖三顯示電子顯微掃??1/2描圓周缺口氧化鋁棒從表面產(chǎn)生破裂的扭轉(zhuǎn)失敗.一個(gè)重要的特征是微觀的穿晶斷裂表面誘導(dǎo)裂紋的摩擦滑動(dòng)面臨扭轉(zhuǎn)（圖 3b）.雖然主要的故障模式是扭轉(zhuǎn)晶扁平化分離，由于斷口產(chǎn)生的嚴(yán)重的粗糙摩擦導(dǎo)致斷口穿晶失敗.圖 4a 是一個(gè)低倍率光學(xué)顯微鏡的粗糙裂隙表面，圓周缺口和疲勞預(yù)裂氧化鋁棒.這數(shù)字揭示了一個(gè)非常曲折和粗糙的破碎是由于法菲爾德突發(fā)性的失敗.扭轉(zhuǎn)失敗的機(jī)制，從純粹的張力下觀察，顯示不同（模式 I） ，一個(gè)圓周缺口，同樣疲勞裂紋的陶瓷棒具有一個(gè)破碎平面（圖 4b）.圖 5 表示在一個(gè)堅(jiān)實(shí)的圓柱桿扭轉(zhuǎn)加載的應(yīng)力狀態(tài).最大拉應(yīng)力是a 是 45 度的軸.事先工作圓周缺口的陶瓷棒顯示下遠(yuǎn)場(chǎng)扭轉(zhuǎn)發(fā)生裂紋在 45 度左右的缺口平面[2，這意味著當(dāng)?shù)氐墓收夏Ｊ绞羌兇獾睦煨再|(zhì)，因此測(cè)得的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子在遠(yuǎn)場(chǎng)扭轉(zhuǎn)不得代表Kiiic.在本實(shí)驗(yàn)中，觀察到明顯的混合模式失敗 . 微觀尺度 ,宏觀上，然而，失敗發(fā)生在均勻平面缺口，這是這項(xiàng)研究的一些突出特點(diǎn).1圖 4 （一） （二）觀察純張力下純扭斷模式的比較圖 5 裝入了堅(jiān)實(shí)的圓柱桿的盈利扭轉(zhuǎn)狀態(tài)（i）本技術(shù)提供了一種新的能力測(cè)量含疲勞裂紋的陶瓷標(biāo)本的扭轉(zhuǎn)斷裂韌性（類似的使用以及建立技術(shù)韌性金屬的情況下）.循環(huán)壓縮應(yīng)力缺口陶瓷標(biāo)本中的應(yīng)用導(dǎo)致一個(gè)尖銳的疲勞裂紋.由于疲勞裂紋的向下傳播的影響，降低“推動(dòng)力“，在循環(huán)預(yù)開(kāi)裂壓縮提供了一個(gè)穩(wěn)定的，非突變性的缺缺陷，即使在溫室脆性的陶瓷.（ii）由 Tschegg 和同事[11,12] 的金屬材料扭破裂的研究結(jié)果表明，在測(cè)量扭轉(zhuǎn)斷裂韌性時(shí) Kiiic 破裂的表面性質(zhì)和裂紋的總長(zhǎng)1度（包括疲勞裂紋長(zhǎng)度和任何裂紋擴(kuò)展在準(zhǔn)靜態(tài)扭轉(zhuǎn)）.特別的，在確定明顯的扭轉(zhuǎn)斷裂韌性時(shí)，鎖定赤和裂紋之間的摩擦面起著決定性的作用.在疲勞（預(yù)裂） ，以及隨之而來(lái)的斷口粗糙度裂紋可以導(dǎo)致非保守 Kiiic，隨著裂紋尖端預(yù)開(kāi)裂在最小封閉的循環(huán)壓縮，導(dǎo)致尖銳的疲勞裂紋，隨后張力/扭轉(zhuǎn)破裂.在實(shí)驗(yàn)中，金屬和陶瓷材料表明，因?yàn)檫h(yuǎn)場(chǎng)下的扁平化的粗糙壓應(yīng)力[8,13]，裂紋增長(zhǎng)在循環(huán)壓縮的促進(jìn)下更加順暢的斷裂（相比，循環(huán)張力）（iii ）小方面來(lái)說(shuō)，同心疲勞裂紋（小于在這項(xiàng)工作中引入約80 米長(zhǎng)）企圖以減少裂紋影響 Kiiic 的實(shí)測(cè)值. 然而，預(yù)裂過(guò)程中使預(yù)裂通過(guò)適當(dāng)?shù)倪h(yuǎn)場(chǎng)循環(huán)壓應(yīng)力的大小比，壓力振幅和缺口的幾何形狀控制不同的裂紋增長(zhǎng)值.（iv）由于產(chǎn)生疲勞裂紋，從缺口在逐步減少尖端進(jìn)展力，最大程度損壞留在尖端，疲勞裂紋傳播（直到自我約束）在遠(yuǎn)場(chǎng)循環(huán)壓縮一般都不大，但足以影響后續(xù)破裂的張力/ 扭轉(zhuǎn)[9,13]圖 6 晶間分離多晶氧化鋁在室溫下單軸壓縮破裂（地區(qū)標(biāo)有 ”疲勞破解“）和準(zhǔn)靜態(tài)張力1圖 7 斷裂面周圍缺口，疲勞預(yù)裂 4340 鋼園棒（在 600 度回火）扭轉(zhuǎn)破裂陶瓷材料在一個(gè)表現(xiàn)出一個(gè)被稱為失敗晶的模式下，單調(diào)張力/彎曲，單調(diào)壓縮或循環(huán)再溫室下的壓縮負(fù)載條件 [8,14].圖 6 顯示的一個(gè)模式的故障例子，在純拉伸溫度下，AD998 多晶氧化鋁在循環(huán)壓縮的打擊下斷裂. 在這兩種壓縮和準(zhǔn)靜態(tài)張力下，斷裂模式主要是晶粒間的斷裂.另一方面在溫室下的多晶氧化鋁破裂涉及相當(dāng)數(shù)量的表面穿分離（圖 3.c）. 斷口（在裂紋尖端后）之間的嚴(yán)重磨損導(dǎo)致平坦的斷口. 此外，三氧化二鋁在溫室的扭轉(zhuǎn)破裂行為類似金屬材料[15-17].圖 7 顯示一個(gè) 4340 鋼圓棒（600 度回火）純破裂扭轉(zhuǎn)的周缺口和斷裂面疲勞裂紋的外觀.在這里穿分離，其次是其次是混合模式 III 破裂啟動(dòng)“工廠屋頂式”的領(lǐng)導(dǎo)模式失敗的表面形貌.由于萬(wàn)向節(jié)無(wú)法支持大扭轉(zhuǎn)位移，局部混合模式的突發(fā)性促進(jìn)金屬盒陶瓷的斷裂.彎矩在推出后，標(biāo)本在準(zhǔn)靜態(tài)扭轉(zhuǎn)下穩(wěn)定裂紋增長(zhǎng).扭轉(zhuǎn)斷裂過(guò)程中裂紋面之間的嚴(yán)重磨損，受一個(gè)獨(dú)特的韌性值得限制.由于明顯扭轉(zhuǎn)斷裂韌性強(qiáng)烈影響斷裂表面的粗糙度和疲勞裂紋長(zhǎng)度（裂紋增長(zhǎng)，以及在模式 III 的破裂） ，阻力曲線行為（R 曲線，即增加遠(yuǎn)場(chǎng)動(dòng)力將觀察到裂紋長(zhǎng)度）. 在我們的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，R 曲線是不可行的衡量，因?yàn)閺澢恼T因和混合模式的失敗后，少量裂紋在純模式 III 下穩(wěn)定增長(zhǎng).R 曲線的測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)是不同1長(zhǎng)度的疲勞預(yù)裂的性質(zhì)，將提供斷裂表面和模式 III 對(duì)斷裂韌性影響的信息.在此背景下，有趣的是，近期工作需要注意電阻模式 III條件下鋼材內(nèi)在破裂.特哥在模式 III 和沒(méi)有疊加靜態(tài)的模式下，加載各種初始裂紋長(zhǎng)度值以測(cè)量疲勞裂紋增長(zhǎng)率.他的研究結(jié)果表明，在模式 III 中的阻力時(shí)的一種內(nèi)在的破裂，可估計(jì)各種裂紋長(zhǎng)度和裂紋增長(zhǎng)率并且推導(dǎo)零裂紋長(zhǎng)度.最近特哥和蘇蕾什獲得一種模式 III 下斷裂韌性為 4340 鋼的方法.在金屬材料中，曾嘗試估計(jì)模式 III 下的斷裂韌性，這是獨(dú)立裂紋的大小和形狀，最大限度地減少裂紋疊加的緊張表面接觸.然而，這種做法不會(huì)出現(xiàn)在張緊的裂紋張開(kāi)位移（甚至 Ki~Kic） ，通常是陶瓷斷裂面的粗糙度扭轉(zhuǎn).4 結(jié)論已開(kāi)發(fā)一種新的程序，據(jù)此可測(cè)量含有同心疲勞裂紋圓周缺口陶瓷棒在模式 III 的斷裂韌性值. 對(duì)于 AD998 的多晶氧化鋁在模式III 的韌性值為 7.63MPam1/2，這是純模式 I 下的 2.5 倍.在很短距離下觀察準(zhǔn)靜態(tài)扭轉(zhuǎn)的初始階段是穿晶斷裂的證據(jù)，這是突發(fā)性混合模式的失敗.觀察到多晶硅陶瓷在各階段準(zhǔn)靜態(tài)扭轉(zhuǎn)出現(xiàn)類似金屬材料的行為.致謝這項(xiàng)工作得到了國(guó)家科學(xué)基金會(huì) NSF-ENG-8451092 的資助，感謝布朗大學(xué)材料研究實(shí)驗(yàn)室在力學(xué)性能測(cè)試上的承認(rèn).