断裂韧性的氮化硅/ S45C关节界面裂纹

Liedong傅,Yukio Miyasita Yoshiharu Mutoh

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发布:2005年9月

主题

文摘

关键字

介绍

实验

样品制备

实验结果

接口的振荡奇异应力场裂纹和最大正应力标准

弹塑性界面裂纹尖端奇异应力场

有限元分析和评价断裂路径基于弹塑性应力强度和韧性的因素

结论

引用

详细联系方式

文摘

如果断裂韧性进行测试₃N₄/ S45C标本与界面裂纹的不同长度。发现裂纹的试样4毫米的表观断裂韧性高于那些裂缝1毫米和2毫米由于残余应力的降低。裂缝传播到如果₃N₄从裂纹尖端的方向40^o裂缝的1毫米和2毫米,而这对裂纹沿界面传播的4毫米。进行了弹塑性分析考虑S45C线性硬化材料和硅₃N₄弹性材料。发现裂纹尖端附近的应力弹塑性奇异应力场为主,这是明显的界面裂纹的弹性奇异应力场。评价断裂路径和韧性进行了基于弹塑性奇异应力场的应力强度因子。

关键字

界面裂缝、断裂韧性、Si₃N₄/ S45C联合、热残余应力的弹塑性分析

介绍

陶瓷/金属关节已经越来越多地应用于各种工程领域,因为陶瓷高温稳定的机械性能和良好的耐磨损、腐蚀和氧化。然而,金属和陶瓷之间的材料特性的差异导致在界面边缘应力奇异性。此外,较高的热残余应力会引起在冷却过程中由于热膨胀系数的不匹配。的应力奇异性与热残余应力降低陶瓷/金属接头的强度,使强度的评估困难。许多工作已经完成的残余应力和强度评价陶瓷/金属关节。例如,小林et al .[1, 2]调查了Si的弯曲强度和残余应力₃N₄/ S45C关节标本的大小的影响在弯曲强度。邱等[3]研究残余应力的影响和循环荷载对Si的力量₃N₄/ S45C关节。然而,由于问题的复杂性,一个通用的评价方法对陶瓷/金属关节尚未提出。

的弹性解奇异应力场的界面裂纹自1959年以来一直研究[第4 - 9]。水稻[10]已经总结了在这一领域的研究工作,建立界面裂纹的弹性断裂力学概念。较et al .(11、12)提出的最大正应力条件预测断裂路径和强度的陶瓷/金属联合基于弹性理论。金属的塑性变形将不可避免地出现裂纹尖端附近的应力奇异性。对于大多数的陶瓷/金属关节,金属的塑性变形有重要影响的强度陶瓷/金属接头。由于分析的复杂性,评价断裂路径和强度的陶瓷/金属联合基于弹塑性理论尚未。

在这项研究中,如果四点弯曲试验₃N₄/ S45C关节标本与界面裂纹进行了。评价断裂路径和断裂韧性是基于弹塑性分析的尝试。

实验

标本准备

图1显示了Si的几何形状和尺寸₃N₄/ S45C关节标本。银基钎料(wt %: Ag) 71%,铜、27%,Ti, 2%)与60μm厚度用于硅之间的结合₃N₄陶瓷和S45C钢。钎焊是在真空炉(2.5 x10⁵托)。炉的温度的速度提高20倍^oC / min的钎焊温度850^oC和保持10分钟,然后减少的速度10^oC /分钟。加入表面是抛光金刚石粉0.25μm直径。在钎焊,接触压力为0.002 MPa是应用。

介绍了钎焊后,界面裂纹的放电方法与0.1毫米直径的切割线。四个标本不同裂纹长度准备。两个标本的裂纹长度4.0毫米和另外两个标本的裂纹长度的1.0毫米和2.0毫米。

实验结果

四点弯曲试验是对断裂韧性进行标本十字头0.5毫米/分钟的速度。表1显示了断裂韧性的结果。明显的断裂韧度定义为:

(1)

与

(2)

(3)

P_f骨折负荷,是裂纹长度,w试样宽度,t标本殿下,L₂外跨度和L₁内心的跨度。

表1。断裂韧性测试的结果。

如表1中可以看到,标本的裂纹长度4.0毫米显示骨折负荷高于那些短裂纹长度的1.0和2.0毫米。切割后的残余应力将重新分配[2],热残余应力的松弛时间裂缝长度可能是一个可能的原因。

图2显示了肉眼观察的标本骨折。标本与裂纹长度的1.0和2.0毫米,裂纹传播到Si₃N₄直接从初始裂纹尖端的方向大约40^o。标本的裂纹长度为4.0毫米,裂纹沿界面传播大约1.0毫米,然后弯折到Si₃N₄在大约10的方向^o的接口。

Th的振荡奇异应力场e界面裂纹和最大正应力标准

弹性应力场的解决方案的界面裂纹已经完成Willims[4],埃尔多安(5、6),英格兰[7]和硅et al。(8、9)。人们已经发现,界面裂纹尖端附近的应力场的振荡奇异点。极坐标下与原点位于裂纹尖端应力场可以表示为

(4)

在这里 是bi-material常数可以表示为

(5)

(6)

在µ_j和v_j剪切模量和泊松比的材料,分别。欧洲杯足球竞彩

振荡奇异应力场的应力强度因素被定义为

(7)

在那里,l是参考长度,消除振荡的维数项。通常l需要整个裂纹长度的值,即l = 2。

当压力沿界面已经知道,应力强度因子可以可以推断:

(8)

(9)

较et al .(11、12)提出了最大正应力的标准界面裂纹的断裂。考虑到的价值 很小,可以近似表示为正常压力吗

(10)

在哪里

(11)

W₁= e^-ε(π-θ)W₂= e^ε(π+θ)(12)

(13)

可以确定最大正应力的方向:

∂B(εθ,y) /∂θ= 0(14)

让θ₀代表最大正应力的方向,相应的应力强度因子可表示为:

(15)

骨折发生的方向θ₀当K_θmax到达K_集成电路价值的基础材料。应该注意的是,沿着界面时可能发生断裂θ₀变得小于一定值,由于界面的强度通常低于基材。

弹塑性界面裂纹尖端奇异应力场

的弹塑性应力场奇异线性硬化材料[13]已明显发现一样的弹性材料弹性常数的定义是:

(16)

其中E是杨氏模量和H的硬化系数。

因此,弹塑性界面裂纹尖端的奇异应力场大体上是一样的弹性界面裂纹尖端的奇异应力场。执政的弹塑性奇异应力场的区域将被限制在一个小区域内的裂纹尖端周围屈服区。陶瓷/金属关节,考虑到硬化系数的值远小于杨氏模量的值,它可以发现从情商。(16)和Eq。(5)

(17)

有限元分析sis和评价断裂路径和基于弹塑性应力强度因子的韧性

有限元分析进行了平面应力条件下使用有限元分析的程序。如果₃N₄假设为弹性材料的材料常数是独立的温度和E = 289 GPa,v= 0.25和CTE = 4.2 x10⁶。S45C钢假定为线性硬化材料的材料常数如表2中列出[14]。无压力的温度被认为是550年^oC的分析热残余应力。

表2。材料常数S45C

相比之下,也进行了弹性分析。弹性常数的计算25^oC, bi-material常数 对于弹性情况是0.01588。表3列出了应力强度因子以及最大正应力的方向获得的弹性分析。它可以发现 由于残余应力远高于价值 和θ的值₀由于残余应力几乎是一样的,大约70^o。试样的裂纹长度2.0毫米的K的最大价值_θmax由于残余应力。K的值_θmax由于残余应力的叠加和外加应力断裂韧性测试期间接近那些由于残余应力。

表3。应力强度因子和最大正应力的方向根据弹性分析。

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然而,弹性分析的结果显然与K的值_θmax远高于K_集成电路如果价值₃N₄,这是约6.0 MPa√m [15]。同时,弹性分析无法解释为何= 4.0毫米的标本显示骨折负荷高于自K = 1.0毫米的标本_θmax由于残余应力的= 4.0毫米是比= 1.0毫米。

图3和图4显示了应力分布的接口获得的弹塑性分析。-0.5的污水也绘制的数据参考。我们可以看到曲线几乎是平行于参考线在该地区r < 10⁶米,这表明裂纹尖端附近的应力由弹塑性奇异应力场。

图5和6显示了非耦合组件定义为情商Eq。(8)和(9)。不同的弹性情况下,这里的参考长度l以值为1.0⁶米,接近的大小控制弹塑性奇异应力场的区域。图5显示了应力分布由于残余应力和图6显示了由于残余应力和应力分布应用负载。它可以发现曲线几乎是平行于参考线在该地区r < 1.0⁵m。

表4列出了应力强度因子和最大正应力的方向获得的弹塑性分析。它可以发现K_θmax由于残余应力降低的顺序= 2.0毫米,a = 1.0毫米= 4.0毫米。这个结果可以解释为什么试样的裂纹长度4.0毫米显示更高的断裂负载相比其他标本。应用负载K的值会减少₂。K的减少₂= 4.0毫米尤其明显,θ的价值₀33 = 4.0毫米^o,这是小得多比= = 1.0毫米和2.0毫米。这同意实验结果,标本的地方= 1.0毫米和= 2.0毫米的角度大约40骨折^o从接口,标本的= 4.0毫米沿着界面断裂。的值K_θmax由于残余应力和外加应力,当发生骨折,无论裂纹长度几乎相同。他们也接近K_集成电路如果价值₃N₄,虽然不到它。小林等人[1]在Si的弯曲测试₃N₄/ S45C联合结果可以分为两组,一个显示了一个相对较高的强度,而另一个显示了一个非常低的值。强度较低的一个原因是在陶瓷裂纹的存在,由于裂纹很容易发起的固有缺陷在切割后加入。这也可以认为是原因之一K_θmax当断裂发生不到K值_集成电路如果价值₃N₄。

表4。应力强度因子和最大正应力的方向根据弹塑性分析。

结论

如果断裂韧性进行测试₃N₄/ S45C关节标本与界面裂纹的不同长度。评价断裂路径和断裂韧性进行了弹塑性分析的基础上,S45C钢被假定为线性硬化材料。获得的结论可以概括为:

•热残余应力有显著影响的断裂韧性。由于残余应力的影响,试样的裂纹长度4.0毫米具有较高的断裂韧性比与裂纹长度的1.0毫米和2.0毫米。裂纹传播到Si₃N₄直接从初始裂纹尖端的方向40^o裂纹长度1.0毫米或2.0毫米,虽然传播沿界面裂纹长度的4.0毫米。

•裂纹尖端附近的应力由弹塑性奇异应力场。最大σ_θ标准基于弹塑性奇异应力场可成功申请评估断裂路径和断裂韧度值。3所示。K_θmax由于残余应力值降低的顺序= 2.0毫米,a = 1.0毫米= 4.0毫米。这是相同的断裂负荷序列的标本= 2.0毫米,a = 1.0毫米= 4.0毫米。外加应力导致减少K的值₂。K的减少₂= 4.0毫米是重要和θ的价值₀为= 4.0毫米小得多比= = 1.0毫米和2.0毫米。这个同意实验结果标本= 1.0毫米和= 2.0毫米的角度大约40骨折^o接口,而= 4.0毫米的标本沿界面断裂。的K_θmax值在骨折标本几乎相同的标本,并接近K_集成电路如果价值₃N₄。

引用

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这篇文章也发表在印刷形式“材料和材料加工技术的进步”,7 [1](2005)47-52。欧洲杯足球竞彩