2.3 弥散增韧.ppt

无机材料物理性能 邓承继博士 第二章 无机材料的脆性断裂与强度 陶瓷脆性的量度 多晶体的脆性断裂经历着裂纹在晶内形成、扩展、越过晶界至相邻晶粒内等三个步骤，而裂纹扩展速度决定着是否能发生消除应力集中的塑性流动，因为引起塑性形变需要一定的起始时间。所以裂纹扩展是脆性的一种量度 改善陶瓷韧性与提高其强度的关系 从断裂力学的观点来看，克服陶瓷的脆性和提高其强度的关键是： 1）提高陶瓷材料抵抗裂纹扩展的能力； 2）减缓裂纹尖端的引力集中效应。 前者主要是提高材料的断裂性，后者的关键在于减小材料内部所含裂纹缺陷的尺度 克服陶瓷脆性的途径 陶瓷体中的韧性相——金属与陶瓷复合 在裂纹扩展过程中，弥散于陶瓷基体中的韧性相起着附加的能量吸收作用，从而使裂纹尖端区域高度集中的应力得以部分消除，抑制了原先可能达到的临界状态，提高了材料裂纹扩展的抗力，相对改善了材料的韧性。 金属陶瓷是以金属氧化物（如Al2O3、ZrO2等）或金属碳化物（如TiC、WC、TaC、NbC等）为主要成分，再加入适量的金属粉末（如Co、Cr、Ni、Mo等）通过粉末冶金方法制成，具有金属某些性质的陶瓷。 陶瓷体内中裂纹尖端的增韧作用—相变粒子弥散 主裂纹尖端增韧作用区的控制原则 韧化作用区为陶瓷断裂韧性的提高做出贡献的理论基础是，ZrO2弥散粒子由四方相向单斜相转化引起的体积膨胀（3-5%），以及由之诱发的弹性压变能或激发产生的微裂纹。因此，合理地控制ZrO2弥散粒子的相变过程就能达到提高韧化效果的目的。 相变增韧：MgO-ZrO2的相关系图表明，往ZrO2中掺入8mol% MgO，可在1800℃获得全稳定的ZrO2立方固溶体相，将其冷却至1500℃，就出现弥散于ZrO2立方基体中的四方ZrO2相。从能量平衡条件进行分析，可以看到几种影响ZrO2相变的因素。 影响ZrO2相变增韧的因素 1）ZrO2颗粒在陶瓷基体中相变的能量条件 2）ZrO2弥散粒子的相变临界直径 3）化学因素的影响。基体的化学组分和ZrO2弥散相的含量对ZrO2粒子的相变温度有一定影响。凡是能固溶于ZrO2中的其他掺杂物都或多或少地减少ZrO2的相变自由能差，相对降低其相变温度。 韧性增加与粒度和马氏体相变温度的定量关系 适当的晶粒得到最大的韧性 ZrO2相变过程的控制 1）控制ZrO2弥散粒子的尺寸D 2）控制ZrO2颗粒的分布状态 3）最佳ZrO2体积分数和均匀的ZrO2弥散程度 4）陶瓷基体和ZrO2粒子热膨胀系数的匹配 5）控制ZrO2基弥散粒子的化学性质 表面韧化 表面韧化是相变韧化的一种特殊形式，借助于表面处理的特殊技术，其目的在于陶瓷基体表面层在一定深度之内有四方ZrO2弥散相。相变时产生体积膨胀，使陶瓷表面形成压应力层。 表面处理使表层的t相转变成m相，体积膨胀形成压应力，提高韧性。 思考题 ZrO2增韧的机理和有关作用是什么? 陶瓷体内设置的裂纹扩展势垒——纤维与陶瓷复合 高强度和高模量的纤维既能为基体分担大部分外加应力，又可阻碍裂纹的扩展，并能在局部纤维发生断裂时以“拔出功”的形式消耗的部分能量，起到提高断裂能并克服脆性的效果。 减缓裂纹尖端的应力集中效应 1）采用化学抛光净化陶瓷表面，去除加工损伤，可大幅度减小实际强度和理论值之间的差别。 2）细化晶粒，既减小了晶内裂纹的尺度，又降低裂纹出现的几率，并且减小了多晶陶瓷坯体中由于晶粒的弹性和热性各向异性引起的残余应力，有利于克服脆性和提高强度。 3）裂纹尖端钝化或裂纹愈合。 提高抗裂能力与预加应力 在材料表面预加压应力?压，材料在断裂时的应力?断--拉应力，引起材料断裂的应力为：?压+ ?断，提高材料抗断裂能力。 实际是：玻璃钢化--安全玻璃，航空玻璃 Quenching method Homework 思考题 复习有关例题 不用交 * * 主讲：李享成 电话：027材冶学院6256办公室 /old/teacher/dsinfo.aspx?dsbh=d138 陶瓷刀具 氧化铝陶瓷 b) ZrO2的相变增韧 monoclinic 单斜，Tetragonal 四方, Cubic 立方。 通过相变实现增韧。 通过掺杂，改变相变温度。 马氏体，膨胀 1800℃ 2370℃ 晶粒增大，相变温度升高 d增大，K增幅大。 机理：晶粒太大，冷却时变为m相，相变增韧效果变差；抛光后，表面粒子变成m相，形成表面应力，提高韧性。 *