结构与性能 第七章.pdf

材料的增强和增韧 饶平根 陶瓷材料虽然具有较高的弹性模量、 较低的密度、耐高温、耐腐蚀和耐磨损等 一系列优良的性能，但由于其致命的弱 点——脆性，而大大限制了它的应用范 围。陶瓷材料的强韧化一直是世界各国材 料学者的热门研究课题，经过数十年的努 力，已经取得了不少成果。本章节将对材 料增强和增韧的基本原理、途径以及机理 进行介绍和讨论。 陶瓷材料的强韧化先驱 R. C. Garvie R. C. Garvie, R. H. J. Hannink, R. T. Pascoe, “Ceramic Steel?”, Nature, 258,703- 704(1975) 以CaO为稳定剂制得部分稳定氧化锆陶瓷 (Ca-PSZ), 并首次利用ZrO2马氏体相变的增 韧效应显著提高了ZrO2韧性和强度,开创了陶 瓷材料的强韧化的新纪元 1 材料增强和增韧的基本原理 脆性是陶瓷的特征，也是陶瓷的致命弱点。它 间接地反映在陶瓷较低的抗机械冲击强度和较差的 抗温度骤变性，直观地表现在一旦受到临界的外加 负荷，陶瓷的断裂则具有爆发性的特征和灾难性的 后果。作为最常用的工程材料之一的氧化铝陶瓷其 断裂韧性只有约3.5 MPa • m ，抗弯强度也仅仅为 380 MPa左右，然而一般的铸铁材料的断裂韧性可 达20 MPa • m ，因此，克服陶瓷材料的脆性，提 高陶瓷材料的强度，达到材料的强化和韧化是进一 步扩大其应用范围的关键。 克服陶瓷材料的脆性，可以从两个 方面加以考虑：一是在裂纹扩展过 程中使之产生有其他能量消耗机 构，从而使外加负载的一部分或大 部分能量消耗掉，而不致集中于裂 纹的扩展上，其次是在陶瓷体中设 置能阻碍裂纹扩展的物质场合，使 裂纹不能再进一步扩展。 根据断裂力学，抗弯强度和断裂韧性可由下式表示： 2 E γ f σ f c K IC 2 E γ f σ γ 式中 为抗弯强度，E为弹性模量， 为断裂能，c f f 裂纹尺寸，KIC 为断裂韧性。 高陶瓷材料韧性的目的，必须提高断裂能和弹性模量； K σ IC f 增大，增韧的同时也达到增强的目的。 减小裂纹尺寸可以采取以下措施：（1）减少 和避免工艺缺陷；（2 ）减少和避免表面损 伤；（3 ）晶粒细化；（4 ）排除气孔，实现全 致密；（5 ）避免晶粒异常长大（6 ）选择适当 的组成，避免因热膨胀系数相差过大或发生不 需要的相变而产生危险裂纹。提高弹性模量的 措施有：（1）排除气孔，提高致密度；（2 ） 加入高弹性模量的第二相组成复合材料。断裂 能是裂纹扩展的阻力，是陶瓷材料强韧化的主 攻方向，在裂纹扩展过程中，任何为断裂能的 提高做出贡献的能量损耗机制都有助于克服材 料的脆性。 透明氧化铝中异常晶粒生长 断裂能是由材料断裂过程中所消耗的各项能 量所组成： γ γ =+γ +γ +γ +⋅⋅⋅⋅ f s p T c 式中：γ 为断裂能，γ 为热力学表面能, γ f s p 为塑性形变能，γ 为微裂纹形成能。