陶瓷增韧机理

陶瓷作业
姓名：王槐豪
学号：1071900220 班级：0719201
陶瓷韧化机理
陶瓷最致命缺点是脆性，低可靠性和低重复性，这些不足严重影响陶瓷材料的应用范围。

只有改善陶瓷的断裂韧性，提高其可靠性和使用寿命，才能是陶瓷真正成为一种广泛应用的新型材料，因此陶瓷增韧技术一直是陶瓷研究的热点。

陶瓷的断裂主要是由于裂纹扩展导致的，阻止间断裂纹的扩展的方法有三种。

其一为分散裂纹尖端应力；其二为消耗裂纹扩展的能量，增大裂纹扩展所需克服的能垒；最后问转换裂纹扩展的能量。

相变韧化
受相变诱发塑性钢，即TRIP (transformation induced plasticity)钢的启发，将ZrO 2 t →m 相变M s 点稳定到比室温稍低，而M d 点比室温高，使其在承载时由应力诱发产生t →m 相变，由于相变产生的体积膨胀效应和形状效应，而吸收大量的能量，从而表现出异常高的韧性。

这就是相变韧化（transformation toughening ）的概念。

韧化机理分析： 1.相变韧化(∆K ICT ) ；
d i <d<d c 应力诱发相变增韧(∆K ICT ) t →m 相变产生新的表面吸收能量 ， 同时相变引起的体积膨胀产生压力。

2. 残余应力增韧 (∆K ICS )；
• 残余应力→ 闭合阻碍裂纹扩
展 →残余应力韧化。

3. 显微裂纹增韧 (∆K ICM )；
4. 复合韧化机理；
第二相颗粒增韧
第二相颗粒增韧，第二相增韧主要增韧机理为残余应力增韧、微裂纹增韧、裂纹偏转增韧、颗粒桥联增韧、延性颗粒增韧；增韧的主要影响因素为物理相容性和化学相容性（不生成有害化合物合适的界面结合强度 1. 应力场模型
颗粒
∆a=a p -a m ；∆T=T P -T R ；
α－材料的热膨胀系数，10-6
/K ； E －材料的弹性模量，GPa ； ν－材料的泊松比；
m ，p 分别代表基体和第二相增强颗粒； T P －基体不产生塑性变形的最高温度，K T R －所讨论的状态下的温度，K
p p
m
m E E T
P ννα2121-+
+∆⋅∆=
基体 r －球形颗粒半径，mm ；
R －基体中某点距离球心的距离，mm ∆a 的影响：
∆a>0，σr >0，σt <0，环向裂纹（收敛型）； ∆a <0，σr <0，σt >0，径向裂纹（发散型） ； ∆a ＝0 ，P=0 ，σ＝0； r>r c
r c －自发萌生裂纹的邻界第二相颗粒半径
2. 临界第二相颗粒尺寸（r c ） 弹性应变能： 颗粒:
基体
系统 U S =U P +U m =2πkP 2r 3
由U S ≥2γmp 得 ；2
γmp －萌生单位面积裂纹所消耗的能量，J
3. 残余应力增韧 （d<d C ）
∆a>0
∆a>0
☺裂纹停止 ☺裂纹穿过第二相颗粒
☺裂纹沿颗粒与基体之间的界面扩展
颗粒开裂表面能：γp ＝2πr 2
γsp
克服阻力做功： W 1=1/2πPr 2
u 1
W t =γp + W 1=2πr 2γsp +1/2πPr 2
u 1
界面开裂表面能：b ＝4πr 2
γint
克服阻力做功：W 2=1/3πPr 2
u 2
W i =γp + W 1=4πr 2γint +1/3πPr 2
u 2
u 1≈u 2≈2r εb =2⨯10-3
r
3
)(R
r P r ⋅=σ3
)(21R
r P t ⋅-=σ3
2)21(2r E P U P P P νπ
-=32
)1(r
E P U m
m m νπ+=p P m m E E k νν2121-+
+=31
2)2(-
∝kP r c π
int<1/2γSP
∆a≈0
E P>E m 裂纹沿界面扩展。

裂纹偏转和裂纹桥联增韧
裂纹偏转：裂纹尖端效应，指裂纹扩展过程中当裂纹遇上偏转元（如增强相、界面等）时所发生倾斜和偏转。

裂纹桥联：裂纹尾部效应，它发生在裂纹尖端，靠桥联元（剂）连接裂纹的两个表面并提供一个使裂纹面相互靠近的应力，即闭合应力，这样导致强度因子随裂纹扩展而增加。

三、延性颗粒增韧
增韧机理：裂纹尖端形成的塑性变形区导致裂纹尖端屏蔽
由延性颗粒形成的延性裂纹桥基体与延性颗粒的α和E值相等时，延性裂纹桥最佳增韧效果。

当α和E值相差足够大时，裂纹偏转绕过金属颗粒，增韧效果较差。

四、纳米颗粒增强增韧
增强颗粒与基体颗粒的尺寸匹配与残余应力是纳米复合材料中的重要增强、增韧机理。

ZrO2/nano-SiC纳米复相陶瓷的透射电镜观察表明，纳米颗粒在基体晶内和晶界分布，纳米颗粒有团聚现象，纳米颗粒对裂纹有钉扎作用。

长纤维韧化
主要增韧机理：
•纤维断裂
•纤维脱粘
•纤维拔出
•裂纹桥联
•裂纹转向（裂纹偏转）
界面解理（纤维脱粘）：复合材料在
纤维脱粘后产生了新的表面，因此需要消
耗能量。

（尽管单位面积的表面能很小，
但所有脱粘纤维总的表面能则很大。

）
纤维拔出：指靠近裂纹尖端的纤维在外应力作用下沿着它和基体的界面滑出的现象。

纤维拔出会使裂纹尖端应力松弛，从而减缓了裂纹的扩展。

纤维拔出需外力做功，因此起到增韧作用。

纤维拔出能总大于纤维脱粘能，纤维拔出的增韧效果要比纤维脱粘更强。

裂纹桥联：对于特定位向和分布的纤维，裂纹很难偏转，只能沿着原来的扩展方向继续扩展。

这时紧靠裂纹尖端处的纤维并未断裂，而是在裂纹两岸搭起小桥，使两岸连在一起。

在裂纹表面产生一个压应力，以抵消外加应力的作用，从而使裂纹难以进一步扩展，起到增韧作用。

裂纹偏转：在扩展裂纹尖端应力场中的增强体会导致裂纹发生弯曲从而干扰应力场，导致基体的应力强度降低，起到阻碍裂纹扩展的作用。

随着增强体长径比和体积比增加，裂纹弯曲增韧效果增加。

短纤维及晶须韧化
主要增韧机理：
•晶须拔出
•晶须桥联
•裂纹偏转
由于纤维周围的应力场，基体中的裂纹一般难
以穿过纤维，而仍按原来的扩展方向继续扩展。

它更易绕过纤维并尽量贴近纤维表面扩展，即裂纹偏转。

裂纹偏转可绕着增强体倾斜发生偏转或扭转偏转。

偏转
后裂纹受的拉应力往往低于偏转前的裂纹，而且裂纹的
扩展路径增长，裂纹扩展中需消耗更多的能量因而起到
增韧作用。

增强体的长径比越大，裂纹偏转增韧效果就
越好。

定性分析：
◆当晶须的某一端距离主裂纹的长度小于l po时将
拔出，拔出长度
l≦l po
◆当晶须两端距离主裂纹的长度大于l po时，晶须
在拔出过程中断裂，拔出长度
l≦l po
界面结合强度的作用：
●界面结合强度过高晶须拔出少，断裂多，
韧性提高少，承载作用增强，强度提高多。

●界面结合强度过低，晶须拔出功减少，对
强度、韧性不利。

●有一个最佳界面结合强度。