晶须及颗粒增韧氧化铝基陶瓷复合材料的抗热震性能_吕珺

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材料工程/ 2000 年 12 期
残 余 抗弯 强 度, 加 热 温 度分 别 为 500℃, 700℃及 900℃。每组材料均经 1 次, 5 次及 10 次热震循环。热 震前后材料在岛津-25T A 电子感应拉伸试验机上进 行强度测试, 跨距为 30m m, 加载速度为 0. 5mm / min。 每个数据均取六个试样的平均值。测试后试样断口喷 金, 采用日立 X-650 扫描电镜进行观察。
晶 须及颗 粒增韧氧 化铝基 陶瓷复合 材料的 抗热震性 能
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图 2 材料断口形貌 Fig. 2 SE M m icrophot ograph of t he f ract ure s urf ace of t w o mat erials ( a A l2O 3-SiCw ; b A l2O 3-T iCp)
2 实验结果与讨论
1. 2 材料的抗热震性能 两种材料的抗热震性测试结果如图 1 所示, A l2O 3 -SiCw 与 A l2 O3 -T iCp 复合 材料的原 始强度 有 很大提高, 分别为 710 M P a 及 690 MP a。材料的抗热
震性也有明显改善, 在单次热震条件下, 基体氧化铝 在热震温差为 300°C 时, 材料强度保持率仅为 22% 左 右[ 3] , 对于 A l2O 3 -T iCp 材料, 热震温差为 800℃, 材 料强度虽已发生明显衰减, 但强度保持率可达 64% , 对 A l2O3-SiCw 材料而言, 温差高达 800℃时, 材料强 度仍没有明显衰减的现象; 随热震循环次数的增加, 呈现出极为优越的抗循环热震能力, 尽管随着循环次 数 的增加强度 逐步衰减, 但 其衰减幅 度逐渐减 小; A l2O3-T iCp 材料则对热震循环较为敏感, 材料强度随 热震循环次数的增加急剧下降, 当热震温差为 800°C 时, 循环次数达 4 次时即有试样开始出现崩块现象, 经 5 次热震循环后强度保持率已降为 16% 。
2. 2 材料抗热震性的主要影响因素 2. 2. 1 材料的热物理性能 对于单相 A l2O 3 材料而言, 材料的抗热震性较 差。而 A l2O 3 -SiCw 与 A l2 O 3-T iCp 复合材料的抗热震 性能已有较大幅度提高。具体表现为由热震所引起的
材料强度衰减幅度减小。材料的抗热震断裂参数常用 R = f ( 1- ) / E 及 R ′= K f ( 1- ) / E 来表示[ 4, 5] , 其中, f 为材料强度, 为泊松比, 为热膨胀系数, E 为弹性模量, K 为导热系数。表 1 为 A l2O 3, SiCw
吕 王君1, 2 , 郑治祥1, 金志浩2 , 王永兰2 ( 1 合肥工业大学材料学院, 合肥 230009; 2 西安交通大学材料学院, 西安 710049 )
L U Jun1, 2, ZHEN G Zhi-X iang 1, JIN Zhi-hao 2, WA N G Y ong-L an2 ( 1 Mat erial s Science and Eng ineering Inst itut e,
摘要: 对 A l2O 3-SiCw 和 A l2O3-T iCp 陶瓷基复合材料的抗热震 性能进行测试和分析, 结果表明: A l2O 3-SiCw 和 A l2O3 T iCp 陶瓷基复合材料与基体相比抗热震性均有较 大幅度的提高, 其中, A l2O 3-SiCw 复合材料显示出更为优越的抗裂 纹扩展能力与抗循环热震性能。材料增韧效果的差异是产生这一现象的主要原因。 关键词: 抗热震性; 氧化铝基陶瓷复合材料; 晶须; 颗粒; 增韧机理 中图分类号: T F 125 文献标识码: A 文章编号: 1001-4381 ( 2000) 12-0015-04
表 1 Al2O3、SiCw 与 TiCp 的相关热物理性能及力学性能[ 6] T able 1 T he m echanical pr o per ties o f Al2O 3, SiCw and T iCp
材料
/ ×10- 6/ ℃
E/ GPa
K / k cal / m·h℃
A l2O 3
8. 8
图 1 A l 2O 3-SiC w 与 A l2O 3-TiCp 材料的抗热震性能 ( A S : A l 2O 3-S iCw A T : A l2O 3-T iCp) Fig . 1 T hermal shock behavior of A l2O 3-SiCw an d A l 2O 3-T iCp compos ites ( A S : A l2O 3-SiCw A T : A l2O 3-TiCp )
之间的内在联系。
1 试样制备及试验 方法
1. 1 试样的制备 试 样所 用 Al2O3 及 T iC 原料 粉平 均粒 径均 为 1 m, SiC 晶须的平均直径亦为 1 m。T iC 颗粒及 SiC 晶须的加入量分别为 25w t % 及 20w t % 。粉料经球磨 均匀后热压烧结成型, 烧结温度为 1800°C , 压力为 39. 2MP a。保温 40min。将热压所得块状样切割成尺 寸为 3m m×4mm ×36mm 的长方体试样, 所有试样均 经精磨处理并进行常规力学性能检测。 1. 2 材料抗热震性能的测试 材料的抗热震性能采用急冷强度法进行测试, 先 将试样置于氧化铝烧舟内, 再放入电阻炉中加热至设 定温度, 保温 30min, 取出迅速投入沸水中, 测定其
间形成的桥联, 在裂纹尖端产生闭合应力降低了裂纹 尖端的应力场强度因子, 从而使材料的韧性得以提 高。从图 3 中可以清晰地看到晶须在裂纹面之间形成 桥联的情况。晶须桥联、晶须拔出、裂纹偏转等增韧
机制的综合作用大大耗散了热震裂纹的扩展能量, 使 得裂纹扩展阻力大为增强, 因此, 晶须的存在对由热 震所引起的裂纹扩展起极强的阻碍作用, 有效阻止了 热震裂纹进一步扩展与联合成为临界裂纹, 使得材料 表现出极为优越的抗热震能力。图 4a 为 A l2O3-SiCw 材料经 600°C 温差热震循环 5 次后断口扫描照片, 可 以看出热震后 A l 2O 3-SiCw 材料断口变化不明显, 但
震性的提高, 材料抗热震性能的本质是材料抵抗由热 应力所引起裂纹产生及扩展的能力。对于晶须增韧陶
瓷材料而言, 晶须的加入使得 A l2O 3-SiCw 复合材料 显微结构更加不均匀。如图 2 所示, A l2O 3-SiCw 复合 材料中, A l2O3 晶粒较为粗大, 断口凹凸不平, 可以看 见晶须断裂后的露头及晶须拔出后留下的孔洞。起伏
十分明显。当裂纹扩展遇到高强度晶须时, 在裂纹尖 端附近晶须与基体界面上产生较大的剪切应力, 而晶 须与基体的结合为一拨薄弱环节[ 7] , 故该应力极易造 成晶须与界面的分离开裂, 使得裂纹沿界面扩展, 晶 须从基体中拔出。沿界面扩展达一定距离后, 裂纹会 穿过或绕过晶须继续在基体材料中进行扩展, 晶须在 裂纹面之
晶 须及颗 粒增韧氧 化铝基 陶瓷复合 材料的 抗热震性 能
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晶须及颗粒增韧氧化铝基陶瓷 复合材料的抗热震性能
T herm al Shock Resistance for Wisker and Particle T oughing A l2O3 Cer amic M at rix C ompos ites
Hefei U niversit y of T echno logy , H ef ei 230009, China; 2 M at erials Science and Engineering Inst it ut e , Xi′an Jiaot ong Univ ersit y , Xi′an 710049, China)
先进结构陶瓷材料, 如氧化物、氮化物、碳化物 等, 因其良好的化学稳定性、高温强度和抗蠕变能力 而成为航空、航天、能源、冶金等部门高温耐热构件 的优选材料之一。但在其使用过程中, 常不可避免地 受到温度变化的影响, 如涡轮叶机片、燃气喷管、陶 瓷车刀等。由于陶瓷材料脆性大、弹性模量高、塑性 变形能力小、导热性差等特点, 使得其对热瞬变和热 疲劳十分敏感, 往往导致材料强度发生衰减, 并有可 能引发灾难性失效, 大大降低了材料的可靠性。因此, 对于高温结构陶瓷材料而言, 其抗热震及热疲劳的性 能常常是决定其寿命的关键因素之一[ 1, 2] 。近几十年 来, 相变增韧, 晶须增韧, 颗粒增韧等一批新型结构 陶瓷及复合材料的出现, 材料的强度及韧性都得到较 大幅度的提高, 但对其抗热震尤其是抗循环热震性能 的研究较少, 本工作研究测试了两种材料的抗热震性 能, 并分析讨论了材料的第二相增韧与材料抗热震性
Abstract: T he thermal shock resist ance of t he A l 2O 3-SiCw and A l2O 3-T iCp ceramic mat rix com posit es w ere m easured by t he quenching t est . And t he fracture sur face of t wo mat erials w ere observ ed by SEM . T he m ain r easio n of t he im pr oving t hermal-shock resistance was also r eseached. T he result s show t hat Bot h mat erials ex hibit ed bet ter t her mal shock resist ance t han mat rix . T he Al2O3SiCw composit e, ho wever, displayed bett er damage t olerance and hig her thermal shock r esist ance . F rom SEM o bserv ation and t heoret ical analy sis , it w as inferred t hat t his phenomena can be at t ribut ed mainl y t o t he micro st ruct ure and t he t oughing mechanism of t he mat erials. Key words: thermal-sho rk-r esist ance; Al2O3-ceramic-m at rix -co mpo sit e; w isker ; par ticle; t oug hening m echanism
图 3 晶须在裂纹面之间形成的桥联 Fig. 3 W isker-bridging bet ween t he crack f ace
图 4 材料热震后断口形貌 ( T = 600°C, 5 cycl es ) Fig. 4 SE M microphot ograph of t he f ract ure s urf ace of t w o mat erials af ter th ermal sh ock ( a) A l2O 3-SiCw ( b) A l2O 3-Ti Cp
380பைடு நூலகம்
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S iCw
4. 7
414
36
T iCp
7. 4
462
22
与 T iCp 的相关热物理性能及力学性能, 由表中数据 可知 SiC 晶须的加入均可增加材料的导热系数 K , 降
低热膨胀系数 , 提高了材料的强度 f , 从一定程度上 改善了材料的抗热震性。但 T iCp 与 SiCw 相比, 及 E 较大, 而 K 较小, 因此, 从这一角度来看, T iC 颗 粒的加入对 A l2O3-T iCp 复合材料的抗热震断裂性能 的改善不如 A l2 O3 -SiCw 材料。 2. 2. 2 材料的增韧机理 尽管材料的热、物理性能的改善有利于材料抗热