论强度和韧性

论强度和韧性

提高材料的强度是几个世纪以来材料研究的核心问题。迄今为止强化材料的途径可以分为四个类型：固溶强化、第二相弥散强化、加工强化和晶粒细化强化。这些强化技术的实质是通过引入各种缺陷（点缺陷、线、面及体缺陷等）阻碍位错运动，使材料难以产生塑性变形而提高强度。但材料强化的同时往往伴随着塑性或韧性的急剧下降，造成高强度材料往往缺乏塑性和韧性，而高塑性材料的强度往往很低。长期以来这种材料的强韧性“倒置关系”成为材料领域的重大科学难题。

强度是材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力，根据Griffith 脆性断裂理论，强度与弹性模量、断裂表面能、微裂纹尺寸有关。而韧性是材料在断裂难题和制约材料发展的重要瓶颈。前吸收能量和进行塑性变形，即阻止裂纹扩展的能力。对于一般陶瓷来说，增韧势必会影响其强度，比如陶瓷颗粒间结合越强越难发生裂纹的偏折、裂纹桥接等。颗粒增韧、微裂纹增韧、纤维增韧都在一定程度上降低了强度，因为这些在陶瓷内部可以说是一种缺陷，通过这种缺陷来诱导裂纹的传播方向释放断裂能。只能说在陶瓷强度满足使用要求的基础上来提高其断裂韧性。

影响陶瓷材料强度的因素是多方面的，材料强度的本质是内部质点（原子、离子、分子）间的结合力，为了使材料实际强度提高到理论强度的数值，长期以来进行了大量的研究。从对材料的变形及断裂的分析可知，在晶体结构既定的情况下，控制强度的主要因素有三个，即弹性模量E，断裂功（断裂表面能）和裂纹尺寸。其中E是非结构敏感，与微观结构有关，但对单相材料，微观结构的影响不大，唯一可以控制的是材料中的微裂纹，可以把微裂纹理解为各种缺陷的总和。所以强化措施大多从消除缺陷和阻止其发展着手。增韧就是提高材料强度及改善陶瓷的脆性，是陶瓷材料要解决的重要问题。与金属材料相比，陶瓷材料有极高的强度，其弹性模量比金属大很多。但大多数陶瓷材料缺乏塑性

变形能力和韧性，极限应变小于0.1%~0.2%，在外力作用下呈现脆性，并且抗冲击、抗热冲击能力也很差。一般陶瓷材料在室温下塑性为零，这是因为大多数陶瓷材料晶体结构复杂、滑移系统少，位错生成能高并且位错的可动性差。

部分稳定氧化物陶瓷在烧结冷却过程中，存在较粗四方相向单斜相的转变，引起体积膨胀，在基体中产生弥散分布的裂纹或者主裂纹扩展过程中在其尖端过程区内形成的应力诱发相变导致的微裂纹，这些尺寸很小的微裂纹在主裂纹尖端扩展过程中会导致主裂纹分叉或改变方向，增加了主裂纹扩展过程中的有效表面能，此外裂纹尖端应力集中区内微裂纹本身的扩展也起着分散主裂纹尖端能力的作用，从而抑制了主裂纹的快速扩展，提高了材料的韧性。

本文介绍了一种仿生物结构的新型复合氧化铝陶瓷材料，跟一般氧化铝陶瓷材料相比强度相近，但是韧性却提高了很多，能达到30MPa m1/2,是目前为止记录韧性最高的陶瓷材料。文章从裂纹产生和生成以及断裂方面说明如何提高材料的强度和韧性，主要机制可分为内部增韧和外部增韧。内在破坏机制是作用在裂纹尖端促进裂纹生长，外部裂纹滑移机制主要作用在裂纹尖端后部阻碍裂纹生长。因此，内部增韧主要来自材料的塑性，提高材料本身的抗破坏性能，即提高裂纹产生和裂纹生长韧性；外部增韧主要是释放裂纹尖端的局部压力和拉应力，仅仅作用在裂纹生长韧性上。

BMG复合材料增加强韧性主要是阻止单个剪切带的产生。一种方法是增加一个第二相阻碍剪切带，如存在于Zr-Ti-Nb-Cu-Be玻璃中的树枝晶，枝晶间隙小于裂纹断裂尺寸，与一般的整体合金模型相比韧性能达到它们的三到四倍；另一种方法是提高剪切带在整个模型中的比例，促进剪切带的生成，但是在剪切带的间隙中产生断裂变得很难，如

Pd-Ag-P-Si-Ge玻璃中是增加剪切带数量。相比现代人为合成的材料性能远远没有自然界中生物材料的性能优越，如珍母贝是一种0.5um厚霰石

结构中间夹了一层润滑物，仿生物合成的铝基PMMA就是通过冷冻铸造制成的类似于珍母贝结构的复合材料。韧性是与层结构“brick”和矿物内表面的摩擦滑动。这种铝基PMMA陶瓷材料表现出了比传统的陶瓷材料更好的韧性和拉伸塑性，韧性可达30MPa m1/2。上面的这些实例都是期望能找到一种能同时增加韧性和强度的特别的性能，现在有一些方法能在一种材料中达到这些要求，通过增加塑性和在不同长度尺寸范围内运用增韧机制。内部增韧通过无弹性变形来释放局部高压，如位错塑性和增加金属玻璃中剪切带数量，摩擦滑动和骨组织中微裂纹或者海贝中的薄片滑动；外部增韧，如裂纹偏折和裂纹桥联能使韧性增大到一个更大的尺度范围。