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脆性转韧性:特种陶瓷的“脱胎换骨”之术
2020年01月16日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:1517
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“木刚易折,水滴石穿”。古人根据生活经验总结出的规律,往往浅显易懂、深入浅出。有时候,真正的强大并非源于刚硬,却往往归于柔韧。一个掌握柔韧能力的人,往往如脱胎换骨一般,在社会中游刃有余。做人如此,陶瓷亦如是。

陶瓷材料的键性主要是离子键与共价键,而且往往是两种键杂交在一起,这就决定了其本质:刚硬有余,韧性不足。陶瓷显而易见的本征属性就是——脆性,具体表现为在外加应力作用下会突然断裂,抗冲击强度低、温度剧变承受能力差,极大地限制了其应用范围。对于一些军用或特殊场合使用的特种陶瓷而言,提高陶瓷韧性才能使其“脱胎换骨”,雄霸天下!

根据Griffith微裂纹理论,实际材料中存在许多微裂纹或缺陷,在外力作用下这些裂纹或缺陷会因应力集中而扩展,导致断裂失效现象发生。因此,脆性材料的断裂强度σ与微裂纹密切相关,可从下面的公式中看出:

其中,E代表弹性模量,γ代表断裂表面能,u代表泊松比,c代表裂纹尺寸。

显然,材料强度σ与微裂纹尺寸c相关,裂纹尺寸c越大,材料强度越低,越容易失效。事实上,材料强度σ是经典强度理论对材料的一种表征手段,但它没有抓住断裂的本质,不能预防低应力下的脆性断裂。不过,我们可以从中提取出与裂纹尺寸不相关的部分,由断裂力学理论出发,建立另外一种材料表征手段——断裂韧性KIc,用以评价材料阻止裂纹扩展的能力。对于脆性材料:

其中,E代表弹性模量,γ代表断裂表面能,u代表泊松比。

公式中,Eu是非结构敏感的,因此提高材料断裂韧性KIc主要从提高断裂表面能角度出发。陶瓷断裂模式有穿晶断裂和晶界断裂两种,相对于晶粒,晶界的强度往往较低,因此裂纹沿晶界扩展的情况较多。由此,大多数增韧方式的对象往往都是晶界。换言之,陶瓷“脱胎换骨”的关键在于晶界。

l 特种陶瓷增韧方法汇总

特种陶瓷增韧方式及机理

增韧方式

机理

举例

相变增韧

利用陶瓷中组成相的相变来增韧,相变过程可吸收、消耗晶界中裂纹扩展的能量

裂纹应力可诱导ZrO2的马氏体相变,即由四方相转为单斜相(体积增大3-5%),消耗裂纹扩展的能量

弥散增韧

在陶瓷基体中加入一定尺寸的微细粉料,利用晶界中第二相对裂纹的偏转、弯曲等作用达到增韧效果

将纳米LiTaO3细粉加入氧化铝陶瓷中,断裂韧性可达5MPa·m1/2以上

纤维/晶须增韧

在陶瓷基体中加入高强度、高模量的陶瓷纤维或晶须,利用桥联、裂纹偏转、拔出效应等方式增韧

含20% SiC晶须的莫来石陶瓷断裂韧性可提高2-2.5倍

显微结构增韧

优化陶瓷材料配方或工艺,获得强韧化的显微结构

Y2O3+La2O3稀土添加剂可使氮化硅显微晶粒呈柱状,该结构可消耗裂纹扩展的能量

金属-陶瓷复合

在陶瓷基体中加入金属粉末,利用金属的塑性变形吸收能量来增韧

Al2O3/Ni复合陶瓷的断裂韧性由4.3MPa·m1/2增加到9.7MPa·m1/2

左:氧化锆相变增韧机理,右:纳米LiTaO3增韧氧化铝陶瓷(弥散增韧)

左:碳纤维增韧碳化硅陶瓷(纤维增韧),右:柱状显微结构氮化硅(显微结构增韧)

l 断裂韧性测试方法汇总

由于不同测试方法测得的断裂韧性数值往往存在差别,因此根据测试样品的特点选择合适的断裂韧性测试方法,尤为重要。下表列出了几种常见的断裂韧性测试方法。

断裂韧性测试方法汇总

测试方法

制样方法

特点

单边切口梁法

试样为长条状(长*宽*厚=L*B*W),在底面中间位置,沿宽度方向,制作切深为c的切口,c/W=0.4~0.6;B≈1/2W

应用较广泛,国内外比较流行,但因受切口钝化影响,对于细晶粒瓷,测试结果偏大

压痕法

在简支梁试样受拉面的中部,用Knoop压头制作一人工的非贯穿尖锐裂纹,裂纹长度方向垂直于梁的纵轴

压痕接近于实际材料的表面尖锐小裂纹,适用于致密的陶瓷及玻璃;但压痕尺寸的测量受人为判断影响

双扭法

试样呈薄板状,一般尺寸为2*24*30~2*24*40mm3;在试样底面,沿长度方向,在宽度的中点开一条槽,槽深占厚度的1/3~1/2

适用于薄片状材料,国际公认此法较为成熟,获得的数据较准确;但试样尺寸较大,且属于大裂纹,与常见裂纹有差别

 

作者:王京


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