無(wú)機(jī)材料的強(qiáng)化和增韌

無(wú)機(jī)材料的強(qiáng)化和增韌第一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三強(qiáng)化和增韌一.問(wèn)題的提出二.材料的強(qiáng)化三.陶瓷材料的增韌第二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三一、問(wèn)題的提出人們?cè)诶貌牧系牧W(xué)性質(zhì)時(shí)，總是希望所使用的材料既有足夠的強(qiáng)度，又有較好的韌性。但通常的材料往往二者只能居其一，要么是強(qiáng)度高，韌性差；要么是韌性好，但強(qiáng)度卻達(dá)不到要求。尋找辦法來(lái)彌補(bǔ)材料各自的缺點(diǎn)，這就是材料強(qiáng)化和增韌所要解決的問(wèn)題。第三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三一、問(wèn)題的提出例金屬材料有較好的韌性，可以拉伸得很長(zhǎng)，但是強(qiáng)度不高，所以對(duì)金屬材料而言，需要增加的是強(qiáng)度，強(qiáng)化成為關(guān)鍵的問(wèn)題；而陶瓷材料本身的強(qiáng)度很高，其彈性模量比金屬高得多，但缺乏韌性，會(huì)脆斷，所以陶瓷材料要解決的是增韌的問(wèn)題。如果能成功地實(shí)現(xiàn)材料的強(qiáng)化或增韌，就可以彌補(bǔ)上述兩種材料各自所缺的性能。第四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、材料的強(qiáng)化從理論上來(lái)看，提高材料強(qiáng)度有兩條途徑：完全消除內(nèi)部的位錯(cuò)和其它缺陷，使材料的強(qiáng)度接近理論強(qiáng)度。在材料中引入大量的缺陷，以阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。第一種方法目前已制出無(wú)位錯(cuò)高強(qiáng)度的晶須，但實(shí)際應(yīng)用還存在困難。因?yàn)檫@樣獲得的高強(qiáng)度是不穩(wěn)定的，對(duì)于操作效應(yīng)和表面情況非常敏感，而且一旦位錯(cuò)產(chǎn)生后，強(qiáng)度就大大下降。在實(shí)際生產(chǎn)中，強(qiáng)化材料走的是第二種途徑。第二種引入大量缺陷的方法又細(xì)分為：加工硬化、合金強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、化學(xué)強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化等。對(duì)陶瓷來(lái)說(shuō)，為了消除缺陷，提高晶體的完整性，細(xì)、密、勻、純是發(fā)展的一個(gè)重要方向。第五頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三例如：用熱壓工藝制造的Si3N4陶瓷，當(dāng)密度接近理論值時(shí)幾乎沒(méi)有氣孔。（1）加工硬化金屬材料大量形變以后強(qiáng)度會(huì)提高。例如：一根銅絲經(jīng)過(guò)適當(dāng)彎折后會(huì)變硬，這是因?yàn)榘l(fā)生的塑性形變產(chǎn)生了大量的位錯(cuò)，位錯(cuò)密度的提高使得金屬?gòu)?qiáng)度提高。是指通過(guò)晶粒粒度的細(xì)化來(lái)提高金屬的強(qiáng)度。這種提高金屬?gòu)?qiáng)度的方法內(nèi)在的原因是晶界對(duì)位錯(cuò)滑移的阻滯效應(yīng)。（2）細(xì)晶強(qiáng)化（3）合金強(qiáng)化實(shí)際使用的金屬材料多半是合金。合金元素的作用主要是改善金屬的力學(xué)性質(zhì)，即提高強(qiáng)度或改善塑性。第六頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三是利用點(diǎn)缺陷對(duì)金屬基體進(jìn)行的強(qiáng)化。具體的方式是通過(guò)溶入某種溶質(zhì)元素形成固溶體而使金屬?gòu)?qiáng)度、硬度升高。是指沉淀顆粒的引入，使得材料強(qiáng)度在時(shí)效溫度下隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象。該方法是鋁合金和高溫合金的主要強(qiáng)化手段。（4）固溶強(qiáng)化（5）沉淀強(qiáng)化高溫下金屬材料的強(qiáng)化開(kāi)始是通過(guò)使用高熔點(diǎn)或擴(kuò)散激活能大的金屬和合金來(lái)實(shí)現(xiàn)的。（6）高溫強(qiáng)化鎳基高溫合金材料的使用就是一個(gè)成功的例子第七頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三（7）化學(xué)強(qiáng)化是采用離子交換的辦法（通常用一種大的離子置換小的離子）。這種技術(shù)是通過(guò)改變表面化學(xué)的組成，使表面的摩爾體積比內(nèi)部大。表面體積膨大受到內(nèi)部材料的限制，就產(chǎn)生兩相狀態(tài)的壓應(yīng)力。若：則：此外，將表面拋光及化學(xué)處理以消除表面缺陷也能提高強(qiáng)度。（2.19）第八頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三三.陶瓷材料的增韌相變?cè)鲰g微裂紋增韌

裂紋偏折和彎曲增韌裂紋分支增韌橋聯(lián)與拔出增韌延性顆粒增韌殘余熱應(yīng)力增韌壓電效應(yīng)損耗能量增韌電疇翻轉(zhuǎn)增韌復(fù)合韌化機(jī)制

第九頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三三.陶瓷材料的增韌1.相變?cè)鲰g第二相顆粒相變韌化（transformationtoughening）是指將亞穩(wěn)的四方ZrO2顆粒引入到陶瓷基體中，當(dāng)裂紋擴(kuò)展進(jìn)入含有t-ZrO2晶粒的區(qū)域時(shí)，在裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的作用下，將會(huì)導(dǎo)致t-ZrO2發(fā)生tm相變，因而除了產(chǎn)生新的斷裂表面而吸收能量外，還因相變時(shí)的體積效應(yīng)（膨脹）而吸收能量，可見(jiàn)，應(yīng)力誘發(fā)的這種組織轉(zhuǎn)變消耗了外加應(yīng)力。同時(shí)由于相變粒子的體積膨脹而對(duì)裂紋產(chǎn)生壓應(yīng)力，阻礙裂紋擴(kuò)展。結(jié)果這種相變韌化作用使在該應(yīng)力水平下在無(wú)相變粒子的基體中可以擴(kuò)展的裂紋在含有氧化鋯

tm相變粒子的復(fù)合材料中停止擴(kuò)展，如要使其繼續(xù)擴(kuò)展，必須提高外加應(yīng)力水平，具體體現(xiàn)在提高了材料的斷裂韌性。第十頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三三.陶瓷材料的增韌必要條件有亞穩(wěn)的四方氧化鋯顆粒存在t相的晶粒尺寸是影響t-m相變的一個(gè)重要因素，Ms點(diǎn)隨晶粒尺寸的減少而降低。氧化鋯的室溫組織存在一個(gè)臨界粒徑dc，ddc的晶粒室溫下已經(jīng)轉(zhuǎn)變成m相；ddc的晶粒冷卻到室溫仍保留為t相。所以只有ddc的晶粒才有可能（但不一定）產(chǎn)生相變韌化作用。當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)最高值一定的情況下，應(yīng)力誘發(fā)t-m相變存在一個(gè)臨界晶粒直徑d1。只有d1ddc的晶粒才會(huì)應(yīng)力誘發(fā)相變（stressinducedphasetransformation），即這部分晶粒才對(duì)相變韌化有貢獻(xiàn)。第十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三(a)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)引起的轉(zhuǎn)變區(qū)，(b)典型馬氏體相變應(yīng)力應(yīng)變行為，(c)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)變化，(d)裂紋擴(kuò)展進(jìn)入轉(zhuǎn)變區(qū)受到殘余應(yīng)力作用aW裂紋原始裂紋位置轉(zhuǎn)變區(qū)表面應(yīng)變A應(yīng)力pA應(yīng)力與裂紋尖端距離rP/=ETP/=EU臨界轉(zhuǎn)變應(yīng)力(PAii)c粒子尺寸溫度等

裂紋W受約束時(shí)作用區(qū)不受約束時(shí)作用區(qū)裂紋(d)(a)(b)(c)三.陶瓷材料的增韌第十二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三應(yīng)力誘發(fā)t-m相變的增韌公式式中為無(wú)相變基體材料的斷裂韌性，為化學(xué)驅(qū)動(dòng)力，為殘留相應(yīng)變能。R為相變區(qū)寬度，E為彈性模量，為波松比，Vi

為可轉(zhuǎn)變t相的體積分?jǐn)?shù)，相變?cè)鲰g的貢獻(xiàn)

第十三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三微裂紋增韌（microcracktoughening）是指因熱膨脹失配或相變誘發(fā)出顯微裂紋，這些尺寸很小的微裂紋在主裂紋尖端過(guò)程區(qū)內(nèi)張開(kāi)而分散和吸收能量，使主裂紋擴(kuò)展阻力增大，從而使斷裂韌性提高。

2.微裂紋增韌過(guò)程區(qū)內(nèi)微裂紋吸收能量與微裂紋的表面積即裂紋密度呈正比，所以由微裂紋韌化所產(chǎn)生的韌性增量在微裂紋不相互連接的情況下，隨微裂紋的密度增加而增大。顯微裂紋的密度與兩相的膨脹系數(shù)之差引起的殘余應(yīng)力的大小及第二相粒子的尺寸和含量有關(guān)。第十四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三微裂紋韌化導(dǎo)致斷裂韌性的增量為式中E1為主裂紋尖端含有微裂紋材料的彈性模量，fs為顯微裂紋密度，W為過(guò)程區(qū)寬度的一半，為顯微裂紋引起的膨脹應(yīng)變。

微裂紋增韌同樣對(duì)溫度和粒子尺寸很敏感，合適的顆粒尺寸是大于應(yīng)力誘發(fā)相變的臨界尺寸而小于自發(fā)產(chǎn)生危險(xiǎn)裂紋的臨界尺寸，并且應(yīng)減小基質(zhì)與粒子間的熱失配，使其產(chǎn)生最大的相變張應(yīng)力。微裂紋的密度大到一定程度后，就會(huì)使裂紋相互連接，形成大裂紋，反而使韌性下降。第十五頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三裂紋尖端過(guò)程區(qū)的應(yīng)力分布及第二相粒子誘發(fā)微裂紋示意圖DZrO2Al2O312顯微裂紋裂紋過(guò)程區(qū)yyacC/2YmcXf第十六頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三裂紋偏折和彎曲增韌機(jī)制是指基體中第二彌散相的存在會(huì)擾動(dòng)裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)，使裂紋產(chǎn)生偏折和彎曲，從而減小了驅(qū)動(dòng)力，增加了新生表面區(qū)域，提高了韌性。3.裂紋偏折和彎曲增韌裂紋偏折和彎曲不受溫度和粒子尺寸的影響優(yōu)點(diǎn)當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到不可穿越障礙物（impenetrable）時(shí)，有兩種并存的主要擾動(dòng)作用，即裂紋偏折和裂紋彎曲。裂紋偏折產(chǎn)生非平面裂紋，而裂紋彎曲產(chǎn)生非線(xiàn)形裂紋前沿。

第十七頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三裂紋偏折

裂紋偏折過(guò)程可以看作分兩步進(jìn)行（1）首先是裂紋尖端的傾斜（tilt），產(chǎn)生裂紋偏轉(zhuǎn)（圖(a)）；（2）隨后由于裂紋前沿的不同部分向不同方向傾斜，進(jìn)一步的裂紋擴(kuò)展將導(dǎo)致裂紋面的扭曲（twist），產(chǎn)生非平面裂紋（圖(b)）。裂紋偏折示意圖(a)裂紋傾斜，(b)裂紋扭轉(zhuǎn)yzxAAAA1(a)(b)第十八頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三裂紋偏折增韌的效果依賴(lài)于第二相粒子的體積分?jǐn)?shù)和形狀，特別是第二相粒子的縱橫比（R）?？v橫比為121時(shí)棒狀粒子的增韌效果為佳，并在10%體積分?jǐn)?shù)時(shí)達(dá)到飽和。裂紋彎曲

裂紋端與細(xì)分散第二相粒子間的相互作用，彌散分布的第二相有釘扎裂紋端的作用，使裂紋前端在兩粒子間向外突出彎曲。裂紋前端形狀的改變、長(zhǎng)度的增加以及新裂紋表面的形成都消耗了能量。彌散顆粒含量大、平均間距小且顆粒半徑較大時(shí)，微裂紋彎曲增韌作用較大。第十九頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三裂紋彎曲示意圖2Rc裂紋被第二相粒子釘扎和脫開(kāi)過(guò)程①Approaching,②encounteringandpinning,③protruding,④combining,⑤divorcingdD①

②

③

④

⑤

第二十頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三(a)(b)(c)(d)200MPa冷等靜壓成型然后1300℃無(wú)壓燒結(jié)LTA陶瓷復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展路徑SEM照片第二十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三LiTaO3顆粒內(nèi)裂紋發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的TEM照片A0.2mLiTaO3Al2O3CrackDomainLiTaO3Particle第二十二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三4.裂紋分支增韌裂紋分支增韌機(jī)制是指材料中主裂紋端產(chǎn)生微裂紋后，使某些晶界變?nèi)鹾头蛛x，并與主裂紋交互作用促使裂紋分支、晶界啟裂和伸展。在拉伸應(yīng)力的作用下，弱晶界裂開(kāi)，增加了表面積，并且晶界上存在的細(xì)小粒子使裂紋產(chǎn)生彎曲，隨后如果裂紋發(fā)展到切開(kāi)或剝離粒子時(shí)，需要消耗更多的能量，從而提高了韌性。裂紋分支的最大貢獻(xiàn)在于與其它機(jī)制的相互復(fù)合作用，這在兩相或多相材料中更為有效。LiTaO3ParticleDomainCrack第二十三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三動(dòng)態(tài)拉伸后15LTA陶瓷復(fù)合材料試樣中LiTaO3顆粒內(nèi)裂紋擴(kuò)展的TEM觀察BAAAAB(a)(b)(c)(d)0.1m0.1m0.2m0.1mC裂紋偏轉(zhuǎn)和分支第二十四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三5.橋聯(lián)與拔出增韌裂紋尖端后部區(qū)域的第二增強(qiáng)相或（和）大的晶粒會(huì)橋聯(lián)裂紋面，對(duì)裂紋產(chǎn)生一個(gè)閉合力，在裂紋擴(kuò)展使橋聯(lián)遭到破壞時(shí)，橋聯(lián)相一般還會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生拔出作用。橋聯(lián)和拔出消耗了額外的能量，從而提高了材料的斷裂韌性。

微裂紋韌化導(dǎo)致斷裂韌性的增量為式中為復(fù)合陶瓷斷裂韌性，為復(fù)合陶瓷彈性模量，為基體材料斷裂能，和分別為橋聯(lián)和拔出引起的斷裂能變化。第二十五頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三橋聯(lián)與拔出增韌機(jī)理示意圖TDBB橋聯(lián)相與基體界面間分離長(zhǎng)度以及拔出相長(zhǎng)度的大小直接影響到橋聯(lián)和拔出作用的增韌效果，因此橋聯(lián)相與基體在物理和化學(xué)性質(zhì)上的相互匹配十分重要，合理的兩相界面設(shè)計(jì)是提高橋聯(lián)和拔出增韌作用的關(guān)鍵。第二十六頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三6.延性顆粒增韌延性顆粒增韌機(jī)制是指在脆性陶瓷基體中加入第二相延性顆粒，利用其塑性變形來(lái)緩解裂紋尖端高度的應(yīng)力集中，可以明顯提高材料的斷裂韌性。金屬陶瓷是這一增韌方法的典型代表。金屬能否對(duì)陶瓷潤(rùn)濕良好，從而形成彼此交錯(cuò)的均勻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)增韌效果起決定性作用。在適當(dāng)?shù)臈l件下，如果形成延性裂紋橋聯(lián)會(huì)進(jìn)一步提高增韌效果。第二十七頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三具有延性顆粒裂紋橋聯(lián)的復(fù)合材料的斷裂韌性為式中為基體的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，D為裂紋橋長(zhǎng)度，為延性顆粒的屈服強(qiáng)度，為第二相體積分?jǐn)?shù)，為常數(shù)。

當(dāng)基體與延性顆粒的、E相等時(shí)，延性裂紋橋聯(lián)的增韌效果最佳，而當(dāng)、E相差足夠大時(shí)，裂紋將繞過(guò)金屬顆粒擴(kuò)展，不能充分發(fā)揮金屬的延性性能，增韌效果較差?？紤]到裂紋尖端形成的塑性變形過(guò)程區(qū)，延性裂紋橋聯(lián)增韌效果比上式所預(yù)測(cè)的更大。第二十八頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三延性顆粒裂紋橋聯(lián)示意圖CCDc第二十九頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三7.殘余熱應(yīng)力增韌當(dāng)裂紋擴(kuò)展進(jìn)入殘余熱應(yīng)力區(qū)時(shí)，殘余熱應(yīng)力釋放，同時(shí)有閉合阻礙裂紋擴(kuò)展的作用，從而提高了材料的斷裂韌性。

平均殘余熱應(yīng)力q引起的斷裂韌性變化量為式中d為第二相顆粒平均直徑，為第二相顆粒體積分?jǐn)?shù)，q可根據(jù)材料常數(shù)和求出。

第二相顆粒越粗，平均殘余熱應(yīng)力對(duì)材料斷裂韌性的影響越大。另外，當(dāng)q為負(fù)值時(shí)，平均殘余熱應(yīng)力對(duì)材料的斷裂韌性不利。

第三十頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三殘余熱應(yīng)力引起的裂紋偏折示意圖Crackpathm

Tensilem

Compressive第三十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期三8.壓電效應(yīng)損耗能量增韌壓電效應(yīng)損耗能量增韌是由Chen和Yang新近提出的一種陶瓷增韌機(jī)制，他們把具有壓電效應(yīng)的第二相粒子引入陶瓷基體，當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到壓電相粒子時(shí)，會(huì)引起壓電效應(yīng)，這樣一部分引起裂紋擴(kuò)展的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，從而提高了陶瓷材料的斷裂抗力。

平均殘余熱應(yīng)力q引起的斷裂韌性變化量為式中為復(fù)合陶瓷的總體斷裂韌性，為復(fù)合陶瓷的彈性模量，為基體中與裂紋擴(kuò)展相關(guān)的能量，為由于第二相存在引起的能量變化，為由于壓電效應(yīng)引起的能量損耗。

第三十二頁(yè)，共三