第十章 材料界面的結(jié)合強度與失效

1、1,第十章 材料界面的結(jié)合強度與失效,江蘇大學 材料科學與工程學院,2,界面是基體和增強體間的結(jié)合區(qū)域。由于界面具有傳遞、阻檔、吸收和散射、誘導等功能，為料設計提供了廣闊的途徑，因此界而問題在復合材料研究中一直受到極大的關注。,第一節(jié) 材料界面的破壞,3,圖10-1為典型的接合界面的破壞表面。接合體是用部分穩(wěn)定化Ti-Cu非晶態(tài)焊料將氧化鋯軟鋼接合而成的。,4,氮化硅Cu緩沖層軟鋼接合體的四點彎曲試樣斷裂面模型如圖102所示。其中，破壞主要在界面的邊緣部位，特別是在角部發(fā)生，然后再向陶瓷內(nèi)部遷移。這時因為存在于角部及其附近區(qū)域的應力集中往往導致殘余應力過大，使該部位因開裂而破壞的緣故。,5,6

2、,第二節(jié) 材料界面的力學研究特點,所謂“接合界面的力學行為研究，就是研究上述應力集中和接合界面的組織不均勻等問題，它不僅僅是研究接合課題的部分人員需要進行認真研究的課題也是最近若干年前興起的、在解析領域進行的跨學科的研究工頁目。,7,對接合質(zhì)量進行評價時，應當將距接合界面的距離極小的陶瓷部分的質(zhì)量及變化也加以充分的考慮： 界面附近的應力集中； 殘余熱應力的分布； 接合過程中的劣化和組織變化； 加載過程中的質(zhì)量劣化和組織變化。,第十一章 材料界面的評估,作為評價的條件，對于要求可靠性高的接合，不僅應當評價接合體短時間負荷的指標，還應當考慮靜疲勞、脈動疲勞、熱疲勞、熱沖擊強度、高溫強度、高溫蠕變等

3、很多項目。,8,第一節(jié) 材料界面的強度評價,一般地講，是通過彎曲試驗、拉伸試驗、剪切試驗來進行異相界面靜態(tài)接合強度的評價。不論是陶瓷一陶瓷之間還是陶瓷與金屬之間的接合，或是附有中間層的接合，接合體可以有多種組合形式。因此在實用上，裝機試驗是最直接的評價方法。然而，評價形狀和接合過程、判斷接合方式的優(yōu)劣等都把設計收集基礎數(shù)據(jù)作為研究的目的，因此應盡快地將評價方法標準化。,9,彎曲試樣的代表尺寸如圖111 所示。彎曲試樣的尺寸、形狀與IIS-R1601(日本標準)精細陶瓷強度評價時所用試樣相同。,10,在接合體中，接合部位有可能不止一處，因此不一定都是圖示的三明治形狀的試樣。在彎曲試驗時，主要應當

4、要求能夠方便地將接合部位放置于彎曲跨距的中央部位見圖11-2。,我國的機械行業(yè)標準JB/T 77161995,11,另外，為了避免結(jié)合部位與壓頭接觸，應盡量不選用三點彎曲的形式。對于氮化硅軟鋼的活化金屬釬焊接合體，其典型的四點彎曲強度代表性威伯爾曲線，圖113。,12,圖113中存在一些強度非常低的數(shù)據(jù)，但顯然測試數(shù)據(jù)符合威伯爾分布。這種低強度數(shù)據(jù)存在的事實過去也曾有報道，認為是由于熱應力而引起。四點彎曲的試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)的離散性不大，能夠穩(wěn)定地進行接合強度的評價。但是，對于有長時間工作下強度要求的拉桿類工件，這種低強度數(shù)據(jù)的存在就成為一個不可忽視的問題，在四點彎曲測試中，破壞裂紋從被拉伸一側(cè)的

5、界面邊緣部位，特別是角部產(chǎn)生，向陶瓷中擴展。,13,圖114表示拉伸試樣的典型尺寸。拉伸試樣的制作需要花費相當大的勞動時間。設計拉伸強度試樣的結(jié)構(gòu)時，可以采用把陶瓷置于中央部位的形式。因彎曲力矩對拉伸試驗的結(jié)果有較大的影響。需要制作不會改變彎曲力矩的夾具和采用不打滑的試樣固定方法。根據(jù)實驗條件，必須一邊測定軸向應變一邊進行拉伸，按部就班地認真進行試驗。即使在拉伸試驗時，破壞一也是先從邊緣部位的某一個點處產(chǎn)生，然后向陶瓷中擴展，直至試樣最終斷裂。,14,15,16,圖11所示為(Al3Zr+Al2O3)/Al復合材料原位拉伸過程的SEM圖。 在加載初期首先出現(xiàn)了圖11a所示的灰白色細密滑移帶。

6、隨著載荷的加大，滑移帶出現(xiàn)圖11b所示的交錯現(xiàn)象，同時在滑移帶密集區(qū)或者顆粒周圍觀察到了微裂紋和裂口的出現(xiàn)，裂口短而細; 圖11f所示為圖11b所示的交錯滑移帶的高倍組織。 當繼續(xù)加載時，這些裂口變粗，變長，并且連接起來，裂口的長大及連接趨向有的沿滑移帶的交匯線，有的沿顆粒邊緣，有的則穿過顆粒，使顆粒破碎，形成如圖11c所示的裂紋。,(Al3Zr+Al2O3)/Al復合材料的原位拉伸觀察,17,(Al3Zr+Al2O3)/Al復合材料原位拉伸過程的SEM圖.,18,原位拉伸過程中顆粒脫落時的受力模型,19,顆粒脫落形成的“孔洞”接合導致的裂紋產(chǎn)生模型,20,基體中氣孔和夾渣缺陷引起的裂紋萌生,

7、21,(Al3Zr+Al2O3)/A356復合材料的原位拉伸觀察,(Al3Zr+Al2O3)/A356復合材料原位拉伸前的原始SEM形貌,由A356-20%Zr(CO3)2體系在脈沖磁場下所制備的(Al3Zr+Al2O3)/ A356復合材料原位拉伸前的原始形貌。,22,(Al3Zr+Al2O3)/A356復合材料原位拉伸過程中的裂紋萌生過程SEM圖,23,隨著拉伸的繼續(xù)進行，萌生后的裂紋進一步擴展延伸。,24,(Al3Zr+Al2O3)/A356復合材料原位拉伸過程中的裂紋擴展長大過程SEM圖,25,復合材料中的位錯分布TEM圖,(Al3Zr+Al2O3)P/ A356復合材料的基體A356為時效硬化型基體，且Al3Zr和Al2O3增強體對基體A356合金中Mg2Si析出相的分布和尺寸的影響很大?；wA356位錯密集，呈網(wǎng)狀分布，且與時效析出相連接。 這表明原位內(nèi)生顆粒使基體位錯密度顯著增加，而位錯又有利于時效析出相的