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(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)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(dǎo)等功能，為料設(shè)計提供了廣闊的途徑，因此界而問題在復(fù)合材料研究中一直受到極大的關(guān)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(yīng)力集中往往導(dǎo)致殘余應(yīng)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(xué)研究特點,所謂“接合界面的力學(xué)行為研究，就是研究上述應(yīng)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(rèn)真研究的課題也是最近若干年前興起的、在解析領(lǐng)域進行的跨學(xué)科的研究工頁目。,7,對接合質(zhì)量進行評價時，應(yīng)當(dāng)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(yīng)力集中； 殘余熱應(yīng)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(yīng)當(dāng)評價接合體短時間負(fù)荷的指標(biāo)，還應(yīng)當(dāng)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(shè)計收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為研究的目的，因此應(yīng)盡快地將評價方法標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn))精細(xì)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(yīng)當(dāng)

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(biāo)準(zhǔn)JB/T 77161995,11,另外，為了避免結(jié)合部位與壓頭接觸，應(yīng)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(rèn)為是由于熱應(yīng)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(dāng)大的勞動時間。設(shè)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(yīng)變一邊進行拉伸，按部就班地認(rèn)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(fù)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(xì)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(xì); 圖11f所示為圖11b所示的交錯滑移帶的高倍組織。 當(dāng)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(fù)合材料的原位拉伸觀察,17,(Al3Zr+Al2O3)/Al復(fù)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(dǎo)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(fù)合材料的原位拉伸觀察,(Al3Zr+Al2O3)/A356復(fù)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(fù)合材料原位拉伸前的原始形貌。,22,(Al3Zr+Al2O3)/A356復(fù)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(fù)合材料原位拉伸過程中的裂紋擴展長大過程SEM圖,25,復(fù)合材料中的位錯分布TEM圖,(Al3Zr+Al2O3)P/ A356復(fù)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