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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划陶瓷材料增韧机制(共5篇)陶瓷材料的增韧机理引言:现代陶瓷材料具有耐高温、硬度高、耐磨损、而腐蚀及相对密度轻等许多优良的性能。但它同时也具有致命的弱点,即脆性,这一弱点正是目前陶瓷材料的使用受到很大限制的主要原因。因此,陶瓷材料的强韧化问题便成了研究的一个重点问题。陶瓷不具备像金属那样的塑性变形能力,在断裂过程中除了产生新的断裂表面需要吸收表面能以外,几乎没有其它吸收能量的机制,这就是陶瓷脆性的本质原因。人们经过多年努力,已探索出若干韧化陶瓷的途径,包括纤维增韧、晶须增韧、相变增韧、
2、颗粒增韧、纳米复合陶瓷增韧、自增韧陶瓷等。这些增韧方法的实施,使陶瓷材料的韧性得到了较大的提高,使陶瓷材料在高温结构材料领域显示出强劲的竞争潜力。增韧原理：纤维增韧为了提高复合材料的韧性,必须尽可能提高材料断裂时消耗的能量。任何固体材料在载荷作用下(静态或冲击),吸收能量的方式无非是两种:材料变形和形成新的表面。对于脆性基体和纤维来说,允许的变形很小,因此变形吸收的断裂能也很少。为了提高这类材料的吸能,只能是增加断裂表面,即增加裂纹的扩展路径。纤维的引入不仅提高了陶瓷材料的韧性,更重要的是使陶瓷材料的断裂行为发生了根本性变化,由原来的脆性断裂变成了非脆性断裂。纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机制包
3、括基体预压缩应力、裂纹扩展受阻、纤维拔出、纤维桥联、裂纹。晶须增韧陶瓷晶须是具有一定长径比且缺陷很少的陶瓷小单晶,因而具有很高的强度,是一种非常理想的陶瓷基复合材料的增韧增强体8。陶瓷晶须目前常用的有SiC晶须,Si3N4晶须和Al2O3晶须。基体常用的有ZrO2,Si3N4,SiO2,Al2O3和莫来石等。采用30%(体积分数)B2SiC晶须增强莫来石,在SPS烧结条件下材料强度比热压高10%左右,为570MPa,断裂韧性为415MPa#m1/2，比纯莫来石提高100%以上。王双喜等10研究发现,在2%(摩尔分数)Y2O32超细料中加入30%(体积分数)的SiC晶须,可以细化2Y2ZrO2材
4、料的晶粒,并且使材料的断裂方式由沿晶断裂为主变为穿晶断裂为主的混合断裂,从而显著提高了复合材料的刚度和韧性。相变增韧相变增韧ZrO2陶瓷是一种极有发展前途的新型结构陶瓷,其主要是利用ZrO2相变特性来提高陶瓷材料的断裂韧性和抗弯强度,使其具有优良的力学性能,低的导热系数和良好的抗热震性。它还可以用来显著提高脆性材料的韧性和强度,是复合材料和复合陶瓷中重要的增韧剂。近十年来,具有各种性能的ZrO2陶瓷和以ZrO2为相变增韧物质的复合陶瓷迅速发展,在工业和科学技术的许多领域获得了日益广泛的应用。ZrO2在常压及不同的温度下,具有立方(c2ZrO2)、四方(t2ZrO2)及单斜(m2ZrO2)等3种
5、不同的晶体结构。当ZrO2从高温冷却到室温时,要经历cytym的同质异构转变,其中tym会产生3%5%的体积膨胀和7%8%的剪切应变,由于ZrO2自身马氏体转变的这个特点,引起显著裂纹韧化和残余应力韧化,可使韧性得到显著提高。ZrO2的增韧机制一般认为有应力诱导相变增韧、微裂纹增韧、压缩表面韧化。在实际材料中究竟何种增韧机制起主导作用,在很大程度上取决于四方相向单斜相马氏体相变的程度高低及相变在材料中发生的部位。(1)应力诱导相变ZrO2在室温下为单斜晶系,温度达到1170e时转化为亚稳态四方晶型,在应力作用下可诱发相变重新回到单斜晶,此时伴随体积膨胀,导致微裂纹闭合,从而韧化陶瓷,或者说在裂
6、纹尖端应力场的作用下ZrO2粒子发生四方-单斜相变而吸收了能量,即外力做了功,从而提高了断裂韧性。这就是应力诱导相变。(2)微裂纹增韧不同基体中室温下ZrO2颗粒保持四方相的临界尺寸不同,当某颗粒大于临界尺寸时,室温四方相已转变为单斜相并在其周围的基体中形成微裂纹。当主裂纹扩展到ZrO2颗粒时,这种均匀分布的微裂纹可以缓和主裂纹尖端的应力集中或使主裂纹分叉而吸收能量,这就是ZrO2的微裂纹增韧。(3)压缩表面韧化研磨相变韧化ZrO2的表面,可以使表面层的四方相ZrO2颗粒转变为单斜相,并产生体积膨胀,形成压缩表面层,从而强化陶瓷。ZrO2增韧Al2O3陶瓷刀具是典型的相变增韧陶瓷,美国和瑞典研
7、制的ZrO2增韧陶瓷刀片具有相当高的刀刃强度和耐磨性,用于加工合金钢时,粗车速度为313m/s,精车速度为15m/s。它可以在高于硬质合金刀具45倍的切削速度下加工高温合金。颗粒增韧用颗粒作为增韧剂,制备颗粒增韧陶瓷基复合材料,其原料的均匀分散及烧结致密化都比短纤维及晶须复合材料简便易行。因此,尽管颗粒的增韧效果不如晶须与纤维,但如颗粒种类、粒径、含量及基体材料选择得当,仍有一定的韧化效果,同时会带来高温强度、高温蠕变性能的改善。所以,颗粒增韧陶瓷基复合材料同样受到重视,并开展了有效的研究工作。从增韧机理上分,颗粒增韧分为非相变第二相颗粒增韧、延性颗粒增韧、纳米颗粒增加。非相变第二相颗粒增韧主
8、要是通过添加颗粒使基体和颗粒间产生弹性模量和热膨胀失配来达到强化和增韧的目的,此外,基体和第二相颗粒的界面在很大程度上决定了增韧机制和强化效果,目前使用的较多的是氮化物和碳化物等颗粒。延性颗粒增韧是在脆性陶瓷基体中加入第二相延性颗粒来提高陶瓷的韧性,一般加入金属粒子。金属粒子作为延性第二相引入陶瓷基体内,不仅改善了陶瓷的烧结性能,而且可以以多种方式阻碍陶瓷中裂纹的扩展,如裂纹的钝化、偏转、钉扎及金属粒子的拔出等,使得复合材料的抗弯强度和断裂韧性得以提高。陶瓷作业姓名：王槐豪学号：班级：陶瓷韧化机理陶瓷最致命缺点是脆性，低可靠性和低重复性，这些不足严重影响陶瓷材料的应用范围。只有改善陶瓷的断裂韧
9、性，提高其可靠性和使用寿命，才能是陶瓷真正成为一种广泛应用的新型材料，因此陶瓷增韧技术一直是陶瓷研究的热点。陶瓷的断裂主要是由于裂纹扩展导致的，阻止间断裂纹的扩展的方法有三种。其一为分散裂纹尖端应力；其二为消耗裂纹扩展的能量，增大裂纹扩展所需克服的能垒；最后问转换裂纹扩展的能量。相变韧化受相变诱发塑性钢，即TRIP(transformationinducedplasticity)钢的启发，将ZrO2t?m相变Ms点稳定到比室温稍低，而Md点比室温高，使其在承载时由应力诱发产生t?m相变，由于相变产生的体积膨胀效应和形状效应，而吸收大量的能量，从而表现出异常高的韧性。这就是相变韧化的概念。韧化机
10、理分析：1.相变韧化(?KICT)；di0，径向裂纹；?a0，P=0，?0；rrcrc自发萌生裂纹的邻界第二相颗粒半径2.临界第二相颗粒尺寸弹性应变能：P2(1?2?P)3r颗粒:UP?2?EP2P(1?m)3基体Um?rEm1?m1?2?P23系统US=UP+Um=2?kPrk?2EEpmmp萌生单位面积裂纹所消耗的能量，J由US?2?mp得3.残余应力增韧?a0?a0?裂纹停止?裂纹穿过第二相颗粒?裂纹沿颗粒与基体之间的界面扩展rR?t?P?()312rR颗粒开裂表面能：?p2?r?sp2克服阻力做功：W1=1/2?Pru122Wt=?p+W1=2?r?sp+1/2?Pru12界面开裂表面
11、能：?b4?r?int2克服阻力做功：W2=1/3?Pru222Wi=?p+W1=4?r?int+1/3?Pru2-3u1?u2?2r?b=2?10r2?intEm裂纹沿界面扩展。裂纹偏转和裂纹桥联增韧裂纹偏转：裂纹尖端效应，指裂纹扩展过程中当裂纹遇上偏转元时所发生倾斜和偏转。裂纹桥联：裂纹尾部效应，它发生在裂纹尖端，靠桥联元连接裂纹的两个表面并提供一个使裂纹面相互靠近的应力，即闭合应力，这样导致强度因子随裂纹扩展而增加。三、延性颗粒增韧增韧机理：裂纹尖端形成的塑性变形区导致裂纹尖端屏蔽由延性颗粒形成的延性裂纹桥基体与延性颗粒的?和E值相等时，延性裂纹桥最佳增韧效果。当?和E值相差足够大时，裂
12、纹偏转绕过金属颗粒，增韧效果较差。四、纳米颗粒增强增韧增强颗粒与基体颗粒的尺寸匹配与残余应力是纳米复合材料中的重要增强、增韧机理。ZrO2/nano-SiC纳米复相陶瓷的透射电镜观察表明，纳米颗粒在基体晶内和晶界分布，纳米颗粒有团聚现象，纳米颗粒对裂纹有钉扎作用。长纤维韧化主要增韧机理：?纤维断裂?纤维脱粘?纤维拔出?裂纹桥联?裂纹转向界面解理：复合材料在纤维脱粘后产生了新的表面，因此需要消耗能量。纤维拔出：指靠近裂纹尖端的纤维在外应力作用下沿着它和基体的界面滑出的现象。纤维拔出会使裂纹尖端应力松弛，从而减缓了裂纹的扩展。纤维拔出需外力做功，因此起到增韧作用。纤维拔出能总大于纤维脱粘能，纤维拔
13、出的增韧效果要比纤维脱粘更强。裂纹桥联：对于特定位向和分布的纤维，裂纹很难偏转，只能沿着原来的扩展方向继续扩展。这时紧靠裂纹尖端处的纤维并未断裂，而是在裂纹两岸搭起小桥，使两岸连在一起。在裂纹表面产生一个压应力，以抵消外加应力的作用，从而使裂纹难以进一步扩展，起到增韧作用。裂纹偏转：在扩展裂纹尖端应力场中的增强体会导致裂纹发生弯曲从而干扰应力场，导致基体的应力强度降低，起到阻碍裂纹扩展的作用。随着增强体长径比和体积比增加，裂纹弯曲增韧效果增加。短纤维及晶须韧化主要增韧机理：?晶须拔出?晶须桥联?裂纹偏转由于纤维周围的应力场，基体中的裂纹一般难以穿过纤维，而仍按原来的扩展方向继续扩展。它更易绕过
14、纤维并尽量贴近纤维表面扩展，即裂纹偏转。裂纹偏转可绕着增强体倾斜发生偏转或扭转偏转。偏转后裂纹受的拉应力往往低于偏转前的裂纹，而且裂纹的扩展路径增长，裂纹扩展中需消耗更多的能量因而起到增韧作用。增强体的长径比越大，裂纹偏转增韧效果就越好。定性分析：?当晶须的某一端距离主裂纹的长度小于lpo时将拔出，拔出长度llpo?当晶须两端距离主裂纹的长度大于lpo时，晶须在拔出过程中断裂，拔出长度llpo界面结合强度的作用：?界面结合强度过高晶须拔出少，断裂多，韧性提高少，承载作用增强，强度提高多。?界面结合强度过低，晶须拔出功减少，对强度、韧性不利。?有一个最佳界面结合强度。陶瓷材料的强化影响陶瓷材料强
15、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研究。从对材料的形变及断裂的分析可知，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，断裂功和裂纹尺寸。其中E是非结构敏感的，与微观结构有关，但对单相材料，微观结构对的影响不大，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。值得提出的有下列几个方面。微晶,高密度与高纯度为了消除缺陷,提高晶体的完整性,细、密、匀、纯是当前陶瓷发展的一个重要方面。近年来出现了许多微晶、高密度、高纯度陶瓷,例如用热压工艺制造的陶瓷密度接近理论值,几乎没有气孔，特别值得提出的是各种纤维材料及晶须。预加应力人为地预加应力,在材料表面造成一层压应力层,就可提高材料的抗张强度。脆性断裂通常是在张应力作用下,自表面开始,如果
