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1、第十章第十章 材料界面的结合强度与失效材料界面的结合强度与失效江苏大学江苏大学 材料科学与工程学院材料科学与工程学院1 界面是基体和增强体间的结合区域。由于界面具有传递、阻界面是基体和增强体间的结合区域。由于界面具有传递、阻档、吸收和散射、诱导等功能，为料设计提供了广阔的途径，因档、吸收和散射、诱导等功能，为料设计提供了广阔的途径，因此界而问题在复合材料研究中一直受到极大的关注。此界而问题在复合材料研究中一直受到极大的关注。第一节第一节 材料界面的破坏材料界面的破坏2 图图10-110-1为典型的接合界面的破坏表面。接合体是用部分稳定化为典型的接合界面的破坏表面。接合体是用部分稳定化Ti-Cu
2、Ti-Cu非晶态焊料将氧化锆软钢接合而成的。非晶态焊料将氧化锆软钢接合而成的。 发生破坏形式可概括为：发生破坏形式可概括为： 焊料一氧化错界面的破坏；焊料一氧化错界面的破坏； 氧化错材料内部的破坏；氧化错材料内部的破坏； 复杂的混合破坏过程复杂的混合破坏过程 焊料内部的破坏。焊料内部的破坏。3 氮化硅氮化硅CuCu缓冲层软钢接合体的四点弯曲试样断裂面模型缓冲层软钢接合体的四点弯曲试样断裂面模型如图如图10102 2所示。其中，破坏主要在界面的边缘部位，特别是在角所示。其中，破坏主要在界面的边缘部位，特别是在角部发生，然后再向陶瓷内部迁移。这部发生，然后再向陶瓷内部迁移。这时因为存在于角部及其附
3、近时因为存在于角部及其附近区域的应力集中往往导致残余应力过大，使该部位因开裂而破坏区域的应力集中往往导致残余应力过大，使该部位因开裂而破坏的缘故。的缘故。45第二节第二节 材料界面的力学研究特点材料界面的力学研究特点 所谓所谓“接合界面的力学行为接合界面的力学行为研究，就是研究上述应力集中研究，就是研究上述应力集中和接合界面的组织不均匀等问题，它不仅仅是研究接合课题的部和接合界面的组织不均匀等问题，它不仅仅是研究接合课题的部分人员需要进行认真研究的课题也是最近若干年前兴起的、在分人员需要进行认真研究的课题也是最近若干年前兴起的、在解析领域进行的跨学科的研究工页目。解析领域进行的跨学科的研究工页
4、目。6 对接合质量进行评价时，应当将距接合界面的距离极小的陶对接合质量进行评价时，应当将距接合界面的距离极小的陶瓷部分的质量及变化也加以充分的考虑：瓷部分的质量及变化也加以充分的考虑： 界面附近的应力集中；界面附近的应力集中； 残余热应力的分布；残余热应力的分布； 接合过程中的劣化和组织变化；接合过程中的劣化和组织变化； 加载过程中的质量劣化和组织变化。加载过程中的质量劣化和组织变化。第十一章第十一章 材料界面的评估材料界面的评估 作为评价的条件，对于要求可靠性高的接合，不仅应当评价作为评价的条件，对于要求可靠性高的接合，不仅应当评价接合体短时间负荷的指标，还应当考虑静疲劳、脉动疲劳、热疲接合
5、体短时间负荷的指标，还应当考虑静疲劳、脉动疲劳、热疲劳、热冲击强度、高温强度、高温蠕变等很多项目。劳、热冲击强度、高温强度、高温蠕变等很多项目。7第一节第一节 材料界面的强度评价材料界面的强度评价一般地讲，是通过弯曲试验、拉伸试验、剪切试验来进行异相界一般地讲，是通过弯曲试验、拉伸试验、剪切试验来进行异相界面静态接合强度的评价。不论是陶瓷一陶瓷之间还是陶瓷与金属面静态接合强度的评价。不论是陶瓷一陶瓷之间还是陶瓷与金属之间的接合，或是附有中间层的接合，接合体可以有多种组合形之间的接合，或是附有中间层的接合，接合体可以有多种组合形式。因此在实用上，装机试验是最直接的评价方法。然而，评价式。因此在实
6、用上，装机试验是最直接的评价方法。然而，评价形状和接合过程、判断接合方式的优劣等都把设计收集基础数据形状和接合过程、判断接合方式的优劣等都把设计收集基础数据作为研究的目的，因此应尽快地将评价方法标准化。作为研究的目的，因此应尽快地将评价方法标准化。8 弯曲试样的代表尺寸如图弯曲试样的代表尺寸如图11111 1 所示。弯曲试样的尺寸、形所示。弯曲试样的尺寸、形状与状与IIS-R1601(IIS-R1601(日本标准日本标准) )精细陶瓷强度评价时所用试样相同。精细陶瓷强度评价时所用试样相同。 9在接合体中，接合部位有可能不止一处，因此不一定都是图示的在接合体中，接合部位有可能不止一处，因此不一定
7、都是图示的三明治形状的试样。在弯曲试验时，主要应当要求能够方便地将三明治形状的试样。在弯曲试验时，主要应当要求能够方便地将接合部位放置于弯曲跨距的中央部位见图接合部位放置于弯曲跨距的中央部位见图11-211-2。我国的我国的机械行业标准机械行业标准JB/T 7716JB/T 77161995199510另外，为了避免结合部位与压头接触，应尽量不选用三点弯曲的另外，为了避免结合部位与压头接触，应尽量不选用三点弯曲的形式。对于氮化硅软钢的活化金属钎焊接合体，其典型的四点弯形式。对于氮化硅软钢的活化金属钎焊接合体，其典型的四点弯曲强度代表性威伯尔曲线，图曲强度代表性威伯尔曲线，图11113 3。11
8、图图11113 3中存在一些强度非常低的数据，但显然测试数据符合威伯中存在一些强度非常低的数据，但显然测试数据符合威伯尔分布。这种低强度数据存在的事实过去也曾有报道，认为是由尔分布。这种低强度数据存在的事实过去也曾有报道，认为是由于热应力而引起。四点弯曲的试验结果的数据的离散性不大，能于热应力而引起。四点弯曲的试验结果的数据的离散性不大，能够稳定地进行接合强度的评价。但是，对于有长时间工作下强度够稳定地进行接合强度的评价。但是，对于有长时间工作下强度要求的拉杆类工件，这种低强度数据的存在就成为一个不可忽视要求的拉杆类工件，这种低强度数据的存在就成为一个不可忽视的问题，在四点弯曲测试中，破坏裂纹
9、从被拉伸一侧的界面边缘的问题，在四点弯曲测试中，破坏裂纹从被拉伸一侧的界面边缘部位，特别是角部产生，向陶瓷中扩展。部位，特别是角部产生，向陶瓷中扩展。12图图11114 4表示拉伸试样的典型尺寸。拉伸试样的制作需要花费相当表示拉伸试样的典型尺寸。拉伸试样的制作需要花费相当大的劳动时间。设计拉伸强度试样的结构时，可以采用把陶瓷置大的劳动时间。设计拉伸强度试样的结构时，可以采用把陶瓷置于中央部位的形式。因弯曲力矩对拉伸试验的结果有较大的影响。于中央部位的形式。因弯曲力矩对拉伸试验的结果有较大的影响。需要制作不会改变弯曲力矩的夹具和采用不打滑的试样固定方法。需要制作不会改变弯曲力矩的夹具和采用不打滑
10、的试样固定方法。根据实验条件，必须一边测定轴向应变一边进行拉伸，按部就班根据实验条件，必须一边测定轴向应变一边进行拉伸，按部就班地认真进行试验。即使在拉伸试验时，破坏一也是先从边缘部位地认真进行试验。即使在拉伸试验时，破坏一也是先从边缘部位的某一个点处产生，然后向陶瓷中扩展，直至试样最终断裂。的某一个点处产生，然后向陶瓷中扩展，直至试样最终断裂。131415图图1111所示为所示为(Al(Al3 3Zr+AlZr+Al2 2O O3 3)/Al)/Al复合材料原位拉伸过程的复合材料原位拉伸过程的SEMSEM图。图。在加载初期首先出现了图在加载初期首先出现了图11a11a所示的灰白色细密滑移带。
11、所示的灰白色细密滑移带。随着载荷的加大，滑移带出现图随着载荷的加大，滑移带出现图11b11b所示的交错现象，同时在所示的交错现象，同时在滑移带密集区或者颗粒周围观察到了微裂纹和裂口的出现，裂滑移带密集区或者颗粒周围观察到了微裂纹和裂口的出现，裂口短而细口短而细; ;图图11f11f所示为图所示为图11b11b所示的交错滑移带的高倍组织。所示的交错滑移带的高倍组织。当继续加载时，这些裂口变粗，变长，并且连接起来，裂口的当继续加载时，这些裂口变粗，变长，并且连接起来，裂口的长大及连接趋向有的沿滑移带的交汇线，有的沿颗粒边缘，有长大及连接趋向有的沿滑移带的交汇线，有的沿颗粒边缘，有的则穿过颗粒，使颗
12、粒破碎，形成如图的则穿过颗粒，使颗粒破碎，形成如图11c11c所示的裂纹。所示的裂纹。(Al(Al3 3Zr+AlZr+Al2 2O O3 3)/Al)/Al复合材料的原位拉伸观察复合材料的原位拉伸观察16(Al(Al3 3Zr+AlZr+Al2 2O O33)/Al)/Al复复合材料原位拉伸过程合材料原位拉伸过程的的SEMSEM图图. .17原位拉伸过程中颗粒脱落时的受力模型原位拉伸过程中颗粒脱落时的受力模型18颗粒脱落形成的颗粒脱落形成的“孔洞孔洞”接合导致的裂纹产生模型接合导致的裂纹产生模型19 基体中气孔和夹渣缺陷引起的裂纹萌生基体中气孔和夹渣缺陷引起的裂纹萌生20 (Al(Al3 3
13、Zr+AlZr+Al2 2O O3 3)/A356)/A356复合材料的原位拉伸观察复合材料的原位拉伸观察(Al(Al3 3Zr+AlZr+Al2 2O O3 3)/A356)/A356复合材料原位拉伸前的原始复合材料原位拉伸前的原始SEMSEM形貌形貌由由A356-20%Zr(COA356-20%Zr(CO3 3) )2 2体系在脉冲磁场下所制备的体系在脉冲磁场下所制备的(Al(Al3 3Zr+AlZr+Al2 2O O3 3)/ )/ A356A356复合材料原位拉伸前的原始形貌。复合材料原位拉伸前的原始形貌。21(Al(Al3 3Zr+AlZr+Al2 2O O3 3)/A356)/A3
14、56复合材料原位拉伸过程中的裂纹萌生过程复合材料原位拉伸过程中的裂纹萌生过程SEMSEM图图22随着拉伸的继续进行，萌生后的裂纹进一步扩展延伸。随着拉伸的继续进行，萌生后的裂纹进一步扩展延伸。 23(Al(Al3 3Zr+AlZr+Al2 2O O3 3)/A356)/A356复合材料原位拉伸过程中的裂纹扩展长大过程复合材料原位拉伸过程中的裂纹扩展长大过程SEMSEM图图24复合材料中的位错分布复合材料中的位错分布TEM图图 (Al3Zr+Al2O3)P/ A356复复合材料的基体合材料的基体A356为时效硬为时效硬化型基体，且化型基体，且Al3Zr和和Al2O3增强体对基体增强体对基体A35
15、6合金中合金中Mg2Si析出相的分布和尺寸析出相的分布和尺寸的影响很大。基体的影响很大。基体A356位错位错密集，呈网状分布，且与时密集，呈网状分布，且与时效析出相连接。效析出相连接。 这表明原位内生颗粒使基这表明原位内生颗粒使基体位错密度显著增加，而位体位错密度显著增加，而位错又有利于时效析出相的析错又有利于时效析出相的析出，并使析出相细小、均布。出，并使析出相细小、均布。因此，复合材料中颗粒对析因此，复合材料中颗粒对析出相的弥散强化起着促进作出相的弥散强化起着促进作用。用。25(a) x=5; (b) x=15; (c) x=20; (d) x=25不同反应物加入量所制备的复合材料的拉伸断口不同反应物加入量所制备的复合材料的拉伸断口SEMSEM形貌形貌26END27
