作為一種很“耐揍”的工程材料,結(jié)構(gòu)陶瓷由于具有很高的強(qiáng)度和硬度,優(yōu)良的耐熱性,低的熱傳導(dǎo)性與熱膨脹性以及很高的耐磨性、抗氧化能力,常常被用于制造發(fā)動機(jī)中的耐熱件,化工設(shè)備中的耐腐蝕件及密封件,切削刀具的刀片材料以及航天飛機(jī)的外殼陶瓷材料等。
不過陶瓷材料都是由離子鍵或共價鍵組成的多晶體結(jié)構(gòu)材料,鍵強(qiáng)高、鍵能大,內(nèi)部缺乏能促使材料變形的滑移系統(tǒng),難以發(fā)生彈性形變和塑性形變,再加上制備過程中陶瓷材料表面和內(nèi)部不可避免的存在缺陷,一旦受到外加載荷,它們都有可能構(gòu)成裂紋源,應(yīng)力就會在這些裂紋的尖端集中,從而裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致脆性斷裂。
因此在幾乎所有工程應(yīng)用中,斷裂韌性都是需要考慮的重要材料屬性,這樣才能使系統(tǒng)或部件在設(shè)計上能夠承受其使用壽命內(nèi)的預(yù)期沖擊。
1陶瓷的斷裂形式
裂紋的產(chǎn)生原因主要很大程度上取決于材料本身,尤其是其微觀結(jié)構(gòu)。出現(xiàn)在陶瓷試樣上的裂紋在二維空間上有:沿晶斷裂、穿晶斷裂,在三維空間上有韌窩斷裂。
①穿晶斷裂
穿晶斷裂是裂紋在晶粒的內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)展。穿晶斷裂一般是韌性斷裂,當(dāng)其內(nèi)部積累了大量的位錯時晶粒本身的強(qiáng)度下降,進(jìn)而導(dǎo)致裂紋在晶粒的內(nèi)部產(chǎn)生。
②沿晶斷裂
沿晶斷裂發(fā)生時,其裂紋擴(kuò)展的路徑是沿著晶界的方向,這主要是由于晶界處有大量的脆性相或者是硬度較高的雜質(zhì)粒子,會在晶界處形成缺陷,使其強(qiáng)度下降從而形成裂紋,并沿著強(qiáng)度較低的方向進(jìn)行擴(kuò)展。如下圖所示它是完全脆性的斷裂。
③韌窩斷裂
韌窩是金屬塑性斷裂斷口顯微形貌的顯著特征,但在研究陶瓷的高溫斷口的微觀形貌中也發(fā)現(xiàn)了相似的韌窩結(jié)構(gòu)。它是按顯微孔洞聚合機(jī)理,在其受到載荷的作用下發(fā)生斷裂而形成的。當(dāng)材料發(fā)生韌性斷裂時先形成顯微撕裂或顯微孔洞,它們總是發(fā)生在連續(xù)變形受阻的地方,例如在受載物體的固溶體(基體)、晶界、亞晶界、位錯堆積以及柱狀晶界面等地方。當(dāng)荷載繼續(xù)增加時,顯微孔洞長大,同時連接部分拉長,從而形成一個斷裂表面。斷口上的韌窩大小、數(shù)量等微觀花樣與形成速度和斷裂發(fā)展速度有關(guān)。通過韌窩深度及其表觀特征,可以估計在發(fā)生斷裂時,微觀組織局部的塑性變形程度。若形成蜂窩狀的細(xì)小韌窩,則說明微觀塑性變形量不大。相反,側(cè)壁有折皺紋理的深韌窩,表明塑性變形起重要作用。
2陶瓷增韌的原理
目前主要有如下幾種陶瓷材料增韌方法:纖維補(bǔ)強(qiáng);顆粒彌散增韌;自增韌;氧化鋯自增韌;納米陶瓷增韌;納米復(fù)合增韌。由于陶瓷的斷裂是由裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的,所以這些工藝的本質(zhì)就是阻止裂紋的擴(kuò)展,所用到的原理有:1)分散裂紋尖端應(yīng)力;2)消耗裂紋擴(kuò)展的能量,增大裂紋擴(kuò)展所需克服的能壘;3)轉(zhuǎn)換裂紋擴(kuò)展的能量。
①拉脫/橋接效應(yīng)——纖維、晶須增韌原理
下圖中,在緊靠裂紋尖端的晶體,由于變形而給裂紋表面加上了閉合應(yīng)力,抵消裂紋尖端的外應(yīng)力,鈍化裂紋擴(kuò)展,從而起到了增韌作用;此外,裂紋擴(kuò)展時,柱狀晶體的拔出時也要克服摩擦力,也會起到增韌的作用。
裂紋橋接示意圖
②裂紋彎曲轉(zhuǎn)向—顆粒、纖維晶須增韌、自增韌原理
下圖中,由于柱狀晶的存在,導(dǎo)致裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn),改變和增加了裂紋擴(kuò)展的路徑,從而鈍化裂紋增加了裂紋擴(kuò)展阻力。同上,裂紋擴(kuò)展時柱狀晶體也會與基體間有摩擦力的作用,消耗外加載荷的能量,有利于陶瓷材料斷裂韌性的改善。
裂紋偏轉(zhuǎn)示意圖
③相轉(zhuǎn)變增韌
相變增韌是通過熱處理等工藝使在其微觀組織內(nèi)部生出增韌相,Zr02的相變增韌即為此類。將亞穩(wěn)的ZrO2顆粒引入到基體中,當(dāng)裂紋擴(kuò)展到該區(qū)域時,t-ZrO2受到裂紋尖端應(yīng)力場的作用將會發(fā)生相變,進(jìn)而產(chǎn)生新的斷裂表面,還會在相變時產(chǎn)生體積膨脹,這兩個過程都會吸收能量,所以,應(yīng)力導(dǎo)致的這種組織轉(zhuǎn)變會消耗外加應(yīng)力,起到增韌的作用。
另外,相轉(zhuǎn)變增韌也是可以應(yīng)用于功能陶瓷的。如:鐵電/壓電性疇轉(zhuǎn)變增韌機(jī)制,在壓電陶瓷材料中;利用使產(chǎn)生裂紋的外應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?,從而達(dá)到增韌的目的。
④殘余應(yīng)變能增韌
與相轉(zhuǎn)變的原理基本相似,在裂紋進(jìn)行擴(kuò)展之前,首先得克服陶瓷樣品本身的內(nèi)部殘余應(yīng)變能,從而達(dá)到增韌的目的。目前研究殘余應(yīng)力對材料斷裂韌性的影響方法是∶考慮殘余應(yīng)力與裂紋尖端作用引起的裂紋偏轉(zhuǎn),通常采用無限大基體內(nèi)單個球形柱狀晶粒子模型。這種方法比較直觀,只能做定性分析。
⑤微裂紋增韌
在裂紋應(yīng)力尖端加入韌性材料,使其產(chǎn)生微裂紋,達(dá)到分散應(yīng)力的目的,減少裂紋前進(jìn)的動力,從而增加材料的韌性。在材料發(fā)生相轉(zhuǎn)變時,往往也會導(dǎo)致殘余應(yīng)變能效應(yīng)以及產(chǎn)生微裂紋。因此,相轉(zhuǎn)變增韌的效果非常顯著。
⑥納米增韌
納米技術(shù)在改善傳統(tǒng)陶瓷材料性能上顯示出了極大的優(yōu)勢,加入納米相復(fù)合后的陶瓷材料的室溫強(qiáng)度和韌性有顯著提高。其增韌強(qiáng)化機(jī)理目前主要有三種:
第一種是“細(xì)化理論”,認(rèn)為納米相的引入能抑制基體晶粒的異常長大,使基體結(jié)構(gòu)均勻細(xì)化,從而提高納米陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)度韌性。
第二種是“穿晶理論”,認(rèn)為納米復(fù)合材料中,基體顆粒以納米顆粒為核發(fā)生致密化而將納米顆粒包裹在基體晶粒內(nèi)部形成“晶內(nèi)型”結(jié)構(gòu)。這樣便能減弱主晶界的作用,誘發(fā)穿晶斷裂,使材料斷裂時產(chǎn)生穿晶斷裂而不是沿晶斷裂,從而提高納米陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)度和韌性。
第三種是“釘扎”理論,認(rèn)為存在于基體晶界的納米顆粒產(chǎn)生“釘扎”效應(yīng),從面限制了晶界滑移和孔穴、蠕變的發(fā)生,晶界的增強(qiáng)導(dǎo)致納米復(fù)相陶瓷韌性的提高。
3總結(jié)
在實際增韌過程中往往是由幾種增韌機(jī)理同時起作用,而不是某個單獨(dú)機(jī)理,所以應(yīng)該根據(jù)實際情況來選擇具體的增韌機(jī)理。一般來說,顆粒彌散增韌操作比較簡單,但增韌效果不顯著;納米級顆粒引入陶瓷基體中取得了很好的增強(qiáng)增韌效果,但制備成本較高;相變增韌效果顯著,但只能應(yīng)用于氧化鋯陶瓷中,其他材料無法采用——這就是為什么問及斷裂韌性好的陶瓷材料有哪些時,大家會第一時間就會想到氧化鋯的原因之一。