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陶瓷断裂行为

/fracture behavior of ceramics/
条目作者龚江宏

龚江宏

最后更新 2024-07-03
浏览 235
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陶瓷材料在受外界载荷作用下表现出来的破坏行为和方式。

英文名称
fracture behavior of ceramics
所属学科
材料科学与工程

在大多数情况下,陶瓷的断裂基本上属于脆性断裂,在断裂发生之前,材料几乎完全处于纯弹性形变状态。

断裂强度和断裂韧性(或断裂功)是表征陶瓷断裂行为的两个重要参数。前者用于描述宏观的断裂行为,后者用于研究微观的断裂过程。

陶瓷的断裂强度一般采用三点弯曲或四点弯曲方式在较快的加载速率(一般采用0.5毫米/分)测定。陶瓷断裂强度的一个显著特点是测试结果往往呈现较大的离散性,一组测试值的变异系数通常都在10%以上。这一离散性是由陶瓷的本征脆性(较低的断裂韧性使得导致材料断裂的最危险裂纹的尺寸处于显微结构尺度,不同试样间最危险裂纹尺寸的微小差异就可能导致强度的明显变化)决定的。可以借助于韦伯分布描述强度的统计性质,并进而讨论显微结构对材料强度的影响规律,评价材料在服役过程中的可靠性。

在某些特定的使用环境(如高温或腐蚀性环境)中,会观察到陶瓷强度随加载速率减小而降低的现象,也可以观察到材料在承受一个较低的恒定外力作用一段较长时间后发生断裂的现象。前者通常称为动态疲劳,后者通常称为静态疲劳,二者统称为滞后断裂。这两类现象都与材料中的裂纹在外力作用下发生的亚临界扩展有关。导致裂纹发生亚临界扩展的原因可以归结为环境的作用,如高温下裂纹尖端附近区域晶界相发生的黏滞流动以及环境中腐蚀性介质在裂纹尖端处与处于激活状态的原子键发生相互作用。通过分析环境对强度的影响规律,可以对材料在服役过程中的耐久性进行评价。

断裂韧性描述的是材料抵抗裂纹扩展的能力。根据断裂力学理论,当裂纹尖端处的应力场强度因子达到某一临界值时,裂纹将发生失稳扩展。在I型加载方式下测得的即为断裂韧性,记为。与金属和高分子材料相比,陶瓷中存在的各种缺陷和裂纹对外加应力更为敏感,易于发生脆性断裂。单相陶瓷的一般只有1~10兆帕·米1/2。通过显微结构调控在材料内部引进各种增韧机制之后,陶瓷的断裂韧性有明显的提高,并表现出上升的阻力曲线行为(即在裂纹扩展过程中断裂韧性随裂纹尺寸的增大而增大的现象)。因此,通过观测断裂韧性(裂纹扩展阻力)随裂纹尺寸的变化关系,并辅以必要的显微结构观察,可以对材料的增韧机制进行探讨,进而探索进一步提高材料断裂韧性的措施和途径。

测定陶瓷的方法有很多种,常用的有单边切口梁法、双扭法、山型切口法、双悬臂梁法、压痕弯曲梁法和直接压痕法。

随着陶瓷强韧化研究的不断深入,断裂功这一参数在陶瓷断裂研究中也得到了广泛应用。断裂功描述的是材料在外力作用下变形和破坏的过程中吸收能量的能力,可以根据材料的弹性模量和断裂韧性计算得到,也可以通过加载过程的应力-应变曲线直接测定。对于理想晶体而言,断裂功仅包括材料的表面能。而对于具有复杂显微结构的实际陶瓷材料,断裂功中还包括了各种增韧机制所消耗的能量,如裂纹尖端的塑性变形,裂纹分叉,裂纹偏转,应力诱导相变,纤维(晶须、大颗粒)的桥接、拔出、解离等。因此,通过对断裂功进行分析可以对各种增韧机制的作用效果进行半定量或者定量评价。

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