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《陶瓷材料的韧性及增韧性的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、第10卷第5期济南大学学报Vol.10No.52000年JOURNALOFJINANUNIVERSITY2000陶瓷材料的韧性及增韧性的研究孙宾(济南大学机电系,山东济南250002)摘要:根据陶瓷材料的脆性特点及增韧的要求,分析结构及脆性机理,提出了提高陶瓷断裂能和塑性滑移系统等的增韧措施,特别是针对ZrO2相变增韧进行了系统研究分析。关键词:陶瓷;脆性;韧性;增韧中图分类号:TB32文献标识码:A文章编号:CN3725057(2000)05200122031引言陶瓷材料以其优良高温强度、抗氧化、抗蠕变、耐磨、耐
2、腐蚀以及比强度、比模量高等特点,使人们对掏瓷用于结构零件寄予厚望,但陶瓷材料的脆性本质,影响了陶瓷材料的应用。因此,陶瓷材料的韧性及增韧性成为研究的一个主要方向。2陶瓷材料的结构陶瓷材料的组织一般由晶体相、玻璃相和气体相组成。晶体相是最主要的组成相,它决定了陶瓷的性能。晶体相中最重要的有氧化物结构与硅酸盐结构两类。玻璃相为非晶态固体,作用是将晶体相粘结起来,填充晶体相之间空隙,提高材料的致密度;获得一定的玻璃特性;但玻璃相对强度、电绝缘性、耐热耐火性等是不利的,含量不可太大。气相陶瓷组织内部残留下来的空洞;许多性能
3、与气孔的含量、形状、分布有着密切的关系。陶瓷的结构决定了陶瓷材料缺乏象金属那样在受力状态下发生滑移引起塑性变形的能力,容易产生缺陷,存在裂纹,且易于导致高度的应力集中,因而决定了脆性的本质。提高陶瓷材料的高强度和高韧性主要应从两方面进行研究,即提高其断裂能和塑性滑移系统。利用纤维增强和ZrO2相变来实现陶瓷的增韧,而ZrO2增韧显著。3ZrO2相变增韧机理的研究在陶瓷中发生相变会引起内应变,导致材料的开裂。在陶瓷工艺中往往将相变视为不利因素,尽量避免。但在某些情况下,利用相变能提高陶瓷材料的断裂韧性和强度。其中用Z
4、rO2增韧是通过四方相ZrO2(t2ZrO2)转变成单斜相ZrO2(m2ZrO2)马氏体相变来实现的。马氏体相变在固体转变中发生,具有成核和生长两个过程。其特点为:(1)相变前后没有成分变化,即相变前后原子的配位不变,原子位移一般不超过一个原子收稿日期:2000203207作者简介:孙宾(1966),男,山东肥城人,济南大学机电系讲师,主要从事机械工程材料及材料加工工程的教学和研究。12的间距,相变具有无热、无扩散、相变激活能小、转变速度快等特点。相变以近似于该固相中声波传播速度进行,比裂纹扩展速度大2～3倍,为吸
5、收断裂能和材料增韧提供了必要条件。(2)相变伴随有体积变化。(3)相变具有可逆性,并受到体积变化于切应变所产生的应变能的影响。因而相变发生于一个温度区间内而不是在一个特定的温度点上。ZrO2增韧机制比较复杂,在实际材料中究竟如何作用,在很大程度上取决于t2ZrO2向m2ZrO2马氏体相变程度的高低及相变在材料中发生的部位。3.1相变增韧当部分稳定的ZrO2存在于陶瓷基体里,即存在m-ZrO2Zt2ZrO2的可逆相变特性,晶体结构的转变伴随着3～5%的体积膨胀。ZrO2颗粒弥散在其它陶瓷(包括ZrO2本身)基体中,由
6、于两者具有不同的热膨胀系数,烧结完成后,在冷却过程中,ZrO2颗粒周围则有不同的受力情况,当它受到基体的压抑,ZrO2的相转变也将受到压制。ZrO2还有另一个特性,其相变温度随着颗粒尺寸的降低而下降,一直可降到室温或室温以下。当基体对ZrO2颗粒有足够的压应力,而ZrO2的颗粒度又足够小,则其相变温度可降至室温以下。这样在室温时ZrO2仍可以保持四方相。当材料受到外应力时,基体对ZrO2的压抑作用得到松弛,ZrO2颗粒即发生四方相到单斜相的转变,并在基体中引起微裂纹,从而吸收了主裂纹扩展的能量,达到增加断裂韧性的效
7、果,这就是ZrO2的相变增韧。相变反应过程中ZrO2发生相变时的自由能平衡关系可用下式表示:$GMöT=-$Gchem+$UT-$Ua+$S(1)式中:$GMöT——单位体积t2ZrO2向m2ZrO2转化引起的自由能变化;$Gchem——m2ZrO2和t2ZrO2之间的化学自由能差;$UT——为相变弹性应变能的变化;$Ua——为激发相变外应力所付出的能量;$S——为单斜相与基体间的界面能和四方相与基体间的界面能之差。因为$S项远小于其他几项,可略去,故上式可写成:$GMöT=-$Gchem+$UT-$Ua(2)t2
8、ZrO2向m2ZrO2的转化能否发生,取决于转化后系统的自由能是否下降,于是:$GMöT≤0(3)即$Gchem≥$UT-$Ua(4)由此可知,单斜和四方ZrO2的化学自由能差$Gchem是相变的基本动力,而相变弹性应变能的变化$UT是相变的阻力。当$Gchem不足以克服$UT的抵制作用时,要使ZrO2发生相变只能借助于外力。因此陶瓷基体中,$UT的存在将有
