第二章4陶瓷材料第二相颗粒强韧化ppt课件.ppt

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1、第二章第二相颗粒强化增韧陶瓷材料强韧化方法主要有纤维法、晶须法、颗粒法、热处理法、表面改性法等。其中颗粒增韧补强法最为简单，并且具有同时提高强度和韧性等许多优点。表2.1列出了一些学者的研究成果。根据第二相颗粒的性质、大小、来源等情况，可以将第二相颗粒强韧化分为相变第二相颗粒、非相变第二相颗粒、表面改性第二相颗粒、纳米第二相颗粒、原位合成第二相颗粒等增韧补强。2.1相变第二相颗粒增韧材料的断裂过程要经历弹性变形、塑性变形、裂纹的形成与扩展，整个断裂过程要消耗一定的断裂能。因此，为了提高材料的强度和韧性，应尽可能地提高其断裂能。对金属来说，塑性功(

2、达103J/m2或更高)是其断裂能的主要组成部分，由于陶瓷材料主要以共价键和离子键键合，多为复杂的晶体结构，室温下的可动位错的密度几乎为零，塑性功往往仅有十几个J/m2或更低，所以需要寻找其他的强韧化途径，相变第二相颗粒增韧补强即是途径之一。传统的观念认为，相变在陶瓷体中引起的内应变终将导致材料的开裂。因此，陶瓷工艺学往往将相变看做不利的因素。然而，部分稳定化ZrO2(PSZ)具有比全稳定化好得多的力学性能这一事实使人们得到了启发，PSZ的相变韧化得以受到重视。从而把相变作为陶瓷材料的强韧化手段，并已取得了显著效果。2.1.1ZrO2的晶型与结构

3、单斜m-ZrO2四方t-ZrO2立方c-ZrO21170℃2370℃950℃2370℃单斜ZrO2为低温稳定晶型，加热到约1200℃时转变成四方ZrO2。单斜相转变成四方相时有7.7%的体积收缩。冷却过程中，温度低于1000℃时，四方相又逆向地转变成单斜相，在这一转变时体积增大、密度下降，其密度分别为：m-ZrO2为5.56g/cm3，t-ZrO2为6.10g/cm3，c-ZrO2为6.27g/cm3。单斜相和四方相之间相互转化在低温下锆离子趋向于形成配位数小于8的结构，即单斜相。纯ZrO2烧结冷却时ｔ→ｍ相变为无扩散相变，伴随产生约７％的体积膨

4、胀和相当大的剪切应变（约８％）；相反，在加热时，由ｍ→ｔ相变，体积收缩。氧化锆的稳定化处理常见的ZrO2稳定剂是稀土或碱土氧化物，比如Y2O3MgOCeO2，CaO。机理：稳定剂的阳离子在ZrO2中具有一定的溶解度，可以置换其中的锆离子。而形成置换型固溶体，阻碍四方晶型(t)向单斜晶型(m)的转变，从而降低氧化锆陶瓷t-m相变的温度，使t-ZrO2亚稳至室温。Y2O32YZr‘+3Oo+VO••部分稳定氧化锆陶瓷(partiallystabilizedzirconia，PSZ)四方氧化锆多晶体陶瓷(tetragonalzirconiapolycr

5、ystal，TZP)氧化锆增韧陶瓷(ZirconiaToughenedCeramics，ZTC)根据稳定程度不同，氧化锆相变增韧陶瓷有三种类型，分别为：Gaivie于1975年首次对Ca-PSZ的研究发现[31]：亚稳的四方相氧化锆相变成稳定的单斜相氧化锆，材料样品强度得到明显提高，并提出相变增韧氧化锆陶瓷的概念。后来的实验发现含t-ZrO2相氧化锆材料的韧性，比其它陶瓷的韧性要高。通过透射电镜、X衍射和电子探针等分析测试，发现含t-ZrO2相氧化锆陶瓷的断口单斜相含量增加。这些发现说明四方相ZrO2在与裂纹扩展的应力作用下，发生了由t-ZrO2

6、→m-ZrO2的马氏体相变，由于t-ZrO2晶粒相变吸收能量而阻碍裂纹的继续扩展从而提高了材料的强度和韧性。即应力诱导相变增韧。1应力诱导相变增韧图2-1应力诱导相变增韧示意图经过Lange、Marshall、McMeeking等许多学者的完善，逐步形成了比较完整的应力诱导相变增韧机理。该理论认为：如果t-ZrO2相晶粒足够小，或者基体对其束缚力足够大，冷却过程中t-ZrO2→m-ZrO2的相变将受到抑制，四方相可稳定保留到室温。当裂纹受到外应力作用扩展时，基体对t-ZrO2相的约束力得到松弛，可诱发相变使之转化为单斜晶型。此时伴随着3－5％的体

7、积膨胀和1-7％的剪切应变，并对基体产生压应力，使裂纹扩展受阻、主裂纹延深需要外力做功以增加能量。即在裂纹尖端应力场的作用下。形成晶粒相变、吸收能量、阻碍裂纹扩展的屏蔽区。提高了断裂能，使材料的断裂韧性提高。图2-1示意了应力诱导相变韧化的机理。特点是增韧幅度大，一般可提高基体的韧性2～4倍。相变对增韧贡献的计算，涉及到复杂的烧结动力学、热力学、断裂力学等理论。相变增韧理论阐述了当相变没发生时，裂纹尖端附近的应力由施加应力强度因子K1决定。如果在裂纹尖端区附近发生包含剪切应变和体膨胀的相变，会引起裂纹尖端附近的应力场发生变化。假设材料是线弹性体，

8、相变后，裂纹尖端产生部应力可用局部应力强度因子K2表示。当K2