第23卷第6期 材料科学与工程学报 总第98期 Vol 23 No. 6 Journal of Materials Science Engineering Dec.2005 文章编号16732812(2005)06-08004 氧化锆层状复合陶瓷表面压应力与相变增韧的关系 陈蓓2,程川,王里奥2,黄川 (1.重庆大学高电压与电工新技术教育部重点实验室;2重庆大学资源与环境工程学院,重庆40004 【摘要】利用维氏硬度仪和X射线应力分析仪、x射线衍射仪等手段分别对单层和层状氧化锆陶瓷进行了力学 还与相变应力和表面压应力有关,表面压应力对表面裂纹具有较大的抑制作用。层状陶瓷断裂韧性提高,主要是通过 表面压应力对压痕裂纹区应力强度因子的贡献、提高断裂相变量,强化相变增韧效果〓细化晶粒等几个方面来实现的 【关键词】ZO层状复合陶瓷;表面压应力;相变增韧;断裂韧性 中图分类号:TQ174.758.11 文献标识码:A Relationship bet ween Surface Compressive Stresses and Transformation Toughening of ZrO La minated Cera mics CHEN Bei, CHENG Chuan, WANG Liao. HUANG Chuan (l. The Key Lab of high voltage engineering and electrical ne w technology, moe; 2. Institute of Resouree and Environment Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China [Abstract] The mechanical test and analysis have been done between the monolithic and layered Zo ceramics by hardness machine Xrays stress analyses and X rays machines etc. The results show that the formation of indentation cracking has sme relationship with the transformation stresses induced by martensitic transformation and surface compressive stresses, besides the residual stresses. Whereas the surface compressive stresses control the expansion of the surface cracks. Transformation toughening is the main reason for moplithic and laminated ZrO ceramics to increase strength and fracture toughness. The increasing of fracture toughness in ZrO laminated ceramics is realized mainly through the aspects such as the contribution of stress intensity factor under the surface compressive stresses, the increase of the fracture transformation amount and fining of the grains etc Key words] ZO, laminated ceramics; surface compressive stress; transformation toughening; fracture toughness 明口:表面组成45wt%A2O3+55wt%ZO2(3Y2O3),中间组成 5wt%A2O+95wt%ZO2(3Y2O3)(以下简称45A12O3/O2层 层状复合陶瓷,由于不同层间组分和弹性模量的不同 状陶瓷),表面层厚度在300~700m的层状陶瓷,通过采用 在层与层间产生残余拉应力(压应力)。合适大小的表面压千压叠层成型技术和160·2小时,升温速率控制在1~ 应力能较大地提高陶瓷材料的强度、硬度、耐磨性和断裂韧20mn的烧结工艺,可以获得整体性能良好的层状复合陶 性。分析表面压应力作用下陶瓷材料力学性能的变化及影瓷材料 响因素具有十分重要的意义。 为了进行对比试验,制备了组成5wt%Al2O3+95wt 断裂韧性是陶瓷材料重要的力学性能之一。本文采用0(3YO3)的单层陶瓷(以下简称ZO2单层陶瓷),成型和 压痕法测试Z02层状和单层复合陶瓷的硬度和断裂韧性,烧结工艺与层状陶瓷基本相同。优良的制备工艺必须保证 由此,以应力诱发相变理论为基础,研究20O2陶瓷表面压应单层和层状陶瓷制品相对密度达到理论密度的8%以上。 力的存在对断裂韧性和相变增韧效果的影响 烧结好的材料每种(单层和层状陶瓷)选择至少5块试 样,在金刚石碾磨盘上经粗磨、细磨后 动抛光机上 2实验 分别用9m6m3m、1pm的金刚石抛光液抛光成镜面 待用 已有的对层状复合陶瓷的成分设计及工艺研究表 用ASPⅹ001X射线应力分析仪测试该层状陶瓷的应 收稿日期200501-10;修订日期:2005001 作者简介陈蓓(19657-),女博士,副研究员.Fml: caber2asn,om.,13038988 91994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse,Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
第23卷 第6期 Vol . 2 3 No . 6 材 料 科 学 与 工 程 学 报 Journal of Materials Science & Engineering 总第9 8期 Dec . 2 0 0 5 文章编号 :167322812( 2005) 0620806204 收稿日期 :2005201210 ;修订日期 :2005203201 作者简介 :陈蓓 (1967 - ) ,女 ,博士 ,副研究员. Email :cnbei2 @sina. com. 13340338988 氧化锆层状复合陶瓷表面压应力与相变增韧的关系 陈 蓓 1 ,2 ,程 川 2 ,王里奥 2 ,黄 川 2 ( 1. 重庆大学高电压与电工新技术教育部重点实验室 ;2. 重庆大学资源与环境工程学院 ,重庆 400044) 【摘 要】 利用维氏硬度仪和 X射线应力分析仪、X射线衍射仪等手段分别对单层和层状氧化锆陶瓷进行了力学 性能测试和分析 ,研究结果表明 ,在 ZrO2 层状复合陶瓷中 ,压痕裂纹的形成除了因塑性区体积变化产生的残余应力外 , 还与相变应力和表面压应力有关 ,表面压应力对表面裂纹具有较大的抑制作用。层状陶瓷断裂韧性提高 ,主要是通过 表面压应力对压痕裂纹区应力强度因子的贡献、提高断裂相变量 ,强化相变增韧效果、细化晶粒等几个方面来实现的。 【关键词】 ZrO2 层状复合陶瓷 ;表面压应力 ;相变增韧 ;断裂韧性 中图分类号 :TQ174. 75 + 8. 11 文献标识码 :A Relationship between Surface Compressive Stresses and Transformation Toughening of ZrO2 Laminated Ceramics CHEN Bei 1 ,2 , CHENG Chuan 2 ,WANG Li2ao 2 , HUANG Chuan 2 ( 1. The Key Lab of high voltage engineering and electrical new technology , MOE; 2. Institute of Resource and Environment Engineering , Chongqing University , Chongqing 400044 , China) 【Abstract】 The mechanical test and analysis have been done between the monolithic and layered ZrO2 ceramics by hardness machine , X2rays stress analyses and X2rays machines etc. The results show that the formation of indentation cracking has some relationship with the transformation stresses induced by martensitic transformation and surface compressive stresses , besides the residual stresses. Whereas the surface compressive stresses control the expansion of the surface cracks. Transformation toughening is the main reason for monolithic and laminated ZrO2 ceramics to increase strength and fracture toughness. The increasing of fracture toughness in ZrO2 laminated ceramics is realized mainly through the aspects such as the contribution of stress intensity factor under the surface compressive stresses , the increase of the fracture transformation amount and fining of the grains etc. 【Key words】 ZrO2 laminated ceramics;surface compressive stress; transformation toughening ; fracture toughness 1 引 言 层状复合陶瓷 ,由于不同层间组分和弹性模量的不同 , 在层与层间产生残余拉应力(压应力) 。合适大小的表面压 应力能较大地提高陶瓷材料的强度、硬度、耐磨性和断裂韧 性。分析表面压应力作用下陶瓷材料力学性能的变化及影 响因素具有十分重要的意义。 断裂韧性是陶瓷材料重要的力学性能之一。本文采用 压痕法测试 ZrO2 层状和单层复合陶瓷的硬度和断裂韧性 , 由此 ,以应力诱发相变理论为基础 ,研究 ZrO2 陶瓷表面压应 力的存在对断裂韧性和相变增韧效果的影响。 2 实 验 已有的对层状复合陶瓷的成分设计及工艺研究表 明[1 ] :表面组成 45wt %Al2O3 + 55wt %ZrO2 (3Y2O3 ) ,中间组成 5wt % Al2O3 + 95wt %ZrO2 (3Y2O3 ) (以下简称 45Al2O3ΠZrO2 层 状陶瓷) ,表面层厚度在 300～700μm 的层状陶瓷 ,通过采用 干压叠层成型技术和 1600 ℃3 2 小时 ,升温速率控制在 1～ 2 ℃Πmin 的烧结工艺 ,可以获得整体性能良好的层状复合陶 瓷材料。 为了进行对比试验 ,制备了组成 5wt % Al2O3 + 95wt % ZrO2 (3Y2O3 ) 的单层陶瓷(以下简称 ZrO2 单层陶瓷) ,成型和 烧结工艺与层状陶瓷基本相同。优良的制备工艺必须保证 单层和层状陶瓷制品相对密度达到理论密度的 98 %以上。 烧结好的材料每种(单层和层状陶瓷) 选择至少 5 块试 样 ,在金刚石碾磨盘上经粗磨、细磨后 ,再在自动抛光机上 分别用 9μm、6μm、3μm、1μm 的金刚石抛光液抛光成镜面 待用。 用 ASP X2001 X射线应力分析仪测试该层状陶瓷的应
第23卷第6期陈蓓,等.氧化锆层状复合陶瓷表面压应力与相变增韧的关系·807· 力大小。 45%A2O3+ZO2(3Y),表面厚度300m的层状陶瓷,在表面 常温抗弯强度用三点弯曲法测定,样品尺寸35×6×以下10m厚度处的应力,最大值(样品中心处)为 4m跨距20mm采用传统的压痕法测量层状陶瓷的硬度29MPa最小值(样品边缘)为.10Mma,均为压应力,考 和断裂韧性,测试在 Mitutoyo AVa维氏硬度计(载荷虑样品边缘的应力部分释放,故边缘处的应力值较小。该 20Ks,加载时间20s上进行。计算公式为 测试证明在45A2O2/O2层状陶瓷表面层以下确存在宏观 C (1) 压应力(与晶界应力相比) 31.3断裂相变量图12分别为单层ZO2和45A2O3/ 式中:载荷/kg,C压痕对角线长度/mm ZO2层状陶瓷烧结表面和断口表面的X射线衍射图(注:烧 Kr =0113HC(1+ a2C 结表面和断口表面都是纵截面) 式中:H维氏硬度值/(a;C压痕对角线长度/m;a裂纹长 由图可以看出,不论是单层或是层状陶瓷,其断口和烧 结表面的物相都是以四方相和单斜相ZO2为主,基本没有 用DAX120型X射线衍射(RD)仪测定陶瓷表面出现ALO3相的衍射峰,原因是纵截面上下表面层AO3含 和断口面ZO2四方相和单斜相的含量,其计算公式如下 量在总的截面上占的比例很少。不同的是:在烧结陶瓷表 n=-/mi+Ju×100% (3)面主要以四方相的ZO2为主,单斜相ZO含量极少;而在 断口表面,单斜相ZO2含量逐渐增多,表现为四方相ZO2 和单斜相ZO2共同存在。利用公式(3)(4)分别计算单层和 式中:V和V分别为ZO2中单斜相和四方相的体积百分 层状陶瓷单斜和四方相含量,计算结果如表2所示 数(即相对含量),Lm(i、la、lam分别为单斜相(111) 45A2O3/ZO2层状陶瓷与单层ZO2陶瓷相比,烧结表 (11)l和四方相(11l的衍射强度。为了避免材料表面面四方相ZO2含量较高新鲜断口单斜ZO含量较高,也 与内部相组成的差异,样品先经研磨去0.1mm,再抛光,在 抛光面上测定相组成。材料断口相组成直接用新鲜断口测 就是说,层状陶瓷断裂时在外应力作用下,有较多的四方相 定。定义抛光面四方相含量与断口四方相含量之差为材料 断裂相变量(可相变四方相含量):Vm=V(抛光面)·V f- ZrO (断口) 3结果与分析 3.1实验结果 60.000 3.1.1强度、硬度和断裂韧性在一定的压痕载荷下,根 (a)绕结表面( sintered surface) 据压痕对角线和裂纹的长度,利用压痕法公式,根据压痕对 角线和裂纹长度计算单层和层状陶瓷的硬度和断裂韧性 其计算结果如表1所示 表1单层和层状陶瓷的硬度和断裂韧性 Table 1 Hardness and fracture toughness bet ween single and laminated ceramics hardness Fracture toughness 20.00030.000 Sample strengh/MPa/GPa /MPa m2 (b)断 ZrO single ceramics 450 1单层ZO2陶瓷的XRD图谱 45 Al,O,/ZO 15.6 8.5 I XRD spectrum of ZO2 single ceramics 表2单层和层状ZrO2陶瓷单斜相及四方相的含量/d% 由于表面压应力对裂纹的抑制作用45A2O3/ZO2层状 lable 2 Monoclinic and tetragonal phase contents of 陶瓷的压痕对角线和裂纹长度远小于ZO2单层陶瓷,因此 single and la minated ceramics 单层和层状陶瓷的硬度和断裂韧性差别较大:45A2O/ZO2 Fracture phase 层状陶瓷的强度、硬度和断裂韧性较单层ZO陶瓷提高 Sample 0%以上。 polished surface 7.4 92.6 3.1.2表面压应力在平行于界面层xy轴的平面上(20 resh rupture 15.8 84.2 每隔3m为一个测量点,共进行了两个样品,20(上 896.2 )个点的数据测定。测试结果表明,对于表面组成 laminated cermics Fresh rupture 40.1 59.9 91994-2009ChinaacAdemicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
力大小。 常温抗弯强度用三点弯曲法测定 ,样品尺寸 35 ×6 × 4mm ,跨距 20 mm;采用传统的压痕法测量层状陶瓷的硬度 和断裂韧性 ,测试在 Mitutoyo AVK2CL 维氏硬度计 (载荷 20Kgf ,加载时间 20s) 上进行。计算公式为 : H = 1. 8544 f C 2 (1) 式中 : f2载荷Πkg , C2压痕对角线长度Πmm。 KIC = 0113HC 1Π2 (1 + aΠ2 C) - 2Π3 (2) 式中 : H2维氏硬度值ΠGPa ; C2压痕对角线长度Πμm; a2裂纹长 度Πμm。 用 DΠMAX21200 型 X2射线衍射 (XRD) 仪测定陶瓷表面 和断口面 ZrO2 四方相和单斜相的含量 ,其计算公式如下 : Vm = Im (111) + Im (111) It(111) + Im (111) + Im (111) ×100 % (3) Vt = 1 - Vm (4) 式中 :Vm 和 Vt 分别为 ZrO2 中单斜相和四方相的体积百分 数(即相对含量) , Im (111) 、Im (111) 、It(111) 分别为单斜相 (11 1) , (111) 面和四方相 (111) 面的衍射强度。为了避免材料表面 与内部相组成的差异 ,样品先经研磨去 0. 1mm ,再抛光 ,在 抛光面上测定相组成。材料断口相组成直接用新鲜断口测 定。定义抛光面四方相含量与断口四方相含量之差为材料 断裂相变量[2 ] (可相变四方相含量) :Vt - m = Vt (抛光面) - Vt (断口) 。 3 结果与分析 3. 1 实验结果 3. 1. 1 强度、硬度和断裂韧性 在一定的压痕载荷下 ,根 据压痕对角线和裂纹的长度 ,利用压痕法公式 ,根据压痕对 角线和裂纹长度计算单层和层状陶瓷的硬度和断裂韧性 , 其计算结果如表 1 所示。 表 1 单层和层状陶瓷的硬度和断裂韧性 Table 1 Hardness and fracture toughness between single and laminated ceramics Sample Bengding strengthΠMPa Hardness ΠGPa Fracture toughness ΠMPa·m 1Π2 ZrO2 single ceramics 450 10. 6 6. 4 45 Al2O3ΠZrO2 laminated ceramics 650 15. 6 8. 5 由于表面压应力对裂纹的抑制作用 ,45Al2O3ΠZrO2 层状 陶瓷的压痕对角线和裂纹长度远小于 ZrO2 单层陶瓷 ,因此 , 单层和层状陶瓷的硬度和断裂韧性差别较大 :45Al2O3ΠZrO2 层状陶瓷的强度、硬度和断裂韧性较单层 ZrO2 陶瓷提高 20 %以上。 3. 1. 2 表面压应力 在平行于界面层 xy 轴的平面上(20 3 5mm) ,每隔 3mm 为一个测量点 ,共进行了两个样品 ,20 (上 下两面) 个点的数据测定。测试结果表明 ,对于表面组成 45 %Al2O3 + ZrO2 (3Y) ,表面厚度 300μm 的层状陶瓷 ,在表面 以下 10μm 厚 度 处 的 应 力 , 最 大 值 ( 样 品 中 心 处) 为 - 296MPa ,最小值 (样品边缘) 为 - 100MPa ,均为压应力 ,考 虑样品边缘的应力部分释放 ,故边缘处的应力值较小。该 测试证明在 45 Al2O3ΠZrO2 层状陶瓷表面层以下确存在宏观 压应力(与晶界应力相比) 。 3. 1. 3 断裂相变量 图 1、2 分别为单层 ZrO2 和 45Al2O3Π ZrO2 层状陶瓷烧结表面和断口表面的 X2射线衍射图(注 :烧 结表面和断口表面都是纵截面) 。 由图可以看出 ,不论是单层或是层状陶瓷 ,其断口和烧 结表面的物相都是以四方相和单斜相 ZrO2 为主 ,基本没有 出现 Al2O3 相的衍射峰 ,原因是纵截面上下表面层 Al2O3 含 量在总的截面上占的比例很少。不同的是 :在烧结陶瓷表 面主要以四方相的 ZrO2 为主 ,单斜相 ZrO2 含量极少 ;而在 断口表面 ,单斜相 ZrO2 含量逐渐增多 ,表现为四方相 ZrO2 和单斜相 ZrO2 共同存在。利用公式(3) (4) 分别计算单层和 层状陶瓷单斜和四方相含量 ,计算结果如表 2 所示。 45 Al2O3ΠZrO2 层状陶瓷与单层 ZrO2 陶瓷相比 ,烧结表 面四方相 ZrO2 含量较高 ,新鲜断口单斜 ZrO2 含量较高 ,也 就是说 ,层状陶瓷断裂时在外应力作用下 ,有较多的四方相 (a) 绕结表面(sintered surface) (b) 断口表面(fracture surface) 图 1 单层 ZrO2 陶瓷的 XRD 图谱 Fig. 1 XRD spectrum of ZrO2 single ceramics 表 2 单层和层状 ZrO2 陶瓷单斜相及四方相的含量Πvol % Table 2 Monoclinic and tetragonal phase contents of single and laminated ceramics Sample Vm Vt Fracture phase contents Vt 2m ZrO2 single ceramics Polished surface Fresh rupture 7. 4 15. 8 92. 6 84. 2 8. 4 45Al2O3ΠZrO2 laminated cermics Polished surface Fresh rupture 3. 8 40. 1 96. 2 59. 9 36. 3 第 23 卷第 6 期 陈蓓 ,等. 氧化锆层状复合陶瓷表面压应力与相变增韧的关系 ·807 ·
材料科学与工程学报 2005年12月 对45A2O2/ZO2层状复合陶瓷,在层与层的界面存在 1000 宏观残余压应力,假设该应力为均匀地分布在表面层以 下,已有研究表明,由表面压应力0大小决定的加到压痕裂 纹尖端的应力强度因子为 式中:为裂纹形状因子,c为压痕裂纹的长度。 60.000 在45A2O3/ZO2层状复合陶瓷中,外应力诱导下将发 (a)绕结表面( sintered surface 生马氏体相变,其相变应力及表面压应力对材料的断裂韧 性均有贡献。根据应力场叠加原理,处于平衡态的压痕裂 纹体系的应力强度因子由上述三部分组成 f-Zrd mZrh 显然由于表面残余压应力的存在,增加了对压痕裂纹 尖端的应力强度因子的贡献,K>0,即K状≥K单层;此外, 表面压应力对表面裂纹具有一定的抑制作用,导致压痕裂 wlwI 纹c下降,从公式(5)、(6)可以看出,c下降使得层状陶瓷的 断裂韧性增加明显。以上分析表明,由于相变应力和表面 压应力的双重作用,使得45A12O/ZO2层状陶瓷的断裂韧 图245A2O3/1O2层状陶瓷的xRD图谱 性大大提高。 ig2 XRD spectrum of 45Al2O3/Zro laminated ceramics 3.3相变应力和表面压应力对陶瓷强韧化的贡献 发生了相变,转变为单斜相,其断裂相变量较单层ZO2陶瓷高约 以上对单层和层状陶瓷的压痕开裂力学分析表明,相 60% 变应力和表面压应力对陶瓷的强韧化具有较大的贡献。进 3.245A2O3/O2层状和ZO2单层陶瓷的压痕开裂力学分析 一步的XRas分析结果,对单层和层状陶瓷的断裂相变量 为了对上述实验结果作进一步的分析,以压痕断裂力的计算可以知道,表面压应力的存在增加了ZO2陶瓷断裂 学理论为基础,分析单层ZO陶瓷和45A2O3/ZO2层状复相变量,即增强了相变增韧的强度和效果 合陶瓷的压痕开裂力学行为。根据压痕断裂力学理论 对于单层ZO2陶瓷,其断裂相变量为8.4%,单层ZO2 用一定载荷的Ⅴkrs压头压制材料表面并使其开裂、在这陶瓷的相变增韧作用为主要的强韧化机制。Y2O稳定的 开裂过程中,压痕裂纹扩展的驱动力是压痕附近材料塑2O四方相在室温下保持稳定,但在外力作用下,发生四方 性形变导致的残余应力。处于平衡状态的压痕裂纹其尖端相向单斜相的转变,并伴随有5→%的体积膨胀,这种相 的残余应力场强度K在数值上等于材料的断裂韧性K。变导致在材料的基体中产生大量的微裂纹,从而分散了主 这种残余应力理论是目前压痕开裂的理论基础。根据这 裂纹的能量减缓主裂纹的应力集中,延长了裂纹的扩展路 理论导出的压痕法断裂韧性计算公式具有如下形式 径,使材料达到增强增韧的效果。 k=f(=x金 对于45A2O3//O2层状复合陶瓷,其断裂相变量为 36.3%高出单层ZO2陶瓷60%以上。也就是说外力作用 公式中,P为压头加载时的最大载荷,c为压痕裂纹半长f下,可发生四方相向单斜相转化的体积分数大大增加,相变 (为角函数,x近似为一常数,用于描述压痕裂纹尖端处增韧的效果增强。这主要是由于表面压应力的作用,在较 的残余应力效应 高烧结温度下,抑制了ZO2和Al2O3晶体颗粒生长,细化晶 如果材料中含有可相变的亚稳态四方相t-ZO2,其体粒(已有研究表明45A2O3/ZO2层状复合陶瓷烧结后的 积分数为Vm(即断裂相变量),则在压痕塑性区相变后加到颗粒尺寸都非常细小,与原料粉的颗粒尺寸相当,大约在0 压痕裂纹尖端的应力强度因子为 5~1.0um之间),使ZO2的颗粒尺寸远小于相变临界颗粒 尺寸,因此抑制了高温下四方相向单斜相的转变,保证烧结 后的制品中四方相的含量达到95%以上;另外,表面压应力 x.m是与断裂相变量相关联的一个函数,Vm越大,xm值的作用,对ZO2的相变具有一定的约束作用,一旦相变发 越高。因此,断裂相变量越大,由此带来的相变增韧作用越生,其相变的推动力是巨大的,其断裂相变量远高于单层 强,对压痕裂纹尖端的应力强度因子贡献越大,断裂韧性值ZO2陶 提高越多。对于单层ZO2陶瓷,根据应力场叠加原理,处于 以上分析可知,表面压应力的存在,极大地提高了层状 平衡态的压痕裂纹体系的应力强度因子(断裂韧性值)由上陶瓷的断裂韧性,主要是通过对压痕裂纹的应力强度因子 述两部分组成 的贡献、抑制裂纹扩展、细化晶粒、提高断裂相变量、强化相 单层=K+K.m (7)变增韧效果等几个方面来实现的 01994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
(a) 绕结表面(sintered surface) (b) 断口表面(fracture surface) 图 2 45Al2O3ΠZrO2 层状陶瓷的 XRD 图谱 Fig. 2 XRD spectrum of 45Al2O3ΠZrO2 laminated ceramics 发生了相变 ,转变为单斜相 ,其断裂相变量较单层 ZrO2 陶瓷高约 60 %。 3. 2 45Al2O3ΠZrO2 层状和 ZrO2 单层陶瓷的压痕开裂力学分析 为了对上述实验结果作进一步的分析 ,以压痕断裂力 学理论为基础 ,分析单层 ZrO2 陶瓷和 45 Al2O3ΠZrO2 层状复 合陶瓷的压痕开裂力学行为。根据压痕断裂力学理论[3 ] , 用一定载荷的 Vickers 压头压制材料表面并使其开裂 ,在这 一开裂过程中 ,压痕裂纹扩展的驱动力是压痕附近材料塑 性形变导致的残余应力。处于平衡状态的压痕裂纹其尖端 的残余应力场强度 Kr 在数值上等于材料的断裂韧性 KIc 。 这种残余应力理论是目前压痕开裂的理论基础。根据这一 理论导出的压痕法断裂韧性计算公式具有如下形式 : Kr = f (φ) Pr c 3Π2 = χr P c 3Π2 (5) 公式中 , P 为压头加载时的最大载荷 , c 为压痕裂纹半长 , f (φ) 为角函数 ,χr 近似为一常数 ,用于描述压痕裂纹尖端处 的残余应力效应。 如果材料中含有可相变的亚稳态四方相 t —ZrO2 ,其体 积分数为 Vt2m (即断裂相变量) ,则在压痕塑性区相变后加到 压痕裂纹尖端的应力强度因子为[4 ] : Kt- m = f (φ) Pt- m c 3Π2 = χt- m P c 3Π2 (6) χt - m是与断裂相变量相关联的一个函数 , Vt - m 越大 ,χt2m 值 越高。因此 ,断裂相变量越大 ,由此带来的相变增韧作用越 强 ,对压痕裂纹尖端的应力强度因子贡献越大 ,断裂韧性值 提高越多。对于单层 ZrO2 陶瓷 ,根据应力场叠加原理 ,处于 平衡态的压痕裂纹体系的应力强度因子 (断裂韧性值) 由上 述两部分组成 : K单层 = Kr + Kt- m (7) 对 45 Al2O3ΠZrO2 层状复合陶瓷 ,在层与层的界面存在 宏观残余压应力 ,假设该应力为 σs 均匀地分布在表面层以 下 ,已有研究表明 ,由表面压应力σs 大小决定的加到压痕裂 纹尖端的应力强度因子为[5 ] : KS = ωσS c 1Π2 (8) 式中 :ω为裂纹形状因子 , c 为压痕裂纹的长度。 在 45 Al2O3ΠZrO2 层状复合陶瓷中 ,外应力诱导下将发 生马氏体相变 ,其相变应力及表面压应力对材料的断裂韧 性均有贡献。根据应力场叠加原理 ,处于平衡态的压痕裂 纹体系的应力强度因子由上述三部分组成 : K层状 = Kr + Kt- m + KS (9) 显然由于表面残余压应力的存在 ,增加了对压痕裂纹 尖端的应力强度因子的贡献 , KS > 0 ,即 K层状 ≥K单层 ;此外 , 表面压应力对表面裂纹具有一定的抑制作用 ,导致压痕裂 纹 c 下降 ,从公式(5) 、(6) 可以看出 , c 下降使得层状陶瓷的 断裂韧性增加明显。以上分析表明 ,由于相变应力和表面 压应力的双重作用 ,使得 45 Al2O3ΠZrO2 层状陶瓷的断裂韧 性大大提高。 3. 3 相变应力和表面压应力对陶瓷强韧化的贡献 以上对单层和层状陶瓷的压痕开裂力学分析表明 ,相 变应力和表面压应力对陶瓷的强韧化具有较大的贡献。进 一步的 X2Rays 分析结果 ,对单层和层状陶瓷的断裂相变量 的计算可以知道 ,表面压应力的存在增加了 ZrO2 陶瓷断裂 相变量 ,即增强了相变增韧的强度和效果。 对于单层 ZrO2 陶瓷 ,其断裂相变量为 8. 4 % ,单层 ZrO2 陶瓷的相变增韧作用为主要的强韧化机制。Y2O3 稳定的 ZrO2 四方相在室温下保持稳定 ,但在外力作用下 ,发生四方 相向单斜相的转变 ,并伴随有 5 —7 %的体积膨胀[6 ] ,这种相 变导致在材料的基体中产生大量的微裂纹 ,从而分散了主 裂纹的能量 ,减缓主裂纹的应力集中 ,延长了裂纹的扩展路 径 ,使材料达到增强增韧的效果。 对于 45Al2O3ΠZrO2 层状复合陶瓷 , 其断裂相变量为 36. 3 % ,高出单层 ZrO2 陶瓷 60 %以上。也就是说外力作用 下 ,可发生四方相向单斜相转化的体积分数大大增加 ,相变 增韧的效果增强。这主要是由于表面压应力的作用 ,在较 高烧结温度下 ,抑制了 ZrO2 和 Al2O3 晶体颗粒生长 ,细化晶 粒(已有研究表明[7 ] ,45 Al2O3ΠZrO2 层状复合陶瓷烧结后的 颗粒尺寸都非常细小 ,与原料粉的颗粒尺寸相当 ,大约在 0. 5～1. 0μm 之间) ,使 ZrO2 的颗粒尺寸远小于相变临界颗粒 尺寸 ,因此抑制了高温下四方相向单斜相的转变 ,保证烧结 后的制品中四方相的含量达到 95 %以上 ;另外 ,表面压应力 的作用 ,对 ZrO2 的相变具有一定的约束作用 ,一旦相变发 生 ,其相变的推动力是巨大的 ,其断裂相变量远高于单层 ZrO2 陶瓷。 以上分析可知 ,表面压应力的存在 ,极大地提高了层状 陶瓷的断裂韧性 ,主要是通过对压痕裂纹的应力强度因子 的贡献、抑制裂纹扩展、细化晶粒、提高断裂相变量、强化相 变增韧效果等几个方面来实现的。 ·808 · 材料科学与工程学报 2005 年 12 月
第23卷第6期陈蓓,等.氧化锆层状复合陶瓷表面压应力与相变增韧的关系·809· J硅酸盐学报,2001,29(4):386388 4结论 [2] Lawn B.R., Evans A. G, Marshall D. B. J.J. Am. Ceram. 1.表面压应力的存在,较大地提高了氧化锆层状复合 [3 Evans A. G Heuer AH. Review: Transtormation toughening in 陶瓷的硬度和断裂韧性。其作用主要是通过抑制裂纹扩 ceramie martensitic transfomation in crack-tip stress field [ J]. J 展细化晶粒提高断裂相变量,强化相变增韧效果等来实 Am. Ceram.Soc.,198463(5~6):314 现的。 [4] Marshall, D B; Lawn, B R. Residual stress effects in sharp contact 2.分析压痕裂纹尖端的应力强度因子可知,单层ZO2 cracking: Indentation fracture mechanics [J]. Jourmal of Material Science,1979,14(8):2001~12 陶瓷,压痕裂纹的形成与残余应力和相变应力有关,其断裂[5]包亦望,苏盛彪对称型陶瓷层状复合材料中的残余应力分析 韧性值由两部分组成:K层=K+K.m;ZO2层状复合陶 J]材料研究学报2002,16(5):450~451 瓷,压痕裂纹的形成除与残余应力和相变应力相关外,还与16] RALPH F KJr. Estimation of characterstic parameters of a grain 直由 表面压应力对应力强度因子的贡献有关,其断裂韧性值E bridging model for crack extension[J].J Am Ceram Soc, 1999, 82 三部分组成:K状=K+K.m+ 373~375 7]陈蓓,丁培道等A2O/O2层状复合陶瓷的显微结构特征与 参考文献 强韧化的关系U]材料导报,2004,18(9):92~95 ]陈蓓,丁培道,等.A2O/ZO层状复合陶瓷的结构设计与性能 (上接第805页) 984,74~82 参考文献 4]卢正永.气溶胶科学引论[M]北京:原子能出版社200025~ []王昭群,朱长江,陈作如等毫米波干扰技术进展及途径分析 ]南京理工大学学报,1992221):22~25 [5]D S. Hague. Doppler Hifect of Foil Cloud and Chaff cloud UJ]. SPIE, [2]乔小晶,王长福,任慧新概念无源干扰技术卩].火工品 1998 001,(1)47 6]朱长江,陈作如膨胀石墨的毫米波二维平面衰减性能研究 [3]孙以材半导体材料测试技术[M]北京:治金工业出版社 [J].材料科学与工程,200220(4):487~489 o1994-2009 China Academic Journ
4 结 论 1. 表面压应力的存在 ,较大地提高了氧化锆层状复合 陶瓷的硬度和断裂韧性。其作用主要是通过抑制裂纹扩 展、细化晶粒、提高断裂相变量 ,强化相变增韧效果等来实 现的。 2. 分析压痕裂纹尖端的应力强度因子可知 ,单层 ZrO2 陶瓷 ,压痕裂纹的形成与残余应力和相变应力有关 ,其断裂 韧性值由两部分组成 : K单层 = Kr + Kr- m ; ZrO2 层状复合陶 瓷 ,压痕裂纹的形成除与残余应力和相变应力相关外 ,还与 表面压应力对应力强度因子的贡献有关 ,其断裂韧性值由 三部分组成 : K层状 = Kr + Kt - m + Ks 。 参 考 文 献 [1 ] 陈蓓 ,丁培道 ,等. Al2 O3ΠZrO2 层状复合陶瓷的结构设计与性能 [J ]. 硅酸盐学报 ,2001 ,29 (4) :3862388. [2 ] Lawn B. R. , Evans A. G. , Marshall D. B. [J ]. J. Am. Ceram. Soc. , 1984 , 63 (9～10) :574. [3 ] Evans A. G. Heuer AH. Review: Transformation toughening in ceramic2martensitic transformation in crack2tip stress field [J ]. J. Am. Ceram. Soc. , 1984 ,63 (5～6) :314. [4 ] Marshall ,D B ; Lawn ,B R. Residual stress effects in sharp contact cracking: Indentation fracture mechanics [J ]. Journal of Materials Science ,1979 ,14 (8) :2001～12. [5 ] 包亦望 ,苏盛彪. 对称型陶瓷层状复合材料中的残余应力分析 [J ]. 材料研究学报 ,2002 ,16 (5) :450～451. [6 ] RALPH F K Jr. Estimation of characteristic parameters of a grain bridging model for crack extension[J ]. J Am Ceram Soc , 1999 , 82 : 373～375. [7 ] 陈蓓 ,丁培道 ,等. Al2 O3ΠZrO2 层状复合陶瓷的显微结构特征与 强韧化的关系[J ]. 材料导报 ,2004 ,18 (9) :92～95. (上接第 805 页) 参 考 文 献 [1 ] 王昭群 ,朱长江 ,陈作如 ,等. 毫米波干扰技术进展及途径分析 [J ]. 南京理工大学学报 ,1992 ,22 (1) :22～25. [2 ] 乔小晶 ,王长福 , 任慧. 新概念无源干扰技术 [J ]. 火工品 , 2001 , (1) 47～49. [3 ] 孙以材.半导体材料测试技术 [M]. 北京 : 冶金工业出版社 , 1984 ,74～82. [4 ] 卢正永. 气溶胶科学引论[M]. 北京 :原子能出版社. 2000 ,25～ 28. [5 ] D. S. Hague. Doppler Effect of Foil Cloud and Chaff cloud [J ]. SPIE , 1998. [6 ] 朱长江 ,陈作如. 膨胀石墨的毫米波二维平面衰减性能研究 [J ]. 材料科学与工程 ,2002 ,20 (4) :487～489. 第 23 卷第 6 期 陈蓓 ,等. 氧化锆层状复合陶瓷表面压应力与相变增韧的关系 ·809 ·