材料工程2000年7期 材料界面增韧的力学机理及其强韧化设计 Toughen ing m echan ics M echan ism and Toughen ing design for M aterial Interfaces 向毅斌,陈敦军,吴诗惇(西北工业大学材料科学与工程学院,西安710072) XANG Yrbin, CHEN Dun-jun, WU Shichun College ofM aterials Science and Engineering, Northw estern Poly techn ical U niversity XIan 710072. China 摘要基于界面断裂力学理论,以界面的断裂能和混合度为基本细观参数,揭示了材料界面增韧的主要力学机理 提高界面断裂韧性,二是实现最佳断裂路径,并以此为依据,分析了材料界面强韧化设计的主要原理和方法,为实 际材料界面设计提供了理论基础。 关键词:界面,断裂力学,强韧化 中图分类号O346.1文献标识码A文章编号:1001-4381(2000) Abstract Based on the interfacial fracture m echan cs, th is paper presents the princpal toughen ing m echan ics m echan ism for the m aterial nterfaces using nterfacial fracture energy and m ixture mode as prm ary m icro structural param eters one is to m prove interfacial fracture toughness, the other is to realize optm um fracture path. And accord ing to the toughen ing m echan im the m ain prncp les and m ethods n toughen ng design of m aterial interfaces are stud ed, w hih prov ides theory basis for the actual nterface design Key words interface, fracture m echan, toughen ing 界面在工程材料中几乎无处不在:组合构件的搭力应变集中,且界面形成过程中会不同程度地留有连 接界面,复合材料层合结构的层间界面,不同材料扩接的工艺性缺陷,使得界面往往成为发生断裂的源 散连接形成的界面,多晶体材料中不同晶粒之间的界泉:多相材料的大多数断裂现象源于硬软相的界面, 面等。依不同的尺度划分,可将这些界面分别定义为复合材料中常见的分层和纤维拔出也是典型的界面 宏观界面,细观界面以及微观界面。然而,对于实际断裂。由于界面断裂成为多相材料的主要破坏模式, 的材料系统,往往不能严格区分不同层次界面的界针对以韧性为主要性能指标的先进结构材料,对材料 限,它可以同时存在这些界面结构,也可能只存在其界面进行研究并通过界面设计提高材料断裂韧性就 中任何一种层次的界面。本文主要讨论不同组分材料显得尤为重要。本文以界面的断裂能和混合度为基本 之间通过物化或固化反应形成的界面,这样的界面往细观参数,用界面断裂力学方法,揭示了材料界面增 往不是一个单纯的几何面,而是一个过渡区域2 韧的主要力学机理,并分析了材料界面强韧化设计的 般说来,这个过渡区域是从其中一种组分材料性质开主要原理和方法,为材料界面强韧化设计提供了理论 始变化的那一点到与另一种组分材料性质相一致的依据 那一点为止。该区域材料的结构与性能不同于两种组 分材料中的任何一种,故而常称之为界面层 1界面断裂力学理论 界面的形成和作用机理十分复杂,至今仍未形成 考虑各向同性双弹性材料界面,其力学问题可由 统一的理论。总的来说,影响界面的形成、结构及其两个无量纲的 Dund参数控制 稳定性的因素大致可分为两类:物理因素和化学因 山(K+1)-g(Ku+1 素。物理因素包括吸附、扩散、机械等作用,而化学 1(K2+1)+p(K1+1) 因素则主要是化学键结合。无论是物理因素还是化学 山(K2-1)-(K1- 因素,都与形成界面的组分材料及其工艺条件有关。 工艺、界面以及材料宏观性能三者之间有着不可分割式中,μ是剪切模量,K是与泊松比U有关的无量纲数 联系。由于界面两侧材料的失配使连接界面产生应(对于平面应力有(3-U/(1+U,对于平面应 o1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net材料界面增韧的力学机理及其强韧化设计 Toughening M echanicsM echanism and Toughening Design for M aterial Interfaces 向毅斌, 陈敦军, 吴诗忄享 (西北工业大学材料科学与工程学院, 西安 710072) X IAN G Yi2bin, CHEN Dun2jun, WU Sh i2chun (College of M aterials Science and Engineering, Northw estern PolytechnicalU niversity, Xi’an 710072, Ch ina) 摘要: 基于界面断裂力学理论, 以界面的断裂能和混合度为基本细观参数, 揭示了材料界面增韧的主要力学机理: 一 是提高界面断裂韧性, 二是实现最佳断裂路径, 并以此为依据, 分析了材料界面强韧化设计的主要原理和方法, 为实 际材料界面设计提供了理论基础。 关键词: 界面; 断裂力学; 强韧化 中图分类号: O 34611 文献标识码: A 文章编号: 100124381 (2000) 0720010203 Abstract: Based on the interfacial fracture m echanics, th is paper p resents the p rincipal toughening m echanics m echanism for the m aterial interfaces using interfacial fracture energy and m ixture mode as p rim ary m icrostructural param eters: one is to imp rove interfacial fracture toughness, the other is to realize op tim um fracture path1 A nd according to the toughening m echanism the m ain p rincip les and m ethods in toughening design of m aterial interfaces are studied, w h ich p rovides theory basis for the actual interface design1 Key words: interface; fracture m echanics; toughening 界面在工程材料中几乎无处不在: 组合构件的搭 接界面, 复合材料层合结构的层间界面, 不同材料扩 散连接形成的界面, 多晶体材料中不同晶粒之间的界 面等。依不同的尺度划分, 可将这些界面分别定义为 宏观界面, 细观界面以及微观界面。然而, 对于实际 的材料系统, 往往不能严格区分不同层次界面的界 限, 它可以同时存在这些界面结构, 也可能只存在其 中任何一种层次的界面。本文主要讨论不同组分材料 之间通过物化或固化反应形成的界面, 这样的界面往 往不是一个单纯的几何面, 而是一个过渡区域[1, 2 ]。一 般说来, 这个过渡区域是从其中一种组分材料性质开 始变化的那一点到与另一种组分材料性质相一致的 那一点为止。该区域材料的结构与性能不同于两种组 分材料中的任何一种, 故而常称之为界面层。 界面的形成和作用机理十分复杂, 至今仍未形成 统一的理论。总的来说, 影响界面的形成、结构及其 稳定性的因素大致可分为两类: 物理因素和化学因 素。物理因素包括吸附、扩散、机械等作用, 而化学 因素则主要是化学键结合。无论是物理因素还是化学 因素, 都与形成界面的组分材料及其工艺条件有关。 工艺、界面以及材料宏观性能三者之间有着不可分割 的联系。由于界面两侧材料的失配使连接界面产生应 力应变集中, 且界面形成过程中会不同程度地留有连 接的工艺性缺陷, 使得界面往往成为发生断裂的源 泉: 多相材料的大多数断裂现象源于硬软相的界面; 复合材料中常见的分层和纤维拔出也是典型的界面 断裂。由于界面断裂成为多相材料的主要破坏模式, 针对以韧性为主要性能指标的先进结构材料, 对材料 界面进行研究并通过界面设计提高材料断裂韧性就 显得尤为重要。本文以界面的断裂能和混合度为基本 细观参数, 用界面断裂力学方法, 揭示了材料界面增 韧的主要力学机理, 并分析了材料界面强韧化设计的 主要原理和方法, 为材料界面强韧化设计提供了理论 依据。 1 界面断裂力学理论 考虑各向同性双弹性材料界面, 其力学问题可由 两个无量纲的Dundurs 参数控制: Α= Λ1 (K 2+ 1) - Λ2 (K 1+ 1) Λ1 (K 2+ 1) + Λ2 (K 1+ 1) Β= Λ1 (K 2- 1) - Λ2 (K 1- 1) Λ1 (K 2+ 1) + Λ2 (K 1+ 1) (1) 式中, Λ是剪切模量, ϑ是与泊松比 Τ有关的无量纲数 (对于平面应力有 ϑ= (3- Τ) ö(1+ Τ) , 对于平面应 10 材料工程ö2000 年 7 期