材料工程00年7期 个量级。典型的界面断裂韧性如图2所示 计是通过对材料界面过渡层的结构特征设计(如界面 层厚度和界面层材料过渡函数)来达到更高的裂尖混 二L家 合度,以实现界面的强韧化。界面断裂韧性曲线设计 是通过材料对的匹配选择、界面结合工艺和界面涂层 技术来改变界面断裂韧性曲线,从而实现相同裂尖混 合度下更高的界面断裂韧性。最佳断裂路径设计则是 通过界面取向配置来改变裂尖混合度屮,优化裂纹 扩展路径,实现材料界面的强韧化。 裂尖断裂泥合度/m 3结论 图2典型的界面断裂韧性曲 Fig. 2 Typial nterfacial fracture toughness curve 应用细观力学的方法研究了材料界面的力学行 为,基于相应的界面断裂力学模型,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 对于双材料界面、界面裂纹扩展路径取决干下列要力学机理,分析了材料界面强韧化设计的主要原理 参数:裂尖断裂混合度,界面断裂韧性I=和方法,为实际材料界面设计提供了理论基础。 (平),组分材料1和2的I型断裂韧性I和I2。 参考文献 (1)当II,I2时,对于任意的,裂纹沿 界面扩展。 [1 LW. HalL T, Kyono, A. D wanji. On the fibre/matrix nterface (2)当II2,I2<时 in boron alum inum metalm atrix composites [J].J Mater. Sci. 当0<y≤ma,裂纹保持在界面上, 987,22:17431748 [2 C.H. Hsueh, P F Becher, P. A ngelini J. Am. Ceram.Soc 当甲>a,裂纹折入组分材料2。 1988,71:929933 其中围m与αβ和I/T2有关。 [3] C. Atkinson. On quasistatic problm s of cracks n a non-homo 利用上述准则基本上可以确定界面裂纹的扩展 geneous elastic layer J), Acta M echan ia, 1977, 26: 103-113 路径,其控制参数主要是界面断裂能和裂尖断裂混合hpp,AMh,18 lale, F. Erdogan. On the m echan ical modeling of the nter- 度等表示材料性能的参量。对于不同的组分材料搭 配,合适的界面断裂能能够使裂纹沿着一条优化的路(5]w.Yang, New insights of interfac al fracture m echan is{R].h 径扩展,进而为材料的宏观增韧提供途径。 C.H. Teoh, K.H. Lee eds. Fracture of Eng ineering M aterials and Structures, Proc. Of CF/FEFG Symposium, Singapo 2界面增韧机理及强韧化设计 London: Elsevier Pub., 1991, 5r 56 [6] W. Yang, C F. Shh. Fracture abng an interlayer J). ht.J. 由上述界面断裂力学理论可知,针对材料界面增 Solids structs. 1994. 31: 985-1002 韧主要从以下两个方面考虑其一提高界面断裂韧17,C. apan Ioo lou,,J. essan is s.s. arakat san d is. the 性,其二是实现最佳断裂路径。我们知道材料界面的 effect of interfacal cond it ons on the elast ic-bng itud inal modulus of fibre reinforced composites [J]. J Mater. Sci, 1989, 24 细观结构参数与宏观断裂韧性之间存在相应的关系, 通过控制材料界面的细观结构参数来改变决定界面8]p.s. Theocaris. T.P. Philpp iis. Influence of the m emphases 通过工艺过程改进界面的粘结状况来控制断裂能,例(914.198,22074 eephase composites,Maer 断裂破坏性能的界面断裂能矿就显得十分必要。界面 断裂能实际上反映了界面的粘合功与偏折效应,可以 terials [ J]. Advances n A pp lied M echan is, 1991, 28 如改变组分材料的组合,在组分材料表面涂层,控制 界面形成时的工艺参数等。此外界面的断裂能还与外基金项目:高等学校博士学科点专项基金资助项目(98069912) 载相角密切相关,也可使界面的受力状态与外载相匹收稿日期199-26 配来提高材料界面的韧性。 作者简介向毅斌(1974-),男,西北工业大学材料科学与工程学院博 根据材料界面增韧的力学机理,即可进行界面强 士研究生。联系地址:西安市西北工业大学341信箱(710072) 本文编辑全宏声 韧化设计,对确定的外载状态,主要从以下几个方面 来考虑(1)界面层结构特征设计,(2)界面断裂韧 性曲线设计,(3)最佳断裂路径设计。界面层结构设 o1994-2009ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net一个量级。典型的界面断裂韧性如图 2 所示。 图 2 典型的界面断裂韧性曲线 Fig1 2 Typ ical interfacial fracture toughness curve 112 界面裂纹扩展 对于双材料界面, 界面裂纹扩展路径取决于下列 参数: 裂尖断裂混合度 7 tip , 界面断裂韧性 Гi= Гi (7 tip ) , 组分材料 1 和 2 的 I型断裂韧性 ГIC 1 和 ГIC 2。 (1) 当 Гi< ГIC 1 , ГIC 2 时, 对于任意的 7 tip , 裂纹沿 界面扩展。 (2) 当 Г≈i ГIC 2 , ГIC 2 < ГIC 1 时, 当 0< 7 tip≤7 m ax , 裂纹保持在界面上, 当 7 tip> 7 m ax , 裂纹折入组分材料 2。 其中 7 m ax与 Α, Β和 ГIC 1öГIC 2 有关。 利用上述准则基本上可以确定界面裂纹的扩展 路径, 其控制参数主要是界面断裂能和裂尖断裂混合 度等表示材料性能的参量。对于不同的组分材料搭 配, 合适的界面断裂能能够使裂纹沿着一条优化的路 径扩展, 进而为材料的宏观增韧提供途径。 2 界面增韧机理及强韧化设计 由上述界面断裂力学理论可知, 针对材料界面增 韧主要从以下两个方面考虑: 其一提高界面断裂韧 性; 其二是实现最佳断裂路径。我们知道材料界面的 细观结构参数与宏观断裂韧性之间存在相应的关系, 通过控制材料界面的细观结构参数来改变决定界面 断裂破坏性能的界面断裂能 Гi 就显得十分必要。界面 断裂能实际上反映了界面的粘合功与偏折效应, 可以 通过工艺过程改进界面的粘结状况来控制断裂能, 例 如改变组分材料的组合, 在组分材料表面涂层, 控制 界面形成时的工艺参数等。此外界面的断裂能还与外 载相角密切相关, 也可使界面的受力状态与外载相匹 配来提高材料界面的韧性。 根据材料界面增韧的力学机理, 即可进行界面强 韧化设计, 对确定的外载状态, 主要从以下几个方面 来考虑: (1) 界面层结构特征设计; (2) 界面断裂韧 性曲线设计; (3) 最佳断裂路径设计。界面层结构设 计是通过对材料界面过渡层的结构特征设计 (如界面 层厚度和界面层材料过渡函数) 来达到更高的裂尖混 合度, 以实现界面的强韧化。界面断裂韧性曲线设计 是通过材料对的匹配选择、界面结合工艺和界面涂层 技术来改变界面断裂韧性曲线, 从而实现相同裂尖混 合度下更高的界面断裂韧性。最佳断裂路径设计则是 通过界面取向配置来改变裂尖混合度 7 tip , 优化裂纹 扩展路径, 实现材料界面的强韧化。 3 结论 应用细观力学的方法研究了材料界面的力学行 为, 基于相应的界面断裂力学模型, 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, 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。 参考文献 [ 1 ] I1W 1 Hall, T1 Kyono, A 1 D iw anji1 On the fibreöm atrix interface in boronöalum inum m etalm atrix composites [J ] 1 J1M ater1 Sci1, 1987, 22: 1743～ 1748 [ 2 ] C1H1 H sueh, P1F1 Becher, P1 A ngelini1 J1 Am 1 Ceram 1 Soc1, 1988, 71: 929～ 933 [ 3 ] C1 A tkinson1 On quasistatic p roblem s of cracks in a non2homo2 geneous elastic layer [J ], A cta M echanica, 1977, 26: 103～ 113 [ 4 ] F1 Delale, F1 Erdogan1 On the m echanicalmodeling of the inter2 facial region in bonded half2p lanes [J ] 1 J1 App l1M ech1, 1988, 55: 317～ 324 [5 ] W 1 Yang1 N ew insights of interfacial fracture m echanics [R ] 1 In: C1H1 Teoh, K1H1 L ee eds1 Fracture of Engineering M aterials and Structures, Proc1 Of ICFöFEFG Symposium , Singapore1 London: Elsevier Pub1, 1991, 51～ 56 [ 6 ] W 1 Yang, C1F1 Shih1 Fracture along an interlayer [J ] 1 Int1 J1 Solids Structs1, 1994, 31: 985～ 1002 [7 ] G1C1 Papanicolaou, G1J1 M essinis, S1S1 Karakatsanidis1 The effect of interfacial conditions on the elastic2longitudinal modulus of fibre reinforced composites [J ] 1 J1 M ater1 Sci1, 1989, 24: 395～ 401 [ 8 ] P1S1 Theocaris, T1P1 Philipp idis1 Influence of the m esophases on the m echanicalp roperties of three2phase composites[J ]1 J1M ater1 Sci1, 1987, 22: 3407～ 3415 [ 9 ] J1W 1 Hutchinson, Z1 Suo1M ixed mode cracking in layered m a2 terials [J ] 1 A dvances in App lied M echanics, 1991, 28 基金项目: 高等学校博士学科点专项基金资助项目 (98069912) 收稿日期: 1999212226 作者简介: 向毅斌 (1974 2) , 男, 西北工业大学材料科学与工程学院博 士研究生。联系地址: 西安市西北工业大学 341 信箱 (710072) 本文编辑: 全宏声 ● 12 材料工程ö2000 年 7 期