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