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