[工学]陶瓷基复合材料导论-4检测与评价.pptVIP

陶瓷基复合材料导论 主讲：左成钢 湖南文理学院·化学化工学院 4、检测与评价 陶瓷基复合材料具有很多优点，例如有优良的耐热性，在高温下能保持高硬度、强度和耐磨性，而且化学稳定性和耐腐蚀性好，密度小等。 这些特征是因为作为基体的陶瓷的化学结合更趋于离子键，其结合键能很强。另一方面，这种结合也使得材料不易发生变形，材料表现出脆性的特征。 由于这一特征，使材料中能容许的缺陷的尺寸很小，强度偏差较大，而且容易断裂，使材料在应用上受到限制。所以检测与评价对于陶瓷基复合材料来说，就显得尤为重要 。 4.1、力学性能 4.1.1、断裂韧性 材料的脆性可以用对裂纹开始不稳定扩展的阻力来描述。 材料中产生应力并发生断裂的现象，可以用描述材料中裂纹附近应力场强度的断裂力学的参数（应力强度因子K）来表达。当应力强度因子达到临界值时，材料中存在的裂纹开始不稳定扩展。在平面应力状态下，应力强度因子记作KIC也称为断裂韧性。 4.1.1.1、测试方法简介 对陶瓷基复合材料的断裂韧性，有多种测试方法，测试方法应满足的条件为： （1）具有明确的理论意义； （2）能够评价有工业利用价值的多种材料； （3）在不同的测量中可以得到偏差较小的数据； （4）简便； （5）能够进行高温测量等。 A、单边预制裂纹法 (SEPB 法、Single Edge Precracked Beam) 从长方体试样的一个面的中间部分，引入一个与试样长度方向垂直的贯通预裂纹至试样的中间。将此引入裂纹的试样进行三点弯曲试验至断裂，测量加载，由预先引入的裂纹长度、试样尺寸以及弯曲试验的支点距离来求得平面应变断裂韧性 。 该试验法相当于金属材料中的裂纹疲劳试验。由于试样中导入了非常尖锐的裂纹，所以具有较明确的理论意义，而且测定值的偏差较小。图4-1是SEPB法的试验流程与试验的详细步骤。 在使用SEPB法时，为了能够正确评价KIC有以下应注意的事项： (1)预先导入的裂纹应是pop-in裂纹(一次到达所定位置的不稳定扩展裂纹)； (2)预裂纹的形状应是Straight Through (直通式)，并达到所定的长度，如果表示预裂纹顶端的线发生倾斜，则对KIC的评价会偏低，而裂纹发生斜进时，评价可能会偏髙。由KIC计算式适用范围和与预裂纹面的残余应力的关系可知，预裂纹的长度容许范围应是1.2~2.4 mm。如果充分注意了以上条 件，则可以得到偏差较小的的评价。 表4-1是一些材料用SEPB法测量的例子。其中包括以晶须强化的陶瓷(WG-300)和颗粒分散强化陶瓷(STC50)等陶瓷基复合材料。可以看出，对于各类材料的测定结果。KIC的偏差值都较小。 表4-1 SEPB法测量实例 B、压痕法(IF 法、ID 法、Indentation Fracture) 压痕法包含桥压痕法(BI)、压循环疲劳法(CC)、楔型压入法(PW)等。 压痕法是使用维氏硬度计压头在试样的试验面上加载，测量所生成的压痕及裂纹的长度，然后根据加载、压痕对角线的长度、 裂纹长度以及材料的弹性模量来求得断裂韧性的一种方法。 该方法的特点之一是在已知材料的弹性模量时，无需特意制作试样。即可以进行简便的测量，是一种适合于成品检测的方法。但如果材料的弹性模量未知，则需要按要求测量弹性模量，此方法不再简便。 压痕法的压痕与裂纹的模式图以及压痕尺寸、裂纹长度和断 裂韧性之间的关系如图4-2所示。关于KIC的计算公式，还有一些其它的提案，都是由试验算出的，其理论的完备性还有待于进一步研究。 图4-2 IF法的压痕和裂纹 E：弹性模量；P：压痕压力；a：压痕长度；C：裂纹长度 使用压痕法时，有以下注意事项： (1)测定压痕与裂纹的区域不发生剥离； (2)裂纹发生在压痕的四角的对角线延长线上； (3)相互垂直两方向的裂纹长度的差在平均裂纹长度的10%以下； (4)裂纹的长度是压痕对角线长度的2.5倍以上。 C、单边切口梁法(SENB 法、Single Edge Notched Beam) 单边切口梁法是引入一个贯通的缺口，然后进行弯曲断裂试验。 SENB法所测得的值与导入缺口的宽度有很大的关系。为了消除缺口效应，所引入的缺口的宽度必须很小(数10μm以下)。 D、CN 法(Chevron Notch) CN法是引入一个人字纹的缺口，然后进行弯曲断裂试验。在弯曲断裂试验中，人字纹的缺口尖端应自动形成裂纹的稳定生长。 但根据加工条件的差异，这种稳定生长未必能够一定形成。另外，它不适用于随裂纹的稳定生长对裂纹进展阻力增大的材料。 E、CSF 法(Controlled Surface Flaw) CSF法是用金刚石压头对试样的一个面加载，利用所产生的裂纹作为预裂纹，将残余应力去除后进行弯曲断裂试验。这种方法的