无机材料塑性.pptVIP

1.2 无机材料的塑性形变 延展性：材料经受塑性形变而不破坏的能力。此种性能在材料加工和使用中很有用，是一种重要的力学性能。 无机材料的致命弱点就是在常温下大都缺乏这种性能，使得材料的应用大大受到限制。 在常温，大多数无机材料在外力作用下不能或很少产生塑性变形，弹性变形结束后即发生突然断裂，也就是说材料呈现为脆性。 由图中可以看出，陶瓷材 料在拉伸过程中没有屈服阶 段，而是表现为突然断裂； 金属材料则有明显的屈服阶 段和塑性形变。 1.3 塑性形变的机理 从滑移理论考虑：无机材料的离子键或共价键具有明显的方向性，滑移系统在室温下非常少，达到临界剪应力的机会少；其次，同号离子相遇，斥力极大，只有个别滑移系统才能满足几何条件与静电条件；无机材料晶体结构复杂，满足以上条件就愈复杂。 2. 从位错理论考虑：无机材料的位错运动激活能很大；位错只能在滑移面上运动，而无机材料滑移系统有限。 2. 无机材料“塑性化” 弱界面结合通常被认为易导致微观断裂、增加内部缺陷、降低测试强度，是设计不出高性能陶瓷的。长期以来很少有人对这一公认明显“有害”的作用进行专门研究。但近年来的研究表明，陶瓷微观相界面的适当弱结合设计，可使陶瓷产生诸多意外效果，断裂方式可在一定程度上变为渐次的而非瞬间脆断的。弱界面具有产生和捕获微缺陷，甚至促使微裂纹延伸的作用，不但可耗散主裂纹扩展能量，而且能导致局部的剪切变形，其本质虽与金属的位错不同，但能起到与之相似的作用，使微观颗粒产生“剪切位错”，赋予陶瓷“塑性”。 2.1.1 层状体系 1.1 思维来源 人们受自然界中贝壳等的微观组织 结构的启发，采用浸涂或刷涂的方 法，将耐高温的软质料，一般为硬 度较低、弹性模量较小的石墨、BN 等涂敷在陶瓷基片上，设计和制作 弱结合层状复合材料以提高陶瓷韧性 在这类材料设计中，层与层之间要弱 到足以使裂纹在扩展过程中发生偏转 从而增加断裂阻力。 2.1.2 相关研究 最初，Clegg将Sic粉末、作为烧结助剂的硼粉与PVA的水溶液混合成面团状，滚压成厚度为200μm的薄片，在薄片上涂上一层石墨，然后把多层该材料叠压在一起厚度2mm、50X50mm正方。经过1℃／min升温到450℃热解，取出有机物，在2040℃氨气中烧结30min，材料最终密度达理论密度的98％，强度为633MPa，对其抗弯断裂行为研究得知，当裂纹扩展到界面时发生完全偏转，没有扩展到下一层，而需吸收大量能量在下一层中产生新的临界裂纹再扩展，断裂韧性高达15MPa。且层状材料不再象单相材料载荷再达到最大值时突然断裂，而是分阶段的台阶状断裂。这在实际应用中可用于破坏前发出信号。后来研究出的Sic／石墨体系也是一种典型的弱界面纤维状结构材料，无突发性脆断、抗断裂性好。该材料断裂沿着弱的石墨晶界方向进行。同时由于弱界面的存在可以偏析裂纹从而增强了材料的韧性。 载荷 2.1.3 层状塑性化机理 含有弱界面的层状复合材料受荷载作用时，当裂纹达到与单相材料中的临界裂纹相同的应力强度时，裂纹开始扩展，达到一层的边界时，由于间隔层较弱，强度较低，且在间隔层内部本身就存在着大量的微裂纹，主裂纹将首先沿弱界面扩展，断裂能在这些弱界面层中得到了一定的释放，而使裂纹在主方向上受到阻碍，造成裂纹尖端的偏转与分叉。当荷载继续上升时，在下层的弱结合处将再产生新的临界裂纹再扩展，裂纹在这些交替的弱界面层中发生多次的偏转，呈跳跃性阶梯状扩展。其荷载～位移曲线发生了极大的变化，不再是常规的陶瓷的一次脆性断裂，而变成了多次断裂的形式。陶瓷的每一次断裂都不代表材料的破坏，只是一个或几个陶瓷主层发生了破坏，继续加载，材料仍然可以承受一定的荷载，为材料的安全使用提供了极大的保证。 2.1.4 分析与扩展 1. 结论分析：① 层状体系设计层次性减少断裂能；② 层状体系设计使主裂纹方向多次偏转，裂纹呈跳跃性阶梯状扩展。 2. 扩展分析：塑性形变可以认为是裂纹扩展的不断微分的结果，层状体系是构造微元的中间过程。若能使裂纹扩展曲线连续或设置机制使裂纹方向的细分与多次反射，或能使无机材料进一步接近塑性化的特征；自然界是技术思想、工程原理及重大发明的源泉，了解自然是启发思维，创造事物的最好途径。 2.2.1 颗粒体系 对于主要以短裂纹特征为主、具有连续基体的颗粒体系，弱结合界面通常被认为易导致微观断裂、增加内部缺陷、降低测试强度，设计不出高性能陶瓷。然而近年来研究表明，陶瓷微观相界面的设计，可使陶瓷产生诸多意外效果，断裂方式可在一定程度变为渐次的两非瞬间脆断。 2.2.2 相关研究 Padture在sic烧结中添加Al203和Y203，不仅可以降低sic的烧结温度，而且当Al203和Y203的摩尔比为3：5时，第二相可完全生成钇