《論強(qiáng)度和韌性》word版

1、論強(qiáng)度和韌性提高材料的強(qiáng)度是幾個(gè)世紀(jì)以來材料研究的核心問題。迄今為止強(qiáng)化材料的途徑可以分為四個(gè)類型：固溶強(qiáng)化、第二相彌散強(qiáng)化、加工強(qiáng)化和晶粒細(xì)化強(qiáng)化。這些強(qiáng)化技術(shù)的實(shí)質(zhì)是通過引入各種缺陷（點(diǎn)缺陷、線、面及體缺陷等）阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使材料難以產(chǎn)生塑性變形而提高強(qiáng)度。但材料強(qiáng)化的同時(shí)往往伴隨著塑性或韌性的急劇下降，造成高強(qiáng)度材料往往缺乏塑性和韌性，而高塑性材料的強(qiáng)度往往很低。長(zhǎng)期以來這種材料的強(qiáng)韌性“倒置關(guān)系”成為材料領(lǐng)域的重大科學(xué)難題。強(qiáng)度是材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力，根據(jù)Griffith脆性斷裂理論，強(qiáng)度與彈性模量、斷裂表面能、微裂紋尺寸有關(guān)。而韌性是材料在斷裂難題和制約材料發(fā)展的

2、重要瓶頸。前吸收能量和進(jìn)行塑性變形，即阻止裂紋擴(kuò)展的能力。對(duì)于一般陶瓷來說，增韌勢(shì)必會(huì)影響其強(qiáng)度，比如陶瓷顆粒間結(jié)合越強(qiáng) 越難發(fā)生裂紋的偏折、裂紋橋接等。顆粒增韌、微裂紋增韌、纖維增韌都在一定程度上降低了強(qiáng)度，因?yàn)檫@些在陶瓷內(nèi)部可以說是一種缺陷，通過這種缺陷來誘導(dǎo)裂紋的傳播方向釋放斷裂能。只能說在陶瓷強(qiáng)度滿足使用要求的基礎(chǔ)上來提高其斷裂韌性。影響陶瓷材料強(qiáng)度的因素是多方面的，材料強(qiáng)度的本質(zhì)是內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)（原子、離子、分子）間的結(jié)合力，為了使材料實(shí)際強(qiáng)度提高到理論強(qiáng)度的數(shù)值，長(zhǎng)期以來進(jìn)行了大量的研究。從對(duì)材料的變形及斷裂的分析可知，在晶體結(jié)構(gòu)既定的情況下，控制強(qiáng)度的主要因素有三個(gè)，即彈性模量E，斷裂

3、功（斷裂表面能）和裂紋尺寸。其中E是非結(jié)構(gòu)敏感，與微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，但對(duì)單相材料，微觀結(jié)構(gòu)的影響不大，唯一可以控制的是材料中的微裂紋，可以把微裂紋理解為各種缺陷的總和。所以強(qiáng)化措施大多從消除缺陷和阻止其發(fā)展著手。增韌就是提高材料強(qiáng)度及改善陶瓷的脆性，是陶瓷材料要解決的重要問題。與金屬材料相比，陶瓷材料有極高的強(qiáng)度，其彈性模量比金屬大很多。但大多數(shù)陶瓷材料缺乏塑性變形能力和韌性，極限應(yīng)變小于0.1%0.2%，在外力作用下呈現(xiàn)脆性，并且抗沖擊、抗熱沖擊能力也很差。一般陶瓷材料在室溫下塑性為零，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)陶瓷材料晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、滑移系統(tǒng)少，位錯(cuò)生成能高并且位錯(cuò)的可動(dòng)性差。 部分穩(wěn)定氧化物陶瓷在燒結(jié)冷卻

4、過程中，存在較粗四方相向單斜相的轉(zhuǎn)變，引起體積膨脹，在基體中產(chǎn)生彌散分布的裂紋或者主裂紋擴(kuò)展過程中在其尖端過程區(qū)內(nèi)形成的應(yīng)力誘發(fā)相變導(dǎo)致的微裂紋，這些尺寸很小的微裂紋在主裂紋尖端擴(kuò)展過程中會(huì)導(dǎo)致主裂紋分叉或改變方向，增加了主裂紋擴(kuò)展過程中的有效表面能，此外裂紋尖端應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)微裂紋本身的擴(kuò)展也起著分散主裂紋尖端能力的作用，從而抑制了主裂紋的快速擴(kuò)展，提高了材料的韌性。本文介紹了一種仿生物結(jié)構(gòu)的新型復(fù)合氧化鋁陶瓷材料，跟一般氧化鋁陶瓷材料相比強(qiáng)度相近，但是韌性卻提高了很多，能達(dá)到30MPa m1/2,是目前為止記錄韌性最高的陶瓷材料。文章從裂紋產(chǎn)生和生成以及斷裂方面說明如何提高材料的強(qiáng)度和韌性，

5、主要機(jī)制可分為內(nèi)部增韌和外部增韌。內(nèi)在破壞機(jī)制是作用在裂紋尖端促進(jìn)裂紋生長(zhǎng)，外部裂紋滑移機(jī)制主要作用在裂紋尖端后部阻礙裂紋生長(zhǎng)。因此，內(nèi)部增韌主要來自材料的塑性，提高材料本身的抗破壞性能，即提高裂紋產(chǎn)生和裂紋生長(zhǎng)韌性；外部增韌主要是釋放裂紋尖端的局部壓力和拉應(yīng)力，僅僅作用在裂紋生長(zhǎng)韌性上。BMG復(fù)合材料增加強(qiáng)韌性主要是阻止單個(gè)剪切帶的產(chǎn)生。一種方法是增加一個(gè)第二相阻礙剪切帶，如存在于Zr-Ti-Nb-Cu-Be玻璃中的樹枝晶，枝晶間隙小于裂紋斷裂尺寸，與一般的整體合金模型相比韌性能達(dá)到它們的三到四倍；另一種方法是提高剪切帶在整個(gè)模型中的比例，促進(jìn)剪切帶的生成，但是在剪切帶的間隙中產(chǎn)生斷裂變得很難，如Pd-Ag-P-Si-Ge玻璃中是增加剪切帶數(shù)量。相比現(xiàn)代人為合成的材料性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有自然界中生物材料的性能優(yōu)越，如珍母貝是一種0.5um厚霰石結(jié)構(gòu)中間夾了一層潤(rùn)滑物，仿生物合成的鋁基PMMA就是通過冷凍鑄造制成的類似于珍母貝結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。韌性是與層結(jié)構(gòu)“brick”和礦物內(nèi)表面的摩擦滑動(dòng)。這種鋁基PMMA陶瓷材料表現(xiàn)出了比傳統(tǒng)的陶瓷材料更好的韌性和拉伸塑性，韌性可達(dá)30MPa m1/2。上面的這些實(shí)例都是期望能找到一種能同時(shí)增加韌性和強(qiáng)度的特別的性能，現(xiàn)在有一些方法能在一種材料中達(dá)到這些要求，通過增加塑性和在不同長(zhǎng)度尺寸范圍內(nèi)運(yùn)用增韌機(jī)制。