陶瓷刀具斷裂韌性檢測

一、概述
   陶瓷材料的檢測性能包括物理性能、化學(xué)性能、熱學(xué)性能、電學(xué)性能等方面，其中物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能是其主要的檢測重點(diǎn)。物理性能包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、光學(xué)性能、磁性等?；瘜W(xué)性能包括耐氧化性、耐磨蝕性、化學(xué)穩(wěn)定性等。而陶瓷材料通常來說在彈性變形后立即發(fā)生脆性斷裂，不出現(xiàn)塑性變形或很難發(fā)生塑性變形，因此對(duì)陶瓷材料而言，人們對(duì)其力學(xué)性能的分析主要集中在彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性和硬度上，本文通過某大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院陶瓷刀具為例介紹陶瓷力學(xué)性能中彎曲強(qiáng)度檢測的相關(guān)原理。
二、斷裂韌性
   應(yīng)力集中是導(dǎo)致材料脆性斷裂的主要原因之一，而反映材料抵抗應(yīng)力集中而發(fā)生斷裂的指標(biāo)是斷裂韌性，用應(yīng)力強(qiáng)度因子（K）表示。尖端呈張開型（I型）的裂紋最危險(xiǎn)，其應(yīng)力強(qiáng)度因子用KI表示，恰好使材料產(chǎn)生脆性斷裂的KI稱為臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，用KIC表示。金屬材料的KIC一般用帶邊裂紋的三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)測定，但在陶瓷材料中由于試樣中預(yù)制裂紋比較困難，因此人們通常用維氏硬度法來測量陶瓷材料的斷裂韌性。
   陶瓷等脆性材料在斷裂前幾乎不產(chǎn)生塑性變形，因此當(dāng)外界的壓力達(dá)到斷裂應(yīng)力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂紋。以維氏硬度壓頭壓入這些材料時(shí)，在足夠大的外力下，壓痕的對(duì)角線的方向上就會(huì)產(chǎn)生裂紋，如圖1所示。裂紋的擴(kuò)展長度與材料的斷裂韌性KIC存在一定的關(guān)系，因此可以通過測量裂紋的長度來測定KIC。其突出的優(yōu)點(diǎn)在于快速、簡單、可使用非常小的試樣。如果以PC作為可使壓痕產(chǎn)生裂紋的臨界負(fù)荷，那么圖中顯示了不同負(fù)荷下的裂紋情況。
   由于硬度法突出的優(yōu)點(diǎn)，人們對(duì)它進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。推導(dǎo)出了各種半經(jīng)驗(yàn)的理論公式。其中Blendell結(jié)合理論分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，給出下列方程：

圖1.  P＜PC（左）和P＞PC（右）時(shí)壓痕

（圖2. 某某大學(xué) 陶瓷刀具使用30kgf 20X物鏡拍照）

KIC是I型應(yīng)力強(qiáng)度因子，也就是斷裂韌性；φ為一常數(shù)，約等于3；HV是維氏硬度；a為壓痕對(duì)角線長度的一半；c為表面裂紋長度的一半，見圖2-1。經(jīng)過大量的研究表明，該公式至少在下列范圍內(nèi)是使用的：硬度（HV）=1~30GPa，斷裂韌性（KIC）=0.9~16MPa•m1/2及泊松比（μ）=0.2~0.3。
 一系列的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這一公式和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有非常好的吻合。當(dāng)使用這一方程時(shí)，一般所加的負(fù)荷要足夠大，使c/a大于3左右。但是在某些時(shí)候，這意味著要加很高的負(fù)荷，在一般的顯微硬度計(jì)上無法實(shí)現(xiàn)，并且使壓頭極易損壞，增加測試費(fèi)用。后來Niihara等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)所加負(fù)荷較小時(shí)，上述的公式經(jīng)過修正后仍舊適用。在脆性材料中，壓痕下材料的斷裂方式根據(jù)所加負(fù)荷的不同呈現(xiàn)兩種形式，如圖3所示。當(dāng)負(fù)荷小時(shí)，所出現(xiàn)的裂紋稱Palmqvist裂紋（左圖），而在負(fù)荷較高時(shí)，出現(xiàn)的裂紋稱為Median裂紋（右圖）。

圖3  Palmqvist裂紋（左）和Median裂紋（右）
陰影部分為裂紋擴(kuò)展區(qū)

理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合表明，對(duì)于Palmqvist裂紋
（0.25≤L/a≤25或1.25≤c/a≤3.5），用下列公式計(jì)算斷裂韌性：

而對(duì)于Median裂紋（c/a≥2.5），用下列公式計(jì)算：

也就是說只要能確定裂紋的形式，就可以用這些公式計(jì)算斷裂韌性，并且曲線同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合非常好。因而可以使用小負(fù)荷測斷裂韌性，避免高負(fù)荷所帶來的一系列技術(shù)上的困難。目前當(dāng)確定裂紋的擴(kuò)展方式困難或麻煩時(shí)，依舊傾向于使用高的負(fù)荷，使裂紋呈Median擴(kuò)展形式。
   案例應(yīng)用：

作者：steven 根據(jù)文獻(xiàn)整理