zro2基陶瓷压痕断裂韧性的测定

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1、万方数据第6卷第l期2001年3月粉末冶金材料科学与工程——_芦雨广葡可矿F—Zr02基陶瓷压痕断裂韧性的测定尹邦跃1’王零森(粉末冶金国家重点实验室，长沙，410083)摘要采用压痕裂纹(m)法测定了无压烧结压Q基陶瓷的断裂韧性(墨。)，并引入相对偏差概念表征Kc值的精确度．结果表明，由于压Q基陶瓷的压痕裂纹具有巴氏裂纹特征，因而只能选择脯l岫(P)方程(P表示巴氏裂纹)、蜘方程、IJau百er方程或Ma璐hal】方程等来计算墨c．其中，用渐ih锄(P)压痕方程计算的墨。值最符合实际，且具有最小的相对偏差．因此，正确判断压痕裂纹类型、选择合适的压痕方程及科学处理实验数据等，都将有利于提高压

2、痕断裂韧性的测定精度．关键词压痕裂纹法；断裂韧性；相对偏差；m分类号’11。174断裂韧性(蜀。)是一项很重要的力学性能指标，它表征材料的抗损伤和抗裂纹扩展能力．测定K。方法很多，其中常用的有4种，即单边切口梁法(SENB)，双悬臂梁法(DCB)，双扭法(，ID)和压痕裂纹法(肼)．此外，有时也采用山形缺口梁法(CNB)．SD『B法理论完善、方法简单，但测得的结果往往偏高，主要原因是机械加工的缺口根部钝化阻碍对裂纹扩展力的敏感性。由于加工技术的原因，不易制得对裂纹扩展力敏感的尖裂纹，而用疲劳法预制切口非常费时耗资．DCB法理论也较完善．精度高，但试样尺寸较大、形状复杂、操作麻烦，故只用于仲裁

3、实验．m法的试样尺寸小、成本低，适于快速测定K。。．对于不同的假设和模型，压痕方程的表达式种类繁多，计算结果往往相差较大．尽管如此，由于IM法可简便快速地测定陶瓷材料的断裂韧性，其应用仍然相当普遍n剖．为了提高蹦法的测试精度，对试样表面进行仔细研磨和抛光(达0．5脚)，来消除表面残余应力的影响"J．此外，正确判断压痕裂纹类型、选择合适的压痕方程及科学处理实验数据等，都将有利于提高眦法的测定精度．1实验方法首先采用化学共沉淀法分别制备3Y一，IZP(z如．3％Y203，(摩尔分数))和3Y一，IZP／(1．2—20)％(质量分数)A1203纳米级粉末，经无压烧结获得了相对密度不低于98．5％的

4、z如基陶瓷[8’9]．试样尺寸为20-啪×4眦n×4mm．然后将试样仔细研磨和抛光，再在Hv一10A型小负荷硬度计上用lkg载荷测定维氏硬度，并在HD945型光学表面洛氏维氏硬度计上用30蛞载荷压出规则对称的压痕裂纹，保载lOs，每个试样进行10次压痕裂纹实验．在光学显微镜下测量裂纹尺寸和压痕尺寸，然后再轻轻抛光，观察抛光后压痕裂纹的形貌变化，据此判断压痕裂纹收稿日期2000—10—241)通信地址：湖南省长沙市中南大学粉末冶金研究所万方数据第1期尹邦跃，等：zr02基陶瓷压痕断裂韧性的测定类型和选择合适的压痕方程计算墨。[】0f．若为半月状裂纹(Mediancmck)，则计算墨。的压痕方程

5、为Niihara(M)‘11

6、：蜀c=0．129(胁1尼)(压乒／胃)o。4(c／n)一弛／声(1)Anstis【12

7、：K1c=O．016(E，日)m(p，c耽)(2)h帅[驯：墨c=0．0134(E／日)m(p／c3彪)(3)L锄1l酬[14]：K1c=O．142(月a1尼)(群／日)o’4(c，口)一1’56／声(4)若为巴氏裂纹(PaIrn和stc脚k)，则计算K，。的压痕方程为Niihara(P)‘11】：K1c=O．035(王k1尼)(E乒，日)o‘4(Z，口)一1尼，5＆(5)She婶[15】：墨c=0．0319p／(应垅)(6)L叭西er[16]：Klc=0．015(E／日)

8、嬲(p／Z3屉)(Z／口)-1彪g(7)Ma础all[17】：局c=o．036矿一p06彳o‘7(z／口)一抛(8)式中：日为维氏硬度；E为弹性模量；声为形状因子(声=3)；p为压痕实验载荷；口为压痕对角线半长；c和z为压痕裂纹长度．显然，hwn方程与AIlstis方程极为相似，只是系数不同而已．最后，计算蜀。的标准偏差s和相对偏差￡：‘。：户绰(9)e：喜(10)髫式中：菇。为第i次测试结果(i=l，2，⋯，n)，露为n次测试结果的算术平均值．根据e值判断蜀。值的分散程度及所选压痕方程的适用性．2结果与讨论2．1Kc值及相对偏差表l列出了砘基陶瓷的断裂韧性蜀。(为lo次压痕裂纹的平均值)及

9、其偏差s的计算结果．由表1可知，选用的压痕方程不同，所得K，。值不同，其中用N油am(P)方程计算的Kc值最低，其偏差s也相应最低，与此最接近的是用Shet哆方程计算的K。。值及其偏差值，而用其它压痕方程计算的蜀。值均明显偏高，有的甚至高出数倍之多(见图1)．将s除以墨c即得相对偏差e(见图2)．可见，用NiilI锄(P)方程计算的K。。值还具有最低的相对偏差．表1元压烧结Zn基陶瓷的断裂韧性及其偏差”(A1