陶瓷材料断裂韧性的测定(优选材料)

实验陶瓷材料断裂韧性的测定

一、前言

脆性材料的破坏往往是破坏性的，即材料中裂纹一旦扩展到一定程度，就会立即达到失稳态，之后裂纹迅速扩展。材料的断裂韧性可以用来衡量它抵抗裂纹扩展的能力，亦即抵抗脆性破坏的能力。它是材料塑性优劣的一种体现，是材料的固有属性。裂纹扩展有三种形式：掰开型(I型)、错开型(II型)、撕开型(III型)，其中掰开型是最为苛刻的一种形式，所以通常采用这种方式来测量材料的断裂韧性，此时的测量值称作K IC。在平面应变状态下材料K IC 值不受裂纹和几何形状的影响。因此，K IC值对了解陶瓷这一多裂纹材料的本质属性，具有非常重要的意义。

目前，断裂韧性的测试方法多种多样，如：单边切口梁法(SENB)、双扭法（DT)、山形切口劈裂法、压痕法、压痕断裂法等。其中，有些方法技术难度较高，不太容易实现大规模实用化；有些方法会出现较大测量误差，应用起来存在一定困难。相对而言，比较普遍采用的SENB法，该方法试样加工较简单，裂纹的引入也较容易。

本实验采用SENB法进行。但是，这种方法存在裂纹尖端钝化、预制裂纹宽度不易做得很窄等缺陷；另外，它适用于粗晶陶瓷材料，对细晶陶瓷其所测的K IC值偏大。

二、仪器

测试断裂韧性所需仪器如下：

1.材料实验机

对测试材料施加载荷，应保证一定的位移加载速度，国标规定断裂韧性测试加载速度为0.05mm/min。

2.内圆切割机

用于试样预制裂纹，金刚石锯片厚度不应超过0.20mm。

3.载荷输出记录仪

输出并记录材料破坏时的最大载荷，负荷示值相对误差不大于1。本实验在材料实验机上配置了量程为980N的称重传感器输出载荷，采用电子记录仪记录断裂载荷。

4.夹具

保证在规定的几何位置上对试样施加载荷，试样支座和压头在测试过程中不发生塑性变形，材料的弹性模量不低于200GPa。支座和压头应有与试样尺寸相配合的曲率半径，长度应大于试样的宽度，与试样接触部分的表面粗糙度R a（根据规定不大于1.6μm）。试样支座为两根二硅化钼发热体的小圆柱，置于底座两个凹槽上。压头固定在材料实验机的横梁上。

5.量具

测量试样的几何尺寸和预制裂纹深度，精度为0.0lmm，需使用游标卡尺和读数显微镜。

三、试样的要求

试样的形状是截面为矩形的长条，试样表面要经过磨平、抛光处理，对横截面垂直度有一定的要求，边棱应作倒角。在试样中部垂直引入裂纹，深度大约为试样高度的一半，宽度应小于0.2mm。试样尺寸比例为：

c/W=0.4～0.6

L/W=4

B≈W/2

式中：c－裂纹深度；

W －试样高度；

L －跨距；

B －试样宽度。

试样长度应保证试样伸出两个支座之外均不少于3mm ，横截面尺寸根据有关规定应为3mmX6mm 或2.5mmX5mm 。

四、K IC 的计算公式

在三点弯曲受力下，K IC 值的计算公式由美国ASTME399－74给出为

3/2(/)IC PL K Y a f c W BW

σ== 1/2MPa m ⋅ 1/23/25/27/29/2(/) 2.9(/) 4.6(/)21.8(/)37.6(/)38.7(/)f c W c W c W c W c W c W -+-+式中：＝

五、实验步骤

1. 试样制备

按照上述对试样的要求制备试样(图2.7)。可以单独压制烧成试条，也可以从圆片或其他形状部件上切取试条，经磨平、抛光、倒角等处理，用内圆切割机在试样中部预制裂纹。金刚石锯片厚度不应超过0.20mm ，裂纹深度为高度一半左右。本实验采用由实验室提供的试条进行测试，尺寸大致为25mmX2.5mmX5mm ，所以裂纹深度应为2.5mm 左右。

图2.7单边切口梁法测断裂韧性示意图

2. 试样尺寸测量

用游标卡尺在试样中部测量并记录其宽度和高度，精确至0.0lmm 。试样压断后，在读数显微镜下量取裂纹深度。

3. 仪器调试

本实验采用SJ －lA 型三轴剪力仪进行材料断裂韧性测试，仪器采用齿轮调速。由于仪器没有0.05mm/min 这一调速档，取最接近的0.055mm/min 这一加载速度进行测试。变速箱齿轮换档手柄为3－I 组合。

测试前需将压头调整对中并与支座平行，将仪器上加载方式调钮置于手动。旋转右边手动转轮使底座上升至适当高度，测量支点与负荷点之间的距离，调整材料实验机横梁的定位螺母，使压头处于支座中间位置，符合要求。注意观察支座和压头是否平行，旋转底座使之平行。之后稍稍降低底座高度，并合上电源开关。

4. 调整记录仪

打开记录仪电源，信号显示方式为“跟踪”，将信号调零。然后改变信号显示方式为峰值，这样才能保留断裂载荷数值的精度。

5.安装试样

把试样放在支座上，试样摆放应使两端露出部分的长度相等，并与支座垂直，切口要置于己对中的压头正下方。缓慢旋转手动转轮使底座上升至试样接近压头(留大约0.5mm左右空隙即可)。

6.加载

将材料实验机上加载方式调钮置于“自动”，按上升按钮，电机转动，底座按预设速度上升。当试样碰到压头时，记录仪便开始显示当时载荷数值。试样压断后，记录仪保持显示最大载荷，在记录表上记下该载荷。为了加快测量速度，开始时可改变齿轮配合，使之以较快速度上升，并仔细观察记录仪，一旦加上载荷，应迅速将加载速度调回3－I组合。

7.重复测试

重新将加载方式变为手动，下降底座；然后重复步骤(5)和(6)，进行下一根试条测试。其间应将记录仪调零，加载后千万注意信号显示方式为峰值。由于材料的断裂韧性也存在一定分散性，为了能客观地反映材料的断裂韧性，要求测试足够多试样，这样平均值就比较接近真实值。但从经济的角度来看，不允许测试太多试样。一般一种材料每批最少需测3根试条。

六、数据处理

根据上面公式计算每根试样的断裂韧性值，并计算这批试样断裂韧性平均值和标准偏差。如果标准偏差为平均值的10％以内，则这批数据有效。如果标准偏差超过平均值的10％，则数据无效。

七、思考题

1.断裂韧性分散的原因是什么?

2.断裂韧性测试数据的有效性如何判定?

3.在实验过程中主要注意事项有哪些?

4.加载速度过低或过高对测试结果有什么影响?