陶瓷材料断裂韧性的测定(优选材料)
陶瓷材料动态断裂韧性测试
陶瓷材料动态断裂韧性测试宋顺成;陈小安;王庭辉;王明超;孙志杰;张佐光【期刊名称】《材料科学与工艺》【年(卷),期】2011(019)001【摘要】为了测试陶瓷材料动态断裂韧性,利用Hopkinson压杆实验原理和改装的Hopkinson压杆装置,并将试件加工成单边切口梁进行了三点弯曲动态试验.利用改装的Hopkinson压杆装置可直接测得透射应力波,从而直接得到试件变形过程中作用在试件上的支反力.本文定义了无量纲挠度和挠度变化率,给出了几种陶瓷材料在不同挠度变化率下的时间一动态应力强度因子曲线,并分别给出其动态断裂韧性.测试结果表明,陶瓷材料的动态断裂韧性具有挠度变化率效应.【总页数】4页(P32-35)【作者】宋顺成;陈小安;王庭辉;王明超;孙志杰;张佐光【作者单位】西南交通大学力学与工程学院,成都610031;中国兵器工业第五二研究所冲击环境材料技术国家级重点实验室,烟台264003;西南交通大学力学与工程学院,成都610031;西南交通大学力学与工程学院,成都610031;北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京100083;北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京100083;北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】O346.5【相关文献】1.层板复合材料动态断裂韧性测试的SHPB技术研究 [J], 曹茂盛;张铁夫;刘瑞堂;朱静2.冲击载荷下岩石材料动态断裂韧性测试研究进展 [J], 岳中文;陈彪;杨仁树3.对金属材料动态断裂韧性加载技术及测试装置的探讨 [J], 蔡树军;张观涛4.45#钢动态断裂韧性测试的试验研究 [J], 宫能平;李贤5.岩石动态断裂韧性测试的失稳判据研究 [J], 满轲因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
结构陶瓷断裂韧性测试方法的研究
结构陶瓷断裂韧性测试方法的研究结构陶瓷是一种新型的复合材料，它具有许多优点，如耐热性，耐腐蚀性，耐冲击性等。
因此，结构陶瓷作为重要的工程材料被广泛应用到工业和军事领域。
然而，结构陶瓷的断裂韧性应该加以关注。
要准确地定量评价结构陶瓷断裂韧性，需要辨识合理的研究方法，以满足多种工程需求。
由于断裂韧性是结构陶瓷材料断裂行为和加载性能的关键指标，因此结构陶瓷的断裂韧性测试是评价结构陶瓷性能的重要手段之一。
现已有多种断裂韧性测试方法，如飞溅射线断裂韧性测试，磨粒压痕断裂韧性测试，空腔断裂韧性测试，激光断裂韧性测试等。
这些方法都具有其特有的优缺点，却无法充分满足结构陶瓷工程应用的要求。
在结构陶瓷断裂韧性测试方法的研究过程中，应该研究对结构陶瓷材料的应力和温度参数的影响，以确定最佳的断裂韧性测试参数。
在测试实验中，应尽量减少材料的热应力，以降低干扰及改善测试精度。
同时，利用现代数据处理设备，开发出可靠、高效、仪器可操作的结构陶瓷断裂韧性测试方法。
另外，在结构陶瓷断裂韧性测试方法的研究中，还应考虑结构陶瓷材料表面处理以及接触制动器的参数效应，以便更准确地估算试样的断裂韧性。
结构陶瓷材料的表面处理条件应尽可能简单，以便提高断裂韧性的测试效率。
此外，接触制动器的结构应设计简单，方便快速安装，以保证测试结果的准确性。
总之，结构陶瓷断裂韧性测试方法的研究和开发是保证结构陶瓷性能试验工作高效进行的基础。
在探索结构陶瓷材料断裂韧性的同时，还应深入研究断裂韧性和应变特性的关系，这样可以更好地把握和提升结构陶瓷断裂韧性测试方法的研究水平。
经过多年的发展，结构陶瓷作为一种重要的工程材料，得到了广泛的应用。
结构陶瓷断裂韧性测试方法的研究是评价结构陶瓷材料性能、预测断裂行为的重要手段，也是结构陶瓷安全使用的重要保障。
本文概括了结构陶瓷断裂韧性测试方法的研究内容，指出了结构陶瓷断裂韧性测试方法的优缺点和发展方向，旨在为结构陶瓷材料的性能试验提供参考。
检测员材料考试试题
检测员材料考试试题一、单项选择题（每题2分，共20分）1. 下列哪项不是材料检测的基本要求？A. 准确性B. 及时性C. 经济性D. 可追溯性2. 材料检测中，对于硬度的测定通常采用哪种方法？A. 拉伸试验B. 压缩试验C. 硬度计测试D. 冲击试验3. 在进行金属材料的化学成分分析时，以下哪种设备不是必须的？A. 光谱仪B. 高温炉C. 电子天平D. 万能试验机4. 非破坏性检测技术（NDT）通常不包括以下哪项？A. 超声波检测B. 射线检测C. 磁粉检测D. 拉伸试验5. 对于高分子材料，以下哪种性能不是其常规检测项目？A. 耐热性B. 耐化学性C. 耐光性D. 耐压性6. 陶瓷材料的断裂韧性通常通过哪种方法测定？A. 单边缺口弯曲试验B. 压缩试验C. 硬度计测试D. 拉伸试验7. 在材料的力学性能测试中，弹性模量是指材料在什么状态下的物理量？A. 弹性阶段B. 塑性变形阶段C. 断裂阶段D. 蠕变阶段8. 金属材料的屈服强度是指在拉伸试验中材料发生哪种现象时的应力？A. 断裂B. 永久变形C. 弹性变形D. 塑性变形9. 在进行材料的热处理检测时，以下哪种热处理方式不会导致材料硬度增加？A. 正火B. 退火C. 淬火D. 回火10. 对于复合材料，以下哪项不是其常见的检测项目？A. 层间剪切强度B. 界面结合强度C. 热膨胀系数D. 电阻率二、判断题（每题1分，共10分）11. 所有材料的检测都必须在实验室条件下进行。
（）12. 材料的疲劳寿命测试是一种破坏性测试。
（）13. 材料的微观结构分析只能通过光学显微镜进行。
（）14. 材料的密度检测可以通过水置换法或砂置换法进行。
（）15. 金属材料的耐腐蚀性能只能通过实际应用来评估。
（）16. 硬度计测试是一种非破坏性检测方法。
（）17. 材料的热处理状态对其力学性能有显著影响。
（）18. 所有高分子材料都具有良好的耐热性。
（）19. 陶瓷材料的断裂韧性与其硬度成正比。
单边切口梁法测量建筑陶瓷砖的断裂韧性
有助于评估材料服役性能及可靠性能。对于结构陶瓷
面、台面、柜 面 等
。 陶 瓷 岩 板 作 为 一 种 板 材,在 实
[
2~3]
际应用中往往需要 经 过 切 割、钻 孔、倒 角、开 槽 等 后 续
机械加工
。只有具有较高韧性的陶瓷岩板才能满足
[
4]
这些后加工的要求,而 目 前 缺 少 对 陶 瓷 岩 板 的 断 裂 韧
增大。这种情况在前人对精细陶瓷的研究报道中屡见
不鲜 [13~15]。SENB 法用直通切口 模 拟 自 然 裂 纹,根 据
断 裂 力 学 理 论 ,裂 纹 越 尖 锐 ,所 测 得 的 KIC就 越 接 近
表 2 1# 样品不同方式加工的切口和断裂韧性比较
切口加工方式
直通口宽度(mm)
直通口底部
等效圆半径(mm)
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近几年建筑陶瓷 砖 中 出 现 了 新 品 类—陶 瓷 岩 板,由 于
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）。
陶瓷材料断裂韧性的测量标准刍议
断裂韧性是衡量陶瓷材料抵抗裂纹扩展能力大小的基本力学参数，是材料发生断裂前应力场强度临界值[1]。
对于Ⅰ型断裂该临界值即为KⅠC。
断裂韧性是材料的本征属性，可以衡量材料对裂纹扩展的抵抗能力大小[2]，反映外部载荷和裂纹尺寸对材料断裂失效的影响。
陶瓷材料断裂韧性的准确测量有助于评估材料服役性能及可靠性能。
目前，用于结构陶瓷材料断裂韧性的测试方法有很多，根据裂纹制备的类型可以分为两大类：宏观开口槽法和微观缺陷法。
宏观开口槽法主要包括：单边预裂纹梁法（Single Edge Precrack Beam，SEPB）[3]、单边切口梁法（Single Edge Notched Beam，SENB）[4]、单边V型切口梁法（Single Edge V-Notched Beam，SVENB）[5]等。
制备微观缺陷测试结构陶瓷材料断裂韧性的方法主要有：压痕法（Indentation Method，IM）[6]和表面裂纹弯曲法（SurfaceCrack in Flexure，SCF）[7]。
在实际应用中，目前最为常用的结构陶瓷材料断裂韧性的测试方法为：单边预裂纹梁法（SEPB）[8,9]和单边V型切口梁法（SEVNB）[10-13]。
这两种方法有较为详细的标准可以作为参考，获得的测定结果较为准确。
目前陶瓷材料现行的主要测试标准有：国际标准化组织标准ISO23146-2016[14]（以下简称ISO）、美国材料与试验协会标准ASTM C1421-18[15]（以下简称ASTM）和中国国家标准GB/T23806-2009[16]（以下简称GB）。
本文对比分析了以上三种现行标准中SEPB和SEVNB两种测量方法的异同点，为陶瓷断裂韧性的测量提供参考。
ASTM C1421-18（Standard Test Methods for Determi-nation of Fracture Toughness of Advanced Ceramics at Am-bient Temperature）中除了SEPB法外，还提供了其它几种断裂韧性的测试方法，本文仅限于讨论其中SEPB法部分内容。
陶瓷材料力学性能和测试方法
(4) 断裂韧性
断裂韧性是材料抵抗裂纹扩展的能力，是本征属性，与裂
纹的大小、形状以及外力大小无关。陶瓷材料对裂纹的敏感性
很强，断裂韧性是评价陶瓷材料力学性能的重要指标，常用线
弹性力学研究裂纹扩展和断裂的问题。下式用来评价材料的断
裂韧性：
KIC＝Y f a1/2
(1-7)
式中KIC为断裂韧性； f为临界应力，即材料的断裂强度；
如Al2O3的th为46 GPa，几乎无缺陷的Al2O3晶须的强度约 为14 GPa，表面精密抛光的Al2O3细棒的强度约为7 GPa，而块 状多晶Al2O3材料的强度只有0.1-1 GPa。理论计算和实际数值 之所以有如此大的差距，主要是由于实际材料内存在微小裂纹 所致。陶瓷材料的强度主要包括弯曲强度，拉伸强度、压缩强 度等。
Si3N4
CBN
AlN
1400(石墨化) 1900(分解) 3000(升华) 2450(分解)
2400
10000
1700
7000
1450
ZrC 3540 2600 MoSi2 2030 1180
HB
2F
DD D2Di2
(3) 强度
强度与弹性模量和硬度一样，是材料的本征物理参数。陶
瓷材料的化学键决定了其在室温下几乎不能产生滑移或位错运
陶瓷材料的抗拉强度通常不到抗压强度的1/10。
其弹性变形具有如下特征:
弹性模量大 这是由共价键和键合结构所决定的。共价键 具有方向性，使晶体具有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的 阻力。离子键晶体结构的键方向性虽不明显，但滑移系受原子 密排面与原子密排方向的限制，还受静电作用力的限制，其实 际可动滑移系较少。此外，陶瓷材料都是多元化合物，晶体结 构较复杂，点阵常数较金属晶体大，因而陶瓷材料中位错运动 很困难。
材料结构与性能历年真题
2009年试题1.一外受张应力载荷力500MPa的无机材料薄板(长15cm，宽10cm，厚0.1mm)，其中心部位有一裂纹(C=20μm)。
该材料的弹性模量为300GPa，(1Pa=1N/m2)断裂能为15J/m2(1J=1Nm)。
a)计算该裂纹尖端应力强度因子KI(Y=)b)判断该材料是否安全？,可知，即材料的裂纹尖端应力强度应子超过了材料的临界断裂应子，则材料不安全。
2.测定陶瓷材料的断裂韧性常用的方法有几种？并说明它们的优缺点。
答：方法优点缺点单边切口梁法(SENB) 简单、快捷①测试精度受切口宽度的影响，且过分要求窄的切口；②切口容易钝化而变宽，比较适合粗晶陶瓷，而对细晶体陶瓷测试值会偏大。
Vickers压痕弯曲梁法(SEPB)测试精度高，结果较准确，即比较接近真实值预制裂纹的成功率低；控制裂纹的深度尺寸较困难。
直接压痕法(IM)①无需特别制样；②可利用很小的样品；③测定HV的同时获得KIC，简单易行。
①试样表面要求高，无划痕和缺陷；②由于压痕周围应力应变场较复杂，没有获得断裂力学的精确解；③随材料性质不同会产生较大误差；④四角裂纹长度由于压痕周围残余应力的作用会发生变化；产生压痕裂纹后若放置不同时间，裂纹长度也会发生变化，影响测试精度。
3.写出断裂强度和断裂韧性的定义，二者的区别和联系。
答：断裂强度δr断裂韧性KIC定义材料单位截面承受应力而不发生断裂的能力材料抵抗裂纹失稳扩展或断裂能力联系①都表征材料抵抗外力作用的能力；②都受到E、的影响，提高E、既可提高断裂强度，也可提高断裂韧性；③在一定的裂纹尺寸下，提高KIC也会提高δr，即增韧的同时也会增强。
区别除了与材料本身的性质有关外，还与裂纹尺寸、形状、分布及缺陷等有关是材料的固有属性，是材料的结构和显微结构的函数，与外力、裂纹尺寸等无关4.写出无机材料的增韧原理。
答：增韧原理：一是在裂纹扩展过程中使之产生有其他能量消耗机构，从而使外加负载的一部分或大部分能量消耗掉，而不致集中于裂纹扩展上；二是在陶瓷体中设置能阻碍裂纹扩展的物质场合，使裂纹不能再进一步扩展。
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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?。