增韧原理

纤维拔出需做的功Q 纤维拔出需做的功Q p:
Qp= 平均力 × 距离 = π d l 2 τ / 2 当纤维发生断裂，此时纤维的最大长度 为l c/ 2 ，拔出每根纤维所做的最大功为：
Qp= π d lc2 τ / 8 = π d2σfu lc/ 16 ∆Qp/ Qp= σfu / 3 Ef
因Ef > σ fu，所以纤维拔出能总大于纤维脱粘能，纤维拔出的增 所以纤维拔出能总大于纤维脱粘能， 韧效果要比纤维脱粘更强。因此，纤维拔出是更重要的增韧机理。 韧效果要比纤维脱粘更强。因此，纤维拔出是更重要的增韧机理。
●相变增韧
所谓“相变增韧” 实际上也是利用微裂纹增韧， 所谓“相变增韧”，实际上也是利用微裂纹增韧，即利用所谓的增 韧相产生相变，由于相变丝引起的膨胀，从而引起基体相产生微裂纹。 韧相产生相变，由于相变丝引起的膨胀，从而引起基体相产生微裂纹。 相变增韧的典型例子是ZrO 增韧。由于ZrO 存在两种晶型： 相变增韧的典型例子是ZrO2增韧。由于ZrO2存在两种晶型：四方相 和单斜相( 由四方相转变为单斜相时， （t）和单斜相(m)，当ZrO2由四方相转变为单斜相时，具有马氏体 相变特征，伴随产生有3 的体积膨胀。 相变特征，伴随产生有3～5％的体积膨胀。相变温度大多处于陶瓷 材料的烧结温度范围，如基体是Al 加入ZrO 材料的烧结温度范围，如基体是Al2O3，加入ZrO2 ，相变引起体积 变化，造成应力，引起基体产生微裂纹，微裂纹的出现， 变化，造成应力，引起基体产生微裂纹，微裂纹的出现，就增加了 Al2O3材料的韧性（相应的，材料的强度有所下降）。 材料的韧性（相应的，材料的强度有所下降）。 氧化锆增韧陶瓷有三种： 氧化锆增韧陶瓷有三种：
●延性颗粒增韧
在脆性陶瓷基体中加入第二相延性颗粒能明显提 高材料的断裂韧性。其增韧机理包括由于裂纹尖 端形成的塑性变形区导致裂纹尖端屏蔽以及由 延性颗粒形成的延性裂纹桥。当基体与延性颗 粒的α 粒的α和E值相等时，利用延性裂纹桥可达最佳增 韧效果。但当α 韧效果。但当α和E值相差足够大时，裂纹发生偏 转绕过金属颗粒，增韧效果较差。
在扩展裂纹尖端应力场中的增强体会导致裂纹发生弯曲， 从而干扰应力场，导致基体的应力强度降低，起到阻碍裂 纹扩展的作用。随着增强体长径比和体积比增加，裂纹弯 曲增韧效果增加。
●裂纹弯曲（Crackbowing）和偏转 裂纹弯曲（Crackbowing）
在颗粒和短纤维（晶须）增强复合材料起到使裂纹中，裂纹扩展 在颗粒和短纤维（晶须）增强复合材料起到使裂纹中， 时会发生偏转，从而增加复合材料（MMC、CMC）的韧性。 时会发生偏转，从而增加复合材料（MMC、CMC）的韧性。如果在 复合材料（CMC）中预先存在有微裂纹， 复合材料（CMC）中预先存在有微裂纹，则这些微裂纹同样起到引 导裂纹发生偏转的作用，从而增加复合材料的韧性。 导裂纹发生偏转的作用，从而增加复合材料的韧性。
●微裂纹增韧
颗粒与基体膨胀系数α 颗粒与基体膨胀系数αp 和αm ，在颗粒与基体之间可能造成热 颗粒受力。 膨胀系数失配（ 膨胀系数失配（Δα =αp –αm） ，颗粒受力。 当Δα< 0，颗粒受压应力，基体受拉应力，裂纹通过基体扩展； 0，颗粒受压应力，基体受拉应力，裂纹通过基体扩展； 0，颗粒受拉应力，基体受压应力， 当Δα> 0，颗粒受拉应力，基体受压应力，裂纹通过颗粒扩展 穿晶）； （穿晶）； 但也有可能裂纹绕过颗粒在颗粒与基体界面扩展（沿晶）。 但也有可能裂纹绕过颗粒在颗粒与基体界面扩展（沿晶）。 不管何种情况，裂纹均增加了扩展的路径， 不管何种情况，裂纹均增加了扩展的路径，因此增加了裂纹扩展的 阻力，消耗了能量（新的表面），提高了材料的韧性。 ），提高了材料的韧性 阻力，消耗了能量（新的表面），提高了材料的韧性。
●纤维桥接（Fiber 纤维桥接（Fiber
Bridge） Bridge）
对于特定位向和分布的纤维，裂纹很难偏转，只能沿着原 来的扩展方向继续扩展。这时紧靠裂纹尖端处的纤维并未断裂， 而是在裂纹两岸搭起小桥，使两岸连在一起。这会在裂纹表面 产生一个压应力，以抵消外加应力的作用，从而使裂纹难以进 一步扩展，起到增韧作用。随着裂纹的扩展，裂纹生长的阻力 增加，直到在裂纹尖端形成一定数量的纤维搭桥区。这时达到 一稳态韧化
❋部分稳定ZrO2陶瓷（PSZ） 陶瓷（PSZ） 多晶陶瓷（TZP） ❋四方ZrO2多晶陶瓷（TZP） 增韧陶瓷（ZTC）（ ）（如 增韧氧化铝陶瓷、ZTA） ❋ZrO2增韧陶瓷（ZTC）（如ZrO2增韧氧化铝陶瓷、ZTA）
应力诱导相变增韧
●裂纹弯曲（Crackbowing）和偏转 裂纹弯曲（Crackbowing）
增韧原理
★增韧原理
复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂），其 复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂），其 ）， 韧性大小取决于材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的 能力。在复合材料中， 能力。在复合材料中，增强材料与基体在增韧上是如何起 作用的呢？经过分析及研究， 作用的呢？经过分析及研究，提出了许多复合材料的增韧 机制，可以应用到复合材料，特别时CMC的设计中， CMC的设计中 机制，可以应用到复合材料，特别时CMC的设计中，要根 据基体与增强材料的性质和性能考虑不同的增韧方法。 据基体与增强材料的性质和性能考虑不同的增韧方法。主 要增韧机制有： 要增韧机制有： 纤维的拔出、脱粘、 ●纤维的拔出、脱粘、纤维搭桥增韧 ●颗粒增韧 ●微裂纹增韧 ●相变增韧 ●层状结构增韧
●纤维的拔出（Debonding） 纤维的拔出（Debonding）
每根纤维的脱粘能量∆Q p为：
因此，纤维体积比大、l c大（即界面强度 弱，因l c与界面应力成反比），通过纤维 脱粘达到的增韧效果最大。
●纤维拔出（Pull 纤维拔出（Pull
– out） out）
纤维首先脱粘才能拔出。纤维拔出会使裂纹尖 端应力松弛，从而减缓了裂纹的扩展。纤维拔 出需外力做功，因此起到增韧作用
●裂纹偏转和裂纹桥联增韧
裂纹桥联是一种裂纹尾部效应。它发生在裂纹尖端，靠桥联 元（剂）连接裂纹的两个表面并提供一个使裂纹面相互靠近 的应力，即闭合应力，这样导致强度因子随裂纹扩展而增加。 裂纹桥联可能穿晶破坏，也有可能出现互锁现象，即裂纹绕 过桥联元沿晶发展（裂纹偏转）并形成摩擦桥。裂纹桥联增 韧值与桥联元（剂）粒径的平方根成正比。
利用贝壳结构设计Si3N4/BN层状 复合材料的断裂时裂纹扩展路径
增强体的长径比越大，裂纹偏转增韧效果就， 裂纹扩展路径的改变， 可以明显的增加材料的韧性， 可以明显的增加材料的韧性， 但对于脆性材料的陶瓷， 但对于脆性材料的陶瓷，效果 仍不理想。人们发现， 仍不理想。人们发现，同样为 陶瓷材料的贝壳（羟基磷灰石） 陶瓷材料的贝壳（羟基磷灰石） 具有较为理想的韧性， 具有较为理想的韧性，其结构 为层状。受这种结构的启发， 为层状。受这种结构的启发， 在复合材料结构设计中， 在复合材料结构设计中，将材 料制备成层状， 料制备成层状，每层厚度达微 米级，目前已有的为亚微米， 米级，目前已有的为亚微米， 材料的韧性有了明显的提高。 材料的韧性有了明显的提高。