陶瓷材料断裂韧性的测定

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1、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KIC。在平面应变状态下材料蜀。 值不受裂纹和几何形状的影响。因此，笛。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

2、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0c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，

3、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Ra （根据规定不大于1.6“血。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

4、.01mm,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0.2m m。试样尺寸比例为：c/W=0406L/W=4BcW/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，3mmX6mm 或 2.5mmX5mm。横截面尺寸根据有关规定应为四、KIC的计算公式在三点弯曲受力下，KIC值的计算公式由美国ASTME39974给出为KICPLBW 3/2f (c /W)MPa -mi/

5、2式中：f (c/W)=2.9(c/W)1/2 -4.6(c/W)3/2 + 21.8(c/W)5/2 37.6(c/W)7/2 + 38.7(c/W)9/2五、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0.20m m,裂纹深度为高度一半左右。本实验采用由实验室提供的试用游标卡尺在试样中部测量并记录其宽度和高度，精确至）.01mm。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SJlA型三轴剪力仪进行材料断裂韧

6、性测试，仪器采用齿轮调速。由于仪器 没有0.05mm/m in这一调速档，取最接近的0.055mm/m in这一加载速度进行测试。变速箱齿轮 换档手柄为3I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

7、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3I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?