陶瓷力学性能检测之断裂韧性检测

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。

陶瓷力学性能检测之断裂韧性检测一、概述陶瓷材料及制品在人们的生产生活中发挥着重要的作用，因其重要性，陶瓷检测也显得重要。

下面就陶瓷的化学性能、力学性能等方面做一下简单介绍，供企业个人做为参考。

陶瓷材料的检测性能包括物理性能、化学性能、热学性能、电学性能等方面，其中物理性能、化学性能和力学性能是其主要的检测重点。

物理性能包括密度、熔点、导热性、导电性、光学性能、磁性等。

化学性能包括耐氧化性、耐磨蚀性、化学稳定性等。

而陶瓷材料通常来说在弹性变形后立即发生脆性断裂，不出现塑性变形或很难发生塑性变形，因此对陶瓷材料而言，人们对其力学性能的分析主要集中在弯曲强度、断裂韧性和硬度上，下文主要以科标检测为例来介绍下陶瓷力学性能中弯曲强度检测的相关原理，科标检测专业提供相应的陶瓷材料检测，检测结果精准，出具报告，因此有一定的参考价值！二、断裂韧性应力集中是导致材料脆性断裂的主要原因之一，而反映材料抵抗应力集中而发生断裂的指标是断裂韧性，用应力强度因子（K）表示。

尖端呈张开型（I型）的裂纹最危险，其应力强度因子用K I表示，恰好使材料产生脆性断裂的K I称为临界应力强度因子，用K IC表示。

金属材料的K IC一般用带边裂纹的三点弯曲实验测定，但在陶瓷材料中由于试样中预制裂纹比较困难，因此人们通常用维氏硬度法来测量陶瓷材料的断裂韧性。

陶瓷等脆性材料在断裂前几乎不产生塑性变形，因此当外界的压力达到断裂应力时，就会产生裂纹。

以维氏硬度压头压入这些材料时，在足够大的外力下，压痕的对角线的方向上就会产生裂纹，如图2-1所示。

裂纹的扩展长度与材料的断裂韧性K IC 存在一定的关系，因此可以通过测量裂纹的长度来测定K IC 。

其突出的优点在于快速、简单、可使用非常小的试样。

如果以P C 作为可使压痕产生雷文的临界负荷，那么图中显示了不同负荷下的裂纹情况。

由于硬度法突出的优点，人们对它进行了大量的理论和实验研究。

推导出了各种半经验的理论公式。

陶瓷材料断裂韧性测试方法
李国星;陈昌平;李玮;刘安;刘成安;卢红霞
【期刊名称】《河南建材》
【年(卷),期】2003(000)004
【摘要】本文简要介绍了近年来国内外结构陶瓷材料常用的几种断裂韧性测试方法单边切口梁法、山形切口法、压痕法和压痕-强度法的基本原理,并具体介绍了相变增韧陶瓷的压痕法和压痕-强度法新的理论成果.
【总页数】3页(P15-17)
【作者】李国星;陈昌平;李玮;刘安;刘成安;卢红霞
【作者单位】郑州大学物理工程学院,450052;郑州大学物理工程学院,450052;郑州大学物理工程学院,450052;郑州大学物理工程学院,450052;郑州大学物理工程学院,450052;郑州大学物理工程学院,450052
【正文语种】中文
【中图分类】TQ174
【相关文献】
1.陶瓷材料断裂韧性的Vickers压入测试方法综述 [J], 王立志
2.虚拟裂纹闭合法计算陶瓷材料断裂韧性的有效性研究 [J], 王家梁;马德军;孙亮;肖富君
3.陶瓷材料断裂韧性与缺口半径：Ⅱ断裂韧性估算方法 [J], 王锋会;路民旭
4.一种陶瓷材料断裂韧性压痕法计算公式 [J], 孙亮;王家梁;石新正
5.基于尖锐四棱锥压头的陶瓷材料断裂韧性测试方法 [J], 石新正;王立志;马德军;宫雷;孙亮;陈伟
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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。

陶瓷材料力学性能的检测方法为了有效而合理的利用材料，必须对材料的性能充分的了解。

材料的性能包括物理性能、化学性能、机械性能和工艺性能等方面。

物理性能包括密度、熔点、导热性、导电性、光学性能、磁性等。

化学性能包括耐氧化性、耐磨蚀性、化学稳定性等。

工艺性能指材料的加工性能，如成型性能、烧结性能、焊接性能、切削性能等。

机械性能亦称为力学性能，主要包括强度、弹性模量、塑性、韧性和硬度等。

而陶瓷材料通常来说在弹性变形后立即发生脆性断裂，不出现塑性变形或很难发生塑性变形，因此对陶瓷材料而言，人们对其力学性能的分析主要集中在弯曲强度、断裂韧性和硬度上，本文在此基础上对其力学性能检测方法做了简单介绍。

1.弯曲强度弯曲实验一般分三点弯曲和四点弯曲两种，如图1所示。

四点弯曲的试样中部受到的是纯弯曲，弯曲应力计算公式就是在这种条件下建立起来的，因此四点弯曲得到的结果比较精确。

而三点弯曲时梁各个部位受到的横力弯曲，所以计算的结果是近似的。

但是这种近似满足大多数工程要求，并且三点弯曲的夹具简单，测试方便，因而也得到广泛应用。

图1 三点弯曲和四点弯曲示意图由材料力学得到，在纯弯曲且弹性变形范围内，如果指定截面的弯矩为M，该截面对中性轴的惯性矩为I，那么距中性轴距离为y点的应力大小为：zzI My=σ 在图1-1的四点弯曲中，最大应力出现在两加载点之间的截面上离中性轴最远的点，其大小为：=•⎪⎭⎫⎝⎛•=zI y a P max max 21σ⎪⎩⎪⎨⎧圆形截面 16矩形截面 332DPa bh Pa π 其中P 为载荷的大小，a 为两个加载点中的任何一个距支点的距离，b 和h 分别为矩形截面试样的宽度和高度，而D 为圆形截面试样的直径。

因此当材料断裂时所施加载荷所对应的应力就材料的抗弯强度。

而对于三点弯曲，最大应力出现在梁的中间，也就是与加载点重合的截面上离中性轴最远的点，其大小为：=•⎪⎭⎫⎝⎛•=zI y a P l max max 4σ⎪⎩⎪⎨⎧圆形截面 8矩形截面 2332DPl bh Pl π 式中l 为两个支点之间的距离（也称为试样的跨度）。

生物陶瓷材料的力学性能评价生物陶瓷材料是一类在生物医学领域广泛应用的材料，具有良好的生物相容性和力学性能。

力学性能评价是评估生物陶瓷材料可靠性和适用性的重要手段。

本文将从三个方面讨论生物陶瓷材料的力学性能评价。

第一，强度和硬度是评价生物陶瓷材料力学性能的基本参数。

强度是指材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力，硬度则是指材料抵抗表面划痕或压痕的能力。

强度和硬度直接影响生物陶瓷材料在实际应用中的耐磨性和耐久性。

常用的测定方法包括压缩试验、弯曲试验和硬度测试。

通过这些实验可以获取生物陶瓷材料的强度和硬度数据，作为评价指标。

第二，断裂韧性是评价生物陶瓷材料力学性能的重要参数之一。

断裂韧性是指材料在受到外力时延迟断裂的能力。

生物陶瓷材料通常呈脆性断裂，即在受到极小的外力作用下即可发生断裂。

然而，在实际应用中，一些生物陶瓷材料需要具备一定的韧性，以避免意外破裂。

断裂韧性的测定方法包括缺口冲击试验和断裂能测试。

这些实验可以揭示生物陶瓷材料的断裂行为和抗裂性能。

第三，疲劳性能是评价生物陶瓷材料力学性能的重要指标之一。

疲劳性能是指材料在重复应力作用下的抗疲劳能力。

在人体内，生物陶瓷材料可能会受到周期性或逐渐增加的应力作用，需要具备一定的疲劳强度，以防止材料疲劳断裂。

评价生物陶瓷材料疲劳性能的常用方法是疲劳试验。

在这个试验中，材料会受到重复或递增的加载，以模拟实际应力条件。

通过测定疲劳强度和疲劳寿命，可以评估生物陶瓷材料的疲劳性能。

此外，生物陶瓷材料的力学性能还受到其他因素的影响，如材料制备工艺、微观结构和物理化学性质等。

因此，对生物陶瓷材料力学性能的评价应综合考虑不同因素的综合影响。

综上所述，生物陶瓷材料的力学性能评价是确保其应用可靠性和适用性的关键环节。

强度、硬度、断裂韧性和疲劳性能是评价生物陶瓷材料力学性能的重要指标。

通过相关实验和测试方法，可以获得这些指标的定量数据，并综合考虑材料制备和微观结构等因素的影响，以论证生物陶瓷材料的力学性能优劣。

断裂韧性测定
断裂韧性测定，也叫断裂硬度测定，是一种测定物体的破坏容性能力的重要评价标准。

其实质就是针对特定物体，在承受一定表面拉力时，观测物体断裂趋势，推算出断裂硬度数据，从而衡量物体强度和完整性能，并分析断裂分离原因。

断裂韧性测定，基本装置主要由待测样品、测试机架、拉力发生装置、负荷传递系统等组成，以及控制测试过程的操作台。

断裂硬度测定，做法通常是将物体固定在测试架上，采用拉力发生装置使其承受外力，然后观测其断裂趋势及分离形态。

一般而言，断裂硬度越大，表明物体强度及完整性能越好，耐久性比较强；相反，断裂硬度越小，则物体强度及完整性较差，耐久性较差。

断裂韧性测定具有明确、准确与可控等优点，可用于金属材料、塑料、橡胶、碳纤维、食品等多种物体的完整性研究，并且在材料科学领域和工程生产实际应用中广泛。

有效准确地测量断裂韧性，不仅有助于提升物体的完整性，而且对于判断对比相同物体的强度及完整性，也大有裨益。

总之，断裂韧性测定是一种重要的物体完整性评估方式，结合了科学实验与工程应用，为各领域提供了助力，具有广阔的发展前景。