陶瓷脆性如何进行检测？

颗粒在线讯  由于具有高强度、高模量、高硬度、耐高温、耐腐蚀等诸多优点，陶瓷和陶瓷复合材料是极有发展前途的材料。但是，我们都知道，陶瓷的脆性很大，即其断裂韧性非常低，这又在一定程度上限制了它的应用。

基于陶瓷材料高强低韧的这种特性可知，断裂力学性能是评价陶瓷材料力学性能的重要指标，也正是由于这种特性，其断裂行为较好地符合线弹性力学所要求的裂纹尖端平面应变条件。预测结构材料的力学性能所必需的一个重要参数是断裂韧性。

陶瓷材料断裂韧性的评定方法有哪些呢？

目前常用的陶瓷断裂韧性测试方法有十余种，包括单边切口梁法(SENB)、表面裂纹弯曲法(SCF)、单边预裂纹梁法(SEPB)、单边V型切口梁法(SEVNB)、山形切口梁法(CNB)、单边斜切口梁法(SGNB)、压痕法(IM)、双扭法(DT)、悬臂梁法(DSC)等。根据其测试方法的基本原理和预制裂纹的模式，可分成压痕法、切口梁法、预裂纹梁法和其他方法等4大类。

一、压痕法(IM)

利用压痕法测试陶瓷断裂韧性的理论基础是接触力学，基本原理是利用压头在光滑的陶瓷表面施加一定的载荷直至压痕四角产生明显的裂纹，通过光学或扫描电镜测量压痕尺寸和产生的裂纹长度，结合载荷、材料硬度和弹性模量，以及校准常数计算出材料的断裂韧性值。常见的微裂纹形式有半月型裂纹和巴氏裂纹两种，如下图所示。该方法仅适用于容易产生压痕裂纹的材料，如玻璃和脆性较高的陶瓷。对于准塑性陶瓷，如MAX相陶瓷，无法产生压痕四角裂纹则并不适用。

半月裂纹和巴氏裂纹压痕示意图

二、单边预裂纹梁法(SEPB)

单边预裂纹梁法(SEPB)通过裂纹引发装置，在陶瓷弯曲试样受拉面预制一个初始裂纹或压痕，通过疲劳载荷或桥压法使其扩展形成一条设定长度的裂纹，然后测量样品的断裂韧性。该方法得到的裂纹基本上与自然裂纹相同，被认为是测量陶瓷断裂韧性最准确的方法，其关键难点在于如何准确、简便地预制出一条长度合适的裂纹。

三、切口梁法

切口梁法是目前最为简单的断裂韧性样品制备方法，是对陶瓷梁试样用金刚石刀片直接切割出一个直通切口，可分为一步切口法和二步切口法，其原理是试样切口根部在加载过程中成为应力集中点，随着载荷的进一步增加，产生裂纹的萌发和扩展，从而达到模拟裂纹扩展形态。一步切口法指直接加工出一个切口，如单边切口梁法(SENB)、山形切口梁法(CNB)、单边斜切口梁(SGNB)。二步切口法是指在原有的SENB直通切口上二次加工出一个尖锐的切口，如单边V型切口梁法(SEVNB)。

SENB法测试试样U型切口形状示意图

四、其他方法

除了上述的IM法、SENB法、SEPB法、CNB法、SGNB法、SEVNB法，传统的测量陶瓷断裂韧性的方法还有双悬臂梁法(DCB)、悬臂梁法、双扭法(TD)、紧凑拉伸法等。双悬臂梁法(DCB)的理论较为完善，但试样尺寸大、形状复杂、操作麻烦、夹具固定困难等缺点，根据横切槽的不同可分成锥形DCB、固定状态DCB、楔形负载DCB；双扭法(TD)的理论分析不够完善，采用半经验计算公式，断裂韧性值的测定不依赖于裂纹，不需要观察裂纹扩展，不需要获取裂纹长度，可用于高温环境下断裂韧性的测量；紧凑拉伸法同DCB法的优缺点一样。这些方法由于他们的缺点使得断裂韧性测量值偏差太大，操作复杂，现基本不用于陶瓷断裂韧性的测量。

参考来源：

[1]万德田，魏永金等.陶瓷断裂韧性测试方法准确性和简便性比较分析

[2]李大梅.氧化铝基复相陶瓷的制备及力学性能研究

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