王立志

摘 要：陶瓷材料具有高硬度、耐磨性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此其被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。但其本身有一個(gè)致命的缺點(diǎn)即脆性，其脆性影響機(jī)械加工效率與質(zhì)量，同時(shí)還會(huì)制約工作時(shí)的可靠性。斷裂韌性可以表征陶瓷材料的脆性，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)陶瓷材料的斷裂韌性壓入測(cè)試方法進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。

關(guān)鍵詞：陶瓷材料；斷裂韌性；Vickers壓頭

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.020

0 引 言

陶瓷材料具有硬度高、耐磨性好、摩擦系數(shù)低、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，其被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域，但其脆性影響陶瓷零件的機(jī)械加工效率與質(zhì)量及工作可靠性，而斷裂韌性可以表征陶瓷材料的脆性，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)陶瓷材料的斷裂韌性進(jìn)行了大量研究工作。陶瓷材料的斷裂韌性有許多測(cè)試方法，其中方法簡(jiǎn)便并且容易操作的測(cè)試方法是儀器化壓入測(cè)試方法。

1 Vickers壓入測(cè)試方法國(guó)外研究現(xiàn)狀

Lawn等[1]將陶瓷材料壓痕下方存在的彈塑性應(yīng)力場(chǎng)分為不可變形的殘余應(yīng)力場(chǎng)和可變形的彈性應(yīng)力場(chǎng)，認(rèn)為殘余應(yīng)力是導(dǎo)致裂紋開裂以及擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，于是將該驅(qū)動(dòng)力進(jìn)一步假設(shè)為點(diǎn)力模型，同時(shí)根據(jù)Hill的膨脹穴理論建立了著名的L-E-M數(shù)學(xué)計(jì)算模型。Anstis等[2]通過(guò)對(duì)一系列陶瓷材料進(jìn)行雙懸臂梁法實(shí)驗(yàn)，通過(guò)將其斷裂韌性測(cè)試結(jié)果帶入L-E-M公式進(jìn)行分析，最終得到了著名的Anstis公式。Laugier[3]認(rèn)為Hill膨脹穴理論中提到的（E/H）m指數(shù)應(yīng)該為2/3，根據(jù)以上假設(shè)并利用Anstis等的壓入試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了斷裂韌性計(jì)算公式。

Amador等[4]利用壓痕法對(duì)陶瓷材料斷裂韌性的三維有限元模型進(jìn)行仿真計(jì)算，并采用疊加原理與量綱分析對(duì)仿真數(shù)據(jù)回歸分析，建立了針對(duì)RC裂紋的斷裂韌性計(jì)算公式，該方法只針對(duì)RC裂紋開裂的陶瓷材料斷裂韌性，沒有充分考慮到HPC裂紋以及過(guò)渡裂紋的斷裂韌性。Tang等[5]采用數(shù)值解析方法、量綱分析以及疊加原理對(duì)RC和HPC裂紋的斷裂韌性進(jìn)行分析，進(jìn)而得到了兩種裂紋下的斷裂韌性計(jì)算公式，但該方法未考慮到過(guò)渡裂紋以及金剛石壓頭的彈性形變。

2 Vickers壓入測(cè)試方法國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

由于壓痕法測(cè)試精度都不高，為了進(jìn)一步提高壓痕法測(cè)試陶瓷材料的精度，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)壓痕法公式進(jìn)行了大量的研究工作。

關(guān)振鐸[6]通過(guò)對(duì)大量陶瓷材料斷裂韌性實(shí)驗(yàn)的壓痕與裂紋研究發(fā)現(xiàn)，試樣的壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度與裂紋開裂長(zhǎng)度之間的線性度對(duì)利用壓痕法測(cè)試陶瓷材料斷裂韌性的精度有顯著影響，認(rèn)為如果可以預(yù)先標(biāo)定被測(cè)試樣的經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)就可以有效提高經(jīng)驗(yàn)公式的測(cè)試精確。丘泰[7]對(duì)不同陶瓷材料進(jìn)行壓入測(cè)試，使用不同的壓痕法分別計(jì)算不同陶瓷材料的斷裂韌性，根據(jù)計(jì)算得到的斷裂韌性值進(jìn)行分析，最終提出了針對(duì)不同陶瓷材料斷裂韌性的理想壓痕法計(jì)算公式。龔江宏通過(guò)對(duì)大量陶瓷材料斷裂韌性壓入實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，同種材料在特定載荷下多次試驗(yàn)得到的測(cè)試結(jié)果之間存在一定的離散型，如果試驗(yàn)過(guò)程中增加實(shí)驗(yàn)量可以減小特定載荷下壓入實(shí)驗(yàn)得到的同種材料斷裂韌性測(cè)試結(jié)果之間的離散性。張?zhí)┤A等[8]以Anstis經(jīng)驗(yàn)公式為基礎(chǔ)，將儀器化壓入的卸載功與壓入總功的比值即We/Wt代替經(jīng)驗(yàn)公式中彈性模量與壓痕硬度的比值即E/H，并將軸對(duì)稱模型的有限元仿真數(shù)據(jù)帶入最后得出使用We/Wt代替經(jīng)驗(yàn)公式，最終得到了儀器化壓入得到的比功、壓入載荷等參數(shù)識(shí)別陶瓷材料斷裂韌性的計(jì)算公式，雖然張?zhí)┤A等的計(jì)算公式可以不用量取壓痕長(zhǎng)度H、不用預(yù)先識(shí)別別測(cè)試樣的彈性模量E，從而使斷裂韌性測(cè)試實(shí)驗(yàn)變得簡(jiǎn)單，但其計(jì)算精度高度依賴Anstis公式的測(cè)試精度，因此該計(jì)算方法的總體測(cè)試精度不高。馬德軍等[9]利用有限元數(shù)值分析解析方法得到了一系列陶瓷材料斷裂韌性值，結(jié)合量綱分析對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，最終提出了基于Vickers的陶瓷材料斷裂韌性儀器化壓入測(cè)試方法，該方法具有無(wú)需預(yù)先測(cè)試試樣彈性模量、無(wú)需區(qū)分裂紋開裂形式、測(cè)試精度較高等優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)壓痕法公式的理論及模型都是由基于半解析半經(jīng)驗(yàn)的方法建立，經(jīng)驗(yàn)公式的標(biāo)定系數(shù)會(huì)隨實(shí)驗(yàn)人員的操作以及實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)數(shù)量發(fā)生變化，同時(shí)由于壓痕形貌不清晰難以準(zhǔn)確測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度會(huì)造成壓痕硬度的誤差較大，最終使計(jì)算斷裂韌性結(jié)果有較大誤差。采用有限元數(shù)值解析方法建立的陶瓷材料斷裂韌性壓入測(cè)試方法，由于未考慮到金剛石壓頭發(fā)生的彈性形變、沒有對(duì)三種裂紋形式的斷裂韌性進(jìn)行仿真，就會(huì)造成測(cè)試精度不高。馬德軍等采用有限元數(shù)值分析解析方法和量綱分析建立的斷裂韌性Vickers壓入測(cè)試方法充分考慮到了金剛石壓頭發(fā)生的彈性形變以及材料表面產(chǎn)生的三種裂紋，因此該方法較其他傳統(tǒng)壓痕法以及有限元數(shù)值解析方法建立的壓入測(cè)試方法精度較高。有限元數(shù)值解析方法可以模擬陶瓷材料真實(shí)壓入情況，利用有限元數(shù)值解析方法建立陶瓷材料斷裂韌性的壓入測(cè)試方法應(yīng)用于工程領(lǐng)域會(huì)成為未來(lái)研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。

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