基本介紹
- 中文名：相變增韌
- 外文名：Phase transformation toughening
- 單斜相：小於1100℃
- 四方相：大於1100℃
- 溫度範圍：立方相大於
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陶瓷的相變
傳統的觀念認為，相變在陶瓷體中引起的內應變終將導致材料的開裂。因此，陶瓷工藝學往往將相變看作不利的因素。然而，部分穩定化ZrO2( PSZ)具有比全穩定化ZrO2好得多的力學性能這一事實使人們得到了啟發，PSZ的相變韌化得以受到重視。從而把相變作為陶瓷材料的強韌化手段，並已取得了顯著效果。
機理
ZrO2在1150℃左右發生單斜←正方結構的馬氏體相變，並伴有3%~5%的體積脹縮。當彌散在陶瓷基體中的ZrO2粒子發生相變時，伴隨相轉變的體積變化受到周圍基體的限制，使相變受阻導致相變點溫度降低。相變溫度降低的程度與ZrO2粒子的尺寸有關，當ZrO2粒子的尺寸小於某一個臨界值De時，馬氏體相變點可以低於常溫。高溫的正方ZrO2相可以保持在室溫。在室溫下，當含有正方結構的ZrO2粒子的陶瓷中產生裂紋時，裂紋尖端附近由於應力集中而高於臨界值時，裂紋尖端附近的正方ZrO2粒子會因應力誘發而進行馬氏體相變。由於相變需消耗大量功，因此正方ZrO2向單斜的ZrO2馬氏體轉變使裂紋尖端應力鬆弛，從而阻礙裂紋的進一步擴展。此外，馬氏體相變的體積膨脹使周圍基體受壓，促使其他裂紋閉合。顯然，馬氏體相變的存在使裂紋擴展從純脆性變為具有一定塑性。此外，材料系統中相變一般伴隨有微裂紋的產生，微裂紋也被作為消耗能量的機理類似於相變，故材料得到韌化。這就是所謂的應力誘發相變和相變韌化，或稱相變誘發韌性。當裂紋經過後，裂紋兩側產生一個寬為W的相變區(如圖12-9所示)，顯然相變區W愈寬則增韌效果愈好。ZrO2粒子的尺寸愈大則所需的相變誘發外力愈小，因而相變區W愈寬。
應力誘導相變增韌
在含有亞穩t- ZrO2的陶瓷中，當裂紋擴展進入含有t相晶粒的區域時，裂紋尖端周圍的部分t相將在裂紋尖端應力場的作用下，發生t→m相變，形成一個相變過程區。在過程區內，一方面，由於裂紋擴展而產生新的裂紋表面，需要吸收一部分能量；另一方面，相變引起的體積膨脹效應也要消耗能量；同時相變的晶粒由於體積膨脹而對裂紋產生壓應力，阻礙裂紋擴展。由此可見，應力誘導的這種組織轉變消耗了外加應力，降低了裂紋尖端的應力強度因子，使得本可以繼續擴展的裂紋因能量消耗造成驅動力減弱而終止擴展，從而提高了材料的斷裂韌性。相變發生後，若要使裂紋繼續擴展，必須提高外加應力水平。這樣隨應力水平的不斷提高，裂紋會繼續向前擴展。值得注意的是，在相變作用下，裂紋擴展的阻力會越來越大，擴展越來越困難。
相變增韌陶瓷
陶瓷材料由於具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優良性能，作為工程材料正日益受到高度重視，但由於脆性問題(韌性、塑性低，強度不高，性能穩定性和可控性差)使其套用受到很大限制。因此，近年來人們在改善陶瓷材料的強韌性方面進行了大量研究並取得了一定成果。陶瓷材料強韌化方法主要有纖維法、晶須法、顆粒法、熱處理法、表面改性法等。
材料的斷裂過程要經歷彈性變形、塑性變形、裂紋的形成與擴展，整個斷裂過程要消耗一定的斷裂能。因此，為了提高材料的強度和韌性，應儘可能地提高其斷裂能。對金屬來說，塑性功是其斷裂能的主要組成部分，由於陶瓷材料主要以共價鍵和離子鍵鍵合，多為複雜的晶體結構，室溫下的可動位錯的密度幾乎為零，塑性功往往僅有十幾J/m2或更低，因此需要尋找其他的強韌化途徑，相變第二相顆粒增韌補強即是途徑之一。傳統的觀念認為，相變在陶瓷體中引起的內應變終將導致材料的開裂。因此，陶瓷工藝學往往將相變看作不利的因素。然而，部分穩定化ZrO2如(PSZ)具有比全穩定化ZrO2好得多的力學性能這一事實使人們得到了啟發，PSZ的相變韌化得以受到重視，從而把相變作為陶瓷材料的強韌化手段，並已取得了顯著效果。
