3Y-ZrO_2Fe_3Al复合材料的抗热震性能
-Zr02/Fe3Al复合材料的抗热震性能李嘉i，2，尹衍升S刘强陈亚明2 ci.山东大学材料液态结构与遗传性教育部重点实验室，工程陶瓷山东省重点实验室，济南250061；2.济南大学材料学院，济南2522）性能与材料热力学性能参数之间的关系，同时分析了R阻力曲线与抗热震性能之间的相关性。结果表明：由于相变增韧与桥联增韧的协同作用，复合材料断裂韧性的明显提高，从而使临界热震温差么氏由单相3Y-Zr2的220的450-CDR曲线中韧性初始值的升高预示着启动裂纹生长的能量的增大，对应于热震作用下裂纹成核能的提高及的增大。R曲线愈陡，热震作用下裂纹扩展受到的阻力越大，材料的抗热震损伤能力越好。
3Y-Zr02陶瓷具有较高的室温强度和韧性，但由于较低的导热率，大的热膨胀系数以及t―m相变体积效应引起的微裂纹，其抗热震性较差，限制了其在高温条件下的应用w.提高材料的抗热震性能，首先要避免热震作用下裂纹的形成，要求材料具有较高的原始强度、导热系数、较低的热膨胀系数和弹性模量。其次，当热震温差达到一定值之后，为避免裂纹形成后的失稳扩展，要求材料具有基金项目：国家自然科学基金（50242008）及教育部博士点基金（20020422001）资助项目。
低强度高模量。从寻求两者平衡的角度考虑，通过复合化手段，提高材料的强度、断裂能和导热率，可达到整体改善抗热震性能的目的。Fe3Al金属间化合物的高温强度、高温蠕变和抗氧化耐腐蚀性能优于大部分金属材料，韧性优于陶瓷材料，被视为增韧陶瓷的理想材料。Fe3Al较Zr02高的韧性、强度、与之相近的热膨胀系数、较高的热导率、较低的弹性模量，使Fe3Al与ZrOB复合时，可望在增的同时改善zro2的抗热震性能。
热震条件下裂纹具有与承载条件下相似的扩展模式，因此裂纹扩展阻力曲线（只曲线）的测试对于表征和解释热震条件下的裂纹扩展行为具有重要意义。实验中采用压痕小裂纹法对单相3Y-Zr02及3Y-ZrOz/Fe3Al复合材料的R曲线进行了测定，并测试了材料的抗热震性能，探讨了R曲线行为与抗热震性能的相关性。
1实验-Zr02粉体及含不同的Fe3Al（体积分采用三点弯曲法测量样品的抗弯强度，样品尺寸为3mmX4mmX36mm.用单边切口梁法（SENB）测定断裂性，样品尺寸为2mmX4mmX36mm，切口宽度为0. 25mm，测定时跨距为20mm，加载速率为0.5mm/min.用HD-187. 5型Rockwell硬度仪测定光样品的硬度。
样品的晶粒尺寸及相对密度（用Archimedes法测量）见表1.表1材料的组成、晶粒尺寸及相对密度（烧结温度1350采用三点弯曲逐级加载法，测定带压痕样品的i曲线。样品先粗磨、抛光，再在8°C保温30min作退火处理，以消除机加工所引起的残余应力。Vickers硬度计，对样品表面中心部位施加300N载荷，保压15 3形成压痕。所制压痕的对角线与样品受拉伸应力方向平行。将带压痕样品进行900r退火处理以消除压痕残余应力。三点弯曲逐级加载时，跨矩为20mm，加载速率为05mm/min，逐级加载的恒载时间为20s，样品尺寸为3 X4X36mm（拉伸面垂直于热压方向），每组采用3个样品。实验中采用SEM观察了裂纹扩展情况。
利用样品泮冷后由三点弯曲法测量的残余强度来表征材料的抗热震性。淬冷实验是将样品在实验温度下保温30min后，迅速投入20T流动水中激冷。
2结果与讨论2.1复合材料的抗热震性能为3种材料热震后的残余强度与热震温差的关系。由可见，复合材料的抗热震性明显优于单相材料，表现为残余强度发生急变的临界温差A乳随着Fe3Al含量的增加而提高。单相3Y-Zr02的A久为220相吻合ZF15在A0<35Or范围，残余强度衰减幅度很小。ZF30的强度在A0<45O°C时无明显衰减，且当AO450°C时，强度衰减幅度小于前2种材料。当A0=8时，残余强度为400MPa左右。从中可看出3种材料均表现为热震断裂和热震损失混合模式。当，由于热弹性应变能不足以使裂纹发生突然的失稳扩展，裂纹以稳态方式扩展，材料虽受到一定的热震损伤，但残余强度衰减幅度稂小，当A0>A0.，裂纹发生失稳扩展，强度呈急剧下降趋势。
3Y-Zr02/Fe3Al复合材料的抗热震性能2.23Y-Zr02/Fe3Al复合材料的抗热震参数的评定陶瓷的热震破坏分为热震瞬时断裂和热震损伤2种类型，前者表现为在热冲击下热震裂纹发生失稳扩展，材料的强度迅速下降。一般用抗热震参数i作为陶瓷材料热震断裂能力的量度m其中：为泊松比；为抗弯强度；E为弹性模量；々为导热系数为热膨胀系数。由又称为R或（与裂纹扩展阻力行为相关的断裂韧性）曲线行为。相对于用。值评判材料禚性，与裂纹扩展过程紧密相关的R曲线行为，可更为确切地描述材料的增韧行为。用于增加断裂能的各种增韧机制，如裂纹偏转、裂纹分叉、相变增钿、微裂纹增、残余应力及裂纹桥联，都将不同程度地消耗裂纹尖端后方的能量，增大裂纹的扩展阻力，使材料表现出R曲线行为。这种附加能量消耗机制可同样作用于热震条件下裂纹的扩展，使其具有与承载条件下相似的扩展模式，因此R曲线行为可有效表征和估测抗热震行为。Hasselman根据正比于残余强度A，引人断裂功y来表征裂纹的稳定性，得到了R曲线与热震残余强度之间的关系式其中：ywF为使一个裂纹扩展的特定断裂功，大约等于R曲线的平均值，是启动裂纹生长的能量，数值上等于R曲线的起始值。yW0F/yi.越大，裂纹扩展过程中抵消外界载荷能量的附加能量越大，R曲线愈陡，材料经热震后残余强度率越高。
为单相3Y-Zr02，ZFI5，ZF30的R阻力曲线。3种材料均表现出R阻力行为，即裂纹扩展阻力随着裂纹长度的增加而增加。为压痕裂纹的SEM照片，单相3Y-Zr02的压痕裂纹初始长度C.为185yin，裂纹形状较平直，而复合材料由于延性颗粒Fe3Al对裂纹的桥联作用，C.明显变短。用下式指数函数对样品数据进行数学拟合处理：其中：K.为裂纹开始扩展前的初始断裂韧性；为裂纹长度时的K值；A为随裂纹扩展应力强度因子显著提高的区域的大小；C.为压痕裂纹初始半长。所得到的拟合参数见表3.R曲线行为对抗热震性能的影响体现在以下方面：一方面，由于Fe3Al颗粒的桥联和相变增韧共同作用所产生的作用于裂纹后端的闭合力，使预制裂纹后的初始韧性K0明显提高，由单相的4. m1/2分别增至6.21MPa.m1/2（ZF15），7.38MPam1/2（ZF30）。K.的升高意味着启动裂纹生长需要更大的能量，对应于热震作用，表现为裂纹形成能的提高和的增大。另一方面，由可见，复合材料具有更陡的R曲线，陡的R曲线代表了裂纹扩展过程中更多的附加能量消耗。作者已对该材料的增韧效应作了定量分析，结果表明：这种附加能量消耗来源于相变增与Fe3Al桥联增韧的协同作用，Fe3Al的引入使相变高度和可相变分数Vf增大，从而增大了相变增韧效应。同时，Zr02相变所产生的膨胀，将对Fe3Al产生压应力，因此增加了裂纹向Fe3Al的转向，加强了Fe3Al的桥联效应，此效应所产生的作用与裂纹尖端的附加的能量消耗，可在一定程度上抑制热震作用下裂纹的失稳扩展，增大裂纹作稳态扩展的热震温差范围，使抗热震损伤能力提，高，此与中当复合材料的接近A此时，裂纹进行稳态扩展，强度略微下降是吻合的。此外，由表3可见，复合材料的A值高于单相3Y-Zr02，表明相变和桥联的共同作用使随裂纹扩展阻力迅速增加的区域增大，裂纹的扩展量增大，则在热震作用下，材料表现出更高的使用安全性。
需要说明的是，实验所作的R曲线测试是缓慢加载（0.5mm/min），而抗热震试验使用的是骤然冷却加载（热应力为瞬时的），两者有区别，故R曲线与抗热震性两者之间只存在推论性，更确切的相关性需通过大量的试验进行验证。
3结（1）相对于单相3Y-Zr02，复合材料较高的抗弯强度导热率和较低的弹性模量可有效缓解热应力，以吸收较多的弹性应变能而不致开裂，从而提高抗热震断裂能力；较高的断裂性使裂纹扩展的势鱼增大，材料的抗热震损伤能力得以提高。
-Zr2，R曲线中韧性初始值K.的升高预示着启动裂纹生长的能量的增大，对应于热震作用下裂纹成核能的提高及A氏的增大。R曲线愈陡，热震作用下裂纹扩展受到的阻力越大，材料的抗热震损伤能力越好。
