1、单位代码 学 号 分 类 号 密 级 XX 大学毕业论文文献翻译 院（系）名 称 工 学 院 机 械 系 专 业 名 称材 料 成 型 及 控 制 工 程 学 生 姓 名 指 导 教 师 20 xx 年 3 月 20 日 碳化硅晶须的尺寸对氧化铝复合材料硬度性能的影响S.M.Barinov,1A.V.Krylov,1V.Ya.Shevchenko,1J.Dusza,2 E.Rudnajova,2O.N.Grigorev,3 and N.A.Orlovskaya 3摘 要将20%的SiC晶须增强相加入热压烧结的复合材料中，其增强相SiC对复合材料的强度和硬度的影响正在研究中。研究发现只有在晶须的
2、直径在1.5-2.5m范围内复合材料的机械性能才会增强。这种复合材料也是其具有更高的抵抗裂纹延伸的能力。直径更小的晶须则会对复合材料的机械性能产生由一些组成物已经证实的消极影响。对于晶须的尺寸有个严格定义来确保晶粒能够均匀地分布在模具中，这种用途可以减小晶须的直径。材料的性能和晶须中残余压应力两者之间有一定的关系。关键词：关键词：复合材料，增强相，硬度引言在陶瓷基体中加入增强相晶须会提高它的硬度，强度，提高抵抗和疲劳断裂的能力，并且改善材料中由于裂纹的聚集和延伸而引起的一些其他性能。晶须对模具中材料1的机械性能的影响主要是通过两种机制来完成的。首先，通过裂纹张开的弹性拉伸晶须或陶瓷基体的弹性变
3、形晶须；其次通过调整裂纹的相互作用与晶须矩阵相边界。问题是它的机制是支配机理仍在讨论，虽然很明显，表现为机制必须取决于形状和尺寸的胡须，他们结合到基体材料和水平残余应力的复合。在这方面，这项工作的目的是研究SiC晶须几何参数增强Al2O3复合材料的作用。材料与方法样品材料进行热压温度为1700-30MPa的压力在石墨模具被控混合氧化铝粉和SiC晶须。表1给出了晶须平均几何参数的，其中Al2O3的密度4.00g/cm3。事先制备晶须，用氢氟酸彻底去除表面的氧化层，控制组件的混合悬浮值；其次是过滤和真空干燥。体积分数的组成部分是80%Al2O3和20%SiC。表表 1 SiC晶须的参数和晶须的参数
4、和SiC-Al2O3复合材料的密度复合材料的密度晶须直径（m）晶须长度（m）复合材料的密度（g/cm3）0.1 10 3.74 0.3-0.4 10-15 3.76 1.5-2.5 15-40 3.80 热压后，残余应力水平的样本估计的X射线衍射方法。残余应力所造成的不匹配的热膨胀系数和弹性性能的Al2O3和SiC。测量上进行抛光样品表面的帮助下，一个DRON-4衍射使用Cu-K辐射。一层薄薄的硅微粉在样品表面沉积作为一个参考。平均残余应力在氧化铝上进行了评价假定各向同性弹性性能（杨氏模量为407千兆，泊松系数0.23），利用胡克定律和残余变形由常规方法 4。平均残余应力进行了评价从碳化硅晶须
5、的平衡状态在多相系统。对样品的力学性能用UTS-100试验机的方法进行研究，三点弯曲距离20mm的点荷载，样品尺寸为3540mm。测试了抗弯强度和韧性，后者参数确定样品有一个侧切口为0.5mm（标准配置为样本的三点弯曲断裂力学方法）切口顶点半径约50m。我们还研究了曲线的抵抗裂纹扩展（金伯利，曲线）来衡量的是技术，应力强度系数和计算公式是 KIS=0.59（HE）1/8(P1/3）3/4 （1），其中E是弹性模量，H是硬度，是压力引起的裂纹引起的强度，P是压力载荷5。结果与讨论结果与讨论如图1（a）和（b）提供的数据表明，样品的强度和韧性随晶须直径的增加而增加。然而，引入Al2O3基薄晶须产生
6、的强度和韧性比模具中纯材料的低。同时，复合材料含晶须直径1.5-2.5mm时，和那些模具中热压烧结的SiC晶须相比强度增加（100兆帕）并且韧性增加（0.75MPam1/2）。如图1（c）中显示了晶须的平均直径与氧化铝基晶须的平均残余应力之间的关系。正如图中所看到的晶须的残余应力水平和机械性能遵循相同的趋势。这个巧合是以韧性的增加是以绘制晶须增强陶瓷复合材料的断裂性能的模型图为依据的。根据6晶须中残余压应力n和热压温度冷却引起的轴向应力i对模具产生各种影响，得出公式 i=2i（lc/r）（2）i=n （3）其中i是晶须在模具界面的剪切应力，lc是晶须的长度，r是晶须的半径，是比例因子。根据估计
7、，在SiC晶须增强铝基残余压应力约为1600兆帕，着也许可以解释，尤其是和高韧性的SiC复合材料相比，其中Al2O3-SiC复合材料的残余压应力只有270兆帕7。我们研究所得的残余压应力值明显比上面提到的低，这显然是由不同的微观结构晶须与界面的条件和热压条件决定的。Al2O3陶瓷增强相SiC晶须直径为1.5-2.5m，不仅具有较高的韧性（特征临界应力强度系数Klc）而且具有高的抗裂纹延展的能力。图2显示了当前应力强度系数KR和裂纹延伸长度与增量l、稳定裂纹增长（KR）的关系。众所周知，这些曲线特征在断裂的过程中的能源消耗。根据图2，和普通材料的模具相比，晶须强化陶瓷导致了对KR随增量l增加的更
8、进一步的研究。数学处理这些数据关系的类型中KR=Aln，幂律关系参数A=0.218,复合材料的n=13.3h和非增强相模具的A=13.3，n=0.1318。含20SiC晶须复合材料的性能，为什么晶须直径小于或等于0.4m时会自然地产生一些消极的机械方面的问题，而不是积极地效果。表1给出的数据表明，在减小晶须直径为晶须体积分数（20）时复合材料的密度下降。一个试样的断口电子显微镜检查发现，在模具图3（a）和一捆绑式存在的晶须图3（b）中晶须的分布是不均匀的。从不完善的初始混合配制技术来看，这些缺陷可能导致部分热压，但其中的一个原因是由小直径束形成的。显然，晶须材料分布的均匀性取决于模具中基质颗粒
9、的大小对晶须直径的比例以及晶须在复合材料中的体积分数。使用最简单的几何概念（例如，装在一个六角形的结构密切的细胞中）我们很容易获得表达式 其中Vt是晶须的体积分数，是临近晶须结构单元的间距9，在一种真正的缝合材料中，晶须分布均匀，可以得到晶粒尺寸不比晶粒尺寸小。因此，一个给定的晶须直径意味着一个明确的临界体积分数，这可能是晶须分布均匀的原则。估计根据式子（4）显示，20%体积的晶须直径在0.8m以下不能均匀地分布在两种晶粒尺寸超过1m的模具中。这就解释了形成晶须束在平均残余应力和复合密度水平下降时，而在实验中观察到复合材料的机械性能恶化的现象。结论结论 通过在Al2O3为基体陶瓷材料中加入体积
10、分数为20%SiC晶须，其晶须直径范围在1.5-2.5m发现可以显著增加陶瓷的强度和韧性。用直径小于0.1m或者在0.3-0.4m之间的晶须发现，这种晶须和纯基粒相比，会导致其强度和韧性下降。这是由于Al2O3基晶须束形成的。当增强相SiC晶须直径在1.5-2.5m之间时，会使材料和非钢筋基质相比表现出较高的抗裂纹扩展性能。图 1（a）抗弯强度i 绘制图，应力强度系数KIS（b）图和（c）图显示的晶须的平均直径d对Al2O3-SiC复合材料平均残余应力res的影响：1）Al2O3 基粒，2）SiC晶须（箭头表示强度和韧性的热压力水平）图2 Al2O3基材料（1）和Al2O3-SiC复合材料（2
11、）的阻力曲线.图 3 断裂表面Al2O3-SiC复合材料的电子显微镜图参考文献参考文献1 P.F.Becher,C.H.Hsueh,P.Angelini,andT.N.Tiegs,Theoretical and experimental analysis of the tougheningbehaviour of whisker reinforcement inceramic composites,N.Mater.Sci.Eng.107(1-2),43-60(1989).2 D.B.Marshall and A.G.Evans,The influence of residual stress
12、on the toughness of reinforcement brittle materials,M.Mater.Forum,11.304-312(1988).3 S.M.Barinov and V.Ya.Shevchenko,Strength of Technical CeramicsN,Nauka,Moscow(1996).4 M.Ermrich,Conventional diffraction methods for structure analysis,N in.N.Cheremisinoff and P.Cheremisinoff(eds),Handbook of Advanc
13、ed Materials Testing.Dekker,N.Y.(1995),pp.181-214.5 P.Chantikul.G.R.Anstis.B.R.Lawn,and D.B.Marshall,A critical evaluation of indentation techniques for measuring fracture toughness.DJ.Amer.Ceram.Soc.64(9).531-539(198!).6 P.F.Becher.T.N.Tings.J.C.Ogle,and W.H.Warwick.Toughness of ceramics by whisker
14、 reinforcement,J.in R.C.Bradtetal.(eds),Fracture Mechanics of Ceramics.Volume 7.Plenum,N.Y.(1986),pp.61-73.7 S.M.Barinov and V.Ya.Shevchenko,Universal R-curve of crack propagation resistance in ceramic composites,M in R.C.Bradtetal.(eds).Fracture Mfechanics of Ceramics.Volume 9,Plenum,N.Y.(1992).pp.
15、209-218.8 J.Dusza and S.M.Barinov.Rising crack-growth-resistance behaviour of Al2O3-SiC whisker ceramics,J Scripra Metal.Mater.28(2),417-422(1993).9 A.V.Krylov,S.M.Barinov,D.A.Jvanovetal,Influence of SiC whisker size on mechanical properties of reinforced alumina.N J.Mawr.Sci.Lett.12(5),904-906(1993).
