南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094
熔融生长的Al2O3-ZrO2共晶陶瓷具有优异的高温性能。采用激光粉末床熔融（LPBF）直接制备Al2O3-ZrO2共晶陶瓷，研究了不同激光功率下的单道形貌特征及块体表面质量、物相组成、微观组织结构的演变规律和力学性能。结果表明，激光功率的提升将增加熔池的长度和单沉积道的宽度。Al2O3-ZrO2共晶陶瓷的表面粗糙度（Ra）和气孔率均随着激光功率的增加先降低后升高。在没有添加Y2O3等稳定剂的条件下，Al2O3-ZrO2共晶陶瓷的物相主要包括α-Al2O3、m-ZrO2和亚稳相t-ZrO2。随着激光功率的增加，m-ZrO2逐渐减少，这是由于LPBF的快速冷却过程抑制了马氏体相变。样件的晶粒尺寸随着激光功率的增加呈增大趋势，晶界密度减小，因此测量的显微硬度和断裂韧性呈现下降的趋势。当激光功率为60 W时，得到硬度为Hv=17.19 GPa和断裂韧性为KIC=6.67 MPa·m1/2的最优力学性能样品。
激光技术 激光粉末床熔融 Al2O3-ZrO2共晶陶瓷 熔池 晶粒尺寸 断裂韧性 中国激光
2024, 51(10): 1002316
1 1.西北工业大学 材料学院 NPU-SAS联合研究中心, 西安 710072
2 2.西北工业大学 极端力学研究院, 西安 710072
3 3.西北工业大学 材料学院, 西安 710072
4 4.西安科技大学 理学院 力学系, 西安 710600
二维编织碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiCf/SiC)在航空领域中得到广泛使用, 然而该材料层间强度低, 使其易萌生层间裂纹, 引起分层破坏。为此, 本工作采用楔形双悬臂梁法(W-DCB)和悬臂梁法(DCB)开展了层间I型断裂试验, 获得了2D-SiCf/SiC的层间裂纹驱动的加载数据, 得到了其裂纹端口张开力及张开位移变形曲线。在试验加载过程, 通过光学显微镜监测了视觉裂纹扩展过程, 探究了2D-SiCf/SiC的层间I型裂纹扩展规律。结合理论分析和裂纹视觉特征解释了加载曲线拐点及其他特征点的断裂力学含义。利用扫描电子显微镜分析了2D-SiCf/SiC的层间断面特征, 揭示了断面分层裂纹扩展机制。结果表明: W-DCB方法测量的2D-SiCf/SiC层间I型初始能量释放率与DCB方法等效; 2D-SiCf/SiC层间I型断裂过程中, 裂纹端口变形曲线的多峰性不符合经典线弹性断裂力学预测的加载峰后特征, 反映了2D-SiCf/SiC层间约束关系的复杂性; 层间断面为结构性非完全损伤, 发生了局部纤维桥连现象。
2D-SiCf/SiC复合材料 层间I型断裂 表征分析 纤维桥连 2D-SiCf/SiC composites interlaminar mode I fracture characterization analysis fiber bridging
中航光电科技股份有限公司，河南 洛阳 471003
为了分析影响光纤机械可靠性和寿命的主要因素，通过模拟试验条件对比分析了引起光纤断裂的原因；将试验光纤断裂表面形貌与在实际工作状态下出现的光纤断裂源形貌特征进行对比，定性分析了引起光纤断裂形成的主要原因。分析认为是在外加应力的作用下，工作环境中水分或水汽的存在加速了光纤表面裂纹的生长、扩展，最终导致光纤断裂。
裂纹 应力腐蚀 断裂形貌 crack, stress corrosion, fracture morphology
1 中国航发成都发动机有限公司，四川 成都 610503
2 成都凯天电子股份有限公司，四川 成都 611730
采用激光修复技术和GH4169合金粉末，在GH738合金基材试块上制备激光成形修复件，对其进行固溶+双时效热处理。对试块进行了高温持久和高温低周疲劳性能试验，观察试样断口形貌并分析断裂机理。结果表明：激光修复GH4169/GH738合金的组织结合处冶金质量良好，呈现向外连续生长的柱状晶组织；在650 ℃、690 MPa下进行持久试验，修复试样晶界析出Laves相，导致裂纹的萌生，与晶界分离形成微观空洞，同时气孔促进了裂纹的扩展，为穿晶和沿晶的混合韧性断裂模式。在455 ℃下进行低周疲劳试验，发现疲劳裂纹源于表面和气孔，以河流状花样向中心扩散，拓展区存在疲劳辉纹，为解理和穿晶两种断裂模式。采用GH4169合金粉末修复可满足常规铸锻GH738合金性能要求。
合金 激光修复 高温持久性能 高温低周疲劳性能 断裂机理 GH4169 superalloy laser forming repair high temperature persistent properties high temperature low cycle fatigue properties fracture mechanism
1 华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点试验室，武汉 430074
2 华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点试验室，武汉 430074，
SiC陶瓷凭借其高强度、高硬度和低密度等优势，在航空航天、核电工业等领域有着广阔的应用前景。但由于SiC加工难度高、韧性低，阻碍了其广泛应用。为解决上述问题，本研究采用黏结剂喷射增材制造(BJAM)结合液硅反应熔渗技术(LSI)制备了不同碳化硅晶须含量(SiCw)的SiCw/SiC复合材料。结果表明，当SiCw含量达到7.5% (体积分数)时，材料的弯曲强度和断裂韧性达到最大值分别为215.29 MPa和3.25 MPa?偸m1/2，硬度则在SiCw为5%达到23.06 HV的峰值。但当SiCw含量继续升高后，材料内部残余硅相含量提升，力学性能发生恶化。对打印初坯进行2次增碳可有效降低材料内部硅相含量，弯曲强度、断裂韧性和硬度最大分别提升10.15%、10.46%和10.58%。引入的SiCw通过偏折裂纹、拔出和折断等方式起到了对复合陶瓷材料的增强增韧作用。
黏结剂喷射 碳化硅 碳化硅晶须 液硅反应熔渗 断裂韧性 增材制造 binder jetting silicon carbide silicon carbide whisker reaction sintering fracture toughness additive manufacturing
1 中北大学航空宇航学院，太原 030051
2 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081
3 重庆大学航空航天学院，重庆 400044
为深入研究复相陶瓷在冲击加载下的宏观力学响应特性与微观断裂机制，选取Al2O3/SiC复相陶瓷为研究对象，设计了一维应力波和平面冲击波加载测试方法，研究了材料动态强度及其应变率效应、高压Hugoniot曲线以及不同受力特征下的材料局部变形机制。结果表明：不同的宏观受力特征下复相陶瓷对应有不同的微观断裂机理；冲击加载下材料的宏观变形主要是脆性破坏，但从微观角度观察，大尺寸晶粒穿晶断裂以及小尺寸晶粒沿晶断裂存在明显的局部塑性变形特征；第二相SiC颗粒在晶界和晶粒内部诱导裂纹传播，起到了冲击能量再分配的作用。
冲击动力学 氧化铝/碳化硅复相陶瓷 力学性能 微观结构 断裂 shock dynamics alumina/silicon carbide multiphase ceramics mechanical property microstructure fracture mechanism
1 1.武汉大学 土木建筑工程学院, 武汉 430072
2 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 200050
铁电陶瓷的力学性能直接决定了其加工性能和铁电器件的可靠性。目前, 无论是实验还是理论报道的压电陶瓷材料的断裂韧性都与30年前的报道接近, 限制了压电器件在高可靠性要求的情况下的应用。本研究试图揭示可用于优化铁电陶瓷断裂性能的参数。利用单轴压缩方法、裂纹尖端张开位移(Crack-tip opening displacement, COD)技术和单边V型缺口梁(Single-side V-notch beam, SEVNB)技术分别测定三种典型PZT陶瓷的应力-应变曲线、本征断裂韧性和长裂纹断裂韧性。结果表明, 本征断裂韧性与材料的杨氏模量正相关, 说明提高铁电体的杨氏模量是提高其本征韧性的有效途径。长裂纹断裂韧性与本征韧性和非本征铁弹性畴变/相变增韧有关, 说明优化铁电陶瓷的铁弹翻转行为可以改善其非本征效应。软掺杂PZT相较于硬掺杂PZT具有较低的矫顽应力和较高的残余应变, 呈现较强的铁弹性翻转和较高的屏蔽韧性; 在不同PZT材料中观察到的断裂模式也被认为与材料不同的铁弹性翻转行为有关, 软PZT陶瓷呈现沿晶断裂, 铁弹性翻转较弱的硬PZT呈现穿晶断裂。综上所述, 优化铁电材料的杨氏模量和铁弹翻转行为有望提升其断裂韧性。
锆钛酸铅 裂纹尖端断裂韧性 铁弹性畴翻转 单边V型缺口梁 lead titanate zirconate crack-tip fracture toughness ferroelastic domain switching single-edge V-notch beam
通过立方体抗压试验、劈裂抗拉试验与三点弯曲试验，探讨再生粗、细骨料较高取代率和钢纤维掺量对再生混凝土力学性能与断裂性能的影响。测试了试件28 d的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度与双K断裂韧度，分析了再生混凝土基本力学性能与断裂性能之间的相关性，提出了钢纤维增强大掺量再生骨料混凝土起裂断裂韧度及失稳断裂韧度与劈裂抗拉强度的计算关系。结果表明：再生粗、细骨料以50%质量取代率分别替换天然碎石与河砂，钢纤维体积掺量为1.0%时，抗压强度与劈裂抗拉强度达到最高，分别达到天然混凝土的77.12%与93.97%。掺加1.0%的钢纤维后，试块的失稳断裂韧度明显增加，并且在再生细骨料掺量为50%时均超过了天然混凝土。
再生混凝土 三点弯曲试验 劈裂抗拉强度 立方体抗压强度 起裂断裂韧度 失稳断裂韧度 recycled aggregate concrete three-point bending beam test splitting tensile strength cube compressive strength initiation fracture toughness unstable fracture toughness
1 浙江工业大学土木工程学院，杭州 310023
2 浙江省工程结构与防灾减灾技术研究重点实验室，杭州 310023
碳化硅晶须具有高强度、高弹性模量等优良特性。以减水剂作为分散剂制备碳化硅晶须，用来改性水泥基复合材料。通过“8”字模抗拉试验、圆环抗裂试验，以及基于数字图像相关法的预制裂缝三点弯曲试验来测试断裂性能，通过压汞试验研究孔结构，并通过SEM观测碳化硅晶须改性水泥基复合材料微观结构。结果表明，碳化硅晶须能使材料在裂缝扩展时产生裂纹偏转。碳化硅晶须的桥接效应和拔出机制可以有效控制裂纹扩展，增强水泥基材料的抗裂性能和抗拉强度；碳化硅晶须的掺入会使水泥砂浆的总孔隙率略有增加，但对水泥基材料抗拉强度和断裂性能无不利影响。
水泥基材料 碳化硅晶须 抗拉性能 断裂性能 微观结构 桥接效应 cement-based material silicon carbide whisker tensile strength fracture toughness microstructure bridging effect
1 河北工程大学土木工程学院，邯郸 056038
2 河北省装配式结构技术创新中心，邯郸 056038
3 河北光太路桥工程集团有限公司，邯郸 056000
为改善再生混凝土(RAC)的断裂性能，通过三点弯曲断裂试验，研究了钢纤维、剑麻纤维及钢-剑麻混杂纤维对RAC试件断裂性能的影响。同时，采用数字图像相关(DIC)技术测得RAC试件的裂缝扩展全过程。结果表明:未掺纤维的RAC试件断裂性能较差，而掺入纤维后的RAC试件断裂性能明显提升；单掺钢纤维时，试件的起裂韧度与纤维掺量无关；单掺剑麻纤维时，最佳体积掺量为0.15%，其试件的起裂荷载较未掺纤维RAC试件提高了67%。单掺纤维和混掺纤维均可提高失稳韧度和断裂能，但混掺纤维效果更佳。当体积掺量为1.0%的钢纤维和体积掺量为0.30%的剑麻纤维混杂时，其起裂韧度、失稳韧度和断裂能较未掺纤维的RAC试件分别提高了83.92%、575.86%和1 244.05%。
再生混凝土 钢纤维 剑麻纤维 混杂纤维 断裂性能 数字图像相关 recycled aggregate concrete steel fiber sisal fiber hybrid fiber fracture performance digital image correlation
