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 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 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
为研究加载速率对高吸水性树脂(SAP)混凝土断裂性能的影响,本文浇筑了不同内养护水灰比SAP混凝土试件,采用三种加载速率开展缺口梁三点弯曲试验,测量和分析不同试件的断裂模式、裂纹开口位移和断裂韧性。试验结果表明:SAP混凝土和普通混凝土均具有应变率效应,且适量的SAP和内养护水可以提高混凝土的断裂能; 随着内养护水灰比的增加,SAP混凝土的峰值强度比持续下降,起裂韧度和失稳韧度都呈逐渐降低的趋势; 随着加载速率的增加,两种韧度都呈增长的趋势。本文提出的基于内养护水灰比和加载速率双因素影响的峰值强度比和断裂韧性拟合模型可为SAP混凝土在实际工程中的应用提供参考。
混凝土 内养护 三点弯曲试验 断裂能 断裂韧性 SAP SAP concrete internal curing three-point bending test fracture energy fracture toughness
1 海南大学, 海南省特种玻璃重点实验室, 海口 570228
2 海南大学, 南海海洋资源利用国家重点实验室, 海口 570228
3 海南海控特玻科技有限公司, 澄迈 571924
4 特种玻璃国家重点实验室, 澄迈 571924
5 特种玻璃国家重点实验室, 澄迈 571924)
本文以SiO2、Al2O3、ZnO、CaO、MgO为主要原料制备锌尖晶石-透辉石体系微晶玻璃, 利用自增韧技术提高了该体系微晶玻璃的力学性能。采用正交试验研究各热处理工艺参数对该体系微晶玻璃力学性能的影响, 探究了微晶玻璃的晶相比例、微观形貌与其力学性能之间的关系。结果表明, 提高透辉石相比例可显著提高微晶玻璃断裂韧性, 但比例过高则会降低微晶玻璃抗弯强度, 因此制备高韧性、高抗弯强度的微晶玻璃时需要柱状晶体交错和粒状晶体填充其间隙, 起到协同强化的作用。基础玻璃经750 ℃保温2 h+810 ℃保温2 h+880 ℃保温2 h+950 ℃保温2 h后, 微晶玻璃断裂韧性达5.1 MPa·m1/2, 抗弯强度达255 MPa, 维氏硬度为8.3 GPa。
锌尖晶石-透辉石微晶玻璃 自增韧 断裂韧性 抗弯强度 热处理工艺 正交试验 gahnite-diopside glass-ceramics self-toughening fracture toughness bending strength heat treatment process orthogonal test
山东科技大学土木工程防灾减灾重点实验室, 青岛 266590
海洋岛礁工程建设面临着取材困难、运输与材料成本昂贵等问题。为此, 开发了新型海水海砂火山渣混凝土(SSAC), 以推动海工建设的发展。通过混凝土三点弯曲梁断裂试验, 探讨了不同缝高比(0.2、0.3、0.4)和组料类型对SSAC断裂力学性能的影响, 获取了双K断裂韧度、断裂能与软化曲线等断裂参数的变化规律。结果表明, 受粗骨料的影响, 采用火山渣的混凝土的荷载-裂缝口张开位移曲线(P-CMOD)与普通混凝土相似, 但其下降段更为陡峭。SSAC断裂韧度小于普通混凝土, 且均不受缝高比影响。受海水海砂的影响, SSAC的断裂韧度和断裂能较淡水河砂火山渣试件分别提高14.30%和6.77%。基于试验数据, 推导得出考虑组料影响的双K断裂韧度与软化关系计算公式, 计算结果与试验结果吻合良好。
海水海砂火山渣混凝土 断裂性能 双K断裂韧度 断裂能 软化曲线 P-CMOD曲线 seawater sea sand volcanic slag concrete fracture property double-K fracture toughness fracture energy softening curve P-CMOD curve
中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院, 北京 100083
为探究纤维体积掺量对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)断裂过程的影响, 基于50 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对不同纤维体积掺量(0%、0.75%、1.50%、2.25%、3.00%)的PVA-ECC中心切槽半圆盘弯曲(NSCB)试件进行冲击试验, 同时结合超高速数字图像(DIC)相关试验系统对PVA-ECC材料的动态断裂过程进行试验研究, 得到了预制裂纹尖端张开位移的变化规律以及各组试件的临界裂缝尖端张开位移(CTODC)。结果表明, 当不添加PVA纤维或添加较少(小于1.50%)时, 裂尖宏观裂纹基本出现在裂尖荷载的峰值时刻处, 而随着PVA纤维掺量的增加, 裂尖宏观裂纹的出现显著早于裂尖荷载的峰值时刻, 并且纤维体积掺量越大, 裂尖宏观裂纹出现得越早, 裂纹扩展至完全断裂的时间也显著增加。添加聚乙烯醇纤维可以显著提高混凝土试件的CTODC值, 提高试件的阻裂能力, 相同冲击荷载下, 体积掺量为2.25%的聚乙烯醇纤维试件具有较大的CTODC值。
分离式霍普金森压杆 中心切槽半圆盘弯曲试件 动态断裂韧度 数字图像相关 裂缝尖端张开位移 PVA-ECC PVA-ECC split Hopkinson press bar notched semi-circular bend specimen dynamic fracture toughness digital image correlate crack tip opening displacement
太原科技大学机械工程学院,山西省冶金设备设计理论与技术重点实验室,太原 030024
为了增韧Si3N4基陶瓷材料, 以钨(W)作为第二相材料, Y2O3-Al2O3作为烧结助剂, 采用气压烧结法制备了W/Si3N4复合陶瓷材料。研究了W含量对W/Si3N4复合陶瓷材料致密性、力学性能以及结构的影响。结果表明: 在W含量小于5%(质量分数)时, 样品致密度均达97%以上; 在W含量为5%(质量分数)时, 获得的W/Si3N4复合陶瓷材料综合性能最佳, 弯曲强度、硬度和断裂韧性分别为(670.28±40.00) MPa、(16.42±0.22) GPa和(8.04±0.16) MPa·m1/2, 相比于未添加金属W的Si3N4陶瓷材料分别提高了38.08%、13.08%和44.34%; 通过分析W/Si3N4复合陶瓷材料样品抛光面和压痕裂纹的微观结构, 发现W的引入能促使裂纹在扩展路径上更易发生偏转、分叉等增韧机制, 消耗裂纹扩展能量, 从而改善Si3N4陶瓷的断裂韧性。
Si3N4陶瓷 钨 气压烧结 微观结构 致密性 弯曲强度 断裂韧性 Si3N4 ceramics tungsten pneumatic sintering microstructure compactness bending strength fracture toughness
