陶瓷材料斷裂韌性的Vickers壓入測試方法綜述

王立志

摘 要：陶瓷材料具有高硬度、耐磨性好等諸多優點，因此其被廣泛應用于各個領域中。但其本身有一個致命的缺點即脆性，其脆性影響機械加工效率與質量，同時還會制約工作時的可靠性。斷裂韌性可以表征陶瓷材料的脆性，因此國內外學者對陶瓷材料的斷裂韌性壓入測試方法進行了深入細致的研究。

關鍵詞：陶瓷材料；斷裂韌性；Vickers壓頭

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.020

0 引 言

陶瓷材料具有硬度高、耐磨性好、摩擦系數低、熱膨脹系數小等優點，其被廣泛應用于機械制造、航空航天、汽車工業等領域，但其脆性影響陶瓷零件的機械加工效率與質量及工作可靠性，而斷裂韌性可以表征陶瓷材料的脆性，因此國內外學者對陶瓷材料的斷裂韌性進行了大量研究工作。陶瓷材料的斷裂韌性有許多測試方法，其中方法簡便并且容易操作的測試方法是儀器化壓入測試方法。

1 Vickers壓入測試方法國外研究現狀

Lawn等[1]將陶瓷材料壓痕下方存在的彈塑性應力場分為不可變形的殘余應力場和可變形的彈性應力場，認為殘余應力是導致裂紋開裂以及擴展的驅動力，于是將該驅動力進一步假設為點力模型，同時根據Hill的膨脹穴理論建立了著名的L-E-M數學計算模型。Anstis等[2]通過對一系列陶瓷材料進行雙懸臂梁法實驗，通過將其斷裂韌性測試結果帶入L-E-M公式進行分析，最終得到了著名的Anstis公式。Laugier[3]認為Hill膨脹穴理論中提到的（E/H）m指數應該為2/3，根據以上假設并利用Anstis等的壓入試驗數據，建立了斷裂韌性計算公式。

Amador等[4]利用壓痕法對陶瓷材料斷裂韌性的三維有限元模型進行仿真計算，并采用疊加原理與量綱分析對仿真數據回歸分析，建立了針對RC裂紋的斷裂韌性計算公式，該方法只針對RC裂紋開裂的陶瓷材料斷裂韌性，沒有充分考慮到HPC裂紋以及過渡裂紋的斷裂韌性。Tang等[5]采用數值解析方法、量綱分析以及疊加原理對RC和HPC裂紋的斷裂韌性進行分析，進而得到了兩種裂紋下的斷裂韌性計算公式，但該方法未考慮到過渡裂紋以及金剛石壓頭的彈性形變。

2 Vickers壓入測試方法國內研究現狀

由于壓痕法測試精度都不高，為了進一步提高壓痕法測試陶瓷材料的精度，國內學者對壓痕法公式進行了大量的研究工作。

關振鐸[6]通過對大量陶瓷材料斷裂韌性實驗的壓痕與裂紋研究發現，試樣的壓痕對角線長度與裂紋開裂長度之間的線性度對利用壓痕法測試陶瓷材料斷裂韌性的精度有顯著影響，認為如果可以預先標定被測試樣的經驗公式系數就可以有效提高經驗公式的測試精確。丘泰[7]對不同陶瓷材料進行壓入測試，使用不同的壓痕法分別計算不同陶瓷材料的斷裂韌性，根據計算得到的斷裂韌性值進行分析，最終提出了針對不同陶瓷材料斷裂韌性的理想壓痕法計算公式。龔江宏通過對大量陶瓷材料斷裂韌性壓入實驗研究發現，同種材料在特定載荷下多次試驗得到的測試結果之間存在一定的離散型，如果試驗過程中增加實驗量可以減小特定載荷下壓入實驗得到的同種材料斷裂韌性測試結果之間的離散性。張泰華等[8]以Anstis經驗公式為基礎，將儀器化壓入的卸載功與壓入總功的比值即We/Wt代替經驗公式中彈性模量與壓痕硬度的比值即E/H，并將軸對稱模型的有限元仿真數據帶入最后得出使用We/Wt代替經驗公式，最終得到了儀器化壓入得到的比功、壓入載荷等參數識別陶瓷材料斷裂韌性的計算公式，雖然張泰華等的計算公式可以不用量取壓痕長度H、不用預先識別別測試樣的彈性模量E，從而使斷裂韌性測試實驗變得簡單，但其計算精度高度依賴Anstis公式的測試精度，因此該計算方法的總體測試精度不高。馬德軍等[9]利用有限元數值分析解析方法得到了一系列陶瓷材料斷裂韌性值，結合量綱分析對仿真數據進行擬合，最終提出了基于Vickers的陶瓷材料斷裂韌性儀器化壓入測試方法，該方法具有無需預先測試試樣彈性模量、無需區分裂紋開裂形式、測試精度較高等優點。

3 結論

傳統壓痕法公式的理論及模型都是由基于半解析半經驗的方法建立，經驗公式的標定系數會隨實驗人員的操作以及實驗材料和實驗數量發生變化，同時由于壓痕形貌不清晰難以準確測量壓痕對角線長度會造成壓痕硬度的誤差較大，最終使計算斷裂韌性結果有較大誤差。采用有限元數值解析方法建立的陶瓷材料斷裂韌性壓入測試方法，由于未考慮到金剛石壓頭發生的彈性形變、沒有對三種裂紋形式的斷裂韌性進行仿真，就會造成測試精度不高。馬德軍等采用有限元數值分析解析方法和量綱分析建立的斷裂韌性Vickers壓入測試方法充分考慮到了金剛石壓頭發生的彈性形變以及材料表面產生的三種裂紋，因此該方法較其他傳統壓痕法以及有限元數值解析方法建立的壓入測試方法精度較高。有限元數值解析方法可以模擬陶瓷材料真實壓入情況，利用有限元數值解析方法建立陶瓷材料斷裂韌性的壓入測試方法應用于工程領域會成為未來研究的重點與熱點。

參考文獻：

[1]Lawn B R，Evans A G，Marshall D B.Elastic/plastic indentation damage in ceramics：the median/radial crack system [J].Journal of the American Ceramic Society，1980， 63（9-10）：574-581.

[2]Anstis G R，Chantikul P，Lawn B R，et al.A critical evaluation of indentation techniques for measuring fracture toughness：I，direct crack measurements[J].Journal of the American Ceramic Society，1981，64（09）：533-538.

[3]Laugier M T.New Formula for Indentation Toughness in Ceramics[J].Journal of Materials Science Letters，1987（06）： 355-356.

[4]Amador A M，Silva I C，et al.An expression to determine the Vickers indentation fracture toughness obtained by the finite element method on Fe2B layers[J].Surface & Coatings Technology，2013，215（2013）：285-290.

[5]Tang Y，Yonezu A，Ogasawara N，et al.On radial crack and half-penny crack induced by Vickers indentation[J]. Proceedings of the Royal Society A，2008，464（2008）：2967-2984.

[6]關振鐸，胡一昕.壓痕法測定結構陶瓷KIC值精度的探討[J].硅酸鹽學報.1987，15（04）：381.

[7]丘泰.用壓痕法測定幾種高溫結構陶瓷K1C值的研究[J].硅酸鹽通報，1990（03）：44-50.

[8]張泰華，馮義輝，楊榮等.一種提取材料斷裂韌度的方法[P].中國，200910085255.1，2009-10-28.

[9]Dejun Ma，Liang Sun，Tengteng Gao，et al.New method for extracting fracture toughness of ceramic materials by instrumented indentation test with Berkovich indenter[J]. Journal of the European Ceramic Society，2017（37）：2537-2545.endprint