简介概要

AlON-TiN复相材料力学性能与断裂行为分析

来源期刊：稀有金属2004年第2期

论文作者：张作泰李文超赛音巴特尔

关键词：复相材料; 力学性能; 断裂行为;

摘要：系统研究了AlON-TiN复相材料力学性能和显微结构的关系.研究表明, 随着TiN含量的增加, 由于其对基体的弥散强化作用, 使AlON-TiN复相材料的力学性能提高;随着温度的提高, 基体密实, 复相材料的力学性能增加, 温度过高, 出现晶粒异常长大, 从而又降低其力学性能.

稀有金属 2004,(02),297-300 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.02.002

AlON-TiN复相材料力学性能与断裂行为分析

张作泰李文超

北京科技大学理化系,北京科技大学理化系,北京科技大学理化系北京100083 ,北京100083 ,北京100083

摘要：

系统研究了AlON TiN复相材料力学性能和显微结构的关系。研究表明 , 随着TiN含量的增加 , 由于其对基体的弥散强化作用 , 使AlON TiN复相材料的力学性能提高 ;随着温度的提高 , 基体密实 , 复相材料的力学性能增加 , 温度过高 , 出现晶粒异常长大 , 从而又降低其力学性能。

关键词：

复相材料;力学性能;断裂行为;

中图分类号： TB331

收稿日期：2003-01-22

基金：国家自然科学基金资助项目 (5 0 0 740 0 4;5 0 2 72 0 10 );

Relationship between Mechanical Property and Microstructure in AlON-TiN Composites

Abstract：

The relationship between mechanical property and microstructure in AlON-TiN composites was studied systematically. The results show that the strength increases with the increasing content of TiN because of the dispersed TiN grain. The strength of the composites increases, then decreases with the increasing sinter temperature because of grain enlargement.

Keyword：

composites; mechanical property; fracture behavior;

Received： 2003-01-22

复合材料的力学性能表征了材料所能承受载荷的能力的大小。一般认为复合材料的室温力学性能主要取决于相组成和各相之间的结合方式, 而高温力学性能则主要依赖两个因素: (1) 玻璃基质的数量和黏度 (玻璃效应) ; (2) 晶体间的接触或者结合的程度和方式 (结晶效应) 。但是, 越来越多的研究结果表明, 复合材料烧结体内的应力状态、裂纹大小、数量及存在形式对材料的强度和韧性同样有着重大的影响 ^[1,2] 。

目前已有报道在AlON中加入第二相形成复合材料, 并对其力学性能进行了研究 ^{[3,4,5,6,7,8,9,10]} 。然而, 至今尚未发现对于AlON-TiN复合材料及其力学性能的研究报道。为此, 本文系统研究了热压烧结合成的以AlON为主晶相的AlON-TiN复合材料, 以及随着TiN的引入材料常温抗折强度的变化规律; 用扫描电镜对AlON-TiN复合材料试样的断口进行观察, 分析了材料的断裂行为。

1 实验

1.1 原料

α-Al₂O₃, 北京化学试剂公司生产, 分析纯纯度>99%, 水中可溶物<0.5%, 氯化物和铁均<0.01%, 其他杂质<0.1%; AlN, 北京钢铁研究总院生产, 纯度>99%, 粒度<3 μm; Al粉, 北京四中化工厂生产, 纯度>96%, 粒度<10 μm; TiN, 北京钢铁研究总院生产, 纯度>99%, 粒度<3 μm。

1.2 实验方法

采用二步法合成, 首先在温度为1700 ℃, N₂气氛条件下, 先合成AlON粉, 原料的理论摩尔配比为70%的α-Al₂O₃, 29%的AlN, 1%的Al; 然后用热压烧结得到TiN-AlON复相材料。 AlON合成的工艺流程为: 原料细磨→配料→湿法球磨混合→干燥→预压造粒→预压成型→等静压→常压烧结; AlON-TiN复合材料合成的工艺流程为: AlON+TiN细磨→配料→湿法球磨混合→干燥→预压成型→热压烧结。

1.3 性能测试

将制备好的原料, 在日本富士电波株式会社生产的HIGH-MULTI5000多功能热压炉中热压合成TiN-AlON复相材料。烧结气氛为Ar气, 烧结压力为25 MPa, 温度为1750, 1800, 1850 ℃, 保温时间为4 h。试样尺寸: Φ 50 mm×10 mm。

采用3点弯曲法测定试样的抗折强度, 所用试验机为SJ-TA型三轴剪力仪, 室温测试加载速率为0.5 mm·min^-1。跨距L=30 mm, 试样尺寸: 3 mm×4 mm×35 mm。

采用单边开槽3点弯曲法, 即SENB法测定断裂韧性, 试样切口在圆切割机上切出, 切口深度为试样高度的0.4～0.6倍, 切口宽度为荷0.25 mm。加载速率为0.05 mm·min^-1。跨距L=30 mm。试样尺寸: 4 mm×6 mm×35 mm。

选择合成好的试样, 经粗磨、细磨、抛光后, 用氢氟酸腐蚀掉晶粒间隙中的少量玻璃相, 以显示晶界。将制备好的试样喷碳后, 在日立公司生产的配有超薄窗口的S-4200型场发射扫描电子显微镜 (分辨率为1.5 nm) 下观测AlON-TiN复相材料的形貌。正确选择试样, 切割成薄片, 经机械磨薄、抛光后, 再经等离子减薄, 制成透射电镜试样。将制备好的试样喷碳后, 在日立公司生产的配有PV9100/75能谱仪的H-800型透射电子显微镜 (分辨率为0.204 nm) 下观测AlON-TiN复相材料的显微结构。不同组分的AlON-TiN复相材料试样在日本理学公司制造的D/max-PB型射线全自动X衍射仪上进行衍射分析。衍射条件为: 铜靶, 电压40 kV, 电流250 mA, 接收狭缝为0.3 mm, 扫描速度为2.00 (°) ·min^-1。

2 结果与讨论

2.1 XRD分析结果

热压合成的AlON-TiN复相材料的XRD结果如图1所示。图1中可以看出, 材料的主晶相为AlON, 次晶相为TiN, 杂质相很少。

选择Si内标, 对所合成的AlON-TiN复相材料进行了定量分析。图2为TiN加入量10%, 烧成温度1850 ℃的AlON-TiN复相材料的定性分析图谱。

根据定量计算公式可得, 样品中TiN所占的质量含量为11.23%。这是由于高温下 (1850 ℃) Al₂O₃ (s) 的分解, 从而导致反应产物中的Al₂O₃以AlO和Al₂O气体形式逃逸掉, 使TiN相对含量增高。

图1 AlON-TiN试样的XRD图谱

Fig.1 X-ray diffraction of AlON-TiN composites

图2 AlON-TiN复相样品的XRD定性图谱

Fig.2 XRD patterns of compound sample made of AlON-TiN

2.2 TiN含量和烧成温度对AlON-TiN室温抗折强度的影响

热压烧结合成的不同TiN含量 AlON-TiN复合材料的室温抗弯强度随烧成温度的变化情况见图3。室温抗弯强度随TiN相含量的变化情况见图4。

由图3可以看出: 随着烧成温度的增高, AlON-TiN复相材料的室温抗折强度先增大后减小。这是由于升温使基体密实, 强度增加; 而温度过高, 出现晶粒异常长大使强度下降。由图4可以看出, 纯AlON常温抗折强度为248 MPa ^[11] , 而加入TiN的抗折强度要大于纯AlON, 在本实验范围内随着第二相TiN含量的增加, 复合材料的室温抗折强度增大。

2.3 断裂韧性与TiN含量的关系

断裂韧性与TiN含量的关系如图5所示。从图5可以看出, 复相材料的断裂韧性在所研究的范围内随着TiN含量的增加而增加, 这是由于随着高弹

图3 常温抗折强度与烧成温度的关系 (1) AlON-15% TiN; (2) AlON-5% TiN

Fig.3 Correlation between strength and sintering temperature

图4 常温抗折强度与 TiN含量的关系

Fig.4 Correlation between strength and content of TiN

图5 断裂韧性与TiN含量的关系

Fig.5 Correlation between fracture toughness and content of TiN

性模量、高硬度、高强度TiN的增加, 复相材料的断裂表面能增加。而纯AlON的断裂韧性 ^[11] 为3.96 MPa·m^1/2。

基体中掺入具有一定颗粒尺寸的微细粉料, 弥散强化理论认为可以增韧补强。由于增加的TiN的颗粒粒度小于AlON, 从而增加了复相材料的断裂表面能, 改善了其强度和韧性。

2.4 AlON-TiN复相材料的断裂行为

图6为相同TiN含量 (5%) , 相同保温时间 (4 h) 的AlON-TiN 复相材料在不同烧结温度的断口形貌图; 当烧结温度为1750 ℃时 (图6 (a) ) , 其断裂方式以沿晶断裂为主, 偶见解理断裂; 当烧结温度为1800 ℃时 (图6 (b) ) , 其断裂方式为沿晶与穿晶混合断裂, 抗折强度最好; 而当烧结温度达1850 ℃时 (图6 (c) ) , 晶粒出现异常长大, 产生解理断裂, 强度有所下降。图7为相同烧结温度 (1850 ℃) , 相同保温时间 (4 h) 的AlON-TiN复相材料随TiN含量不同的断口形貌图。从图中可以看出, 随着TiN含量的增加, 晶粒逐渐细化, 说明微小的TiN颗粒均匀弥散于晶界, 抑制了基体晶粒长大, 从而起到增韧补强的作用。

2.5 AlON-TiN复相材料中的微裂纹

在实际陶瓷材料中经常伴有微裂纹, 其原因在于: (1) 晶体微观结构中存在缺陷, 当受到外力作用时, 在这些缺陷处会引起应力集中, 导致裂纹成核; (2) 材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹; (3) 最主要的是由于热膨胀系数α失配能在第二相颗粒及周围基体内部产生残余应力场形成微裂纹。微裂纹的产生, 有利改善复合材料的韧性。对于AlON为主晶相的AlON-TiN复合材料, TiN与AlON晶粒之间的最大热膨胀失配将主要发生在TiN晶粒的C轴方向 (α_m=6.5×10^-6 ℃^-1) 与AlON晶粒 (α_p=7.8×10^-6 ℃^-1) 热膨胀的失配处。所以, 该复相材料将主要表现为α_p>α_m的残余热应力场形式。残余热应力的存在将在两相界面基体的一侧产生径向拉应力和切向压应力。这样当裂纹扩展经过应力场时, 将发生裂纹偏转 (图8) 。