第三章 材料强韧化设计的总结与实例

1、3.1 复合材料的强韧化设计复合材料的强韧化设计 复合材料的强韧化设计一般分为三大部分。首先是复合材料强韧化力学设计准则和模型的建立，然后是复合材料设计与制备工艺技术研究，最后是复合材料强韧化力学性能试验。复合材料强韧化设计准则和模型为材料设计提供手段与依据，在复合材料制备工艺研究的基础上，按强韧化设计的要求设计与制备复合材料，进行力学性能试验，以对复合材料的强韧力学性能进行评价，对强韧化设计准则和模型进行检验和修正后再反馈到复合材料设计与制备中去。这种强韧化设计的总体思路可由下图来简单表示。第三章 材料强韧化设计的总体思路与实例 复合材料强韧化力学设计准则与模型的建立过程分五项工作复合材料强

2、韧化力学设计准则与模型的建立过程分五项工作内容内容(见上图见上图)：(1) 复合材料强韧化机理研究 指通过对复合材料的损伤演化和断口形貌的显微组织观测，提出复合材料的损伤与失效机理，提出复合材料增强与增韧的途径；(2) 增强相、基体及其界面的损伤与失效准则研究 包括控制参数的选择与计算，破坏临界值的测量方法等；(3) 应力-应变分析、损伤与断裂参量计算 指以数值计算 (尤其是有限元 )为基础的复合材料细观计算力学分析，通过发展破坏单元技术模拟多相复合材料的破裂与界面损伤临界行为并定量计算出其临界值； (4) 复合材料的损伤、扩展与失效过程的模拟。指在应力与断裂参量分析、损伤与失效准则研究的基础

3、上，模拟复合材料在外力、温度、电磁场等作用下的应力-应变变化的相应过程，微缺陷的形核、长大、汇聚与扩展直至断裂的整个过程； (5) 复合材料微结构优化设计。由于应力分析、损伤与失效破坏准则都涉及材料组元的物理力学性能和几何特性(如几何尺寸、形貌、分布状态、体分率以及界面结合状态等)，所以可优化分析复合材料微结构对力学性能的影响，实现复合材料宏观性能与细微观结构的定量关联。 复合材料制备技术的研究(图中第6项)，包括: (1) 组分设计(其物理化学相容性研究)， (2) 相材料表面处理，制备方法、工艺参数选择和工艺条件控制的研究。 复合材料强韧化力学性能试验与评价(图中1第7项)，其目的有两个:

4、 一是检验强韧化力学设计模型预报的复合材料力学性能的可靠性，以检验计算模型并对计算模型进行修正； 二是对复合材料的强度与韧性进行测试与评价。总之，在强韧指标需求、损伤模式分析、材料微结构优化匹配、工艺参数控制之间可以形成对强韧化设计原理和实验室实现的闭环体系，如下图所示。3.2 材料界面增韧的力学机理及其强韧化设计：材料界面增韧的力学机理及其强韧化设计： 1. 界面设计界面设计： 界面在工程材料中几乎无处不在：组合构件的搭接界面，复合材料层合结构的层间界面，不同材料扩散连接形成的界面，多晶体材料中不同晶粒之间的界面等。依不同的尺度划分，可将这些界面分别定义为宏观界面，细观界面以及微观界面。然而

5、，对于实际的材料系统，往往不能严格区分不同层次界面的界限，它可以同时存在这些界面结构，也可能只存在其中任何一种层次的界面。不同组分材料之间通过物化或固化反应形成的界面，这样的界面往往不是一个单纯的几何面，而是一个过渡区域。 一般说来，这个过渡区域是从其中一种组分材料性质开始变化的那一点到与另一种组分材料性质相一致的那一点为止。该区域材料的结构与性能不同于两种组分材料中的任何一种，故而常称之为界面层。 界面的形成和作用机理十分复杂，至今仍未形成统一的理论。总的来说，影响界面的形成、结构及其稳定性的因素大致可分为两类：物理因素和化学因素。物理因素包括吸附、扩散、机械等作用，而化学因素则主要是化学键

6、结合。无论是物理因素还是化学因素，都与形成界面的组分材料及其工艺条件有关。 工艺、界面以及材料宏观性能三者之间有着不可分割的联系。 由于界面两侧材料的失配使连接界面产生应力应变集中，且界面形成过程中会不同程度地留有连接的工艺性缺陷，使得界面往往成为发生断裂的源泉： 多相材料的大多数断裂现象源于硬软相的界面； 复合材料中常见的分层和纤维拔出也是典型的界面断裂。 由于界面断裂成为多相材料的主要破坏模式，针对以韧性为主要性能指标的先进结构材料，对材料界面进行研究并通过界面设计提高材料断裂韧性就显得尤为重要。2. 强韧化设计强韧化设计 针对材料界面增韧主要从以下两个方面考虑： 其一提高界面断裂韧性；

7、其二是实现最佳断裂路径。 我们知道材料界面的细观结构参数与宏观断裂韧性之间存在相应的关系，通过控制材料界面的细观结构参数来改变决定界面断裂破坏性能的界面断裂能就显得十分必要。 界面断裂能实际上反映了界面的粘合功与偏折效应，可以通过工艺过程改进界面的粘结状况来控制断裂能，例如改变组分材料的组合，在组分材料表面涂层，控制界面形成时的工艺参数等。此外界面的断裂能还与外载相角密切相关，也可使界面的受力状态与外载相匹配来提高材料界面的韧性。 根据材料界面增韧的力学机理，即可进行界面强韧化设计，对确定的外载状态，主要从以下几个方面来考虑： (1) 界面层结构特征设计； (2) 界面断裂韧性曲线设计； (3

8、) 最佳断裂路径设计。 界面层结构设计是通过对材料界面过渡层的结构特征设计(如界面层厚度和界面层材料过渡函数 )来达到更高的裂尖混合度，以实现界面的强韧化。界面断裂韧性曲线设计是通过材料对的匹配选择、界面结合工艺和界面涂层技术来改变界面断裂韧性曲线，从而实现相同裂尖混合度下更高的界面断裂韧性。3.3 材料材料强韧化举例强韧化举例 3.3.1 硬质合金硬质合金 硬质合金由Schroter于1926年首先发明。经过几十年的不断发展，硬质合金刀具的硬度已达8993HRA，在1000的高温下仍具有较好的红硬性，其耐用度是高速钢刀具的几十倍。硬质合金是由WC、TiC、TaC、NbC、VC等难熔金属碳化物

9、以及作为粘结剂的铁族金属用粉末冶金方法制备而成。与高速钢相比，它具有较高的硬度、耐磨性和红硬性；与超硬材料相比，它具有较高的韧性。由于硬质合金具有良好的综合性能，因此在刀具行业得到了广泛应用。1 硬质合金刀具材料的研究现状硬质合金刀具材料的研究现状 由于硬质合金刀具材料的耐磨性和强韧性不易兼顾，这给硬质合金刀具的选用和管理带来诸多不便。为进一步改善硬质合金刀具材料的综合切削性能，目前的研究热点主要包括以下几个方面： (1)细化晶粒细化晶粒 通过细化硬质相晶粒度、增大硬质相晶间表面积、增强晶粒间结合力，可使硬质合金刀具材料的强度和耐磨性均得到提高。当WC晶粒尺寸减小到亚微米以下时，材料的硬度、韧

10、性、强度、耐磨性等均可提高，达到完全致密化所需温度也可降低。普通硬质合金晶粒度为35，细晶粒硬质合金晶粒度为11.5(微米级)，超细晶粒硬质合金晶粒度可达0.5以下(亚微米、纳米级)。超细晶粒硬质合金与成分相同的普通硬质合金相比，硬度可提高2HRA以上，抗弯强度可提高600800MPa。 常用的晶粒细化工艺方法主要有物理气相沉积法、化学气相沉积法、等离子体沉积法、机械合金化法等。等径侧向挤压法(ECAE)是一种很有发展前途的晶粒细化工艺方法。该方法是将粉体置于模具中，并沿某一与挤压方向不同(也不相反)的方向挤出，且挤压时的横截面积不变。经过ECAE工艺加工的粉体晶粒可明显细化。 由于上述晶粒细

11、化工艺方法仍不够成熟，因此在硬质合金烧结过程中纳米晶粒容易疯长成粗大晶粒，而晶粒普遍长大将导致材料强度下降，单个的粗大WC晶粒则常常是引起材料断裂的重要因素。另一方面，细晶粒硬质合金的价格较为昂贵，对其推广应用也起到一定制约作用。 (2)涂层硬质合金涂层硬质合金 在韧性较好的硬质合金基体上，通过CVD(化学气相沉积)、PVD(物理气相沉积)、HVOF(High Velocity Oxy Fuel Thermal Spraying)等方法涂覆一层很薄的耐磨金属化合物，可使基体的强韧性与涂层的耐磨性相结合而提高硬质合金刀具的综合性能。涂层硬质合金刀具具有良好的耐磨性和耐热性，特别适合高速切削；由于

12、其耐用度高、通用性好，用于小批量、多品种的柔性自动化加工时可有效减少换刀次数，提高加工效率；涂层硬质合金刀具抗月牙洼磨损能力强，刀具刃形和槽形稳定，断屑效果及其它切削性能可靠，有利于加工过程的自动控制； 涂层硬质合金刀具的基体经过钝化、精化处理后尺寸精度较高，可满足自动化加工对换刀定位精度的要求。 上述特点决定了涂层硬质合金刀具特别适用于FMs、CIMS (计算机集成制造系统)等自动化加工设备。但是，采用涂层方法仍未能根本解决硬质合金基体材料韧性和抗冲击性较差的问题。(3)表面、整体热处理和循环热处理表面、整体热处理和循环热处理 对强韧性较好的硬质合金表面进行渗氮、渗硼等处理，可有效提高其表面

13、耐磨性。对耐磨性较好但强韧性较差的硬质合金进行整体热处理，可改变材料中的粘结成分与结构，降低WC硬质相的邻接度，从而提高硬质合金的强度和韧性。利用循环热处理工艺缓解或消除晶界间的应力，可全面提高硬质合金材料的综合性能。(4)添加稀有金属添加稀有金属 在硬质合金材料中添加TaC、NbC等稀有金属碳化物，可使添加物与原有硬质相WC、TiC结合形成复杂固溶体结构，从而进一步强化硬质相结构，同时可起到抑制硬质相晶粒长大、增强组织均匀性等作用，对提高硬质合金的综合性能大有益处。在ISO标准的P、K、M类硬质合金牌号中，均有这种添加了Ta(Nb)C的硬质合金(尤以M类牌号中较多)。(5)添加稀土元素添加稀

14、土元素 在硬质合金材料中添加少量钇等稀土元素，可有效提高材料的韧性和抗弯强度，耐磨性亦有所改善。这是因为稀土元素可强化硬质相和粘结相，净化晶界，并改善碳化物固溶体对粘结相的润湿性。添加稀土元素的硬质合金最适合粗加工牌号，亦可用于半精加工牌号。此外，该类硬质合金在矿山工具、顶锤、拉丝模等硬质合金工具中亦有广阔应用前景。我国稀土资源丰富，在硬质合金中添加稀土元素的研究也具有较高水平。2 硬质合金刀具材料的发展思路 应用晶须增韧补强、纳米粉复合强化技术全面提高硬质合金刀具材料的硬度、韧性等综合性能，是硬质合金刀具材料研究今后发展的重要方向。 晶须增韧补强技术晶须增韧补强技术 (1) 增韧机理 由于硬

15、质合金刀具材料的断裂韧性欠佳，因此很难应用于一些对刀具韧性要求较高的加工场合(如微型深孔钻削等)。解决这一问题的一种有效方法是使用晶须增韧补强技术。 加入硬质合金材料中的晶须能吸收裂纹扩展的能量，吸收能量的大小则由晶须与基体的结合状态决定。晶须增韧机制主要表现为：晶须拔出增韧晶须拔出增韧：晶须在外界负载作用下从基质中拔出时，因界面摩擦而消耗掉一部分外界负载能量，从而达到增韧目的，其增韧效果受晶须与界面滑动阻力的影响。晶须与基体界面之间必须有足够的结合力，以使外界负载能有效传递给晶须，但该结合力又不能太大，以便保持足够的拔出长度。裂纹偏转增韧裂纹偏转增韧：当裂纹尖端遇到弹性模量大于基质的第二相时

16、，裂纹将偏离原来的前进方向，沿两相界面或在基质内扩展。 由于裂纹的非平面断裂比平面断裂具有更大的断裂表面，因此可吸收更多外界能量，从而起到增韧作用。在基质内加入高弹性模量的晶须或颗粒均可引起裂纹偏转增韧机制。 晶须桥接增韧晶须桥接增韧：当基质断裂时，晶须可承受外界载荷并在断开的裂纹面之间起到桥梁连接作用。桥接的晶须可对基质产生使裂纹闭合的力，消耗外界载荷做功，从而提高材料韧性。(2)晶须的选用及添加方式 目前常用的晶须材料主要有SiC、TiC、TiB2、Al2O3、MgO、氮化硼、莫来石等。但研究重点应放在单晶SiC晶须材料上，这是由于SiC本身具有良好的抗热震性以及纤维状(针状)SiC粉末体

17、较易获得。SiC晶须的添加方式主要有两种：外加晶须方式：将一定量的SiC粉末加入以氧化物、氮化物等为基体的粉末材料中，通过制造加工获得晶须增韧制品。这种方式目前使用较广泛。合成晶须方式：将粉末基体与SiO2、碳黑、烧结助剂等混合后，在一定温度和压力下合成SiCw晶须，然后通过制造加工获得晶须增韧制品。这种方法目前尚在进一步研究开发之中。(3) 晶须的含量 WC-Co-SiCw材料中的晶须含量不同，其增韧效果也有较大差异。如晶须含量过多，会因烧结困难而难以获得致密度高的材料组织，从而影响硬质合金材料强度；如晶须含量过少，则晶须增韧效果不明显，材料断裂韧性提高有限，晶须可能非但起不到增韧作用，反而

18、成为多余夹杂物甚至缺陷源。因此，存在一个最佳晶须配比，按此配比添加晶须，不仅可获得致密度高的材料，而且外载能通过界面传给晶须，有效实现晶须的增韧作用。为达此目的，应根据刀具损坏方式的不同，分别优选出具有不同晶须含量和不同晶须取向的WC-Co-SiCw刀具进行切削加工，以充分实现这种刀具材料的增韧补强作用。纳米复合强化技术纳米复合强化技术(1)强化机理强化机理 纳米刀具材料的显微结构物相具有纳米级尺度，由于尺寸效应的作用，晶界面积增大，抗裂纹扩张阻力提高，从而可获得优异的力学性能(如断裂韧性、抗弯强度、硬度等)，表现出良好的切削性能。 由于生产工艺不成熟、价格昂贵以及烧结过程中纳米晶粒容易发生疯

19、长等原因，迄今世界上还没有一家公司实现100nm粒度硬质合金材料的工业化规模生产。因此，纳米硬质合金材料的工业化应用还有待时日。但是人们发现，在细晶粒硬质合金基体中加入纳米颗粒，也可使硬质合金基体材料的硬度、韧性等综合性能有较大提高。 纳米复合强化机理主要是因为弥散在硬质合金基体材料中的纳米颗粒具有弥散增韧作用。当在基质材料中加入高弹性模量的第二相粒子(纳米颗粒)后，这些粒子在基质材料受到拉伸作用时将阻止横向截面收缩，而要达到与基体相同的横向收缩，就则增大纵向拉应力，这样就可使材料消耗更多能量，起到增韧效果。同时，高弹性模量颗粒对裂纹可起到“钉扎”作用，使裂纹发生偏转、绕道，从而耗散裂纹前进的动力，起到增韧作用。此外，弥散在硬质合金基体材料中的纳米颗粒可抑制硬质合金晶粒在烧结过程中的长大，综合提高硬质合金材料的机械性能。(2)抑制剂的选择抑制剂的选择 制备纳米复合细晶粒硬质合金时，一个重要问题是在烧结过程中如何抑制晶粒的长大。细晶粒硬质合金在烧结时极易快速长大，晶粒长大会导致材料强度下降，单个粗大WC晶粒常常是硬质合金发生断裂的重要诱因。通过添加抑制剂能有效阻止烧结过程中WC晶粒的长大，而消除WC晶粒局部长大的关键在于抑制剂的均匀分布。晶粒长大现象主要发生在WC的溶解