高強(qiáng)度鋼船體焊接接頭的韌性與韌化

只有少數(shù)工作零件才承受缺口試棒沖擊試驗(yàn)中所特有的那種強(qiáng)大的沖擊條件。另外，截面尺寸也影響缺口的韌性值。根據(jù)這些理由，缺口韌性試驗(yàn)結(jié)果，不總是與工作條件有對應(yīng)關(guān)系，而且不能直接用于工程設(shè)計(jì)。只有在與特定的構(gòu)件，在特定的工作條件下有對應(yīng)關(guān)系時，缺口的韌性值才對設(shè)計(jì)有用。例如，許多機(jī)器的鋼零件，在極冷的條件下成功地轉(zhuǎn)動，并不需要對缺口的韌性值，或產(chǎn)生韌-脆轉(zhuǎn)變的溫度，作特殊的考慮。當(dāng)最大剪應(yīng)力接近于最大的主拉應(yīng)力時，如像在中等程度的應(yīng)變速度和溫度條件下做扭轉(zhuǎn)或簡單的拉伸試驗(yàn)?zāi)菢樱梢允褂棉D(zhuǎn)變溫度較高的鋼種。應(yīng)力集中和應(yīng)變率高以及工作溫度又低的地方，必須選用轉(zhuǎn)變溫度低的鋼種。

一、氧化鋯增韌

對氧化鋁陶瓷的增韌是使用最多的增韌方法是ZrO2（VK-R30）增韌。當(dāng)氧化鋁中加入純Zr0（VK-R30），粒子形成ZrO2增韌氧化鋁陶瓷時，當(dāng)添加含量適當(dāng)時，可使韌性顯著提高。其韌化效果主要來源于以下機(jī)理：1.使氧化鋁晶粒基體細(xì)化。2. 氧化鋯相變韌化。3.顯微裂紋韌化。4. 裂紋轉(zhuǎn)向與分叉。

商用高純氧化鋁陶瓷與ZrO2（VK-R30）增韌氧化鋁陶瓷力學(xué)性能對比

99%氧化鋁陶瓷 氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷

密度 3.85 3.93

抗折強(qiáng)度 350MPa 480MPa

抗壓強(qiáng)度 3600MPa 3300MPa

硬度 1900HV 1600HV

抗沖擊強(qiáng)度 5MPam1/2 7MPam1/2

二、晶須、纖維增韌

晶須是具有一定長徑比(直徑0.1—1.8 um，長35-l50um)，且缺陷少的陶瓷單晶。具有很高的強(qiáng)度，是一種非常好的陶瓷基復(fù)合材料的增韌增強(qiáng)體；纖維長度較陶瓷晶須長數(shù)倍，也是一種很好的陶瓷增韌體，同時兩者可復(fù)合實(shí)用。用SiC、Si3N4等晶須或C、SiC等長纖維對氧化鋁陶瓷進(jìn)行復(fù)合增韌。晶須或纖維的加入可以增加斷裂表面，即增加了裂紋的擴(kuò)展通道。當(dāng)裂紋擴(kuò)展的剩余能量滲入到纖維(晶須)，發(fā)生纖維(晶須)的拔出、脫粘和斷裂時，導(dǎo)致斷裂能被消耗或裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)等，從而使復(fù)合材料韌性得到提高。但當(dāng)晶須、纖維含量較高時，由于其拱橋效應(yīng)而使致密化變得困難，從而引起密度的下降和性能下降。

三、顆粒增韌

在氧化鋁材料中加入一定粒度的具有高彈性模量的顆粒(如SiC、TiC、TiN等)可以在材料斷裂時促使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)和分叉，消耗斷裂能，從而提高韌性。盡管顆粒增韌效果不如晶須、纖維，但用顆粒作為增韌劑制作顆粒增韌陶瓷基復(fù)合材料，其原料混合均勻化及燒結(jié)致密化都比纖維、品須復(fù)合材料簡便易行。納米顆粒復(fù)相陶瓷是在陶瓷基體中引入納米級的第二相增強(qiáng)粒子，通常小于0.3um，可使材料的室溫和高溫性能大幅度提高，特別是強(qiáng)度值，上升幅度更大。

四、 氧化鋁自增韌

采用納米級的氧化鋁粉末制備的陶瓷不加增塑劑仍舊在低溫下顯出極好的超塑性。納米原料對改善陶瓷晶粒的形狀、品界特性等起到了很好的效果。通過合理選擇成分及工藝，使一部分氧化鋁晶粒在燒結(jié)中原位發(fā)育成具有較高長徑比的柱狀晶粒，從而獲得晶須的一種增韌機(jī)制。這也稱為原位增韌，這種技術(shù)消除了基體相與增強(qiáng)相界面的不相容性，保證了基體相與增強(qiáng)。

相的熱力學(xué)穩(wěn)定，并使界面干凈，結(jié)合良好。

另外，控制顯微結(jié)構(gòu)；改變晶粒形狀、粒徑、品界特性、氣孔率等提高其斷裂韌性；使用亞微細(xì)且各向分布均勻氧化鋁；提高氧化鋁粉純度，改善組織結(jié)構(gòu)。這些都是增加氧化鋁陶瓷韌性的有效手段。

本項(xiàng)目以氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷（ZTA）為研究對象，采用實(shí)驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了增韌陶瓷的破壞特性、本構(gòu)模型、增韌機(jī)理、聲發(fā)射特性和增韌陶瓷的抗侵徹特性。主要研究工作和成果如下： 1）對熱壓燒結(jié)法制備的三種陶瓷99.5% Al2O3（AD995）、15% ZrO2/Al2O3和25% ZrO2/Al2O3的力學(xué)性能和增韌機(jī)制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究。結(jié)果表明，ZrO2的加入細(xì)化了基體Al2O3晶粒，ZrO2/Al2O3陶瓷的致密性得到提高。三種陶瓷試件的破壞呈現(xiàn)小變形到脆性破壞的特點(diǎn)，壓縮加載下應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似為線性關(guān)系。AD995陶瓷的斷裂韌性為5.65MPa?m1/2，25% ZrO2/Al2O3陶瓷的斷裂韌性為8.42MPa?m1/2，提高了近50%。基于復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)理論并考慮ZrO2的相變特性，建立了描述ZrO2/Al2O3陶瓷力學(xué)性能的本構(gòu)模型。模型預(yù)測結(jié)果顯示，隨ZrO2增韌相含量的增加，ZrO2/Al2O3陶瓷的楊氏模量降低而斷裂韌性增加，這一變化趨勢與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有良好的一致性。 2）采用改進(jìn)的SHPB實(shí)驗(yàn)裝置對ZTA陶瓷的動力學(xué)響應(yīng)和破壞特性進(jìn)行了研究。獲得了ZTA陶瓷在較高應(yīng)變率范圍內(nèi)的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線；結(jié)果顯示，ZTA陶瓷動力學(xué)特性有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，動態(tài)抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率增加而提高，同時應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)明顯的非線性特征；單軸加載下，隨著應(yīng)變率的提高，ZTA陶瓷的破壞呈現(xiàn)出了從劈裂破壞到散體破壞的狀態(tài)。 3）利用先進(jìn)的聲發(fā)射系統(tǒng)研究了強(qiáng)脆性陶瓷材料壓縮破壞的損傷變化過程，將采集到的聲發(fā)射信號進(jìn)行小波分解分析了聲發(fā)射信號的頻率特征。結(jié)果表明，加載初期，材料損傷主要由微裂紋成核為主導(dǎo)，產(chǎn)生大量低幅值(<40dB)信號；而加載后期的高幅值信號(>80 dB)主要由微裂紋擴(kuò)展或匯合產(chǎn)生。脆性材料失穩(wěn)破壞階段信號能量特征值呈現(xiàn)出低頻段P1急劇升高、高頻段P2急劇下降的特點(diǎn)，即失穩(wěn)破壞時產(chǎn)生低頻信號。結(jié)合裂紋源的尺度與聲發(fā)射信號頻率成相反的關(guān)系，揭示了尺度較大的微裂紋擴(kuò)展或匯合是導(dǎo)致材料失穩(wěn)破壞的主要機(jī)制。 4）采用有限元程序數(shù)值模擬了長桿彈侵徹氧化鋁陶瓷靶的破壞特性，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了氧化鋁陶瓷本構(gòu)模型中的材料參數(shù)；建立聚能射流侵徹氧化鋁陶瓷靶的計(jì)算模型，對射流的形成機(jī)理及氧化鋁陶瓷靶的抗侵徹性能進(jìn)行研究。