材料界面的結(jié)合強(qiáng)度與失效

1、1第十章第十章 材料界面的結(jié)合強(qiáng)度與失效材料界面的結(jié)合強(qiáng)度與失效江蘇大學(xué)江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院2 界面是基體和增強(qiáng)體間的結(jié)合區(qū)域。由于界面具有傳遞、阻界面是基體和增強(qiáng)體間的結(jié)合區(qū)域。由于界面具有傳遞、阻檔、吸收和散射、誘導(dǎo)等功能，為料設(shè)計提供了廣闊的途徑，因檔、吸收和散射、誘導(dǎo)等功能，為料設(shè)計提供了廣闊的途徑，因此界而問題在復(fù)合材料研究中一直受到極大的關(guān)注。此界而問題在復(fù)合材料研究中一直受到極大的關(guān)注。第一節(jié)第一節(jié) 材料界面的破壞材料界面的破壞3 圖圖10-110-1為典型的接合界面的破壞表面。接合體是用部分穩(wěn)定化為典型的接合界面的破壞表面。接合體是用部分穩(wěn)定化Ti-C

2、uTi-Cu非晶態(tài)焊料將氧化鋯軟鋼接合而成的。非晶態(tài)焊料將氧化鋯軟鋼接合而成的。 發(fā)生破壞形式可概括為：發(fā)生破壞形式可概括為： 焊料一氧化錯界面的破壞；焊料一氧化錯界面的破壞； 氧化錯材料內(nèi)部的破壞；氧化錯材料內(nèi)部的破壞； 復(fù)雜的混合破壞過程復(fù)雜的混合破壞過程 焊料內(nèi)部的破壞。焊料內(nèi)部的破壞。4 氮化硅氮化硅CuCu緩沖層軟鋼接合體的四點彎曲試樣斷裂面模型緩沖層軟鋼接合體的四點彎曲試樣斷裂面模型如圖如圖10102 2所示。其中，破壞主要在界面的邊緣部位，特別是在角所示。其中，破壞主要在界面的邊緣部位，特別是在角部發(fā)生，然后再向陶瓷內(nèi)部遷移。這部發(fā)生，然后再向陶瓷內(nèi)部遷移。這時因為存在于角部及其

3、附近時因為存在于角部及其附近區(qū)域的應(yīng)力集中往往導(dǎo)致殘余應(yīng)力過大，使該部位因開裂而破壞區(qū)域的應(yīng)力集中往往導(dǎo)致殘余應(yīng)力過大，使該部位因開裂而破壞的緣故。的緣故。56第二節(jié)第二節(jié) 材料界面的力學(xué)研究特點材料界面的力學(xué)研究特點 所謂所謂“接合界面的力學(xué)行為接合界面的力學(xué)行為研究，就是研究上述應(yīng)力集研究，就是研究上述應(yīng)力集中和接合界面的組織不均勻等問題，它不僅僅是研究接合課題的中和接合界面的組織不均勻等問題，它不僅僅是研究接合課題的部分人員需要進(jìn)行認(rèn)真研究的課題也是最近若干年前興起的、部分人員需要進(jìn)行認(rèn)真研究的課題也是最近若干年前興起的、在解析領(lǐng)域進(jìn)行的跨學(xué)科的研究工頁目。在解析領(lǐng)域進(jìn)行的跨學(xué)科的研究工

4、頁目。7 對接合質(zhì)量進(jìn)行評價時，應(yīng)當(dāng)將距接合界面的距離極小的陶對接合質(zhì)量進(jìn)行評價時，應(yīng)當(dāng)將距接合界面的距離極小的陶瓷部分的質(zhì)量及變化也加以充分的考慮：瓷部分的質(zhì)量及變化也加以充分的考慮： 界面附近的應(yīng)力集中；界面附近的應(yīng)力集中； 殘余熱應(yīng)力的分布；殘余熱應(yīng)力的分布； 接合過程中的劣化和組織變化；接合過程中的劣化和組織變化； 加載過程中的質(zhì)量劣化和組織變化。加載過程中的質(zhì)量劣化和組織變化。第十一章第十一章 材料界面的評估材料界面的評估 作為評價的條件，對于要求可靠性高的接合，不僅應(yīng)當(dāng)評價作為評價的條件，對于要求可靠性高的接合，不僅應(yīng)當(dāng)評價接合體短時間負(fù)荷的指標(biāo)，還應(yīng)當(dāng)考慮靜疲勞、脈動疲勞、熱疲接

5、合體短時間負(fù)荷的指標(biāo)，還應(yīng)當(dāng)考慮靜疲勞、脈動疲勞、熱疲勞、熱沖擊強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度、高溫蠕變等很多項目。勞、熱沖擊強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度、高溫蠕變等很多項目。8第一節(jié)第一節(jié) 材料界面的強(qiáng)度評價材料界面的強(qiáng)度評價一般地講，是通過彎曲試驗、拉伸試驗、剪切試驗來進(jìn)行異相一般地講，是通過彎曲試驗、拉伸試驗、剪切試驗來進(jìn)行異相界面靜態(tài)接合強(qiáng)度的評價。不論是陶瓷一陶瓷之間還是陶瓷與界面靜態(tài)接合強(qiáng)度的評價。不論是陶瓷一陶瓷之間還是陶瓷與金屬之間的接合，或是附有中間層的接合，接合體可以有多種金屬之間的接合，或是附有中間層的接合，接合體可以有多種組合形式。因此在實用上，裝機(jī)試驗是最直接的評價方法。然組合形式。因此在實用上，

6、裝機(jī)試驗是最直接的評價方法。然而，評價形狀和接合過程、判斷接合方式的優(yōu)劣等都把設(shè)計收而，評價形狀和接合過程、判斷接合方式的優(yōu)劣等都把設(shè)計收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為研究的目的，因此應(yīng)盡快地將評價方法標(biāo)準(zhǔn)化。集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為研究的目的，因此應(yīng)盡快地將評價方法標(biāo)準(zhǔn)化。9 彎曲試樣的代表尺寸如圖彎曲試樣的代表尺寸如圖11111 1 所示。彎曲試樣的尺寸、形所示。彎曲試樣的尺寸、形狀與狀與IIS-R1601(IIS-R1601(日本標(biāo)準(zhǔn)日本標(biāo)準(zhǔn)) )精細(xì)陶瓷強(qiáng)度評價時所用試樣相同。精細(xì)陶瓷強(qiáng)度評價時所用試樣相同。 10在接合體中，接合部位有可能不止一處，因此不一定都是圖示的在接合體中，接合部位有可能不止一處，因此不

7、一定都是圖示的三明治形狀的試樣。在彎曲試驗時，主要應(yīng)當(dāng)要求能夠方便地將三明治形狀的試樣。在彎曲試驗時，主要應(yīng)當(dāng)要求能夠方便地將接合部位放置于彎曲跨距的中央部位見圖接合部位放置于彎曲跨距的中央部位見圖11-211-2。我國的機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)我國的機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7716JB/T 77161995199511另外，為了避免結(jié)合部位與壓頭接觸，應(yīng)盡量不選用三點彎曲的另外，為了避免結(jié)合部位與壓頭接觸，應(yīng)盡量不選用三點彎曲的形式。對于氮化硅軟鋼的活化金屬釬焊接合體，其典型的四點彎形式。對于氮化硅軟鋼的活化金屬釬焊接合體，其典型的四點彎曲強(qiáng)度代表性威伯爾曲線，圖曲強(qiáng)度代表性威伯爾曲線，圖11113 3。

8、12圖圖11113 3中存在一些強(qiáng)度非常低的數(shù)據(jù)，但顯然測試數(shù)據(jù)符合威中存在一些強(qiáng)度非常低的數(shù)據(jù)，但顯然測試數(shù)據(jù)符合威伯爾分布。這種低強(qiáng)度數(shù)據(jù)存在的事實過去也曾有報道，認(rèn)為是伯爾分布。這種低強(qiáng)度數(shù)據(jù)存在的事實過去也曾有報道，認(rèn)為是由于熱應(yīng)力而引起。四點彎曲的試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)的離散性不大，由于熱應(yīng)力而引起。四點彎曲的試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)的離散性不大，能夠穩(wěn)定地進(jìn)行接合強(qiáng)度的評價。但是，對于有長時間工作下強(qiáng)能夠穩(wěn)定地進(jìn)行接合強(qiáng)度的評價。但是，對于有長時間工作下強(qiáng)度要求的拉桿類工件，這種低強(qiáng)度數(shù)據(jù)的存在就成為一個不可忽度要求的拉桿類工件，這種低強(qiáng)度數(shù)據(jù)的存在就成為一個不可忽視的問題，在四點彎曲測試中，破壞裂

9、紋從被拉伸一側(cè)的界面邊視的問題，在四點彎曲測試中，破壞裂紋從被拉伸一側(cè)的界面邊緣部位，特別是角部產(chǎn)生，向陶瓷中擴(kuò)展。緣部位，特別是角部產(chǎn)生，向陶瓷中擴(kuò)展。13圖圖11114 4表示拉伸試樣的典型尺寸。拉伸試樣的制作需要花費相當(dāng)表示拉伸試樣的典型尺寸。拉伸試樣的制作需要花費相當(dāng)大的勞動時間。設(shè)計拉伸強(qiáng)度試樣的結(jié)構(gòu)時，可以采用把陶瓷置大的勞動時間。設(shè)計拉伸強(qiáng)度試樣的結(jié)構(gòu)時，可以采用把陶瓷置于中央部位的形式。因彎曲力矩對拉伸試驗的結(jié)果有較大的影響。于中央部位的形式。因彎曲力矩對拉伸試驗的結(jié)果有較大的影響。需要制作不會改變彎曲力矩的夾具和采用不打滑的試樣固定方法。需要制作不會改變彎曲力矩的夾具和采用不

10、打滑的試樣固定方法。根據(jù)實驗條件，必須一邊測定軸向應(yīng)變一邊進(jìn)行拉伸，按部就班根據(jù)實驗條件，必須一邊測定軸向應(yīng)變一邊進(jìn)行拉伸，按部就班地認(rèn)真進(jìn)行試驗。即使在拉伸試驗時，破壞一也是先從邊緣部位地認(rèn)真進(jìn)行試驗。即使在拉伸試驗時，破壞一也是先從邊緣部位的某一個點處產(chǎn)生，然后向陶瓷中擴(kuò)展，直至試樣最終斷裂。的某一個點處產(chǎn)生，然后向陶瓷中擴(kuò)展，直至試樣最終斷裂。141516圖圖1111所示為所示為(Al(Al3 3Zr+AlZr+Al2 2O O3 3)/Al)/Al復(fù)合材料原位拉伸過程的復(fù)合材料原位拉伸過程的SEMSEM圖。圖。在加載初期首先出現(xiàn)了圖在加載初期首先出現(xiàn)了圖11a11a所示的灰白色細(xì)密滑移

11、帶。所示的灰白色細(xì)密滑移帶。隨著載荷的加大，滑移帶出現(xiàn)圖隨著載荷的加大，滑移帶出現(xiàn)圖11b11b所示的交錯現(xiàn)象，同時在所示的交錯現(xiàn)象，同時在滑移帶密集區(qū)或者顆粒周圍觀察到了微裂紋和裂口的出現(xiàn)，裂滑移帶密集區(qū)或者顆粒周圍觀察到了微裂紋和裂口的出現(xiàn)，裂口短而細(xì)口短而細(xì); ;圖圖11f11f所示為圖所示為圖11b11b所示的交錯滑移帶的高倍組織。所示的交錯滑移帶的高倍組織。當(dāng)繼續(xù)加載時，這些裂口變粗，變長，并且連接起來，裂口的當(dāng)繼續(xù)加載時，這些裂口變粗，變長，并且連接起來，裂口的長大及連接趨向有的沿滑移帶的交匯線，有的沿顆粒邊緣，有長大及連接趨向有的沿滑移帶的交匯線，有的沿顆粒邊緣，有的則穿過顆粒，

12、使顆粒破碎，形成如圖的則穿過顆粒，使顆粒破碎，形成如圖11c11c所示的裂紋。所示的裂紋。(Al(Al3 3Zr+AlZr+Al2 2O O3 3)/Al)/Al復(fù)合材料的原位拉伸觀察復(fù)合材料的原位拉伸觀察17(Al(Al3 3Zr+AlZr+Al2 2O O3 3)/Al)/Al復(fù)復(fù)合材料原位拉伸過程合材料原位拉伸過程的的SEMSEM圖圖. .18原位拉伸過程中顆粒脫落時的受力模型原位拉伸過程中顆粒脫落時的受力模型19顆粒脫落形成的顆粒脫落形成的“孔洞孔洞”接合導(dǎo)致的裂紋產(chǎn)生模型接合導(dǎo)致的裂紋產(chǎn)生模型20 基體中氣孔和夾渣缺陷引起的裂紋萌生基體中氣孔和夾渣缺陷引起的裂紋萌生21 (Al(Al

13、3 3Zr+AlZr+Al2 2O O3 3)/A356)/A356復(fù)合材料的原位拉伸觀察復(fù)合材料的原位拉伸觀察(Al(Al3 3Zr+AlZr+Al2 2O O3 3)/A356)/A356復(fù)合材料原位拉伸前的原始復(fù)合材料原位拉伸前的原始SEMSEM形貌形貌由由A356-20%Zr(COA356-20%Zr(CO3 3) )2 2體系在脈沖磁場下所制備的體系在脈沖磁場下所制備的(Al(Al3 3Zr+AlZr+Al2 2O O3 3)/ )/ A356A356復(fù)合材料原位拉伸前的原始形貌。復(fù)合材料原位拉伸前的原始形貌。22(Al(Al3 3Zr+AlZr+Al2 2O O3 3)/A356)

14、/A356復(fù)合材料原位拉伸過程中的裂紋萌生過程復(fù)合材料原位拉伸過程中的裂紋萌生過程SEMSEM圖圖23隨著拉伸的繼續(xù)進(jìn)行，萌生后的裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展延伸。隨著拉伸的繼續(xù)進(jìn)行，萌生后的裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展延伸。 24(Al(Al3 3Zr+AlZr+Al2 2O O3 3)/A356)/A356復(fù)合材料原位拉伸過程中的裂紋擴(kuò)展長大過程復(fù)合材料原位拉伸過程中的裂紋擴(kuò)展長大過程SEMSEM圖圖25復(fù)合材料中的位錯分布復(fù)合材料中的位錯分布TEM圖圖 (Al3Zr+Al2O3)P/ A356復(fù)合復(fù)合材料的基體材料的基體A356為時效硬化為時效硬化型基體，且型基體，且Al3Zr和和Al2O3增增強(qiáng)體對基體強(qiáng)體對基體A356合金中合金中Mg2Si析出相的分布和尺寸析出相的分布和尺寸的影響很大。基體的影響很大。基體A356位錯位錯密集，呈網(wǎng)狀分布，且與時密集，呈網(wǎng)狀分布，且與時效析出相連接。效析出相連接。 這表明原位內(nèi)生顆粒使基這表明原位內(nèi)