陶瓷材料断裂韧性的Vickers压入测试方法综述

王立志

摘 要：陶瓷材料具有高硬度、耐磨性好等诸多优点，因此其被广泛应用于各个领域中。但其本身有一个致命的缺点即脆性，其脆性影响机械加工效率与质量，同时还会制约工作时的可靠性。断裂韧性可以表征陶瓷材料的脆性，因此国内外学者对陶瓷材料的断裂韧性压入测试方法进行了深入细致的研究。

关键词：陶瓷材料；断裂韧性；Vickers压头

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、摩擦系数低、热膨胀系数小等优点，其被广泛应用于机械制造、航空航天、汽车工业等领域，但其脆性影响陶瓷零件的机械加工效率与质量及工作可靠性，而断裂韧性可以表征陶瓷材料的脆性，因此国内外学者对陶瓷材料的断裂韧性进行了大量研究工作。陶瓷材料的断裂韧性有许多测试方法，其中方法简便并且容易操作的测试方法是仪器化压入测试方法。

1 Vickers压入测试方法国外研究现状

Lawn等[1]将陶瓷材料压痕下方存在的弹塑性应力场分为不可变形的残余应力场和可变形的弹性应力场，认为残余应力是导致裂纹开裂以及扩展的驱动力，于是将该驱动力进一步假设为点力模型，同时根据Hill的膨胀穴理论建立了著名的L-E-M数学计算模型。Anstis等[2]通过对一系列陶瓷材料进行双悬臂梁法实验，通过将其断裂韧性测试结果带入L-E-M公式进行分析，最终得到了著名的Anstis公式。Laugier[3]认为Hill膨胀穴理论中提到的（E/H）m指数应该为2/3，根据以上假设并利用Anstis等的压入试验数据，建立了断裂韧性计算公式。

Amador等[4]利用压痕法对陶瓷材料断裂韧性的三维有限元模型进行仿真计算，并采用叠加原理与量纲分析对仿真数据回归分析，建立了针对RC裂纹的断裂韧性计算公式，该方法只针对RC裂纹开裂的陶瓷材料断裂韧性，没有充分考虑到HPC裂纹以及过渡裂纹的断裂韧性。Tang等[5]采用数值解析方法、量纲分析以及叠加原理对RC和HPC裂纹的断裂韧性进行分析，进而得到了两种裂纹下的断裂韧性计算公式，但该方法未考虑到过渡裂纹以及金刚石压头的弹性形变。

2 Vickers压入测试方法国内研究现状

由于压痕法测试精度都不高，为了进一步提高压痕法测试陶瓷材料的精度，国内学者对压痕法公式进行了大量的研究工作。

关振铎[6]通过对大量陶瓷材料断裂韧性实验的压痕与裂纹研究发现，试样的压痕对角线长度与裂纹开裂长度之间的线性度对利用压痕法测试陶瓷材料断裂韧性的精度有显著影响，认为如果可以预先标定被测试样的经验公式系数就可以有效提高经验公式的测试精确。丘泰[7]对不同陶瓷材料进行压入测试，使用不同的压痕法分别计算不同陶瓷材料的断裂韧性，根据计算得到的断裂韧性值进行分析，最终提出了针对不同陶瓷材料断裂韧性的理想压痕法计算公式。龚江宏通过对大量陶瓷材料断裂韧性压入实验研究发现，同种材料在特定载荷下多次试验得到的测试结果之间存在一定的离散型，如果试验过程中增加实验量可以减小特定载荷下压入实验得到的同种材料断裂韧性测试结果之间的离散性。张泰华等[8]以Anstis经验公式为基础，将仪器化压入的卸载功与压入总功的比值即We/Wt代替经验公式中弹性模量与压痕硬度的比值即E/H，并将轴对称模型的有限元仿真数据带入最后得出使用We/Wt代替经验公式，最终得到了仪器化压入得到的比功、压入载荷等参数识别陶瓷材料断裂韧性的计算公式，虽然张泰华等的计算公式可以不用量取压痕长度H、不用预先识别别测试样的弹性模量E，从而使断裂韧性测试实验变得简单，但其计算精度高度依赖Anstis公式的测试精度，因此该计算方法的总体测试精度不高。马德军等[9]利用有限元数值分析解析方法得到了一系列陶瓷材料断裂韧性值，结合量纲分析对仿真数据进行拟合，最终提出了基于Vickers的陶瓷材料断裂韧性仪器化压入测试方法，该方法具有无需预先测试试样弹性模量、无需区分裂纹开裂形式、测试精度较高等优点。

3 结论

传统压痕法公式的理论及模型都是由基于半解析半经验的方法建立，经验公式的标定系数会随实验人员的操作以及实验材料和实验数量发生变化，同时由于压痕形貌不清晰难以准确测量压痕对角线长度会造成压痕硬度的误差较大，最终使计算断裂韧性结果有较大误差。采用有限元数值解析方法建立的陶瓷材料断裂韧性压入测试方法，由于未考虑到金刚石压头发生的弹性形变、没有对三种裂纹形式的断裂韧性进行仿真，就会造成测试精度不高。马德军等采用有限元数值分析解析方法和量纲分析建立的断裂韧性Vickers压入测试方法充分考虑到了金刚石压头发生的弹性形变以及材料表面产生的三种裂纹，因此该方法较其他传统压痕法以及有限元数值解析方法建立的压入测试方法精度较高。有限元数值解析方法可以模拟陶瓷材料真实压入情况，利用有限元數值解析方法建立陶瓷材料断裂韧性的压入测试方法应用于工程领域会成为未来研究的重点与热点。

参考文献：

[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]关振铎，胡一昕.压痕法测定结构陶瓷KIC值精度的探讨[J].硅酸盐学报.1987，15（04）：381.

[7]丘泰.用压痕法测定几种高温结构陶瓷K1C值的研究[J].硅酸盐通报，1990（03）：44-50.

[8]张泰华，冯义辉，杨荣等.一种提取材料断裂韧度的方法[P].中国，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