陶瓷材料壓痕彎曲梁中殘余應(yīng)力的研究

羅 旋，王 娟

（江西陶瓷工藝美術(shù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

在對(duì)于壓痕裂紋開(kāi)裂行為實(shí)施相應(yīng)的力學(xué)分析期間，如果具有殘余應(yīng)力的現(xiàn)象，勢(shì)必會(huì)造成研究的困難度，給力學(xué)分析工作造成一定的影響。所以實(shí)際的應(yīng)用期間，需要展開(kāi)退火處理好壓痕試件，將殘余應(yīng)力問(wèn)題進(jìn)行有效的消除掉，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化。在本文中，主要是采取理論分析的方式，提出定 量描述殘余應(yīng)力舉措，并且以實(shí)驗(yàn)的形式，探究退火消除殘余應(yīng)力可靠性情況。

1 理論分析

影響到彎曲梁內(nèi)壓痕裂紋的因素較多，主要涉及到外加彎曲應(yīng)力、表面機(jī)加工殘余應(yīng)力以及壓痕殘余應(yīng)力幾種，很多作用能夠?qū)τ趬汉哿鸭y尖端部位應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)公式包括三種，分別是，Kr=XrP/c2/3，Ks=Mes。在公式中，外加應(yīng)力 σ 分別是指 Ka、Kr、Ks。壓痕殘余應(yīng)力σ*、表面機(jī)加工殘余應(yīng)力為對(duì)于壓痕裂紋尖端部位KI的貢獻(xiàn)。a屬于壓痕裂紋深度，c屬于壓痕裂紋半長(zhǎng)。壓痕壓制荷載是P。另外，Ms、Q表示的分別是表面修正因子、裂紋形狀因子。表征壓痕殘佘應(yīng)力量級(jí)無(wú)量綱常數(shù)是Xr。依照應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度疊加原理，可以經(jīng)過(guò)公式KI=Ka+Kr+Ks=Ya（σa+表示為彎曲梁中壓痕裂紋尖端部位的KI，并改寫(xiě)成，其中的σr屬于等效壓痕殘余應(yīng)力。

2 實(shí)驗(yàn)情況分析

在試驗(yàn)期間，采取無(wú)壓燒結(jié)氯化硅材料實(shí)施，通過(guò)磨削加工以后，得到了4 mm×2.4 mm×36 mm尺寸的試件。試件受拉面采取W2.5號(hào)金剛石研磨膏實(shí)施拋光，并且傾倒邊棱大概是45°。對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分類(lèi)，即不同方式的處理試件，一種為試件在壓制壓痕前后同沒(méi)有采取退火處理的方式，另一種為試件于壓制壓痕之前在相應(yīng)的溫度范圍之內(nèi)（700～1200℃）展開(kāi)一小時(shí)時(shí)間的退火處理，最后一種是壓制壓痕之后分別于700～900℃、950℃、1000℃的溫度范圍中進(jìn)行退火處理，時(shí)間分別是60、30、10 min。

3 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果以及結(jié)論

表面殘余應(yīng)力伴隨退火溫度改變的情況為：試件在壓制壓痕前后同沒(méi)有采取退火處理實(shí)驗(yàn)中，是于退火之后展開(kāi)壓痕壓制的，所以等效壓痕殘余應(yīng)力σr不會(huì)受到退火影響，所以在直線關(guān)系中強(qiáng)度修正項(xiàng)σ*改變情況對(duì)于表面殘余應(yīng)力變化進(jìn)行充分的表現(xiàn)；試件于壓制壓痕之前在相應(yīng)的溫度范圍之內(nèi)（700～1200℃）展開(kāi)一小時(shí)時(shí)間的退火處理實(shí)驗(yàn)中，如果退火的溫度是在1000℃以下，在σf-直線關(guān)系內(nèi)斜率項(xiàng)不會(huì)出現(xiàn)明顯的改變，但是在溫度為1100℃以上時(shí)，斜率項(xiàng)就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的改變。這一值能夠?qū)τ诓牧蠑嗔秧g性KIc大小進(jìn)行反映。所以把壓痕彎曲梁內(nèi)殘余應(yīng)力實(shí)施退火處理期間，需要嚴(yán)格的采取最佳退火溫度，而且通常最高的溫度應(yīng)該低于1000℃；壓制壓痕之后分別于700-900℃、950℃、1000℃的溫度范圍中進(jìn)行退火處理，時(shí)間分別是一小時(shí)、半小時(shí)、10分鐘實(shí)驗(yàn)中，如果退火溫度進(jìn)行提高至900℃，則會(huì)明顯的加大值，顯示出了表面殘余應(yīng)力因?yàn)橥嘶鹛幚沓尸F(xiàn)出部分的消除的情況，并且在增加溫度時(shí)，值具有恒定的趨勢(shì)。在退火溫度是在950～1000℃期間，基本消除掉表面殘余應(yīng)力。

因此，退火處理能夠?qū)⒁驒C(jī)加工所引發(fā)試件表面殘余壓應(yīng)力進(jìn)行全部的消除掉，但是需要注意的問(wèn)題就是采取最佳退火溫度。在退火的溫度過(guò)低的情況下，容易導(dǎo)致不能徹底將表面殘余應(yīng)力進(jìn)行消除，相反的，如果溫度過(guò)高，則大大提升改變材料性能的幾率。而且退火處理僅可以對(duì)壓痕壓制過(guò)程所引發(fā)壓痕殘余拉應(yīng)力進(jìn)行消除，并且消除的不完全。實(shí)施改進(jìn)之后的壓痕彎曲梁法對(duì)于斷裂韌性展開(kāi)測(cè)定，可以不對(duì)于試件展開(kāi)退火處理。

4 結(jié)語(yǔ)

鑒于壓痕裂紋開(kāi)裂行為力學(xué)分析期間，一旦產(chǎn)生殘余應(yīng)力的現(xiàn)象，容易給順利研究造成較高困難度的情況，實(shí)際的應(yīng)用期間，有必要展開(kāi)科學(xué)合理的退火處理好壓痕試件工作。通過(guò)徹底的消除殘余應(yīng)力問(wèn)題，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的簡(jiǎn)化，并且不影響力學(xué)分析工作。