Ce-TZP陶瓷材料中裂纹扩展路经的TEM观察

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1993.03.024 第15卷第3期 北京科技大学学报 Vol.15 No.3 1993年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 1993 Ce-TZP陶瓷材料中裂纹扩展路经 的TEM观察+ 姚可夫·孙尧卿·· 陈国良 摘要：在透射电镜(TEM)下原位观察了Ce-TZ陶瓷材料中裂纹打扩展过程，发现其与一些 金属中裂纹扩展过程较相似，先在主裂纹前端形核微裂纹、微裂纹长大，然后主裂纹与微裂纹 连接向前书扩展。在袋尖应力场的作用下，裂尖附近有部分四扩相发牛马氏体相变，增加了材料 的断裂韧性。同时还观察到裂纹弯曲和转向。实验还发现在该材料中主裂纹尖瑞并不尖锐，而 为钝裂纹， 关键词：TZP陶瓷，裂纹扩展，原位观察，韧性转变 TEM Observation of Crack Propagating Path in A Ce-TZP Ceramics" Yao Kefu'Sun Yaoqing''Chen Guoliang' ABSTRACT:Crack propagating process in a Ce-TZP ceramics was in-situ observeed in TEM.It was found that the crack propagating process in this ceramics.similar to that in some metal materials,was microcrack nucleation ahead of main crack tip,microcrack growth,then main crack connecting with the micro one and propagating forward.The martensitic transformation of zirconia.induced by crack tip stress field.was observed in the vicinity of crack.Crack deflection was also observed in the ceramics.It was also found that the main crack tip was not sharp,it was a blunted crack. KEY WORDS:TZP ceramics.crack propagation.in-situ observation transformation toughening 新型陶瓷用作结构件的主要题是韧性不足，如氨化硅、碳化硅的断裂韧性只有3~ 5 MPavm.I975年Gravie)在ZrO,中加人适量的稳定剂使高温相（立方相和四方 相)部分地亚稳于空温，形成所谓部分稳定ZO,(PSZ)、使韧性人人提高。自此，相变 +中回博上：行科学基金资助项川 1992-09-03收稿第作片：男，33岁.11. *北京科技人学(University of Science and Technology Beijing) *幸华巾理L学(Huazhong University of Science and Technology)

第 巧 卷 第 3 期 北 京 科 技 大 学 学 报 一” 3 年 6 月 J o u r n a l o f U n i v e r s it y o f s e i e n e e a n d T e c h n o l o g y B e ji i n g V o l . 1 5 N o . 3 J u l犯 l , 9 3 C e 一 T Z P 陶瓷材料 中裂纹扩展路经 的 T E M 观察 + 姚 可 夫 * 孙 尧 卿 ’ ` 陈 国 良 * 摘要 : 在透 射电镜 (T E M ) 卜原位观察 了 eC 一 T z P 陶瓷材 料中 裂 纹 扩展 过程 , 发 现其与一些 金属 中裂纹扩展过程 较 相似 , 先在主 裂纹 前端 形 核微 裂纹 、 微 裂纹 长大 、 然 后 主 裂纹与微 裂 纹 连接 向前扩展 。 在裂 尖应 力场的作用 下 , 裂尖附近有部 分四方 相 发生 马 氏 体相 变 , 增加了 材料 的断 裂 韧性 . 同时还 观察到 裂 纹弯 曲和转 向 。 实验还 发现 在 该 材 料 中 仁裂纹 尖端 并不 尖锐 , 而 为钝 裂纹 . 关键词 : T z P 陶瓷 , 裂纹 扩 展 , 原位 观察 , 韧性 转变 T E M O b s e r v a t i o n o f C r a e k P r o P a g a t i n g P a t h i n A C e 一 T Z P C e r a m i c s + aY o K 刁足- 5 2一n aY o 甲 lns ` ’ C h e 刀 G u o l ia 雌 ’ A B S T R A C T : C r a e k P r o P a g a t i n g P r o c e s s i n a C e 一 T Z P e e r a m i e s w a s i n 一 s i t u o b s e r v e e d i n T E M . It w a s fo u n d t h a t t h e e r a e k P r o P a g a t i n g P r o e e s s i n t h i s e e r a m i e s , s im il a r t o t h a t i n s o m e m e t a l m a t e r i a l s , w a s m i c r o e r a e k n u e l e a t i o n a h e a d o f m a i n e r a e k t iP , m i e r o c r a e k g r o w t h , t h e n m a i n c r a e k e o n n e e t i n g w i t h t h e m i e r o o n e a n d P r o p a g a t i n g of r w a r d . T h e m a r t e n s it i e t r a n s of r m a t i o n o f z i r e o n i a , i n d u e e d b y e r a e k t i P s t r e s s 行e l d , w a s o b s e r v e d i n t h e v i c i n it y o f c r a e k . C r a e k d e fl e e t i o n w a s a l s o o b s e r v e d i n t h e e e r a rn i e s . I t w a s a l s o fo u n d t h a t t h e m a i n e r a c k t i P w a s n o t s h a r P , i t w a s a b l u n t e d e r a c k . K E Y W O R D S : T Z P e e r a m i c s e r a e k P r o p a g a t i o n , i n 一 s i t u o b s e r v a t i o n t r a n s of r m a t i o n t o u g h e n i n g 门. 新 型 陶 瓷用作 结构 件 的 i : 要 问 题 是 韧性 不 足 , 如氮 化硅 、 碳 化 硅的 断 裂韧性只 有 3 ~ SM aP 以雨 。 19 7 5 年 G ar vi e 川 在 z r o 。 中加 人 适 量 的 稳 定 剂 使 高 温 相 ( 立方 相 和 四 方 相 ) 部分 地 亚 稳 于 室 温 , 形 成所谓 部分稳 定 Z r O : (P 5 2) , 使 韧性 大 大提 高 。 自此 相变 叼甲 + 中 国 博 l 后 科 学 鹅 金资助 项 1 19 9 2一 0 9一 0 3 收 稿 第 t 科三者 : 男 , 3 3 岁 , 博 f _ * 北 京 科技 人 ` ’ 沂 ( U n : 、 , 。 r s: t y o f s e 、 e n o e a n d T e c 卜n o l o g y B e ij 一n g ) * * 华巾 理 I二大 学 ( H u a z h o n g u n i v e r s . t y o f s e , e n c e a n d T e c h n o l o g ) ) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1993. 03. 024

Vol.15 No.3 姚可夫等：CC-TZP陶瓷材料中裂纹扩展路经的TEM观察+ ·273· 增韧机制引起了广泛关注2~)。相变增韧是指在室温下亚稳定的四方相(1相)，在裂纹尖 端应力场的作用下，使裂纹尖端附近区域内的四方相转变为单斜相(m相)。由于这种相变 需要消耗能量，因而阻止了裂纹扩展，提高了断裂韧性2)。可见对相应增韧陶瓷裂纹 扩展过程进行研究有着重要意义。本工作在透射电子显微镜(TEM)下原位观察以氧化 铈为稳定剂的四方氧化锆多晶体(TZP)材料中裂纹扩展路径。 1实验材料与实验方法 实验材料为含10mol%CeO2的CeO2稳定四方氧化锆多晶体(Ce-TZP)。将试样切 成薄片，磨至约60um厚，然后用离子减薄仪穿孔。薄膜拉伸试样装在JEM2000X透射 扫描电子显微镜的拉伸附件上，拉伸载荷容量为500g。原位拉伸实验是在JEM2000FX 透射扫描电子显微镜上完成的。操作电压为200kV,转角范围为±35°。 2实验结果与讨论 当C-TZP薄膜拉伸试样承受外载后，在主裂纹的前端常有微裂纹生成。图1所示 为一扩展裂纹的扩展路径。可见在主裂纹前端已有两个微裂纹生成。离主裂纹尖端较远的 微裂纹尺寸较大，在其前端还有一个微空洞形核（图1）。而另一微裂纹尺寸较小，离主 裂纹尖端较近。仔细观察图1不难想象图1所示主裂纹的扩展过程实际上是先在箭头 A、B、C所示外形核微裂纹，然后微裂纹在裂尖应力场的作用下长大，最后主裂纹与微 裂纹之间的韧带以穿晶解理方式断裂，使二者连通。而在裂尖应力场的作用下，在裂纹前 端又形核新的微裂纹；并重复上述过程。裂纹以这种方式扩展时常呈非平直的“Z”字形扩 展路径（图1），这显然会增加能耗，增加断裂韧性。 66mm 0.017.m o 66mm 图1裂纹的扩展路径 图2裂纹扩展路径的低倍象 Fig.1 Crack propagating path Fig.2 Low magnification image of crack propagation path 图2为另一承载裂纹扩展过程的低倍象。从图2可见在主裂纹前端已有数个小裂纹

V o l . 15 N o . 3 姚可夫等 : C e一 T Z P 陶瓷材料 中裂纹扩展路经的 T E M 观察 + · 2 7 3 · 增 韧机 制 引起了 广泛 关注 〔 2一 4〕 。 相 变增 韧是 指在室温下 亚稳定 的四 方相 (l 相 ) , 在 裂纹尖 端应力 场的作 用 下 , 使裂 纹尖端 附近 区 域内的 四 方相 转变 为 单斜相 (m 相 ) 。 由于这种相 变 需 要 消耗能量 , 因而 阻止 了裂 纹 扩展 , 提高了断裂 韧性 〔2一 4 〕 。 可 见对相应 增韧 陶瓷 裂纹 扩 展 过程 进行研究有 着 重 要意 义 。 本 工作在透射 电子 显微镜 ( T E M ) 下 原 位观 察以 氧化 钵为稳定剂 的 四方 氧化错多 晶体 ( T Z )P 材料 中裂 纹扩 展路径 。 1 实验材料与 实验方法 实 验材 料为含 I Om ol % C e O : 的 C e O : 稳 定 四 方氧 化错 多 晶体 ( C e 一T z )P 。 将 试样切 成薄片 , 磨至约 60 科m 厚 , 然 后用离 子减 薄仪穿孔 。 薄膜拉伸 试样装在 J E M 2 0 0 F x 透射 扫 描 电子 显 微镜的拉伸 附 件上 , 拉 伸载 荷 容 量 为 5 0 0 9 。 原位拉 伸 实验是 在 J E M 2 0 0 F X 透射扫 描 电子 显微镜上 完成的 。 操作 电压为 Zo k V , 转角 范围 为 士 35 “ 。 2 实验结果与 讨论 当 C e 一 T z P 薄膜拉 伸试样 承受 外 载后 , 在主裂纹 的前端常有微裂纹 生 成 。 图 1 所示 为一 扩展裂纹的扩 展路径 。 可 见在主裂纹前端 已有 两个 微裂 纹生 成 。 离主裂 纹尖端较远的 微裂纹 尺 寸较大 , 在 其前端还 有一 个微空 洞形 核 ( 图 1 ) 。 而 另 一微裂 纹 尺寸 较小 , 离 主 裂纹尖端较 近 。 仔细 观 察 图 l 不 难想 象 图 1 所示 主裂纹 的扩 展 过 程 实 际 上 是先在 箭头 A 、 B 、 C 所示 外 形核微裂纹 , 然后 微裂 纹在裂 尖应 力 场 的作用 下 长大 , 最 后 主裂纹 与微 裂纹之 间的韧带 以 穿 晶解理方式断裂 , 使二者连通 。 而 在裂尖应力 场的作用 下 , 在 裂纹 前 端又形 核新的微裂纹 ; 并重 复上 述过 程 。 裂 纹 以这 种方 式扩 展 时常 呈非 平直的 “ Z ” 字形扩 展路径 ( 图 1 ) , 这显 然会增 加能 耗 , 增加 断裂韧 性 。 图 1 裂纹 的扩展路径 F i g . l C r a e k P r o Pa g a it n g P a t h 图 2 为另 一承载 裂纹 扩展 过 程 的低倍象 。 从 图 2a 图 2 裂纹扩展路径的低倍 象 F ig . 2 L o w m a g n i6 e a t i o n im a g e o f e r a c k Pr o P a g a it o n p a t h 可 见 在 主裂纹 前端 已 有数个小裂纹

·274 北京科技大学学报 1993年No.3 生成，这些小裂纹之间还未扩展连通。当继续增加外载后，小裂纹之间的韧带断裂（图 2b),相互连通并与主裂纹连通。而在新的主裂纹前端，原来已生成的4个微裂纹也已不 同程度地长大，有两个微裂纹还相互连能，而且在这些微裂纹的前端又有新的微裂纹生成 (见图2b)。从图1、图2可知，在TZP材料中裂纹扩展过程是在裂尖应力场作用下先在 裂尖前端形核微裂纹、微裂纹长大、然后主裂纹与微裂纹相连接向前扩展的过程。这与裂 纹在一些金属材料中的扩展过程很相似。 与金属材料相比，本实验所用的Ce-TZP材料是非常脆的。然而，仔细观察图1、图 2发现主裂纹尖端并不是非常尖锐，而是已完全钝化。在金属材料中，常通过裂纹尖端向 外发射位错或吸收位错来钝化裂尖5~6⊙。而在这种陶瓷材料中裂纹尖端以何种机制钝化 尚不清楚。 从图1、图2还可知，裂纹向前扩展的主方向与外载方向接近垂直，这表明正应力对 裂纹扩展路径有较大影响。 在图1中在裂纹附近区域内还有许多小片状相（见图1中箭头所指区域）。经分析表 明它们是单斜相。实验中发现离裂尖较远的区域和无裂纹的区域内没有这种片状相，这表 明它们是在裂纹扩展通过附近区域时在裂尖应力场作用下，部分四方相发生马氏体相变转 变为单斜相时的相变产物(4)。这些单斜相多数都分布在离扩展裂纹约1.5m的范围内， 且在裂纹附近密度较高。这些单斜生成时需要消耗能量，从而增加材料的断裂韧性。这是 含四方相氧化锆陶瓷材料的主要增韧机制。它是应力诱发相变，相变增加韧性。 0.1m 0.25m a 图3扩展裂纹附近生成的马氏体片 图4在静止裂纹前生成的马氏体相 Fig.3 Martensitic plate formed in the vicinity Fig.4 Martensitic phase formed ahead of a static of a propagating crack crack 图3所示为扩展裂纹附近应力诱发生成的单斜相的暗场高倍象。图中亮的片状相为单 斜相。图4为在一静止裂纹附近生成的单斜相的暗场象。图中所示的单斜相的尺寸较大。 该裂纹在加载过程中始终没有向前扩展，这可能一方面是因为裂纹与外载的夹角较小（约 为20°)，不利于裂纹扩展，另一方面则可能因为所生成的单斜相的影响，使其难以向前 扩展。 在C©-TZP陶瓷中，裂纹有时也以沿晶方式向前扩展（图5）。在图5中，在主裂纹 前端微裂纹在三角晶界外形核，并沿界面扩展长大，最后围绕晶粒A的多个界面微裂纹

· 2 74 · 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 3 年 N o . 3 生 成 , 这些 小 裂纹之 间还 未 扩展 连 通 。 当 继 续增 加 外 载 后 , 小裂纹之 间的 韧 带断裂 (图 Zb) , 相互连 通并与 主裂 纹连通 。 而在 新的主 裂纹前端 , 原来 已 生成 的 4 个 微裂纹也已 不 同程度 地长 大 , 有 两 个微裂纹还 相互连能 , 而且在这 些微裂纹 的前端又 有新的微裂纹生 成 (见图 Zb) 。 从 图 1 、 图 2 可知 , 在 T Z P 材料 中裂纹扩 展过 程是在裂尖应力 场作用 下先在 裂 尖前端形 核微裂 纹 、 微裂纹长 大 、 然后 主裂纹与微裂纹相连接向前扩展 的过程 。 这与 裂 纹 在一 些金属材料 中的扩展过程很相 似 。 与金属 材料相 比 , 本实 验所用 的 C e 一 T Z P 材 料是非 常脆的 。 然而 , 仔细观察图 1 、 图 2 发现主 裂纹 尖端并不 是非 常 尖锐 , 而是 已 完全钝化 。 在 金属 材料 中 , 常通过 裂纹尖端向 外发射位错或 吸 收位错来钝化裂尖 〔5一 “ 〕 。 而在 这种 陶瓷 材料 中裂纹 尖端以 何种机制钝化 尚不清楚 。 从图 1 、 图 2 还可 知 , 裂纹 向前扩 展的 主方向与 外载 方向接近 垂直 , 这表明正 应力对 裂纹扩展路径有较大影响 。 在 图 1 中在裂 纹附近 区域 内还 有 许多 小 片状相 (见 图 1 中箭头 所指 区域 ) 。 经分析表 明它们是单斜相 。 实验 中发现离 裂尖较远 的 区域和无裂纹 的 区域 内没有这种 片状相 , 这表 明它们是在裂纹扩展通 过附近 区域时在裂尖应力 场作用下 , 部分 四 方相 发生 马 氏体相变转 变 为 单斜相 时 的相 变产 物 (4) 。 这些单斜相 多 数都分布在 离 扩展裂纹约 1 . 5拜m 的范 围 内 , 且在裂纹 附近密度 较高 。 这些单斜生成时需 要消耗能量 , 从而增 加材料的断裂 韧性 。 这是 含四 方相 氧 化错 陶瓷材 料的主要增 韧机制 。 它是应力诱发相 变 , 相变 增加 韧性 。 图 3 扩展裂纹附近生成的马 氏体片 图 4 在静止裂纹前生成的马氏体相 F ig . 3 M a r t e n s iit e Pl a t e fo r m ed i n t h e v i e i in yt F ig . 4 M a r t e n is it e 曲a s e fo r m e d a h e a d o f a st a it e o f a rP o P a g a t i n g e r ac k e r a e k 图 3 所示为扩展裂 纹 附近应力诱发生成 的单斜相 的 暗场高倍象 。 图 中亮 的 片状相 为单 斜相 。 图 4 为在一静止裂 纹附近 生成的 单斜相 的暗 场象 。 图 中所示 的单斜相 的尺 寸较大 。 该裂纹在 加 载过程 中始终没 有 向前扩展 , 这可 能一方面是 因为裂纹 与外 载 的夹 角较小 (约 为 20 “ ) , 不 利于 裂纹扩展 , 另一方面 则可 能 因为所生 成的单斜相 的影 响 , 使其难 以 向前 扩展 。 在 C e一 T Z P 陶瓷 中 , 裂 纹有 时 也 以 沿晶方式向前扩展 ( 图 5) 。 在 图 5 中 , 在 主 裂纹 前端微裂 纹在三 角 晶界外 形核 , 并沿 界 面 扩展 长大 , 最后 围绕晶粒 A 的多 个 界面微裂纹

Vol.15 No.3 姚可夫等：Ce-TZP陶瓷材料中裂纹扩展路经的TEM观察+ ·275· 0.5m 图5微裂纹形核与扩展 Fig.5 Microcracks nucleation and propagation 扩展连通。然后在B点处形核一微裂纹，扩展进人另一晶粒。而B点非常接近小裂纹C (图5中箭头C所指小裂纹)的延长线与晶粒A的交点。裂纹在扩展过程中以这种围绕一 晶粒进行扩展的方式会增加材料的断裂韧性，即所谓裂纹弯曲和转向增韧() 仔细观察图5还可知，其主裂纹尖端也已完全钝化。而且主裂纹和小裂纹C之间的 韧带也已明显减薄，这种厚度减薄可能是在裂尖应力场发生较大形变所至。 3结论 (1)裂纹在Ce-TZP陶瓷材料中扩展过程是先在主裂纹前端形核微裂纹、微裂纹长 大、主裂纹与微裂纹连接向前扩展。然后在裂尖应力场作用下，在新的裂纹尖端前又会形 核微裂纹，并重复上述过程。这种裂纹扩展机制与一些金属材料中裂纹扩展机制相似。 (2)在C-TZP薄膜试样的原位形变观察中观察到两种增韧机制：是在裂尖场作 用下发生四方相转变为斜相的马氏体相变，增加材料的断裂韧性；另一为裂纹在扩展过程 中围绕部分晶粒扩展，由裂纹弯曲和转向增韧。主裂纹尖端并不尖锐，主裂纹为钝裂纹。 参考文献 1 Garvie R C,Hannink R H J and Pascoe R T.Nature (London),1975,258:703 2 Hannink R H J and Swain M V.J Aust Ceram Soc,1981,18:53 3 Cloussen N.Mater.Sci Eng,1985,71:23 4 Evans A G and Cannon R M.Acta Metall,1986,34:761 5 Ohr S M.Mater.Sci and Eng.1986,72:1 6姚可夫，唐遒泳，陈南平.金属学报，1989,25：A213 7 Lange FF.Phil Mag,1970,22:983 8 Faber K T and Evans A G.J Am Ceram Soc,1983,66:94

V o l . 1 5 N o . 3 姚可夫等 : C e 一 T z P 陶瓷材料 中裂纹扩展路经 的 T E M 观察 十 2 7 5 图 5 微裂纹形核与扩展 F ig . 5 M i e r o e r a e k s n u c l e a it o n a n d Pr o p a g a it o n 扩展 连 通 。 然后 在 B 点处 形 核一微裂 纹 , 扩 展进人另一 晶粒 。 而 B 点 非 常接 近小裂纹 C (图 5 中箭 头 C 所指 小裂 纹) 的延 长线 与晶粒 A 的交 点 。 裂纹 在扩展过 程 中以 这 种围 绕一 晶粒进 行扩 展的 方式会增加 材料 的断 裂韧性 , 即所谓 裂纹弯 曲和转向增 韧 (7) 。 仔细 观察 图 5 还可 知 , 其主裂 纹尖端也 已 完全 钝 化 。 而 且 主裂 纹和小裂 纹 C 之 间 的 韧 带也 已 明显 减薄 , 这 种厚 度减 薄可 能是在裂尖应力 场发 生较 大形 变所 至 。 3 结 论 ( l) 裂纹 在 C e一 T Z P 陶 瓷材 料 中扩 展过程 是先在 主 裂纹 前端形 核 微裂纹 、 微裂纹 长 大 、 主 裂纹 与微裂纹连 接向前扩展 。 然 后在 裂尖应 力 场作用 下 , 在新 的裂 纹 尖端前 又会形 核 微裂 纹 , 并 重复 上述过程 。 这种 裂纹扩展 机制 与一 些金属材 料 中裂纹扩 展 机制相 似 。 ( 2) 在 C e 一 T Z P 薄 膜试样 的原 位形 变 观察 中观 察 到 两种 增 韧机制 : 一是在裂尖场 作 用 下发生 四 方 相转 变为斜相 的马 氏体相 变 , 增加 材料 的断裂韧 性 ; 另一 为裂纹在扩 展过 程 中围绕部 分晶粒扩 展 , 由裂 纹弯 曲和转 向增 韧 。 主 裂纹尖端并不尖锐 , 主裂纹为钝裂纹 。 参 考 文 献 1 G a r v i e R C , H a n n i n k R H J a n d P a s e o e R T . N a t u r e ( L o n d o n ) , 19 7 5 , 2 5 8 : 7 0 3 2 H a n n i n k R H J a n d S w a i n M V . J A u s t C e r a m S o e , 19 8 1 , 1 8 : 5 3 3 C l o u s s e n N . M a t e r . S e i E n g , 19 8 5 , 7 1 : 2 3 4 E v a n s A G a n d C a n n o n R M . A c t a M e t a ll , 19 8 6 , 3 4 : 7 6 1 5 O h r S M . M a t e r . S c i a n d E n g . 19 8 6 , 7 2 : l 6 姚 可夫 , 唐遒泳 , 陈南平 . 金 属学 报 , 19 8 9 , 25 : A 2 13 7 L a n g e F F . P h i 1 M a g , 19 70 , 2 2 : 9 8 3 8 F a b e r K T a n d E v a n s A G . J A m C e r a m s o c , 1 9 8 3 , 6 6 : 9 4