一、概述
   陶瓷材料的檢測性能包括物理性能、化學(xué)性能、熱學(xué)性能、電學(xué)性能等方面，其中物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能是其主要的檢測重點(diǎn)。物理性能包括密度、熔點(diǎn)、導熱性、導電性、光學(xué)性能、磁性等?；瘜W(xué)性能包括耐氧化性、耐磨蝕性、化學(xué)穩定性等。而陶瓷材料通常來(lái)說(shuō)在彈性變形后立即發(fā)生脆性斷裂，不出現塑性變形或很難發(fā)生塑性變形，因此對陶瓷材料而言，人們對其力學(xué)性能的分析主要集中在彎曲強度、斷裂韌性和硬度上，本文通過(guò)某大學(xué)機械工程學(xué)院陶瓷刀具為例介紹陶瓷力學(xué)性能中彎曲強度檢測的相關(guān)原理。
二、斷裂韌性
   應力集中是導致材料脆性斷裂的主要原因之一，而反映材料抵抗應力集中而發(fā)生斷裂的指標是斷裂韌性，用應力強度因子（K）表示。尖端呈張開(kāi)型（I型）的裂紋最危險，其應力強度因子用KI表示，恰好使材料產(chǎn)生脆性斷裂的KI稱(chēng)為臨界應力強度因子，用KIC表示。金屬材料的KIC一般用帶邊裂紋的三點(diǎn)彎曲實(shí)驗測定，但在陶瓷材料中由于試樣中預制裂紋比較困難，因此人們通常用維氏硬度法來(lái)測量陶瓷材料的斷裂韌性。
   陶瓷等脆性材料在斷裂前幾乎不產(chǎn)生塑性變形，因此當外界的壓力達到斷裂應力時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生裂紋。以維氏硬度壓頭壓入這些材料時(shí)，在足夠大的外力下，壓痕的對角線(xiàn)的方向上就會(huì )產(chǎn)生裂紋，如圖1所示。裂紋的擴展長(cháng)度與材料的斷裂韌性KIC存在一定的關(guān)系，因此可以通過(guò)測量裂紋的長(cháng)度來(lái)測定KIC。其突出的優(yōu)點(diǎn)在于快速、簡(jiǎn)單、可使用非常小的試樣。如果以PC作為可使壓痕產(chǎn)生裂紋的臨界負荷，那么圖中顯示了不同負荷下的裂紋情況。
   由于硬度法突出的優(yōu)點(diǎn)，人們對它進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗研究。推導出了各種半經(jīng)驗的理論公式。其中Blendell結合理論分析和實(shí)驗數據擬合，給出下列方程：

圖1.  P＜PC（左）和P＞PC（右）時(shí)壓痕

（圖2. 某某大學(xué) 陶瓷刀具使用30kgf 20X物鏡拍照）

KIC是I型應力強度因子，也就是斷裂韌性；φ為一常數，約等于3；HV是維氏硬度；a為壓痕對角線(xiàn)長(cháng)度的一半；c為表面裂紋長(cháng)度的一半，見(jiàn)圖2-1。經(jīng)過(guò)大量的研究表明，該公式至少在下列范圍內是使用的：硬度（HV）=1~30GPa，斷裂韌性（KIC）=0.9~16MPa•m1/2及泊松比（μ）=0.2~0.3。
 一系列的實(shí)驗發(fā)現，這一公式和實(shí)驗數據具有非常好的吻合。當使用這一方程時(shí)，一般所加的負荷要足夠大，使c/a大于3左右。但是在某些時(shí)候，這意味著(zhù)要加很高的負荷，在一般的顯微硬度計上無(wú)法實(shí)現，并且使壓頭極易損壞，增加測試費用。后來(lái)Niihara等發(fā)現，當所加負荷較小時(shí)，上述的公式經(jīng)過(guò)修正后仍舊適用。在脆性材料中，壓痕下材料的斷裂方式根據所加負荷的不同呈現兩種形式，如圖3所示。當負荷小時(shí)，所出現的裂紋稱(chēng)Palmqvist裂紋（左圖），而在負荷較高時(shí)，出現的裂紋稱(chēng)為Median裂紋（右圖）。

圖3  Palmqvist裂紋（左）和Median裂紋（右）
陰影部分為裂紋擴展區

理論分析和實(shí)驗結果擬合表明，對于Palmqvist裂紋
（0.25≤L/a≤25或1.25≤c/a≤3.5），用下列公式計算斷裂韌性：

而對于Median裂紋（c/a≥2.5），用下列公式計算：

也就是說(shuō)只要能確定裂紋的形式，就可以用這些公式計算斷裂韌性，并且曲線(xiàn)同實(shí)驗數據吻合非常好。因而可以使用小負荷測斷裂韌性，避免高負荷所帶來(lái)的一系列技術(shù)上的困難。目前當確定裂紋的擴展方式困難或麻煩時(shí)，依舊傾向于使用高的負荷，使裂紋呈Median擴展形式。
   案例應用：

作者：steven 根據文獻整理