一、概述
   陶瓷材料的檢測性能包括物理性能、化學性能、熱學性能、電學性能等方面，其中物理性能、化學性能和力學性能是其主要的檢測重點。物理性能包括密度、熔點、導熱性、導電性、光學性能、磁性等。化學性能包括耐氧化性、耐磨蝕性、化學穩(wěn)定性等。而陶瓷材料通常來說在彈性變形后立即發(fā)生脆性斷裂，不出現(xiàn)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，本文通過某大學機械工程學院陶瓷刀具為例介紹陶瓷力學性能中彎曲強度檢測的相關原理。
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彎曲實驗測定，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，就會產(chǎn)生裂紋。以維氏硬度壓頭壓入這些材料時，在足夠大的外力下，壓痕的對角線的方向上就會產(chǎn)生裂紋，如圖1所示。裂紋的擴展長度與材料的斷裂韌性KIC存在一定的關系，因此可以通過測量裂紋的長度來測定KIC。其突出的優(yōu)點在于快速、簡單、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，人們對它進行了大量的理論和實驗研究。推導出了各種半經(jīng)驗的理論公式。其中Blendell結合理論分析和實驗數(shù)據(jù)擬合，給出下列方程：

圖1.  P＜PC（左）和P＞PC（右）時壓痕

（圖2. 某某大學 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(shù)，約等于3；HV是維氏硬度；a為壓痕對角線長度的一半；c為表面裂紋長度的一半，見圖2-1。經(jīng)過大量的研究表明，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。
 一系列的實驗發(fā)現(xiàn)，這一公式和實驗數(shù)據(jù)具有非常好的吻合。當使用這一方程時，一般所加的負荷要足夠大，使c/a大于3左右。但是在某些時候，這意味著要加很高的負荷，在一般的顯微硬度計上無法實現(xiàn)，并且使壓頭極易損壞，增加測試費用。后來Niihara等發(fā)現(xiàn)，當所加負荷較小時，上述的公式經(jīng)過修正后仍舊適用。在脆性材料中，壓痕下材料的斷裂方式根據(jù)所加負荷的不同呈現(xiàn)兩種形式，如圖3所示。當負荷小時，所出現(xiàn)的裂紋稱Palmqvist裂紋（左圖），而在負荷較高時，出現(xiàn)的裂紋稱為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(qū)

理論分析和實驗結果擬合表明，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，并且曲線同實驗數(shù)據(jù)吻合非常好。因而可以使用小負荷測斷裂韌性，避免高負荷所帶來的一系列技術上的困難。目前當確定裂紋的擴展方式困難或麻煩時，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(jù)文獻整理