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康博機械【解析】哪些因素會影響氧化鋯相變增韌

氧化鋯相變增韌是應力誘導四方ZrO2馬氏體相變來改善陶瓷材料韌性的方法，主要通過亞穩態的四方ZrO2相變吸收能量而起作用。

因此，四方相氧化鋯含量和可相變的四方氧化鋯含量是影響材料增韌效果的決定因素，除此以外，穩定劑的含量、氧化鋯晶粒尺寸以及燒結溫度等都影響著氧化鋯相變增韌的效果。

1.穩定劑含量

摻雜離子半徑低于四價的堿土和稀土金屬氧化物如氧化鈣、氧化鎂、氧化釔等作為穩定劑是獲得室溫下穩定的四方或立方氧化鋯十分有效的方法。其穩定機理是，穩定劑的陽離子溶解在氧化鋯中，可以取代其中Zr4+的位置，形成置換型固溶體，阻礙四方型氧化鋯向單斜晶型的轉變，從而促進室溫立方或四方氧化鋯的穩定。

隨著穩定劑含量的增加，氧化鋯高溫晶體形態穩定性增強，四方相含量增加，因而可相變四方氧化鋯含量也增加，材料的強度和韌性相應增加。但穩定劑的含量必須適量，過量的引入將降低四方氧化鋯的相變活性，反而不利于韌性的提高。

2.氧化鋯晶粒尺寸
室溫下，四方相的表面能低于單斜相的表面能是亞穩定四方相能夠存在的條件。計算表明，純氧化鋯的晶粒尺寸小于等于30nm會自動發生相變，獲得亞穩定四方相氧化鋯。由于純氧化鋯的相變臨界尺寸太小，高溫燒結后很難獲得30nm的晶粒尺寸，可以通過加入穩定劑來提高相變臨界尺寸，獲得亞穩定四方相氧化鋯。
當四方氧化鋯燒結體的晶粒尺寸和相變臨界尺寸接近時，其增韌效果最佳。晶粒尺寸遠小于臨界尺寸，四方氧化鋯穩定，在斷裂時四方相氧化鋯不容易變成單斜相，對相變無明顯作用；晶粒尺寸遠大于臨界尺寸時，在基體中的四方相很容易相變成單斜相，從而產生微裂紋，削弱相變增韌的作用。此外在燒結過程中作為增韌相的四方氧化鋯顆粒均勻分布能阻止基體材料晶粒長大，從而提高材料的強度和韌性。

3.可相變的四方氧化鋯含量
在四方相氧化鋯中，不同晶粒的不同結晶取向抑制了相互各向異性的應變，晶粒尺寸越大，產生的相變應力就越大。在兩相的復相陶瓷中，母相與t-ZrO2的彈性模量和熱膨脹系數不一致，母體對氧化鋯晶粒的抑制產生了應變能，在相變過程中應變能的變化（△Ustr）加上與晶粒尺寸直接有關的表面能的變化（△Us）決定了t-ZrO2相是否能保留的條件。

△Ustr和△Us之和大于t-ZrO2→m-ZrO2的化學自由能變化時，t-ZrO2就可以保留不相變。氧化鋯晶粒尺寸小到一定程度或大到一定程度都能使t-ZrO2保留不相變。因此t-ZrO2相變存在一個最佳的尺寸范圍，即臨界晶粒尺寸。

由此，就引出了在應力誘導下可相變的t-ZrO2體積分數的概念，t-ZrO2體積分數越大，材料的增韌效果越大，斷裂韌性越高。因此為了得到最佳的增韌效果，應盡可能地增加可相變的四方氧化鋯含量。

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