相變增韌陶瓷的斷裂韌性正比於材料中的t-ZrO2含量。當穩定的氧化鋯陶瓷全部為t-ZrO2的單相多晶陶瓷TZP時,相變增韌效果最好。由於這個原因,因此,目前在醫學領域應用的氧化鋯陶瓷多為Y2O3穩定氧化鋯陶瓷(Y-TZP)。
根據
室溫下,氧化鋯陶瓷中四方相氧化鋯的含量隨著穩定劑的種類、含量變化,同時,也與材料晶粒尺寸相關。
室溫下,四方相氧化鋯的體積分數與穩定劑Y2O3含量以及晶粒尺寸密切相關。當穩定劑含量保持不變時,晶粒尺寸增加,室溫下四方相氧化鋯含量降低。當晶粒尺寸較小,為納米級時,即使穩定劑Y2O3含量低於2%,氧化鋯在室溫下也大部分以四方相存在。
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氧化鋯陶瓷中,並非所有的四方相氧化鋯在室溫下均對相變增韌起作用,隻有可相變的t-ZrO2相才對相變增韌有貢獻,因為並非所有t相在承載時都能發生相變。
陶瓷中亞穩的四方相顆粒受基體抑製而處於壓應力狀態,材料在外力作用下,會在裂紋尖端導致應力集中而產生張應力、減小對四方相顆粒的束縛,這時裂紋尖端的應力場可誘發t→m相變,並產生體積膨脹,相變和體積膨脹過程除吸收能量外,還在主裂紋作用區產生壓應力,二者均阻止裂紋擴散,從而提高陶瓷的斷裂韌性和強度。
當材料受到外應力作用時.隻有應力作用區內的t-ZrO2晶粒才能受到應力誘導而發生相變。而實際上,在應力作用區內,也並非所有t-ZrO2晶粒都可以起相變增韌作用,隻有其中一部分晶粒尺寸相對較大、穩定劑含量相對較低的t-ZrO2晶粒可以在應力誘導下相變而起相變增韌作用。另一些晶粒尺寸小、穩定劑含量高的t-ZrO2晶粒,即使外界抑製全部消除後還是不會發生相變,這部分t-ZrO2晶粒就不可能起任何相變增韌作用。如
當ZrO2顆粒尺寸比較大,而穩定劑含量比較少時,陶瓷中的t-ZrO2晶粒在燒成後冷卻至室溫的過程中發生相變,轉變為m-ZrO2,相變所伴隨的體積膨脹在陶瓷內部產生壓應力並在一些區域形成微裂紋。當主裂紋在這樣的材料中擴展時,一方麵受到上述壓應力的作用,阻礙裂紋擴展,同時由於原有微裂紋的延伸和主裂紋的阻斷改向也吸收了裂紋擴展的能量,因此提高了材料的強度和韌性,這就是微裂紋增韌機製。微裂紋隻在較大單斜相晶粒周圍產生,這是由於大晶粒相變時產生的變形積累大,造成周圍基體中的拉應力超過其斷裂強度。
較小單斜相晶粒周圍沒有微裂紋存在,是因為小晶粒相變產生的變形累積小,不足以產生此效應。因此存在一個臨界晶粒尺寸.大於臨界晶粒尺寸時,相變能誘發微裂紋。可以產生t→m相變,但不足以誘發微裂紋時,在這部分單斜相晶粒周圍存在著殘餘應力,當裂紋擴展入殘餘應力區時,殘餘應力釋放,同時有閉合阻礙裂紋擴展的作用,從而產生了殘餘應力韌化。
ZrO2相變增韌的陶瓷中,相變增韌、微裂紋增韌和殘餘應力韌化,這幾種增韌機理常常同時產生,即所謂複合增韌機理。另外,由於機械研磨等在陶瓷表麵產生t→m相變,表麵層體積膨脹造成壓應力,使材料強韌化,稱表麵增韌。
由此可見,隨著穩定劑含量及工藝的變化,燒成體中的物相、晶粒尺寸和基體對t-ZrO2的抑製作用,使陶瓷中的t-ZrO2發生變化,進而影響材料的相變增韌作用。