单边切口梁法测量建筑陶瓷砖的断裂韧性.pdf
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1、单边切口梁法测量建筑陶瓷砖的断裂韧性*吴清良1 张 力2 蒋德震2 罗家新2 潘荣基2 李维龙2(1佛山质量计量监督检测中心 广东 佛山 5 2 8 2 2 5)(2佛山科学技术学院材料科学与氢能学院 广东 佛山 5 2 8 2 2 5)摘 要 建筑陶瓷砖是具有装饰性釉面的非均质材料,同时还具有背纹。研究了单边切口梁法制样条件如直通切口的宽度、深度、方向,以及建陶砖釉面和背纹等因素对断裂韧性测量的影响。结果表明当切口宽度0.4mm断裂韧性测量值明显偏大。从釉面、坯体和侧面3个方向引入切口,可减少釉面和背纹的干扰,综合评价建陶砖的韧性。切深比a/W为0.30.6,对高吸水率的陶质砖和低吸水率的瓷
2、质砖都可获得较为稳定的断裂韧性值。关键词 断裂韧性 单边切口梁法 建筑陶瓷砖 釉面 背纹中图分类号:TQ 1 7 4+4 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 2-2 8 7 2(2 0 2 3)1 0-0 1 0 1-0 8M e a s u r e m e n t o fF r a c t u r eT o u g h n e s so fC e r a m i cT i l e sb yS i n g l eE d g eN o t c hB e a m M e t h o dW uQ i n g l i a n g1,Z h a n gL i2,J i a n gD e z h e n
3、2,L u oJ i a x i n2,P a nR o n g j i2,L iW e i l o n g2(1F o s h a nS u p e r v i s i o nT e s t i n gC e n t e ro fQ u a l i t ya n dM e t r o l o g y,G u a n g d o n g,F o s h a n,5 2 8 2 2 5,C h i n a)(2S c h o o lo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dH y d r o g e nE n e r g y,F o s h a nU n i v
4、 e r s i t y,G u a n g d o n g,F o s h a n,5 2 8 2 2 5,C h i n a)A b s t r a c t:C e r a m i c t i l e sa r eh e t e r o g e n e o u sm a t e r i a l sw i t hd e c o r a t i v eg l a z e ds u r f a c e s a sw e l l a sb a c kp a t t e r n s.A l t h o u g hs i n g l ee d g en o t c h e db e a m m e t
5、 h o d(S E N B)i sw i d e l yu s e d i ns t r u c t u r a l c e r a m i cm a t e r i a l s,i t i sn e c e s s a r y t os t u d y t h e a p p l i c a b i l i t yo fS E N Bm e t h o d i nc e r a m i c t i l e s.I n t h i sw o r k,t h e s p e c i m e np r e p a r a t i o nc o n d i t i o no fS E N B,s
6、u c ha s t h ew i d t h,d e p t h,d i-r e c t i o no f t h en o t c h,g l a z ea n db a c kp a t t e r n so fc e r a m i ct i l e s,a r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d.T h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h en o t c hw i d t h i s l e s s t h a n0.2 5 mm,l e s sp a s s i v a t i o ne f
7、 f e c t i so b s e r v e d.H o w e v e r,t h et o u g h n e s sm e a s u r e di so v e r-v a l u a t e dw i t hn o t c hw i d t h 0.4mm.I no r d e r t oe l i m i n a t e t h e i n t e r f e r e n c e c a u s e db y t h eg l a z e a n db a c kp a t t e r n s,n o t c h e s i n t r o d u c e df r o mt
8、 h e t h r e ed i r e c t i o n so f g l a z e,b o d ya n ds i d e a r e r e c o mm e n d e d.W h e n t h en o t c hd e p t ht os p e c i m e nw i d t hr a t i oa/W i s 0.30.6,m o r es t a b l e f r a c t u r e t o u g h n e s sv a l u e s c a nb eo b t a i n e d,w h e t h e r f i n e e a r t h e n
9、w a r e t i l ew i t hh i g hw a t e r a b s o r p t i o no rp o r c e l a i nt i l e sw i t hl o ww a t e ra b s o r p t i o n.K e yw o r d s:F r a c t u r e t o u g h n e s s;S i n g l ee d g en o t c h e db e a m m e t h o d;C e r a m i c t i l e s;G l a z e;B a c kp a t t e r n s 建筑陶瓷砖传统上整块用于铺地贴
10、墙,所关注机械性能主要是断裂模数(弯曲强度)和破坏强度1。最近几年建筑陶瓷砖中出现了新品类陶瓷岩板,由于在配方、成形和烧成工艺上的改进,相对于普通的建筑陶瓷砖具有较好的机械性能,并被广泛用作家具、桌面、台面、柜面等23。陶瓷岩板作为一种板材,在实际应用中往往需要经过切割、钻孔、倒角、开槽等后续机械加工4。只有具有较高韧性的陶瓷岩板才能满足这些后加工的要求,而目前缺少对陶瓷岩板的断裂韧性测试研究,相关的方法标准中同时缺少断裂韧性的检测5。断裂韧性是材料的本征属性,可以衡量材料对裂纹扩展的抵抗能力大小,反映外部载荷和裂纹尺寸对材料断裂失效的影响。陶瓷材料断裂韧性的准确测量有助于评估材料服役性能及可
11、靠性能。对于结构陶瓷材料或精细陶瓷,断裂韧性的测试方法和相关的研究报道 有 很 多,包 括:压 痕 法(I n d e n t a t i o n M e t h o d,I M)6表 面 裂 纹 弯 曲 法(S u r f a c eC r a c ki nF l e x u r e,S C F)7,单 边 预 裂 纹 梁 法(S i n g l e E d g e P r e c r a c kB e a m,S E P B)8、单边切口梁法(S i n g l eE d g eN o t c h e d101(陶瓷应用)2 0 2 3年1 0月 陶陶 瓷瓷 CC ee rr aa mm
12、ii cc ss *基金项目:本工作得到广东省基础与应用基础研究基金项目“片状氧化铝增韧陶瓷薄板及其机理研究”(项目编号:2 0 2 0 B 1 5 1 5 1 2 0 0 9 7),广东省高校教师特色创新研究项目“片状氧化铝增强陶瓷釉”(项目编号:2 0 2 1 X C L 1 2)的资助。作者简介:吴清良(1 9 7 9-),硕士,高级工程师;研究方向为建筑陶瓷材料性能测量。通讯作者简介:张力(1 9 8 1-),博士,副教授;研究方向为陶瓷材料。B e a m,S E N B)9和单边V型切口梁法(S i n g l eE d g eV-N o t c h e dB e a m,S E
13、VN B)1 0等。在实际应用中。单边切口梁法因为制样方法简单、便捷,成为目前最为常用的结构陶瓷材料断裂韧性测试方法1 1。与精细陶瓷不同,建筑陶瓷砖表面往往有一层装饰性的釉面材料,其性质与坯体有较大的差异,可以视为一种坯-釉相结合的复合材料。在测量其断裂韧性时,需要制造切口,不可避免会面临在哪个面切出缺口的问题。此外,建筑陶瓷砖坯体背面往往还有纹理,背纹对其断裂韧性的测量也不容忽视。笔者将S E N B法用于测量带有釉面的建筑陶瓷砖的断裂韧性,讨论了制样因素和样品的坯釉对测量结果的影响。1 实验笔者使用了4种典型的建筑陶瓷砖作为样品。其中1#和2#样品为陶瓷岩板,3#为普通瓷质砖,4#为普通
14、陶质砖,其相关性能如表1所示,具体实物样品图见图1。表1 建筑陶瓷砖样品基本性能样品编号总厚度(mm)釉厚度(mm)釉厚比(%)吸水率(%)气孔率(%)体积密度(g/c m3)1#6.1 81.6 02 5.90.1 00.2 62.4 32#6.1 10.2 33.80.1 00.0 62.3 73#9.0 02.7 03 0.00.1 40.1 92.3 44#9.3 00.3 63.91 6.1 61 3.8 41.8 41#样品釉面(a)和背面(b);2#样品釉面(c)和背面(d);3#样品釉面(e)和背面(f);4#样品釉面(g)和背面(h)图1 四种建陶砖样品实物图 S E N B
15、法制备样品过程如下:将带有釉面的建筑陶瓷砖,加工成7 0mm2 0mm的矩形试样条,数量不低于7条。用陶瓷砖切割机或者金刚石线切割机在矩形样品条长度方向上中间位置,加工出直通切口。陶瓷砖切割机使用了两种不同厚度的圆锯,金刚石线切割机用3种不同直径金刚石线:0.1 2 5mm、0.2 5mm和0.3 5mm,以获得不同宽度的直通槽切口。从釉面(g l a z e)、坯体(b o d y)和侧面(s i d e)3个方向分别加工出直通凹槽切口,加工后样品示意图和实物图分别见图2 a和图2 b所示。控制直通切口深度a和切割方向的高度W的比例为0.10.8。将加工好的样品在万能试验机上,采用三点弯曲测
16、试断裂韧性。带有切口的部位朝下放置在两根支撑棒上,外端露出1 0mm。记录破坏时的最大载荷,跨距等参数,带入断裂韧性公式计算。2 结果与讨论2.1 直通凹槽宽度的影响图3为1#样品在不同加工条件下得到的直通切口光学显微镜照片,表2是对应的切口宽度和断裂韧201 陶陶 瓷瓷 CC ee rr aa mm ii cc ss (陶瓷应用)2 0 2 3年1 0月(a)实物图和(b)示意图图2 从釉面、坯体和侧面三个方向加工直通切口性均值K I C(S E N B)。从图3可见,采用金刚石线切割所得的直通口底部近似半圆形,而用圆盘锯切割制得的直通口形状与锯片刃口有关:长期使用的锯片1刃口变薄,切出的直
17、通口近似U型;新开锋的锯片2切出的直通口近似矩形。为了便于比较直通口底部的宽度,参考标准I S O 2 3 1 4 61 2,以切口尖端等效圆半径(r)代替切口宽度(见表2)。随着切割所用金刚石线的直径增加,直通切口的宽度和等效圆半径也随之增加。用直径为0.1 2 5mm和0.2 5mm的金刚石线切割制样测得的断裂韧性值接近,约为1.0 80.0 7MP am0.5。而用直径0.3 5mm的金刚石线切割时,断裂韧性值增大到1.2 20.0 7MP am0.5。当用圆盘锯切割制样测得的断裂韧性值显著增加,达到1.5 80.0 5MP am0.5。可见,S E N B法测得的断裂韧性值与切口等效圆
18、半径或切口宽度有关,切口宽度增大测量值增大。这种情况在前人对精细陶瓷的研究报道中屡见不鲜1 31 5。S E N B法用直通切口模拟自然裂纹,根据断裂力学理论,裂纹越尖锐,所测得的K I C就越接近表2 1#样品不同方式加工的切口和断裂韧性比较切口加工方式0.1 2 5 mm金刚石线0.2 5 mm金刚石线0.3 5 mm金刚石线1#圆盘锯2#圆盘锯直通口宽度(mm)0.1 4 80.2 7 80.4 2 62.2 3 11.5 7 5直通口底部等效圆半径(mm)0.0 7 40.1 3 90.2 1 30.5 1 2断裂韧性均值(MP am0.5)1.0 80.0 71.0 80.0 21.
19、2 20.0 71.5 80.0 51.6 10.0 7(a)0.1 2 5mm金刚石线切割;(b)0.2 5mm金刚石线切割;(c)0.3 5金刚石线切割;(d)1#圆盘锯;(e)2#圆盘锯图3 1#样品不同加工方式所得直通切口光学显微镜照片真实值。因而,用S E N B法测定陶瓷断裂韧性时,切口宽度需要足够小,测量结果才准确。对1#样品,当等效圆半径超过0.1 4mm后,测量结果已经开始偏大,如果用圆锯来制造直通切口,由于圆锯的厚度大,切口宽度也就更大,其测量结果加偏离真实值。目前有专利1 6公开了使用S E N B法测量建筑陶瓷岩板断裂韧性的方法,从其公布的发明内容和具体实施例看,采用的
20、是陶瓷切割机来制造直通口。由于没有考虑到直通切口的宽度对测试断裂韧性值的影响,用陶瓷切割机制样会导致测得的断裂韧性值偏大。2.2 切口方向建筑陶瓷砖表面有釉层,其性能与坯体差异较大。首先测试了4个样品在2个方向上分别加载的3点弯曲测量强度,其中(g l a z e)指的是釉面朝下测量得到301(陶瓷应用)2 0 2 3年1 0月 陶陶 瓷瓷 CC ee rr aa mm ii cc ss 的弯曲强度,(b o d y)指的是坯体朝下测量得到的弯曲强度,也即国标G B/T3 8 1 0.41中规定的测量方式。2种加载方式的测量示意图见图4,测量结果见表3。可见,在不同方向上加载所得到的弯曲强度(
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