Page 107 - 《爆炸与冲击》2026年第2期

第 46 卷 蔡治城，等： 陶瓷材料Ⅰ型动态断裂韧性的新型测试方法 第 2 期

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图 13 为 1.83 TPa∙m ∙s 加载速率下的断口形貌。其中，图 13(a) 为裂尖边缘区域的微观组织，整体
较为粗糙且存在较多解理面，该情况与图 12(a) 较为类似。放大后发现裂尖局部区域存在大量贯穿晶粒而
形成的穿晶裂纹，见图 13(b)。进一步放大可知裂纹以沿晶和穿晶交替混合的形式发生扩展（见图 13(c)），
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图中黄色虚线为穿晶断裂线。而且，相对于较低的加载速率（图 12），1.83 TPa∙m ∙s 下的断口存在更多
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的穿晶断裂形貌，说明高加载速率有利于穿晶断裂的形成。此外，在更高放大倍数下可以观察到氧化铝
晶粒中存在滑移带，见图 13(c)，这是氧化铝陶瓷在高加载速率下所特有的形貌特征。
由以上分析可知，氧化铝陶瓷在动态加载下的断口存在大量解理台阶。在较低加载速率下，晶粒内
部出现微裂纹，但并未扩展至周围晶粒。另外，断口表面存在大量沿晶断裂的特点，表明材料主要以沿
晶断裂模式发生失效。在更高的加载速率下，断口出现了贯穿多个晶粒的穿晶裂纹，而且穿晶和沿晶的
混合断裂模式主导了材料的失效。在本文加载条件下，氧化铝陶瓷在不同加载速率下的微观形貌差异
与其在压缩和拉伸条件下的研究结果基本一致 [20-22] ，即随着加载速率的增加，材料失效形貌由沿晶断裂
转变为沿晶与穿晶相混合的断裂。
陶瓷材料晶界的杂质和气孔等缺陷使得其晶界强度通常低于晶内强度，因此在较低加载速率下沿
晶断裂占据主导地位。相对而言，高加载速率激活了更多位于晶粒内部和晶界的微缺陷，这些微缺陷扩
展并形成微裂纹，导致了穿晶和沿晶混合断裂模式的发生。大量微裂纹的扩展需要耗散更多能量，从而
提高了氧化铝陶瓷的断裂韧性值。这是氧化铝陶瓷断裂韧性随加载速率的提高而增加的根本原因。

4 结 论

基于霍普金森压杆技术，采用新设计的微型Ⅰ型断裂试样和三点弯曲夹具对氧化铝陶瓷开展了不
同加载速率下的动态断裂实验，研究了氧化铝陶瓷Ⅰ型动态断裂韧性随加载速率的变化规律，并分析了
材料失效的微观机理。主要得到以下结论。
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(1) 采用实验-数值法，在 0.45～1.83 TPa∙m ∙s 加载速率范围获得了氧化铝陶瓷的动态断裂韧性。
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通过实测应变信号与数值模拟结果的对比验证了该方法的可靠性。
(2) 氧化铝陶瓷的Ⅰ型动态断裂韧性表现出明显的加载速率强化效应。在本文加载速率范围内，材
料的韧性值提高了 87.8%。此外，试样的起裂时间随加载速率升高而减小。
(3) 在 0.45 TPa∙m ∙s 加载速率下，氧化铝陶瓷主要以沿晶断裂发生失效。随着加载速率的提高，氧
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化铝陶瓷表现出穿晶断裂和沿晶断裂相混合的失效模式。
(4) 随着加载速率的提高，更多位于晶粒内部和晶界的缺陷被激活并扩展形成微裂纹，从而导致穿
晶和沿晶混合断裂模式的发生。随着加载速率的提高，失效模式的转变是导致氧化铝陶瓷断裂韧性增
加的根本原因。

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