功能梯度材料的微观结构与性能变化

功能梯度材料（functionally graded material，FGM）这个词由日本学者于20世纪80年代中期最先提出。功能梯度是指材料的微观结构和成分逐步过渡，因此，材料的各种性能（包括力学性能、热性能）沿某个方向是逐步变化的。功能梯度的主要优点有：

（1）有利于抑制自由边界或界面交接处的应力集中现象；

（2）与突变的界面相比，可使不同固体之间的界面接合强度提高；

（3）有利于降低热应力；

（4）有利于增大裂纹扩展的阻力；

（5）有利于推迟塑性屈服的发生。

使材料功能产生梯度的方法有：通过粉末混合、堆垛和烧结来产生梯度；利用质量、热和流体的传输使材料产生梯度。利用粉末冶金法生产的样品如图9-23所示，沿着水平方向，陶瓷相的成分不断增加，而金属相的成分不断减少。

图9-23　ZrO2 Cr-Ni合金FGM［13］

金属-陶瓷梯度结构的有效性质可以用混合律来近似估计。如沿梯度方向的弹性模量为

式中：f1、f2是两个相的体积分数。在不产生梯度的方向上有(www.xing528.com)

热膨胀系数的预测可参考第10章中的有关内容。

在试样自由边缘附近，在应力集中部位很容易引发裂纹。此外，裂纹的形核机制可以是金属-陶瓷界面的陶瓷一侧的脆性拉伸断裂，或者金属一侧由于塑性应变累积（由于热循环）或孔洞生长造成的延性失效，或界面开裂。

功能梯度材料的断裂阻力随空间位置的变化而变化。考虑非均匀介质中存在一裂纹的情况，如图9-24所示。材料泊松比恒定，剪切模量按下式变化：

图9-24　梯度介质中的中心裂纹

Konda与Erdogan［14］的研究表明，裂尖的奇异场（在x=c附近）为

是已知的无量纲函数。

对于图9-24所示的梯度介质，只要剪切模量和泊松比分段连续，则可用应力强度因子方法，对其进行断裂分析。不过梯度材料的断裂韧度随位置而变化，目前还缺乏有效的确定韧度的方法，包括理论分析方法和试验方法。