陶瓷物理力學(xué)性能學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1陶瓷陶瓷(toc)物理力學(xué)性能物理力學(xué)性能第一頁(yè)，共75頁(yè)。1.1.陶瓷陶瓷(toc)(toc)基本物理性基本物理性能能1.1 陶瓷的密度陶瓷的密度(md)及測(cè)及測(cè)試試 密度是指單位體積的質(zhì)量，常用g/cm3表示。陶瓷材料密度有如下幾種表示：1）結(jié)晶學(xué)密度：是指原子組成的沒(méi)有缺陷的連續(xù)晶格計(jì)算出來(lái)的理想密度。2）理論密度：與結(jié)晶學(xué)密度同義，但考慮了固溶體和多相。3）體積密度：陶瓷體實(shí)際測(cè)出的密度，包括陶瓷內(nèi)部所有的晶格缺陷，各種相組成和制造中形成的氣孔。4）相對(duì)密度：指陶瓷實(shí)測(cè)體積密度與其理論密度比值的相對(duì)百分?jǐn)?shù)。 前兩種密度是指陶瓷內(nèi)沒(méi)有缺陷的理想情況，意味著制造過(guò)程形成的氣孔為零，

2、所以在結(jié)構(gòu)內(nèi)的原子之間只有間隙。在含有(hn yu)制造過(guò)程中形成的缺陷和氣孔的情況下，通常使用體積密度或相對(duì)密度。第2頁(yè)/共75頁(yè)第二頁(yè)，共75頁(yè)。第3頁(yè)/共75頁(yè)第三頁(yè)，共75頁(yè)。 在陶瓷、金屬、有機(jī)(yuj)高分子這三類材料中，有機(jī)(yuj)材料的密度最低，這是因?yàn)橛袡C(jī)(yuj)材料主要有C和H及其他相對(duì)原子質(zhì)量小的元素如Cl和F構(gòu)成的。材料的密度由什么決定呢？金屬密度金屬密度(md)相對(duì)較高相對(duì)較高密度密度(md)相相對(duì)較小對(duì)較小第4頁(yè)/共75頁(yè)第四頁(yè)，共75頁(yè)。密度密度(md)(md)的影響因素的影響因素 1）陶瓷材料的密度主要取決于元素的尺寸、元素的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)堆積的緊密程度(chn

3、gd)。原子序數(shù)和相對(duì)原子質(zhì)量小的元素（如H、Be、C、Si等）使材料具有低的結(jié)晶學(xué)密度或理論密度；原子序數(shù)和相對(duì)原子質(zhì)量大的元素（如W、Zr、Th釷、U等）使材料具有高的結(jié)晶學(xué)密度或理論密度。 2）原子堆積情況也產(chǎn)生一定影響，但影響較小。金屬鍵合陶瓷中的原子形成緊密堆積，會(huì)使其密度比共價(jià)鍵鍵合陶瓷（較開(kāi)放的結(jié)構(gòu)）的密度更高一些，例如鋯英石(ZrSiO3)和氧化鋯(ZrO2)，若單從相對(duì)原子質(zhì)量看會(huì)以為鋯英石的密度 更高一些，然而，鋯英石結(jié)構(gòu)由于Si-O共價(jià)鍵合，形成開(kāi)放式內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因而ZrSiO3密度（4.65 g/cm3 ）比ZrO2（5.8 g/cm3 ）低很多。第5頁(yè)/共75頁(yè)第五頁(yè)，

4、共75頁(yè)。密度的計(jì)算密度的計(jì)算(j sun)(j sun)與測(cè)量與測(cè)量1）結(jié)晶學(xué)密度或理論密度可以從晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（晶胞參數(shù)）和所含元素的相對(duì)原子質(zhì)量通過(guò)計(jì)算得到(d do)。2）陶瓷體（燒結(jié)后）的體積密度的測(cè)量通常采用排水法，按阿基米德原理計(jì)算出來(lái)。測(cè)量步驟：在空氣中先稱出陶瓷試樣的質(zhì)量D；將試樣放在沸水中煮沸2-5h，然后冷卻至室溫，靜放24h;將陶瓷試樣懸掛在水中稱其質(zhì)量S；將試樣在水中取出，并用干凈棉紙或紗布輕輕將試樣表面的水擦去，在空氣中稱其質(zhì)量W；體積密度： 顯氣孔率： SWD%100SWDWP第6頁(yè)/共75頁(yè)第六頁(yè)，共75頁(yè)。密度的計(jì)算密度的計(jì)算(j sun)(j sun)與測(cè)量與

5、測(cè)量3）此外，還有一種較為簡(jiǎn)單，但精度稍低的方法，即在含聯(lián)通氣孔的陶瓷試樣表面涂上一層密封性好的石蠟層，此時(shí)可按無(wú)聯(lián)通氣孔，即不吸水的陶瓷材料直接用排水法測(cè)定。 體積密度： 吸水率：4）如果陶瓷具有簡(jiǎn)單的均勻?qū)ΨQ的幾何形狀，則可通過(guò)測(cè)量外形尺寸計(jì)算出體積，在稱量試樣在空氣中干重，進(jìn)而求出體積密度。5）對(duì)于陶瓷素坯（燒結(jié)前）的體積密度測(cè)定，則不能采用(ciyng)“水煮法”（因易吸附水，進(jìn)而與水反應(yīng)，造成性能的改變）。 SDDDDWA規(guī)則形狀：測(cè)體積和干重規(guī)則形狀：測(cè)體積和干重(n zhn)計(jì)算計(jì)算復(fù)雜形狀：表面涂石蠟，排水法復(fù)雜形狀：表面涂石蠟，排水法排汞法：原理和排水法相同，液態(tài)汞在常壓下不

6、潤(rùn)濕陶瓷排汞法：原理和排水法相同，液態(tài)汞在常壓下不潤(rùn)濕陶瓷第7頁(yè)/共75頁(yè)第七頁(yè)，共75頁(yè)。1.2 陶瓷陶瓷(toc)硬度及表征硬度及表征硬度：材料抵抗(dkng)硬的物體壓陷表面或破壞的能力。常見(jiàn)硬度常見(jiàn)硬度表示法表示法莫氏硬度莫氏硬度用于陶瓷和礦物的硬度測(cè)試，為劃痕測(cè)試布氏硬布氏硬度度H HB B主要用于測(cè)定金屬材料中較軟及中等硬度的材料洛氏硬洛氏硬度度H HV V用于硬質(zhì)金屬和陶瓷材料維氏硬維氏硬度度用于較硬材料，如陶瓷努普硬努普硬度度H HK K用于較脆而薄材料，如玻璃顯微鏡度顯微鏡度用于陶瓷材料薄膜，在顯微觀察時(shí)評(píng)定某一組織或某一相的硬度第8頁(yè)/共75頁(yè)第八頁(yè)，共75頁(yè)。由于測(cè)量方法

7、不同，測(cè)得的硬度(yngd)所代表的材料性能也各異。金屬材料：常用的硬度測(cè)量方法是在靜載荷下將一種硬的物體壓入材料，這樣測(cè)得的硬度主要反映材料抵抗塑性形變的能力。陶瓷、礦物材料：常用劃痕法測(cè)試硬度，反映材料抵抗破壞的能力。 所以，硬度沒(méi)有統(tǒng)一的定義(dngy)，各種硬度的單位也不同，彼此間沒(méi)有固定的換算關(guān)系。 陶瓷材料硬度測(cè)試必須要用金剛石壓頭(y tu)，陶瓷材料硬度較高，其他材料的壓頭(y tu)可能被扭曲，即使是金剛石壓頭(y tu)也存在被壓裂的危險(xiǎn)，所以壓頭(y tu)要定期檢查。第9頁(yè)/共75頁(yè)第九頁(yè)，共75頁(yè)。幾種幾種(j zhn)硬度測(cè)試硬度測(cè)試方法方法（1）莫氏硬度 定義：陶

8、瓷及礦物材料所用的劃痕硬度叫莫氏硬度。 是一系列礦物互相對(duì)比而成的一個(gè)(y )序列。第10頁(yè)/共75頁(yè)第十頁(yè)，共75頁(yè)。（2）維氏硬度 維氏硬度符號(hào)為Hv,維氏硬度測(cè)量的壓頭是一相對(duì)兩面夾角為136的金剛石正四棱錐型壓頭，在一定載荷P的作用下壓入試樣表面，在規(guī)定保壓時(shí)間后卸除載荷。 在試樣測(cè)試面上壓出一個(gè)正方形的壓痕，在讀數(shù)顯微鏡下測(cè)量該正方形壓痕兩對(duì)角線d1和d2的長(zhǎng)度，算出平均值d=(d1+d2)/2,并算出壓痕凹面的面積(min j)F，即可計(jì)算出維氏硬度P/F,單位MPa.28544. 1dPFPHv第11頁(yè)/共75頁(yè)第十一頁(yè)，共75頁(yè)。維氏硬度實(shí)測(cè)中需要注意三點(diǎn)：測(cè)試中載荷P大小應(yīng)根

9、據(jù)試樣大小、厚薄及材料性質(zhì)決定。對(duì)于陶瓷從9.807-294.21N中選擇；被測(cè)試樣的上下表面必須(bx)平行，測(cè)試表面不能有油污或臟點(diǎn)，需拋光成鏡面，且試樣的厚度至少大于壓痕對(duì)角線的2倍；為了避免材料局部不均勻性引起大的誤差，同一試樣上至少測(cè)定不同位置的3-5個(gè)點(diǎn)，求其平均值。試樣在常溫下進(jìn)行的保壓時(shí)間為10-20s。第12頁(yè)/共75頁(yè)第十二頁(yè)，共75頁(yè)。（3）洛氏硬度HRC 洛氏硬度測(cè)試一般采用120的圓錐形金剛石壓頭，測(cè)量壓痕深度值的大小來(lái)表示材料的硬度值。 洛氏硬度的測(cè)試是在先后兩次施加載荷（初始載荷P0及總載荷P)的作用(zuyng)下，將標(biāo)準(zhǔn)型壓頭（金剛石圓錐）壓入試樣表面，總載荷

10、P為P0及主載荷P1之和，即P=P0+P1. 在加總負(fù)荷P并卸除主負(fù)荷P1后，在初始負(fù)荷P0繼續(xù)作用(zuyng)下，由主負(fù)荷P1所引起的殘余壓入深度e來(lái)計(jì)算洛氏硬度，樹(shù)脂e以規(guī)定單位0.002mm表示。第13頁(yè)/共75頁(yè)第十三頁(yè)，共75頁(yè)。（4）努普硬度HK 這種方法最初是為了避免維氏硬度測(cè)試中產(chǎn)生的裂紋，用來(lái)測(cè)量玻璃的顯微硬度。也被廣泛應(yīng)用于陶瓷。 努普硬度所用壓頭很長(zhǎng)，是一般維氏法中同樣載荷下壓痕的2.5倍，所以壓痕更易于(yy)測(cè)量。 努普金剛石壓頭主軸方向的壓痕是副軸方向的7倍，硬度計(jì)算和維氏相似，但用的是壓痕的投影面積而不是實(shí)際表面積。第14頁(yè)/共75頁(yè)第十四頁(yè)，共75頁(yè)。不同不同

11、(b tn)測(cè)試方法的差別：測(cè)試方法的差別：陶瓷硬度測(cè)試的最好方法是哪一種？首先取決于做硬度測(cè)試的目的。為了測(cè)量高載荷下材料抵抗壓入的性能，最好測(cè)試維氏硬度，但這種測(cè)量方法存在個(gè)人操作帶來(lái)的讀書差異，高載荷可能會(huì)使試樣粉碎；洛氏硬度操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)重復(fù)性好，不存在個(gè)人操作帶來(lái)的讀數(shù)差異，；對(duì)于努氏硬度， 1、由于使用壓頭的特殊形狀，試驗(yàn)時(shí)能產(chǎn)生長(zhǎng)短對(duì)角線為7:1的棱形壓痕。原理規(guī)定只測(cè)量長(zhǎng)對(duì)角線長(zhǎng)度，具有較高的測(cè)量精度。 2、努氏硬度試驗(yàn)的壓痕壓入深度只有長(zhǎng)對(duì)角線長(zhǎng)度的1 /30，維氏硬度試驗(yàn)的壓痕壓入深度為對(duì)角線長(zhǎng)度的1/7，所以努氏硬度試驗(yàn)適用于表層硬度和薄件的硬度測(cè)試。 3、同一試樣在同一

12、負(fù)荷(fh)下，努氏硬度壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度約為維氏硬度壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度的3倍，大大優(yōu)于維氏測(cè)量法。第15頁(yè)/共75頁(yè)第十五頁(yè)，共75頁(yè)。陶瓷硬度的影響陶瓷硬度的影響(yngxing)因因素素1） 陶瓷、晶體、礦物材料的硬度主要取決于結(jié)合鍵類型、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。 離子半徑越小、離子電價(jià)越高、配位數(shù)越大、結(jié)合能越大，抵抗外力摩擦、刻劃及壓入的能力也就越強(qiáng)，硬度就越大；2） 陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)、裂紋、雜質(zhì)等都對(duì)硬度有影響；3） 溫度對(duì)陶瓷硬度的影響。 溫度升高，硬度降低。因?yàn)樗胁牧系那?yīng)力都會(huì)隨著溫度升高（至某一顯著溫度）而降低，所以隨著壓頭深入變得越來(lái)越容易，而材料的其他性能(xngnng)（如

13、強(qiáng)度或楊氏模量）都沒(méi)有迅速降低時(shí)，硬度值便開(kāi)始下降了。第16頁(yè)/共75頁(yè)第十六頁(yè)，共75頁(yè)。1.3 陶瓷陶瓷(toc)的熔融及蒸發(fā)的熔融及蒸發(fā)陶瓷的熔點(diǎn)(rngdin)：許多氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷都具有高的熔點(diǎn)(rngdin)。 固體材料的熔點(diǎn)取決于內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力的大小，即晶體中化學(xué)鍵的類型和它的強(qiáng)弱(qin ru)程度。第17頁(yè)/共75頁(yè)第十七頁(yè)，共75頁(yè)。 陶瓷(toc)的融化是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，影響材料熔點(diǎn)的因素還有結(jié)構(gòu)的類型、配位情況、離子半徑的大小、極化作用等許多因素。 ZrO2,HfO2,ThO2較MgO,CaO,SrO的熔點(diǎn)高，是因?yàn)榍罢呤?4價(jià)的陽(yáng)離子，較后者+2價(jià)陽(yáng)離子與

14、-2價(jià)O離子之間有更強(qiáng)的吸引力。陶瓷(toc)的蒸發(fā)： 大多數(shù)陶瓷(toc)的蒸氣壓都很小，特別是離子鍵為主的氧化物陶瓷(toc)。例如，Al2O3在接近熔點(diǎn)時(shí)蒸氣壓只有 Pa，因此在常壓下是穩(wěn)定的，不會(huì)發(fā)生氣化分解； 在大多數(shù)晶體材料的平衡狀態(tài)圖中，三相點(diǎn)的飽和蒸汽壓都低于常壓，因此常壓下加熱先融化再氣化分解；210第18頁(yè)/共75頁(yè)第十八頁(yè)，共75頁(yè)。 但有一些晶體材料，三相點(diǎn)的飽和蒸汽壓高于常壓，因此在常壓下沒(méi)有熔點(diǎn)，只有從固態(tài)直接到氣態(tài)的升華與分解溫度(wnd)。 共價(jià)鍵氮化物或碳化物陶瓷，自擴(kuò)散系數(shù)很小，高溫時(shí)易于分解蒸發(fā)。如氮化硅陶瓷，溫度(wnd)在1800以上時(shí)，分解蒸發(fā)已經(jīng)比

15、較劇烈； 石墨在常壓下約3050 時(shí)汽化，只有在100個(gè)大氣壓下才能使石墨融化成液態(tài)。第19頁(yè)/共75頁(yè)第十九頁(yè)，共75頁(yè)。二、陶瓷二、陶瓷(toc)(toc)力學(xué)性能及表征力學(xué)性能及表征彈性變形與彈性模量陶瓷強(qiáng)度及表征陶瓷的斷裂韌性及表征第20頁(yè)/共75頁(yè)第二十頁(yè)，共75頁(yè)。2.1 彈性變形彈性變形(bin xng)與彈性模量與彈性模量1. 彈性彈性(tnxng)變形變形 與金屬和有機(jī)材料(cilio)不同，陶瓷材料(cilio)具有彈性模量高、抗壓強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度高、高溫蠕變小等優(yōu)異的力學(xué)性能；同時(shí)，其斷裂韌性低，表現(xiàn)出脆性斷裂。 材料在外力的作用下都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的形變。形變的大小和類型取決于

16、材料的化學(xué)鍵、應(yīng)力和溫度。對(duì)于每種材料，在一定的應(yīng)力極限范圍內(nèi)應(yīng)變是可逆的，即在應(yīng)力取消時(shí)，應(yīng)變便消失，這就叫彈性形變。如果外力較大，當(dāng)它的作用停止時(shí)，所引起的形變并不完全消失，而有剩余形變，外力去除后不能恢復(fù)的那部分變形稱為塑性形變。彈性形變塑性形變第21頁(yè)/共75頁(yè)第二十一頁(yè)，共75頁(yè)。原子間距離原子間距離應(yīng)應(yīng)力力d0在微觀領(lǐng)域，宏觀上的彈性形變對(duì)應(yīng)于微觀的粒子偏離平衡位置的偏離量，宏觀的應(yīng)力則對(duì)應(yīng)于由于(yuy)偏離平衡位置而引起的原子間引力的變化量。如果外力太大，分子間的距離被拉開(kāi)得太多，分子就會(huì)滑進(jìn)另一個(gè)穩(wěn)定的位置，即使外力除去后，也不能再回到復(fù)原位，就會(huì)保留永久的變形。金屬金屬(j

17、nsh)陶瓷陶瓷(toc)第22頁(yè)/共75頁(yè)第二十二頁(yè)，共75頁(yè)。 基于上述原因，位錯(cuò)在金屬中運(yùn)動(dòng)的阻力遠(yuǎn)小于陶瓷，極易產(chǎn)生滑移運(yùn)動(dòng)和塑性變形。陶瓷中位錯(cuò)極難運(yùn)動(dòng)，幾乎不發(fā)生塑性變形。因此塑韌性(rn xn)差成了陶瓷材料的致命弱點(diǎn)，也是影響陶瓷材料工程應(yīng)用的主要障礙。 由于陶瓷材料無(wú)塑性，陶瓷強(qiáng)度主要指它的斷裂強(qiáng)度f(wàn)。金屬鍵沒(méi)有方向性，而離子鍵與共價(jià)鍵都具有(jyu)明顯的方向性；金屬晶體(jngt)的原子排列取最密排、最簡(jiǎn)單、對(duì)稱性高的結(jié)構(gòu)，而陶瓷材料晶體(jngt)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)稱性低；金屬中相鄰原子(或離子)電性質(zhì)相同或相近，價(jià)電子組成公有電子云，不屬于個(gè)別原子或離子，屬于整個(gè)晶體。陶瓷

18、材料中，若為離子鍵，則正負(fù)離子相鄰，位錯(cuò)在其中若要運(yùn)動(dòng)，會(huì)引起同號(hào)離子相遇，斥力大，位能急劇升高。陶瓷材料與金屬相比室溫下不出現(xiàn)塑性變形或很難發(fā)生塑性變形原因：第23頁(yè)/共75頁(yè)第二十三頁(yè)，共75頁(yè)。 對(duì)于拉伸(l shn)應(yīng)力，應(yīng)力和應(yīng)變之間存在簡(jiǎn)單的比例關(guān)系，比例常數(shù)E叫做彈性模量或楊氏模量。E 對(duì)于剪切載荷(zi h)，剪切應(yīng)力和應(yīng)變Y之間的比例關(guān)系可以用比例常數(shù)G表示，G叫做剪切模量或剛性模量。GY 并非陶瓷在任何條件下都呈脆性(cuxng)狀態(tài)，也并非所有金屬都是塑形狀態(tài)。大多數(shù)陶瓷在高溫下具有塑形變形。這是由于高溫下陶瓷可發(fā)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、晶界滑移、晶界玻璃相軟化等。2. 彈性模量彈性

19、模量第24頁(yè)/共75頁(yè)第二十四頁(yè)，共75頁(yè)。 彈性模量在工程上反映材料剛度的大小，在微觀上反映原子的鍵和強(qiáng)度(qingd)。鍵和越強(qiáng)，則使原子間隙加大所需的應(yīng)力越大，彈性模量就越高。第25頁(yè)/共75頁(yè)第二十五頁(yè)，共75頁(yè)。原子間距離應(yīng)應(yīng)力力d0模量對(duì)應(yīng)于圖中的應(yīng)力(yngl)位移曲線的斜率從圖中可以看到，原子間的作用力越強(qiáng)則其引力位移曲線的斜率越大，共價(jià)鍵離子鍵結(jié)合的固體其結(jié)合力大，故模量也較高。從圖中也可以看出(kn ch)，改變?cè)娱g距離也可以改變彈性模量，壓應(yīng)力使原子間距離縮小，導(dǎo)致彈性模量升高，拉應(yīng)力使原子間距增大，E下降。溫度升高，間距增大，E降低。彈性模量的意義： 材料產(chǎn)生單位應(yīng)變

20、所需的應(yīng)力(yngl)，大小反映了材料原子間結(jié)合力的大小。熔點(diǎn)和彈性模量均反映了原子間結(jié)合力的大小，因此一般情況下兩者保持正比關(guān)系。amVkTE100原子或者分子體積原子或者分子體積波爾茨曼常數(shù)波爾茨曼常數(shù)第26頁(yè)/共75頁(yè)第二十六頁(yè)，共75頁(yè)。EE1V1E2V2EE1E2 / (E1V2E2V1)陶瓷材料彈性模量陶瓷材料彈性模量(tn xn m lin)位于位于E 與與E之間。之間。 由于陶瓷中存在一定氣孔，因此氣由于陶瓷中存在一定氣孔，因此氣孔孔被認(rèn)為被認(rèn)為(rnwi)是陶瓷中不可忽視的組成是陶瓷中不可忽視的組成相。此時(shí)彈性模量為：相。此時(shí)彈性模量為：bpeEE0E0是氣孔率為零時(shí)的彈性模

21、量，是氣孔率為零時(shí)的彈性模量，b為與制備工藝有關(guān)為與制備工藝有關(guān)(yugun)的常數(shù)，的常數(shù)，P為氣孔的體積百分含量。為氣孔的體積百分含量。多相結(jié)構(gòu)的彈性模量 第27頁(yè)/共75頁(yè)第二十七頁(yè)，共75頁(yè)。3. 彈性變形彈性變形(bin xng)的測(cè)定的測(cè)定彈性模量的測(cè)試通常有兩種方法：靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法。 靜態(tài)法是直接測(cè)試應(yīng)力和應(yīng)變，在通過(guò)(tnggu)測(cè)量應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率得到彈性模量。其中應(yīng)變的測(cè)量分兩種：應(yīng)變的測(cè)量貼應(yīng)變片來(lái)記錄應(yīng)變由彎曲試樣的撓度來(lái)計(jì)算應(yīng)變?nèi)c(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲的加載方式 動(dòng)態(tài)法是給試樣一個(gè)(y )激勵(lì)使之發(fā)生振動(dòng)，測(cè)定試樣的共振頻率，通過(guò)下式計(jì)算：2cmfE C為常數(shù)，取決于試樣

22、大小和形狀以及泊松比，m為試樣質(zhì)量，f為振動(dòng)頻率。第28頁(yè)/共75頁(yè)第二十八頁(yè)，共75頁(yè)。2/10)(Ec材料(cilio)比表面能原子間距離p 理論強(qiáng)度：根據(jù)原子鍵斷裂來(lái)計(jì)算得到的強(qiáng)度；p 實(shí)際強(qiáng)度：若將材料內(nèi)部和表面的各種缺陷，如裂紋、氣孔或夾雜物都考慮，則所測(cè)強(qiáng)度為實(shí)際強(qiáng)度。p 根據(jù)測(cè)試方法不同，可將陶瓷強(qiáng)度分為拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度。 材料剛度越大，表面能越大，原子間距越小，即結(jié)合越緊密，材料剛度越大，表面能越大，原子間距越小，即結(jié)合越緊密，理論強(qiáng)度越大。理論強(qiáng)度越大。第29頁(yè)/共75頁(yè)第二十九頁(yè)，共75頁(yè)。材料中存在的缺陷使得(sh de)實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度。（2）氣孔(q

23、kng)的影響 bpfe01. 缺陷(quxin)對(duì)強(qiáng)度的影響（1）裂紋的影響21)(cEAf f為斷裂應(yīng)力，為斷裂能量，C為缺陷尺寸，A為常數(shù)，取決于試樣和缺陷的幾何形狀。E0是氣孔率為零時(shí)的彈性模量，是氣孔率為零時(shí)的彈性模量，b為與制備工為與制備工藝有關(guān)的常數(shù)，藝有關(guān)的常數(shù)，P為氣孔的體積百分含量。為氣孔的體積百分含量。氣孔的存在，一方面會(huì)減小與強(qiáng)度直接相關(guān)的彈性模量；另一方面氣孔往往是陶瓷材料內(nèi)部裂紋形成的發(fā)源地，因此氣孔會(huì)顯著降低陶瓷的強(qiáng)度。第30頁(yè)/共75頁(yè)第三十頁(yè)，共75頁(yè)。（3)夾雜物的影響夾雜物通常(tngchng)是指陶瓷制備工藝過(guò)程中引入的外來(lái)雜質(zhì)。夾雜物夾雜物有機(jī)有機(jī)經(jīng)過(guò)

24、高溫處理后，會(huì)經(jīng)過(guò)高溫處理后，會(huì)發(fā)生變化課程成為缺發(fā)生變化課程成為缺陷陷無(wú)機(jī)無(wú)機(jī)保留在陶保留在陶瓷內(nèi)瓷內(nèi)和基體熱膨脹系數(shù)差別和基體熱膨脹系數(shù)差別大，燒結(jié)冷卻過(guò)程中在大，燒結(jié)冷卻過(guò)程中在夾雜物附近形成裂紋夾雜物附近形成裂紋和基體彈性模量差別大，和基體彈性模量差別大，施加壓力時(shí)形成裂紋施加壓力時(shí)形成裂紋 當(dāng)夾雜物比集體具有低的熱膨脹系數(shù)(png zhng xsh)和低的彈性模量時(shí)，陶瓷的強(qiáng)度降低很多，這時(shí)材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生張應(yīng)力；當(dāng)夾雜物的熱膨脹系數(shù)(png zhng xsh)或彈性模量高于基體材料時(shí)，對(duì)陶瓷材料的強(qiáng)度影響較小。第31頁(yè)/共75頁(yè)第三十一頁(yè)，共75頁(yè)。2. 拉伸和彎曲強(qiáng)度（1）拉伸強(qiáng)度

25、拉伸強(qiáng)度也叫抗拉強(qiáng)度(kn l qin d)，是指材料在單向均勻拉應(yīng)力作用下斷裂時(shí)的應(yīng)力值，其計(jì)算可用斷裂時(shí)的載荷P除以試樣的橫截面積A。APt 拉伸強(qiáng)度測(cè)試在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，一般用于具有塑形特征的金屬，通過(guò)測(cè)量可確定材料的屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)值。陶瓷較少測(cè)試?yán)煨阅埽驗(yàn)椋?.拉伸試樣制作困難、成本高；2.拉伸試樣要求試件內(nèi)應(yīng)力均勻分布，陶瓷等脆性材料很難達(dá)到。 拉伸試樣要求非常光滑和對(duì)稱，試驗(yàn)機(jī)尖頭絕對(duì)(judu)垂直隊(duì)中，這就 使得拉伸費(fèi)用高而且精度難于保證。第32頁(yè)/共75頁(yè)第三十二頁(yè)，共75頁(yè)。（2）彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度也叫抗彎強(qiáng)度，是指材料在彎曲應(yīng)力作用下，受拉面斷裂(dun l

26、i)時(shí)的最大應(yīng)力。試件橫截面通常為矩形，制作成本遠(yuǎn)低于拉伸強(qiáng)度試件?？箯潖?qiáng)度依據(jù)加載方式不同可分為三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲。上支點(diǎn)上支點(diǎn)(zhdin)(zhdin)跨度?？缍?。試樣(sh yn)尺寸：36mmx4mmx3mm第33頁(yè)/共75頁(yè)第三十三頁(yè)，共75頁(yè)。力學(xué)性能測(cè)試中應(yīng)力(yngl)分布： 因暴露于高應(yīng)力下大的缺陷的幾率較大，四點(diǎn)彎曲(wnq)得出的強(qiáng)度值比三點(diǎn)彎曲(wnq)值要低一些。 對(duì)于彎曲(wnq)強(qiáng)度，測(cè)量斷面的整個(gè)體積內(nèi)都處于高應(yīng)力狀態(tài)，因此，其值低于彎曲(wnq)強(qiáng)度值。第34頁(yè)/共75頁(yè)第三十四頁(yè)，共75頁(yè)。第35頁(yè)/共75頁(yè)第三十五頁(yè)，共75頁(yè)。（3）壓縮強(qiáng)度）壓縮強(qiáng)度(

27、qingd) 又叫抗壓強(qiáng)度又叫抗壓強(qiáng)度(qingd)，是指一定尺寸和形狀的陶瓷試樣在規(guī)定的試驗(yàn)，是指一定尺寸和形狀的陶瓷試樣在規(guī)定的試驗(yàn)機(jī)上受軸向應(yīng)力作用時(shí)，單位面積上所承受的載荷。機(jī)上受軸向應(yīng)力作用時(shí)，單位面積上所承受的載荷。APc試樣(sh yn)要求，高度：直徑=2：1 陶瓷材料的壓縮強(qiáng)度較拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度高很多，因而陶瓷部件處于受壓狀態(tài)有利于發(fā)揮陶瓷材料的力學(xué)性能。第36頁(yè)/共75頁(yè)第三十六頁(yè)，共75頁(yè)。3.強(qiáng)度測(cè)量的影響因素(yn s)（1）尺寸效應(yīng)陶瓷材料的強(qiáng)度測(cè)試值隨試樣尺寸的增大而減小，這種現(xiàn)象叫尺寸效應(yīng)。 工程陶瓷材料的強(qiáng)度指標(biāo)通常是指彎曲強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度尺寸效應(yīng)包括長(zhǎng)度效應(yīng)

28、、寬度效應(yīng)和厚度效應(yīng)，其中厚度效應(yīng)最顯著。第37頁(yè)/共75頁(yè)第三十七頁(yè)，共75頁(yè)。（2）加載速率陶瓷的強(qiáng)度(qingd)隨加載速率的增加而增加?？梢哉J(rèn)為，加載速率越大，缺陷對(duì)強(qiáng)度(qingd)的影響越小。第38頁(yè)/共75頁(yè)第三十八頁(yè)，共75頁(yè)。1. 概念陶瓷內(nèi)裂紋尖端存在應(yīng)力(yngl)集中。應(yīng)力(yngl)集中用應(yīng)力(yngl)強(qiáng)度因子K表示。根據(jù)所加載荷相對(duì)裂紋位置的方向，可將裂紋劃分為三種：2.3 陶瓷陶瓷(toc)的斷裂韌性及表征的斷裂韌性及表征 型是陶瓷材料常見(jiàn)的情況，當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度(qingd)因子達(dá)到某一臨界值時(shí)，裂紋會(huì)擴(kuò)展并導(dǎo)致斷裂，這一臨界應(yīng)力強(qiáng)度(qingd)因子稱為材

29、料的斷裂韌性，用KIC表示。第39頁(yè)/共75頁(yè)第三十九頁(yè)，共75頁(yè)。aKfIC 陶瓷與金屬的拉伸強(qiáng)度或彎曲強(qiáng)度并不存在很大差異，但反應(yīng)(fnyng)材料裂紋擴(kuò)展阻力的斷裂韌性卻差別較大，通常低1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。斷裂韌性：斷裂強(qiáng)度無(wú)量(wling)綱因子裂紋(li wn)長(zhǎng)度第40頁(yè)/共75頁(yè)第四十頁(yè)，共75頁(yè)。2. 斷裂韌性的測(cè)試（1）單邊切口梁法 在矩形截面的長(zhǎng)柱狀陶瓷試件中部開(kāi)一個(gè)很小的切口作為預(yù)制裂紋，切口寬度最好(zu ho)不要大于0.25mm，切口深度約為試件高度的0.4-0.5倍，采用三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)直至斷裂。abWPLYKIC223和試樣有關(guān)(yugun)的常數(shù)梁的寬度(k

30、und)梁的高度切口深度斷裂載荷第41頁(yè)/共75頁(yè)第四十一頁(yè)，共75頁(yè)。（2）壓痕法第42頁(yè)/共75頁(yè)第四十二頁(yè)，共75頁(yè)。高溫下晶界第二相，特別是低熔點(diǎn)物質(zhì)的軟化，使晶界產(chǎn)生滑移，從而使陶瓷表現(xiàn)出一定程度(chngd)的塑性，同時(shí)晶界強(qiáng)度大幅度下降，使宏觀承載能力下降、因此高溫下大多數(shù)陶瓷材料是沿晶斷裂。如果要提高陶瓷材料的高溫強(qiáng)度，應(yīng)盡量減少玻璃相和雜質(zhì)成分。1000120013001400載載荷荷位移位移 室溫室溫Si3N4ZrO2ZTASiCAl2O3莫來(lái)石莫來(lái)石200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 2 00 4 00 6 00 8 00 1 0 00

31、 強(qiáng) 度強(qiáng) 度 / MPa溫度溫度 / 熱壓熱壓Si3N4溫度溫度-載荷載荷(zi h)-撓度曲線撓度曲線 幾種陶瓷材料的強(qiáng)度與溫度幾種陶瓷材料的強(qiáng)度與溫度(wnd)關(guān)系曲關(guān)系曲線線 第43頁(yè)/共75頁(yè)第四十三頁(yè)，共75頁(yè)。型型型型型型陶瓷(toc)斷裂韌性與陶瓷(toc)增韌 第44頁(yè)/共75頁(yè)第四十四頁(yè)，共75頁(yè)。02dAdU在平面應(yīng)力在平面應(yīng)力(yngl)條件下：條件下：022EadAdU2/10)/2(aE裂紋擴(kuò)展所需臨界裂紋擴(kuò)展所需臨界(ln ji)應(yīng)力為：應(yīng)力為： 1、斷裂韌性的表征第45頁(yè)/共75頁(yè)第四十五頁(yè)，共75頁(yè)。臨界應(yīng)力強(qiáng)度臨界應(yīng)力強(qiáng)度(qingd)因子因子K1c ： 對(duì)

32、于實(shí)際材料對(duì)于實(shí)際材料(cilio)格里菲斯理論可修正為：格里菲斯理論可修正為： 210212常數(shù)/)(Ea其中，等式的右邊全是材料的力學(xué)性質(zhì)項(xiàng)，即對(duì)于給定的材料必須符合上式才其中，等式的右邊全是材料的力學(xué)性質(zhì)項(xiàng)，即對(duì)于給定的材料必須符合上式才發(fā)生裂紋擴(kuò)展，將臨界發(fā)生裂紋擴(kuò)展，將臨界(ln ji)應(yīng)力強(qiáng)度因子定義為：應(yīng)力強(qiáng)度因子定義為： 2/11aYKfc對(duì)于給定的裂紋長(zhǎng)度，K1c越高說(shuō)明裂紋擴(kuò)展時(shí)需要的臨界應(yīng)力越高。 對(duì)于給定的臨界應(yīng)力，如果K1c越高說(shuō)明裂紋擴(kuò)展時(shí)需要的臨界裂紋長(zhǎng)度越長(zhǎng)。 2/10)/2(aE第46頁(yè)/共75頁(yè)第四十六頁(yè)，共75頁(yè)。2 2、異相彌散強(qiáng)化增韌、異相彌散強(qiáng)化增韌

33、 基體中引入第二相顆粒，利用基體和第二相之間熱膨脹系數(shù)和彈性模量(tn xn m lin)的差異，在試祥制備的冷卻過(guò)程中，在顆粒和基體周圍產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。設(shè)由靜態(tài)應(yīng)力h分解的殘余應(yīng)力為周向張應(yīng)力mr和徑向壓應(yīng)力m，則有下列關(guān)系： 當(dāng)pm，顆粒和基體之間的應(yīng)力使裂紋(li wn)在前進(jìn)過(guò)程中偏轉(zhuǎn)，如圖525所示。 裂紋(li wn)擴(kuò)展至顆粒表面首先偏轉(zhuǎn)，基體中壓縮環(huán)形應(yīng)力軸垂直于裂紋(li wn)面；當(dāng)裂紋(li wn)移至顆粒周圍，則將被吸收到顆粒交界面處。ppmmmphmrEET2121)(裂紋走向裂紋走向 mr張應(yīng)力張應(yīng)力 m 壓應(yīng)力壓應(yīng)力 第二相顆粒(kl)加入后，裂紋偏轉(zhuǎn)及應(yīng)力分布示

34、意圖第47頁(yè)/共75頁(yè)第四十七頁(yè)，共75頁(yè)。顯微結(jié)構(gòu)增韌顯微結(jié)構(gòu)增韌 超細(xì)化和納米化是減小陶瓷饒結(jié)體中氣孔、裂紋和尺寸、數(shù)量和不均勻性的最有效(yuxio)的途徑。顯微結(jié)構(gòu)增韌顯微結(jié)構(gòu)增韌第48頁(yè)/共75頁(yè)第四十八頁(yè)，共75頁(yè)。 利用控制工藝因素，使陶瓷晶粒在原位形成(xngchng)有較大長(zhǎng)徑比的形貌，起到類似于晶須補(bǔ)強(qiáng)的作用，如控制Si3N4制備過(guò)程中的氮?dú)鈮海涂傻玫介L(zhǎng)徑比不同的條狀、針狀晶粒，這種晶粒形狀對(duì)斷裂韌性有較大影響。顯微結(jié)構(gòu)增韌顯微結(jié)構(gòu)增韌第49頁(yè)/共75頁(yè)第四十九頁(yè)，共75頁(yè)。 (1) 表面(biomin)微氧化技術(shù) 對(duì)Si3N4SiC等非氧化物陶瓷，通過(guò)控制表面氧化技術(shù)，

35、可消除表面缺陷，達(dá)到(d do)強(qiáng)化目的。 (2) 表面退火(tu hu)處理 陶瓷材料在低于燒結(jié)溫度下長(zhǎng)時(shí)間退火，一方面可消除因燒結(jié)快冷產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，另一方面可以消除加工引起的表面應(yīng)力，同時(shí)可以彌合表面和次表面的裂紋。 (3) 離子注入表面改性 離子注入使表面引入壓應(yīng)力，從而使強(qiáng)度明顯增加。 (4) 其它方法 激光表面處理、機(jī)械化學(xué)拋光等也是消除表面缺陷、改善表面狀態(tài)、提高韌性的重要手段。 表面強(qiáng)化和增韌表面強(qiáng)化和增韌 第50頁(yè)/共75頁(yè)第五十頁(yè)，共75頁(yè)。采用一相對(duì)(xingdu)兩面夾角為136的金剛石正四棱錐形壓頭，在一定負(fù)荷P作用下壓入試樣表面，保壓1020s，卸除負(fù)荷，則在試樣測(cè)試

36、面上壓出一個(gè)正方形的壓痕，在顯微鏡下測(cè)量壓痕兩對(duì)角線的長(zhǎng)度，分別為d1和d2，算出平均值d，根據(jù)下式，可求出維氏硬度值。 式中：式中：P為負(fù)荷，為負(fù)荷，N；F為壓痕凹面面積，為壓痕凹面面積，mm2；d為壓痕兩對(duì)角線長(zhǎng)度，為壓痕兩對(duì)角線長(zhǎng)度，mm；Hv為維氏硬為維氏硬度值，度值，MPa。 負(fù)荷負(fù)荷P的大小，可以根據(jù)試樣的厚薄、大小、材料的性質(zhì)來(lái)確定。日本采用維氏硬度測(cè)的大小，可以根據(jù)試樣的厚薄、大小、材料的性質(zhì)來(lái)確定。日本采用維氏硬度測(cè)定精細(xì)陶瓷材料的硬度，壓痕負(fù)荷一般為定精細(xì)陶瓷材料的硬度，壓痕負(fù)荷一般為10N和和100N。但需注意試樣的厚度至少大于壓。但需注意試樣的厚度至少大于壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度

37、的痕對(duì)角線長(zhǎng)度的2倍。作硬度實(shí)驗(yàn)時(shí)試樣上下表面必須平行，一般要拋光成鏡面。在同一個(gè)倍。作硬度實(shí)驗(yàn)時(shí)試樣上下表面必須平行，一般要拋光成鏡面。在同一個(gè)試樣上至少在不同位置試樣上至少在不同位置5個(gè)點(diǎn)的維氏硬度值，求出其平均值作為該試樣的硬度值。個(gè)點(diǎn)的維氏硬度值，求出其平均值作為該試樣的硬度值。 測(cè)定陶瓷薄膜和微珠的硬度時(shí)，可采用顯微硬度，其原理測(cè)定陶瓷薄膜和微珠的硬度時(shí)，可采用顯微硬度，其原理(yunl)與維氏硬度的測(cè)試一與維氏硬度的測(cè)試一樣。樣。 28541dPFPHv.11.4.1 11.4.1 陶瓷材料的硬度測(cè)量陶瓷材料的硬度測(cè)量 維氏硬度實(shí)驗(yàn)(shyn) 第51頁(yè)/共75頁(yè)第五十一頁(yè)，共75

38、頁(yè)。熱震斷裂(dun li) 熱震斷裂是指當(dāng)材料固有(gyu)強(qiáng)度不足以抵抗熱沖擊溫差T引起的熱應(yīng)力而產(chǎn)生的材料瞬時(shí)斷裂。 熱震斷裂理論基于熱彈性理論，以熱應(yīng)力H和材料固有(gyu)強(qiáng)度f(wàn)之間的平衡條件作為熱震斷裂的判據(jù)，即： H f 當(dāng)溫度急變(T)引起的熱沖擊應(yīng)力H超過(guò)了材料的固有(gyu)強(qiáng)度，則發(fā)生瞬時(shí)斷裂，即熱震斷裂。 當(dāng)試件受到一個(gè)急冷溫差T時(shí)，在初始瞬間，表面收縮率正比T ，而內(nèi)層還未冷卻(lngqu)收縮，于是表面層受到一個(gè)來(lái)自里層的拉(張)力，而內(nèi)層受到來(lái)自表面的壓應(yīng)力，這個(gè)由于急劇冷卻(lngqu)而產(chǎn)生于材料表面的拉應(yīng)力表示為：臨界抗熱震系數(shù)：高強(qiáng)度低模量低CTE才有高熱

39、震抗力材料泊松比材料泊松比材料膨脹系數(shù)材料膨脹系數(shù)TEt1ETRfc)( 111.5 11.5 陶瓷材料的熱沖擊陶瓷材料的熱沖擊 第52頁(yè)/共75頁(yè)第五十二頁(yè)，共75頁(yè)。熱震損傷(snshng)：對(duì)于裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的損傷破壞，可以基于斷裂力學(xué)的損傷理論分析：以熱彈性對(duì)于裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的損傷破壞，可以基于斷裂力學(xué)的損傷理論分析：以熱彈性(tnxng)應(yīng)變能應(yīng)變能W和材和材料的斷裂能料的斷裂能U之間的平衡為臨界條件：之間的平衡為臨界條件： WU當(dāng)熱應(yīng)力導(dǎo)致的儲(chǔ)存于材料中的應(yīng)變能足以支付裂紋形成和擴(kuò)展所需能量時(shí)，發(fā)當(dāng)熱應(yīng)力導(dǎo)致的儲(chǔ)存于材料中的應(yīng)變能足以支付裂紋形成和擴(kuò)展所需能量時(shí)，發(fā)生破壞，設(shè)一個(gè)半徑為

40、生破壞，設(shè)一個(gè)半徑為r的受熱的受熱(shu r)球體，沿徑向溫度分布為拋物線，當(dāng)球心球體，沿徑向溫度分布為拋物線，當(dāng)球心熱應(yīng)力相當(dāng)于材料的斷裂強(qiáng)度熱應(yīng)力相當(dāng)于材料的斷裂強(qiáng)度f(wàn) 時(shí)，球體蘊(yùn)涵的彈性應(yīng)變能為：時(shí)，球體蘊(yùn)涵的彈性應(yīng)變能為： nErWf3)1 (423n為幾何因子為幾何因子 若產(chǎn)生了若產(chǎn)生了N個(gè)裂紋面積為個(gè)裂紋面積為2A的裂紋而耗盡，則新生裂紋總表面能為的裂紋而耗盡，則新生裂紋總表面能為 fANU2f為新生裂紋表面能為新生裂紋表面能 第53頁(yè)/共75頁(yè)第五十三頁(yè)，共75頁(yè)。臨界臨界(ln ji)條件條件W=U，則解得，則解得ffnENrA3)1 (223)(3)1 (222NrnENr

41、Aff則單側(cè)裂紋則單側(cè)裂紋(li wn)表面積與球體截面積之比為表面積與球體截面積之比為相對(duì)裂紋相對(duì)裂紋(li wn)面積面積球體半徑越大則相對(duì)裂紋面積越大。熱應(yīng)力裂紋數(shù)量越多則相對(duì)裂紋面積越小。因此相對(duì)裂紋面積可以作球體半徑越大則相對(duì)裂紋面積越大。熱應(yīng)力裂紋數(shù)量越多則相對(duì)裂紋面積越小。因此相對(duì)裂紋面積可以作為損傷的一種量度，相對(duì)裂紋面積越小則材料抗熱震損傷能力越強(qiáng)，若把幾何因素除外，則可以將相對(duì)裂為損傷的一種量度，相對(duì)裂紋面積越小則材料抗熱震損傷能力越強(qiáng)，若把幾何因素除外，則可以將相對(duì)裂紋面積作為抗熱震損傷參數(shù)。紋面積作為抗熱震損傷參數(shù)。 )1 (2ffER21)()1 (1fcKR第54頁(yè)

42、/共75頁(yè)第五十四頁(yè)，共75頁(yè)。第55頁(yè)/共75頁(yè)第五十五頁(yè)，共75頁(yè)。1. 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)CTE越低，抗熱震性能越好。越低，抗熱震性能越好。2. 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率越高，抗熱震性能越好。熱導(dǎo)率越高，抗熱震性能越好。3. 彈性模量彈性模量彈性模量越低，抗熱震性能越好。彈性模量越低，抗熱震性能越好。增加氣孔率有助于降低彈性模量，因此增加氣孔率有助于降低彈性模量，因此多孔材料抗熱震性能優(yōu)良多孔材料抗熱震性能優(yōu)良(yuling)。（注意孔隙多會(huì)降低熱導(dǎo)率）（注意孔隙多會(huì)降低熱導(dǎo)率）4. 斷裂能斷裂能能提高斷裂能的材料組份顯微結(jié)構(gòu)均能提高斷裂能的材料組份顯微結(jié)構(gòu)均能提高陶瓷材料的抗熱震性能。能提

43、高陶瓷材料的抗熱震性能。11.5.2 11.5.2 影響熱震性能的主要因素影響熱震性能的主要因素 材料材料熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)/10-6-1（0-1000）Al2O38.0BeO9.5MgO13.53Al2O3SiO25.5MgOAl2O39.0ZrO2SiO24.5ZrO211.0Li2OAl2O32SiO2-6.4Li2OAl2O34SiO21.0MgOAl2O35SiO22.5Al2O3TiO21.5SiC4.7Si3N43.2第56頁(yè)/共75頁(yè)第五十六頁(yè)，共75頁(yè)。 蠕變(r bin)規(guī)律 蠕變是指材料在恒應(yīng)力作用下，隨時(shí)間的增長(zhǎng)而持續(xù)發(fā)展的變形過(guò)程。在常溫條件下，陶瓷材料蠕變是指材料

44、在恒應(yīng)力作用下，隨時(shí)間的增長(zhǎng)而持續(xù)發(fā)展的變形過(guò)程。在常溫條件下，陶瓷材料的斷裂應(yīng)變很小，幾乎不存在蠕變問(wèn)題。在高溫下，由于外力和熱激活的作用，使陶瓷轉(zhuǎn)化的斷裂應(yīng)變很小，幾乎不存在蠕變問(wèn)題。在高溫下，由于外力和熱激活的作用，使陶瓷轉(zhuǎn)化(zhunhu)為半塑性材料，出現(xiàn)了高溫蠕變現(xiàn)象。為半塑性材料，出現(xiàn)了高溫蠕變現(xiàn)象。 金屬高溫蠕變的機(jī)理基本適用于陶瓷材料。金屬蠕變一般分為(fn wi)三個(gè)階段，典型的蠕變曲線如圖5-28所示。 策階段是減速蠕變階段。 第階段是恒速蠕變階段，蠕變速度幾乎不變。 第階段是加速蠕變階段，隨時(shí)間延長(zhǎng)，蠕變速度逐漸增大直至最后發(fā)生蠕變斷裂。蠕變一般可以用經(jīng)驗(yàn)公式表示為：n

45、t)(常數(shù)iniitA其中其中Ai、ni是依賴于是依賴于應(yīng)力和溫度的常數(shù)應(yīng)力和溫度的常數(shù)第57頁(yè)/共75頁(yè)第五十七頁(yè)，共75頁(yè)。在低應(yīng)力和低溫在低應(yīng)力和低溫(dwn)時(shí)，蠕變曲線可由上式中時(shí)，蠕變曲線可由上式中ni1來(lái)表示來(lái)表示1t利用利用(lyng)邊界條件邊界條件t0，0來(lái)解上面的微分方程來(lái)解上面的微分方程得：得：) 1ln(0t其中，其中， 0為瞬時(shí)彈性形變，為瞬時(shí)彈性形變，、為依賴于溫度和應(yīng)力的兩個(gè)常數(shù)。為依賴于溫度和應(yīng)力的兩個(gè)常數(shù)。上式表示一種對(duì)數(shù)時(shí)間律，因此又稱為上式表示一種對(duì)數(shù)時(shí)間律，因此又稱為(chn wi)對(duì)數(shù)蠕變或者對(duì)數(shù)蠕變或者蠕蠕變。變。對(duì)于高溫和大應(yīng)力下，蠕變曲線一般分

46、為三個(gè)階段，對(duì)于高溫和大應(yīng)力下，蠕變曲線一般分為三個(gè)階段，第一階段第一階段的減速蠕的減速蠕變可表示為：變可表示為：3/2t積分：積分：3/10t是與溫度及應(yīng)是與溫度及應(yīng)力有關(guān)的常數(shù)力有關(guān)的常數(shù)Andrade蠕變或者蠕變或者蠕蠕變變第58頁(yè)/共75頁(yè)第五十八頁(yè)，共75頁(yè)。第二階段的蠕變第二階段的蠕變(r bin)（穩(wěn)態(tài)蠕變（穩(wěn)態(tài)蠕變(r bin)）是線性關(guān)系：是線性關(guān)系： 積分積分(jfn)得到得到 t0蠕變?nèi)渥?r bin) 第三階段尚沒(méi)有固定的解析式。第三階段尚沒(méi)有固定的解析式。 當(dāng)外力和溫度不同時(shí)，蠕變曲當(dāng)外力和溫度不同時(shí)，蠕變曲線的幾個(gè)階段特點(diǎn)仍然能夠保線的幾個(gè)階段特點(diǎn)仍然能夠保持，但是

47、各階段的時(shí)間將發(fā)生持，但是各階段的時(shí)間將發(fā)生變化，當(dāng)溫度或應(yīng)力低時(shí)穩(wěn)態(tài)變化，當(dāng)溫度或應(yīng)力低時(shí)穩(wěn)態(tài)蠕變階段延長(zhǎng)，而應(yīng)力或溫度蠕變階段延長(zhǎng)，而應(yīng)力或溫度增加時(shí)，穩(wěn)態(tài)蠕變縮短或不出增加時(shí)，穩(wěn)態(tài)蠕變縮短或不出現(xiàn)，外力對(duì)蠕變率影響很大，現(xiàn)，外力對(duì)蠕變率影響很大，可表示為：可表示為： nK伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率 時(shí)間時(shí)間 應(yīng)力（溫度）增高應(yīng)力（溫度）增高 第59頁(yè)/共75頁(yè)第五十九頁(yè)，共75頁(yè)。在不完整晶體中，塑性變形不是簡(jiǎn)單在不完整晶體中，塑性變形不是簡(jiǎn)單(jindn)的由位錯(cuò)的滑動(dòng)來(lái)進(jìn)行，的由位錯(cuò)的滑動(dòng)來(lái)進(jìn)行，為了使滑動(dòng)發(fā)生，必須克服位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的多種多樣的障礙：為了使滑動(dòng)發(fā)生，必須克服位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的多種多樣的障礙：具

48、有長(zhǎng)程應(yīng)力場(chǎng)的非熱障礙，因?yàn)樘?，熱起伏不足以提供具有長(zhǎng)程應(yīng)力場(chǎng)的非熱障礙，因?yàn)樘?，熱起伏不足以提?tgng)克克服障礙的力，如大的淀析物和位錯(cuò)。服障礙的力，如大的淀析物和位錯(cuò)。具有短程具有短程(dun chn)應(yīng)力場(chǎng)的障礙，稱為熱障礙，可以通過(guò)熱能克應(yīng)力場(chǎng)的障礙，稱為熱障礙，可以通過(guò)熱能克服，如：固溶體和點(diǎn)缺陷。通常蠕變的表達(dá)式為：服，如：固溶體和點(diǎn)缺陷。通常蠕變的表達(dá)式為：)exp(RTHAn其中，其中，A為常數(shù)，為常數(shù)，H表示克服一個(gè)障礙的熱激活焓。表示克服一個(gè)障礙的熱激活焓。隨著溫度的升高，除了能夠加速位錯(cuò)滑移之外，還能夠使位錯(cuò)產(chǎn)隨著溫度的升高，除了能夠加速位錯(cuò)滑移之外，還能夠使位

49、錯(cuò)產(chǎn)生攀移。生攀移。第60頁(yè)/共75頁(yè)第六十頁(yè)，共75頁(yè)。位錯(cuò)攀移位錯(cuò)攀移 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)(yndng)導(dǎo)滑移面以外，位錯(cuò)線以上的原子跳入位錯(cuò)，這等導(dǎo)滑移面以外，位錯(cuò)線以上的原子跳入位錯(cuò)，這等價(jià)于位錯(cuò)移入相鄰平面。價(jià)于位錯(cuò)移入相鄰平面。 滑移是位錯(cuò)沿著滑移是位錯(cuò)沿著(yn zhe)滑移面運(yùn)動(dòng)，而攀移則是位錯(cuò)沿著滑移面運(yùn)動(dòng)，而攀移則是位錯(cuò)沿著(yn zhe)垂直于滑移面運(yùn)動(dòng)，使得位錯(cuò)從障礙的束縛中釋放出來(lái)。垂直于滑移面運(yùn)動(dòng)，使得位錯(cuò)從障礙的束縛中釋放出來(lái)。 位錯(cuò)機(jī)理位錯(cuò)機(jī)理(j l) 第61頁(yè)/共75頁(yè)第六十一頁(yè)，共75頁(yè)。擴(kuò)散擴(kuò)散(kusn)蠕變理論蠕變理論 高溫下的蠕變現(xiàn)象是和晶體中的擴(kuò)散

50、類似的，并且把蠕變過(guò)程高溫下的蠕變現(xiàn)象是和晶體中的擴(kuò)散類似的，并且把蠕變過(guò)程(guchng)看作是外力作用下的沿應(yīng)力場(chǎng)方向擴(kuò)散的一種形式。當(dāng)試看作是外力作用下的沿應(yīng)力場(chǎng)方向擴(kuò)散的一種形式。當(dāng)試件受拉時(shí)，受拉晶界的空位濃度件受拉時(shí)，受拉晶界的空位濃度C拉將增加。拉將增加。 )/exp(0kTCC拉空位空位(kn wi)體積體積 平衡空位濃度平衡空位濃度 在受壓晶界上，空位濃度將減小：在受壓晶界上，空位濃度將減?。?)/exp(0kTCC壓第62頁(yè)/共75頁(yè)第六十二頁(yè)，共75頁(yè)。這樣，受拉與受壓晶界產(chǎn)生了空位濃度差，受拉晶界上的這樣，受拉與受壓晶界產(chǎn)生了空位濃度差，受拉晶界上的空位就要向受壓晶界遷

51、移，而原子就朝相反方向擴(kuò)散。結(jié)空位就要向受壓晶界遷移，而原子就朝相反方向擴(kuò)散。結(jié)果導(dǎo)致沿受拉方向伸長(zhǎng)，這種擴(kuò)散可以是體擴(kuò)散，沿著果導(dǎo)致沿受拉方向伸長(zhǎng)，這種擴(kuò)散可以是體擴(kuò)散，沿著(yn zhe)晶粒內(nèi)部進(jìn)行，也可以是晶界擴(kuò)散，沿著晶粒內(nèi)部進(jìn)行，也可以是晶界擴(kuò)散，沿著(yn zhe)晶粒間界面進(jìn)行。那保羅等計(jì)算出沿晶粒內(nèi)部擴(kuò)散導(dǎo)致的晶粒間界面進(jìn)行。那保羅等計(jì)算出沿晶粒內(nèi)部擴(kuò)散導(dǎo)致的穩(wěn)定蠕變率為：穩(wěn)定蠕變率為：21kTdDBV如果擴(kuò)散沿著晶界進(jìn)行則蠕變?nèi)绻麛U(kuò)散沿著晶界進(jìn)行則蠕變(r bin)符合柯柏公符合柯柏公式：式： 32kTdDBb一般一般(ybn)B113.3取決于晶粒形狀和應(yīng)力狀態(tài)，取決于晶

52、粒形狀和應(yīng)力狀態(tài)，一般一般B247擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散空位或者原子離子的體積擴(kuò)散空位或者原子離子的體積晶粒直徑晶粒直徑晶界寬度晶界寬度晶界擴(kuò)散系數(shù)晶界擴(kuò)散系數(shù)第63頁(yè)/共75頁(yè)第六十三頁(yè)，共75頁(yè)。第64頁(yè)/共75頁(yè)第六十四頁(yè)，共75頁(yè)。10.3.1 影響陶瓷材料高溫蠕變影響陶瓷材料高溫蠕變(r bin)的因素的因素 1 氣孔率：氣孔率越高，蠕變氣孔率：氣孔率越高，蠕變(r bin)速率越快。速率越快。 13/2)1 (P2 晶粒尺寸：晶粒尺寸越大，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起變形，蠕變晶粒尺寸：晶粒尺寸越大，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起變形，蠕變(r bin)速率小。晶粒尺寸小，晶界擴(kuò)散控制，蠕變速率小。晶粒尺寸小，晶界擴(kuò)

53、散控制，蠕變(r bin)速率大。速率大。 3 化學(xué)配比化學(xué)配比： 晶體結(jié)構(gòu)中共價(jià)鍵越強(qiáng)，擴(kuò)散和位錯(cuò)遷移率越低，因晶體結(jié)構(gòu)中共價(jià)鍵越強(qiáng)，擴(kuò)散和位錯(cuò)遷移率越低，因此對(duì)于嚴(yán)格化學(xué)計(jì)量比的純碳化物和氮化物陶瓷材料，抗此對(duì)于嚴(yán)格化學(xué)計(jì)量比的純碳化物和氮化物陶瓷材料，抗高溫蠕變性能很強(qiáng)。高溫蠕變性能很強(qiáng)。 氧化物中由于存在大量空位，而且一些復(fù)相氧化物配氧化物中由于存在大量空位，而且一些復(fù)相氧化物配比是可變的，因此抗蠕變性能低。比是可變的，因此抗蠕變性能低。 第65頁(yè)/共75頁(yè)第六十五頁(yè)，共75頁(yè)。10.3.2 高溫高溫(gown)蠕變的示例蠕變的示例 第66頁(yè)/共75頁(yè)第六十六頁(yè)，共75頁(yè)。11.6 陶

54、瓷材料的疲勞陶瓷材料的疲勞(plo) 金屬疲勞(plo)：指在長(zhǎng)期交變應(yīng)力作用下，材料耐用應(yīng)力下降及破壞的行為。陶瓷疲勞(plo)：分為靜態(tài)疲勞(plo)、循環(huán)疲共和動(dòng)態(tài)疲勞(plo)。靜疲勞(plo)相當(dāng)于金屬中的延遲斷裂，即在一定載荷作用下，材料的耐用應(yīng)力隨時(shí)間下降的現(xiàn)象。動(dòng)態(tài)疲勞(plo)是以恒定載荷速率加載，研究材料的失效斷裂對(duì)加載速率的敏感性。金屬疲勞(plo)時(shí)，局部塑性變形起很大作用，由于反復(fù)的局部塑性變形，引起累積損傷，使疲勞(plo)載荷下的最大作用應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限甚至小于屈服極限。陶瓷材料在室溫下不發(fā)生或很難發(fā)生塑性變形，因此金屬中累積損傷和疲勞(plo)機(jī)理不適用于陶瓷。第67頁(yè)/共75頁(yè)第六十七頁(yè)，共75頁(yè)。 在第一階段：裂紋尖端水蒸氣引起在第一階段：裂紋尖端水蒸氣引起Si-O結(jié)合，這種應(yīng)結(jié)合，這種應(yīng)力腐蝕速度控制力腐蝕速度控制(kngzh)了擴(kuò)展速度了擴(kuò)展速度V。 An為材料常數(shù)，為材料常數(shù)，n稱應(yīng)力腐蝕指數(shù)，該公式是玻璃稱應(yīng)力腐蝕指數(shù)，該公式是玻璃陶瓷等材料壽命估算的基本公式。陶瓷等材料壽命估算的基本公式。 第二階段：裂紋尖端的活性物質(zhì)（水酸堿）的擴(kuò)