材料合成與制備第二章A

1、材料合成與制備材料合成與制備 第二章第二章 材料的性能材料的性能 2 材料的性能材料的性能 2.0 引言引言 材料的性能泛指其力學(xué)性能、材料的性能泛指其力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。性能提供了材物理性能和化學(xué)性能。性能提供了材料的使用性。研究材料性能時(shí)通常將料的使用性。研究材料性能時(shí)通常將其分為三類其分為三類: 力學(xué)性能力學(xué)性能(機(jī)械性能機(jī)械性能):包括強(qiáng)度、硬度、包括強(qiáng)度、硬度、剛度、彈性、韌性、疲勞等。剛度、彈性、韌性、疲勞等。 物理性能物理性能:主要包括熱性能主要包括熱性能(熱容熱容/比熱比熱,熱熱傳導(dǎo)傳導(dǎo),熱輻射熱輻射,耐熱耐熱(溫溫)性性,抗熱震性等抗熱震性等)、電性能電性能(導(dǎo)電性

2、導(dǎo)電性,介電性介電性,半導(dǎo)電性半導(dǎo)電性,超導(dǎo)電超導(dǎo)電性性,抗電性抗電性,壓電性壓電性,鐵電性鐵電性,熱釋電性熱釋電性,電光電光性等性等)、磁性能、磁性能(鐵磁性鐵磁性,順磁性順磁性,抗磁性、抗磁性、壓磁效應(yīng)壓磁效應(yīng),旋磁效應(yīng)等旋磁效應(yīng)等)、光性能、光性能(反射反射,折折射射,散射散射,衍射衍射,色散色散,光吸收光吸收,顏色顏色,發(fā)光發(fā)光,熒熒光光,激光激光,光電光電,磁光磁光,聲光等聲光等)、聲學(xué)性能、聲學(xué)性能(傳導(dǎo)傳導(dǎo),吸收吸收,反射反射,散射等散射等)等。等。 化學(xué)性能化學(xué)性能:化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性(在使用環(huán)境中組在使用環(huán)境中組成及相的穩(wěn)定性、耐酸性、耐堿性、成及相的穩(wěn)定性、耐酸性、耐堿性

3、、耐熔渣性、抗氧化還原性等耐熔渣性、抗氧化還原性等)、化學(xué)活、化學(xué)活性、催化活性、生物相容性等。性、催化活性、生物相容性等。 研究性能的意義在于研究性能的意義在于: (1) 解析材料各種物理化學(xué)性能的本質(zhì)解析材料各種物理化學(xué)性能的本質(zhì),研究性能的描述研究性能的描述(表征表征)、測(cè)量與評(píng)價(jià)、測(cè)量與評(píng)價(jià)、性能的實(shí)際應(yīng)用等性能的實(shí)際應(yīng)用等; (2) 解析材料性能與其組成、結(jié)構(gòu)、解析材料性能與其組成、結(jié)構(gòu)、制造加工工藝以及使用環(huán)境等間的制造加工工藝以及使用環(huán)境等間的相互關(guān)系和規(guī)律相互關(guān)系和規(guī)律,為在最優(yōu)條件下為在最優(yōu)條件下使用材料、高效利用材料的單項(xiàng)或使用材料、高效利用材料的單項(xiàng)或組合性能提供科學(xué)依據(jù)

4、組合性能提供科學(xué)依據(jù); (3) 為新材料的研制、設(shè)計(jì)、加工為新材料的研制、設(shè)計(jì)、加工和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù); 2.1 陶瓷材料的力學(xué)性能陶瓷材料的力學(xué)性能 力學(xué)性能是工程材料或結(jié)構(gòu)材料的主力學(xué)性能是工程材料或結(jié)構(gòu)材料的主要物理性質(zhì)要物理性質(zhì),是材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本是材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。本節(jié)的主要討論與材料力學(xué)性能有依據(jù)。本節(jié)的主要討論與材料力學(xué)性能有關(guān)的基本術(shù)語、理論、試驗(yàn)及評(píng)價(jià)方法。關(guān)的基本術(shù)語、理論、試驗(yàn)及評(píng)價(jià)方法。2.1.1 彈性彈性2.1.1.1 應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)力與應(yīng)變 (a ) 圖圖2.1 拉伸形變拉伸形變 (b) l0/m l/mPS0S 應(yīng)力與應(yīng)變是衡量

5、固體材料在外應(yīng)力與應(yīng)變是衡量固體材料在外力作用下受力狀態(tài)與變形的尺度力作用下受力狀態(tài)與變形的尺度,對(duì)于對(duì)于受拉應(yīng)力的棒受拉應(yīng)力的棒(圖圖2.1): 應(yīng)力應(yīng)力: ( Nm2 ) (2.1.1) 應(yīng)變應(yīng)變: (無因次無因次) (2.1.2) 2.1.1.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線 材料在應(yīng)力材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生應(yīng)變作用下產(chǎn)生應(yīng)變,作作-圖即得應(yīng)力圖即得應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線(-曲線曲線)。SP/00/lll 典型材料在拉伸應(yīng)力作用下的典型材料在拉伸應(yīng)力作用下的-曲線如圖曲線如圖2.1.2所示所示:對(duì)于一般的金屬材料對(duì)于一般的金屬材料,-曲線如圖曲線如圖2.1.2中中所所b示示.一般可分為四一般可

6、分為四個(gè)階段個(gè)階段: 彈性階段彈性階段:相應(yīng)于曲線相應(yīng)于曲線OA段段,-為線性關(guān)系為線性關(guān)系,可用虎克定律可用虎克定律(Hooks Law)描述描述: (2.1.3) a (脆性材料) D B C b (金屬) A C(橡膠) O 圖2.1.2 典型材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線tgE. 式 中式 中 E 稱 為 彈 性 模 量 或 楊 氏 模 量稱 為 彈 性 模 量 或 楊 氏 模 量(Youngs modulus)。其物理意義是指材料。其物理意義是指材料產(chǎn)生單位應(yīng)變所需的應(yīng)力產(chǎn)生單位應(yīng)變所需的應(yīng)力,反映了材料內(nèi)部反映了材料內(nèi)部原子間結(jié)合力的大小原子間結(jié)合力的大小,ISO單位為單位為Nm-2(Pa,常

7、常用用MPa),也反映了材料在應(yīng)力作用下變形能也反映了材料在應(yīng)力作用下變形能力力(彈性彈性)的大小的大小,也即表示了材料彈性的大也即表示了材料彈性的大小。對(duì)于剪切應(yīng)力小。對(duì)于剪切應(yīng)力,則有則有: (2.1.4) 式中式中G為剪切模量為剪切模量(shear modulus);為剪切為剪切應(yīng)力應(yīng)力(Pa,MPa);為剪切應(yīng)變?yōu)榧羟袘?yīng)變,無量綱。無量綱。G 對(duì)于靜水壓力對(duì)于靜水壓力,則有則有: (2.1.5) 式中式中K為體積模量為體積模量(bulk modulus);為為剪切應(yīng)力剪切應(yīng)力(Pa,MPa);為體積應(yīng)變?yōu)轶w積應(yīng)變,無量綱。無量綱。E、G、K三者的關(guān)系為三者的關(guān)系為: K12EG(2.1

8、.6)213EK(2.1.6)(2.1.7) 式中式中 為泊松比。為泊松比。 當(dāng)應(yīng)力超過當(dāng)應(yīng)力超過A后后,從從A到到B,不再是直線關(guān)系不再是直線關(guān)系,但材料變形仍但材料變形仍然是彈性的。所以然是彈性的。所以,把把B點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力力B稱為材料的彈性極限。又因稱為材料的彈性極限。又因A、B兩點(diǎn)很近兩點(diǎn)很近,工程上常不予區(qū)分。當(dāng)應(yīng)力工程上常不予區(qū)分。當(dāng)應(yīng)力超過超過B時(shí)時(shí),材料開始產(chǎn)生部分塑性材料開始產(chǎn)生部分塑性(不可不可逆逆)變形變形,并很快進(jìn)入屈服階段。并很快進(jìn)入屈服階段。 GKKGE39(2.1.8) 屈服階段屈服階段:當(dāng)應(yīng)力達(dá)到當(dāng)應(yīng)力達(dá)到C后后,會(huì)出現(xiàn)一段應(yīng)會(huì)出現(xiàn)一段應(yīng)變?cè)黾虞^快變

9、增加較快,而應(yīng)力則在很小范圍內(nèi)波動(dòng)而應(yīng)力則在很小范圍內(nèi)波動(dòng)(震震蕩蕩)的所謂屈服階段的所謂屈服階段,曲線上會(huì)出現(xiàn)一段很小曲線上會(huì)出現(xiàn)一段很小的、接近水平的鋸齒狀曲線的、接近水平的鋸齒狀曲線,也稱為屈服或也稱為屈服或流動(dòng)流動(dòng),C則稱為屈服應(yīng)力。對(duì)于一般金屬而則稱為屈服應(yīng)力。對(duì)于一般金屬而言言,相應(yīng)于相應(yīng)于C的永久變形量約的永久變形量約為為0.05%。 強(qiáng)化階段強(qiáng)化階段:屈服階段后屈服階段后,材料又開始恢復(fù)材料又開始恢復(fù)(增加增加)抵抗變形的能力抵抗變形的能力,曲線呈現(xiàn)出隨增加曲線呈現(xiàn)出隨增加而上升的趨勢(shì)而上升的趨勢(shì),此現(xiàn)象稱為強(qiáng)化。此階段曲此現(xiàn)象稱為強(qiáng)化。此階段曲線的最高點(diǎn)線的最高點(diǎn)D所對(duì)應(yīng)的應(yīng)

10、力稱為強(qiáng)度極限所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為強(qiáng)度極限(D)。 局部變形階段局部變形階段:越過越過D點(diǎn)以后點(diǎn)以后,曲線由上升曲線由上升轉(zhuǎn)為下降轉(zhuǎn)為下降,具體表現(xiàn)為受拉伸材料的某一局部具體表現(xiàn)為受拉伸材料的某一局部范圍內(nèi)應(yīng)力截面將突然減小范圍內(nèi)應(yīng)力截面將突然減小,產(chǎn)生所謂的產(chǎn)生所謂的“縮縮頸頸”現(xiàn)象現(xiàn)象,最后導(dǎo)致材料在縮頸處斷裂。最后導(dǎo)致材料在縮頸處斷裂。 脆性材料脆性材料,如玻璃、陶瓷等如玻璃、陶瓷等,常溫下沒有常溫下沒有屈服以及以后個(gè)階段屈服以及以后個(gè)階段,往往在應(yīng)變很小往往在應(yīng)變很小(約約0.0001)的狀態(tài)下突然斷裂的狀態(tài)下突然斷裂,也即脆性斷裂。但也即脆性斷裂。但當(dāng)溫度升高到一定值以后當(dāng)溫度升高到一定

11、值以后(玻璃約為玻璃約為tg點(diǎn)點(diǎn),陶瓷陶瓷約為約為1000左右左右),則會(huì)出現(xiàn)由脆性到半脆性再則會(huì)出現(xiàn)由脆性到半脆性再到塑性的的轉(zhuǎn)變到塑性的的轉(zhuǎn)變,圖圖2.1.3。有些材料則會(huì)在特。有些材料則會(huì)在特定溫度范圍出現(xiàn)超可塑性現(xiàn)象。定溫度范圍出現(xiàn)超可塑性現(xiàn)象。 D TA TB TC A B C TAB TBC T/K (a) (b) 圖2.1.3 材料強(qiáng)度及應(yīng)變與溫度的關(guān)系 2.1.1.3 影響材料彈性的因素影響材料彈性的因素 (1) 溫度溫度:原子間結(jié)合力隨溫度升高而改原子間結(jié)合力隨溫度升高而改變變,E對(duì)對(duì)T很敏感。固體材料的彈性模量很敏感。固體材料的彈性模量一般隨溫度升高而降低。如果材料的熔一般

12、隨溫度升高而降低。如果材料的熔點(diǎn)點(diǎn)Tm,300K以下以下,彈性模量與熔點(diǎn)的關(guān)系彈性模量與熔點(diǎn)的關(guān)系為為: (經(jīng)驗(yàn)式經(jīng)驗(yàn)式) (2.1.9) 式中式中Va為原子體積為原子體積,k為波爾滋曼常數(shù)。為波爾滋曼常數(shù)。 amVkTE/100 (2) 材料氣孔率材料氣孔率(密度密度) (2.1.10) 式中式中p為材料氣孔率為材料氣孔率,E0為為p=0時(shí)的彈性時(shí)的彈性模量模量,f1、f2為由氣孔形狀決定的常數(shù)。為由氣孔形狀決定的常數(shù)。對(duì)于球形氣孔對(duì)于球形氣孔, f1=1.9 ,f2=0.9,Frost給出給出下述經(jīng)驗(yàn)式下述經(jīng)驗(yàn)式: E=E0exp(-BP) (2.1.11)22101pfpfEE (3)晶

13、體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 對(duì)于晶體材料來說對(duì)于晶體材料來說,E是各向異是各向異性的。性的。E的值需用張量來描述。對(duì)的值需用張量來描述。對(duì)于多晶材料來說于多晶材料來說,則可認(rèn)為則可認(rèn)為E是各向是各向同性的同性的(統(tǒng)計(jì)性的統(tǒng)計(jì)性的)。具有密堆積結(jié)。具有密堆積結(jié)構(gòu)且鍵能大的材料通常具有較大的構(gòu)且鍵能大的材料通常具有較大的熱膨脹系數(shù)。熱膨脹系數(shù)。 2.1.1.4 復(fù)合材料的彈性模量復(fù)合材料的彈性模量 復(fù)合材料的彈性模量與復(fù)合材料的復(fù)合材料的彈性模量與復(fù)合材料的復(fù)合相類型以及復(fù)合方式等有關(guān)。對(duì)于復(fù)合相類型以及復(fù)合方式等有關(guān)。對(duì)于規(guī)則規(guī)則(取向一致取向一致)復(fù)合材料來說復(fù)合材料來說,復(fù)合材料復(fù)合材料的彈性模量的彈性

14、模量EC與復(fù)合相的彈性模量與復(fù)合相的彈性模量EP間間具有簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系。以最簡(jiǎn)單的二相具有簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系。以最簡(jiǎn)單的二相理想三明治復(fù)合材料理想三明治復(fù)合材料(圖圖2.1.4)為例為例,EC可可以用混合定律來描述。在平行復(fù)合界面以用混合定律來描述。在平行復(fù)合界面的方向上的方向上,材料處于等應(yīng)變狀態(tài)材料處于等應(yīng)變狀態(tài),應(yīng)力主應(yīng)力主要由彈性模量大的物相承受。要由彈性模量大的物相承受。 根據(jù)理想二相復(fù)合模型Voigt給出: E=E1V1+E2V2 (2.1.12) 式中E1、E2分別為材料1和2的彈性摸量;V1、V2分別為材料1和2的體積分?jǐn)?shù)。 E E E E圖2.1.4 二相理想三明治復(fù)合材料模型

15、G、K類似表達(dá)式,在此不再贅述。在垂直復(fù)合界面上,各相所受的應(yīng)力相同,材料處于等應(yīng)力狀態(tài)。Reuss給出的表達(dá)式為: (2.1.13) 顯然,E和E分別代表了兩相理想復(fù)合材料彈性模量的上限和下限值,與實(shí)際材料有出入,如圖2.1.5 圖2.1.5 WC-Co兩相復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)值 Voigt界 Reuss界221121VEVEEEE 2.1.2 材料強(qiáng)度材料強(qiáng)度 2.1.2.1 理論斷裂強(qiáng)度理論斷裂強(qiáng)度 理想晶體常溫脆性(完全彈性體)斷裂時(shí),其理論斷裂強(qiáng)( )度主要取決于原子間力,可以近似表示為: (2.1.14) 式中 為理論斷裂強(qiáng)度(Nm2,Pa,MPa);E為彈性模量(Nm2,Pa,MPa);

16、 為材料斷裂表面能(Jmm),a為原子間距(m)。aEththth 其中其中 可以用下式近似表示可以用下式近似表示: (2.1.15) 由式由式(2.1.14)和和(2.1.15)可得可得: th=E/10 (2.1.16) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,實(shí)際材料的強(qiáng)度都明顯實(shí)際材料的強(qiáng)度都明顯低于低于(脆性材料更明顯脆性材料更明顯)理論強(qiáng)度理論強(qiáng)度,表表2.1.1為某些材料強(qiáng)度的理論值與實(shí)驗(yàn)為某些材料強(qiáng)度的理論值與實(shí)驗(yàn)值。值。100/Ea 表2.1.1 典型材料斷裂強(qiáng)度理論值與實(shí)驗(yàn)值序號(hào)材 料th(Mpa)實(shí)測(cè)f(MPa)th/f 1Al2O3晶須5000015400 3.3 2鐵晶須30000

17、13000 2.3 3奧氏體鋼204803200 6.4 4高碳鋼琴絲1400025005.6 5硼34800240014.5 6玻璃693010566.0 7Al2O3單晶5000064477.6 8BeO35700 238150.0 9MgO2450030181.4 10 Si3N4(熱壓)38500100028.5 11Si3N4(反應(yīng)燒結(jié))38500295130.5 12AlN(熱壓)28000600100046.728.0 由表中數(shù)據(jù)可見由表中數(shù)據(jù)可見,金屬材料的實(shí)際強(qiáng)金屬材料的實(shí)際強(qiáng)度一般較度一般較th低數(shù)倍低數(shù)倍,陶瓷、玻璃等脆性材陶瓷、玻璃等脆性材料則低一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。產(chǎn)生此結(jié)

18、果的料則低一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。產(chǎn)生此結(jié)果的本質(zhì)原因是材料內(nèi)部及表面存在各種各本質(zhì)原因是材料內(nèi)部及表面存在各種各樣的缺陷樣的缺陷,如熱缺陷、加工缺陷、合成或如熱缺陷、加工缺陷、合成或制作工藝過程中形成或保留下的氣孔、制作工藝過程中形成或保留下的氣孔、夾雜物、晶界、相界等夾雜物、晶界、相界等,導(dǎo)致在應(yīng)力作用導(dǎo)致在應(yīng)力作用下材料內(nèi)部或表面形成非均勻力場(chǎng)下材料內(nèi)部或表面形成非均勻力場(chǎng),即所即所謂的應(yīng)力集中謂的應(yīng)力集中,使材料在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)使材料在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度的宏觀應(yīng)力狀態(tài)下斷裂或破壞。度的宏觀應(yīng)力狀態(tài)下斷裂或破壞。 3.1.2.2 格里非斯格里非斯(Griffith)微裂紋理論微裂紋理論 格里非斯格

19、里非斯(Griffith)認(rèn)為認(rèn)為,實(shí)際材料實(shí)際材料的內(nèi)部和表面存在著各種各樣的微裂紋的內(nèi)部和表面存在著各種各樣的微裂紋,這些微裂紋是材料的結(jié)構(gòu)缺陷這些微裂紋是材料的結(jié)構(gòu)缺陷,也是材也是材料強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)。這些缺陷可以是晶料強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)。這些缺陷可以是晶體缺陷、局部應(yīng)力缺陷、微孔、環(huán)境介體缺陷、局部應(yīng)力缺陷、微孔、環(huán)境介質(zhì)侵蝕損傷以及材料加工損傷等質(zhì)侵蝕損傷以及材料加工損傷等,其尺其尺寸可以從納米到微米級(jí)或更大。寸可以從納米到微米級(jí)或更大。 由于微裂紋的存在由于微裂紋的存在,一方面減少一方面減少了材料承受應(yīng)力的有效截面了材料承受應(yīng)力的有效截面,另一方另一方面造成應(yīng)力在微裂紋面造成應(yīng)力在微裂紋

20、(microcracks)尖端尖端(邊緣邊緣,edge)形成應(yīng)力集中形成應(yīng)力集中,當(dāng)這當(dāng)這種集中的應(yīng)力大于材料內(nèi)部原子間種集中的應(yīng)力大于材料內(nèi)部原子間結(jié)合力時(shí)結(jié)合力時(shí),微裂紋就會(huì)擴(kuò)展微裂紋就會(huì)擴(kuò)展,導(dǎo)致應(yīng)力導(dǎo)致應(yīng)力進(jìn)一步集中進(jìn)一步集中,繼而加速裂紋的擴(kuò)展繼而加速裂紋的擴(kuò)展,如如此循環(huán)作用此循環(huán)作用,最后導(dǎo)致材料斷裂。最后導(dǎo)致材料斷裂。 2C 圖2.1.6 缺陷材料應(yīng)力分布 根據(jù)上述解釋根據(jù)上述解釋, Griffith從能量準(zhǔn)則出發(fā)從能量準(zhǔn)則出發(fā),給出給出了實(shí)際材料斷裂強(qiáng)度的了實(shí)際材料斷裂強(qiáng)度的理論計(jì)算式。他認(rèn)為理論計(jì)算式。他認(rèn)為,帶有長(zhǎng)度為帶有長(zhǎng)度為2C(圖圖2.1.6)的穿透裂紋的脆性無限的

21、穿透裂紋的脆性無限平板材料平板材料(平面應(yīng)力狀平面應(yīng)力狀態(tài)態(tài))的斷裂強(qiáng)度為的斷裂強(qiáng)度為: (2.1.17a) 2CCEf 2 對(duì)于厚板對(duì)于厚板(平面應(yīng)變狀態(tài)平面應(yīng)變狀態(tài)),則有則有: (2.1.17b) 并且認(rèn)為并且認(rèn)為,裂紋擴(kuò)展的條件為物體內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的條件為物體內(nèi)部?jī)?chǔ)存的彈性應(yīng)變能的降低應(yīng)當(dāng)大于等于儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能的降低應(yīng)當(dāng)大于等于由于材料開裂而形成的兩個(gè)新表面所需由于材料開裂而形成的兩個(gè)新表面所需的表面能。的表面能。CEf 122 比較比較 (2.1.17a) 與與(2.1.14)兩式兩式,即用即用C/2取取代代(2.1.14)式中的式中的a即得到即得到(2.1.17a)式。式中的式。式

22、中的a通常小于通常小于1nm,而式而式(2.1.17a)中的中的C通常是通常是m級(jí)級(jí),甚至可達(dá)到甚至可達(dá)到mm級(jí)級(jí),所以所以,fth。 式式(2.1.17)是實(shí)際估算脆性材料斷裂應(yīng)力是實(shí)際估算脆性材料斷裂應(yīng)力的基本公式。但不適合用來估算金屬、非晶的基本公式。但不適合用來估算金屬、非晶態(tài)聚合物等非脆性材料的一般性斷裂應(yīng)力。態(tài)聚合物等非脆性材料的一般性斷裂應(yīng)力。這是因?yàn)檫@是因?yàn)?材料的裂紋形狀以及裂紋尖端區(qū)的材料的裂紋形狀以及裂紋尖端區(qū)的塑性變形塑性變形(產(chǎn)生應(yīng)力松弛產(chǎn)生應(yīng)力松弛)等因素等因素,都會(huì)使表面都會(huì)使表面能發(fā)生變化。能發(fā)生變化。 Orowan考慮到上述因素考慮到上述因素,給出一般材料的給

23、出一般材料的斷裂應(yīng)力表達(dá)式為斷裂應(yīng)力表達(dá)式為: (2.1.18a) (2.1.18b) 式中式中 為裂紋擴(kuò)展單位面所需的塑性變形功。為裂紋擴(kuò)展單位面所需的塑性變形功。延性材料延性材料 ,高強(qiáng)度合金高強(qiáng)度合金 103 ,普通強(qiáng)普通強(qiáng)度鋼度鋼 (104106) 。ppppCEpf 2CEpf 122 上述兩式可簡(jiǎn)化為上述兩式可簡(jiǎn)化為: (2.1.19a) (2.1.19b) CEf 2CEf 122裂紋模型根據(jù)固體的受力狀態(tài)和形變方式裂紋模型根據(jù)固體的受力狀態(tài)和形變方式,分為分為三種基本的裂紋模型三種基本的裂紋模型,其中最危險(xiǎn)的是張開型其中最危險(xiǎn)的是張開型,一般在計(jì)算時(shí)一般在計(jì)算時(shí),按最危險(xiǎn)的計(jì)算

24、。按最危險(xiǎn)的計(jì)算。張開型張開型錯(cuò)開型錯(cuò)開型撕開型撕開型裂紋模型裂紋模型2.1.2.3 應(yīng)力強(qiáng)度因子與斷裂韌性應(yīng)力強(qiáng)度因子與斷裂韌性應(yīng)力強(qiáng)度因子與斷裂韌性應(yīng)力強(qiáng)度因子與斷裂韌性 實(shí)際材料一般都具有或大或小的塑實(shí)際材料一般都具有或大或小的塑性性(plasticity),含微裂紋含微裂紋(MC)材料的斷材料的斷裂是由于裂是由于MC尖端應(yīng)力場(chǎng)超過了一定極尖端應(yīng)力場(chǎng)超過了一定極限。斷裂限。斷裂(fracture)過程中過程中MC尖端存在尖端存在不同程度的塑性變形區(qū)不同程度的塑性變形區(qū),引起應(yīng)力松弛引起應(yīng)力松弛(relax)。根據(jù)彈性力學(xué)理論。根據(jù)彈性力學(xué)理論,對(duì)于張開型對(duì)于張開型MC,其尖端區(qū)的應(yīng)力集中

25、場(chǎng)強(qiáng)弱可以用其尖端區(qū)的應(yīng)力集中場(chǎng)強(qiáng)弱可以用下述公式描述下述公式描述: (2.1.20) 式中式中,KI為應(yīng)力強(qiáng)度因子為應(yīng)力強(qiáng)度因子,也即應(yīng)力場(chǎng)也即應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱強(qiáng)弱,描述了描述了MC尖端區(qū)的應(yīng)力環(huán)境。尖端區(qū)的應(yīng)力環(huán)境。Y為形狀因子為形狀因子,又稱柔性系數(shù)又稱柔性系數(shù),是由是由MC形狀、尺寸及載荷形式所決定形狀、尺寸及載荷形式所決定的無量綱系數(shù)的無量綱系數(shù),無限平板無限平板Y= , 為為應(yīng)力應(yīng)力(Jmm);C為為MC半長(zhǎng)半長(zhǎng)(m)。CYKI/1 當(dāng)當(dāng)MC尖端區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到某一臨界尖端區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到某一臨界值值C,也即應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到某一臨界值也即應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到某一臨界值KIC時(shí)時(shí),MC失穩(wěn)

26、擴(kuò)展失穩(wěn)擴(kuò)展,最終導(dǎo)致材料斷裂最終導(dǎo)致材料斷裂(破壞破壞)。KIC稱為斷裂韌性稱為斷裂韌性(fracture toughness)。 KIC是一個(gè)對(duì)材料結(jié)構(gòu)及是一個(gè)對(duì)材料結(jié)構(gòu)及MC類型敏感的類型敏感的材料常數(shù)材料常數(shù)(指標(biāo)指標(biāo)),表示材料對(duì)表示材料對(duì)MC起始擴(kuò)展的起始擴(kuò)展的抵抗力抵抗力,可用實(shí)驗(yàn)方法檢測(cè)。常見的可用實(shí)驗(yàn)方法檢測(cè)。常見的KIC測(cè)試測(cè)試方法有單邊直通切口粱法方法有單邊直通切口粱法(SENB)、雙扭法、雙扭法(DT)、Knoop壓痕三點(diǎn)彎曲粱法、山形切口壓痕三點(diǎn)彎曲粱法、山形切口劈裂試件法等。劈裂試件法等。 對(duì)于張開型對(duì)于張開型MC,材料中失穩(wěn)擴(kuò)展材料中失穩(wěn)擴(kuò)展并導(dǎo)致斷裂的條件可以表

27、示為并導(dǎo)致斷裂的條件可以表示為: (2.1.21)或或 (2.1.22) (2.1.23)CYKICfCYKKCICICECYKICC2 無限平板無限平板: (2.1.24) 表表2.1.2 為某些典型材料的為某些典型材料的KIC值。值。 表2.1.2某些典型材料的KIC值 材 料KIC(Mpam1/2)材 料KIC(Mpam1/2)Al2O3 4405Sialon 57Al2O3-ZrO244.5C(f)/ Si3N4 28.1ZrO212C(f)/ A3S2 18.0ZrO2-Y2O3615馬氏體時(shí)效鋼100Si3N4(熱壓燒結(jié))56Ni-Cr-Mn鋼 45SiC3.56Ti6Al4V 4

28、07075鋁合金 50EKIC2 綜上所述綜上所述,陶瓷材料與金屬材料相比陶瓷材料與金屬材料相比,具有以下特點(diǎn)具有以下特點(diǎn): (1) 陶瓷材料理論上具有很高的斷裂強(qiáng)度陶瓷材料理論上具有很高的斷裂強(qiáng)度,但其實(shí)際斷裂強(qiáng)度卻比金屬低得多但其實(shí)際斷裂強(qiáng)度卻比金屬低得多,其主其主要原因是要原因是:陶瓷的多相結(jié)構(gòu)或多晶結(jié)構(gòu)、陶瓷的多相結(jié)構(gòu)或多晶結(jié)構(gòu)、相分布不均勻、晶粒尺寸大且不均勻、相分布不均勻、晶粒尺寸大且不均勻、晶粒性質(zhì)各向異性、含不等量氣孔以及晶粒性質(zhì)各向異性、含不等量氣孔以及低的可塑性等低的可塑性等; (2) 金屬金屬KIC通常比陶瓷通常比陶瓷KIC大一個(gè)數(shù)量級(jí)大一個(gè)數(shù)量級(jí); (3) 陶瓷陶瓷(脆

29、性脆性)材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗張強(qiáng)度大于抗張強(qiáng)度,其差值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過金屬。其差值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過金屬。金 屬 抗 拉 強(qiáng) 度 與 抗 壓 強(qiáng) 度 之 比 為金 屬 抗 拉 強(qiáng) 度 與 抗 壓 強(qiáng) 度 之 比 為1/31/4,而陶瓷等脆性材料的相應(yīng)比值而陶瓷等脆性材料的相應(yīng)比值超過超過1/10。主要原因是陶瓷等脆性材料。主要原因是陶瓷等脆性材料內(nèi)部各種缺陷對(duì)張應(yīng)力敏感內(nèi)部各種缺陷對(duì)張應(yīng)力敏感,而對(duì)壓應(yīng)而對(duì)壓應(yīng)力不敏感。部分材料的相應(yīng)數(shù)據(jù)見表力不敏感。部分材料的相應(yīng)數(shù)據(jù)見表2.1.3。 表2.1.3 某些材料的抗張強(qiáng)度(S)與抗壓強(qiáng)度(P) 材 料S(MPa)P(MPa)S /P鑄鐵FC101

30、001504006001/4鑄鐵FC2525030085010001/(3.33.4)石英玻璃 50 2001/40鋁紅柱石(Al2O3.SiO2)1251350 1/10.899 Al2O3瓷2652900 1/11.3燒結(jié)BC30030001/10 2.1.2.4 影響材料強(qiáng)度的因素影響材料強(qiáng)度的因素顯微結(jié)構(gòu)顯微結(jié)構(gòu): 氣孔率氣孔率: (2.1.25) 式中式中:a為常數(shù)為常數(shù),取值范圍為取值范圍為47;p為氣孔為氣孔率率;此式適用于氣孔率低于此式適用于氣孔率低于50%的材料。的材料。 晶粒尺寸晶粒尺寸: (Hall Pitch關(guān)系關(guān)系) (2.1.26) 式中式中:0為無限大單晶的強(qiáng)度為

31、無限大單晶的強(qiáng)度;k為系為系數(shù)數(shù);d為晶粒直徑為晶粒直徑,材料中微裂紋的尺寸材料中微裂紋的尺寸與晶粒尺寸相當(dāng)。與晶粒尺寸相當(dāng)。 apfexp0210kdf 晶界與相界晶界與相界:其種類、性質(zhì)、結(jié)其種類、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、尺寸、結(jié)構(gòu)狀態(tài)等都會(huì)影響材構(gòu)、尺寸、結(jié)構(gòu)狀態(tài)等都會(huì)影響材料強(qiáng)度。料強(qiáng)度。 晶粒形狀晶粒形狀:多相材料最好是小而多相材料最好是小而均勻的等軸晶粒或復(fù)合有纖維或晶均勻的等軸晶?；驈?fù)合有纖維或晶須相。須相。 晶粒種類晶粒種類:本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、化本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、化學(xué)鍵類型、晶體結(jié)構(gòu)特征以及對(duì)稱學(xué)鍵類型、晶體結(jié)構(gòu)特征以及對(duì)稱性等。性等。 復(fù)合材料強(qiáng)度復(fù)合材料強(qiáng)度:針針/棒狀晶粒、纖維及棒狀晶粒

32、、纖維及其織物、晶須、第二相微粒彌散等。其織物、晶須、第二相微粒彌散等。 高強(qiáng)單相多晶材料的顯微結(jié)構(gòu)應(yīng)符高強(qiáng)單相多晶材料的顯微結(jié)構(gòu)應(yīng)符合下述要求合下述要求:晶粒尺寸小、晶體缺陷少、晶粒尺寸小、晶體缺陷少、晶粒尺寸均勻等軸、晶界或相界含量晶粒尺寸均勻等軸、晶界或相界含量適當(dāng)并減少脆性玻璃相含量、低氣孔適當(dāng)并減少脆性玻璃相含量、低氣孔率或采用纖維率或采用纖維/晶須補(bǔ)強(qiáng)等晶須補(bǔ)強(qiáng)等。 纖維及晶須的增強(qiáng)作用除了其本纖維及晶須的增強(qiáng)作用除了其本身具有高強(qiáng)度外身具有高強(qiáng)度外,還增加了額外的拔出還增加了額外的拔出功。功。溫度的影響溫度的影響 溫度對(duì)彈性模量的影響溫度對(duì)彈性模量的影響:影響原子間影響原子間距距

33、,因而影響原子間結(jié)合力。因而影響原子間結(jié)合力。 溫度對(duì)強(qiáng)度的影響溫度對(duì)強(qiáng)度的影響:有兩類斷裂模式有兩類斷裂模式,一類是材料強(qiáng)度隨著溫度的升高持續(xù)一類是材料強(qiáng)度隨著溫度的升高持續(xù)下降下降,另一類是材料強(qiáng)度隨著溫度的升另一類是材料強(qiáng)度隨著溫度的升高先開始持續(xù)增大高先開始持續(xù)增大,達(dá)到一極限值后再達(dá)到一極限值后再隨溫度升高而下降隨溫度升高而下降(圖圖2.1.7)。 T 圖2.1.7 抗彎強(qiáng)度與溫度關(guān)系的兩種模式 對(duì)于陶瓷材料對(duì)于陶瓷材料,Brown等人給出等人給出圖圖2.1.8所示的所示的f-T曲線。強(qiáng)度與溫度曲線。強(qiáng)度與溫度的關(guān)系一般可劃分為三個(gè)區(qū)域。的關(guān)系一般可劃分為三個(gè)區(qū)域。 A區(qū)區(qū):當(dāng)當(dāng)T0

34、.5Tm時(shí)時(shí),陶瓷強(qiáng)度基本不陶瓷強(qiáng)度基本不隨溫度改變或略有升高隨溫度改變或略有升高;當(dāng)當(dāng)T0.5Tm時(shí)時(shí),強(qiáng)度隨溫度升高而明顯降低。強(qiáng)度隨溫度升高而明顯降低。 T/K 圖2.1.7 陶瓷的-T關(guān)系 A B C 塑性變形應(yīng)力 斷裂前無 內(nèi)在裂紋 塑性變形 擴(kuò)展應(yīng)力 斷裂應(yīng)力 交滑移應(yīng)力 B區(qū)區(qū):斷裂前產(chǎn)生明顯的塑性變形。斷裂前產(chǎn)生明顯的塑性變形。強(qiáng)度對(duì)即存缺陷的敏感性降低。斷強(qiáng)度對(duì)即存缺陷的敏感性降低。斷裂主要受塑性變形控制裂主要受塑性變形控制,隨溫度的隨溫度的升高升高,強(qiáng)度明顯降低。共價(jià)鍵及離強(qiáng)度明顯降低。共價(jià)鍵及離子鍵晶體由于位錯(cuò)而產(chǎn)生塑性變形子鍵晶體由于位錯(cuò)而產(chǎn)生塑性變形時(shí)時(shí),強(qiáng)度對(duì)溫度很

35、敏感強(qiáng)度對(duì)溫度很敏感,此時(shí)強(qiáng)度受此時(shí)強(qiáng)度受位錯(cuò)塞積控制位錯(cuò)塞積控制,可用式可用式(2.1.26)描述。描述。210kdf C區(qū)區(qū):當(dāng)溫度進(jìn)一步升高到當(dāng)溫度進(jìn)一步升高到C區(qū)時(shí)區(qū)時(shí),二二維滑移系開動(dòng)維滑移系開動(dòng),位錯(cuò)塞積群中的部分位錯(cuò)塞積群中的部分位錯(cuò)產(chǎn)生交滑移而沿另外的滑移面位錯(cuò)產(chǎn)生交滑移而沿另外的滑移面繼續(xù)滑移繼續(xù)滑移,松馳了應(yīng)力集中松馳了應(yīng)力集中,因而抑制因而抑制了微裂紋的萌生和發(fā)展了微裂紋的萌生和發(fā)展,且由于位錯(cuò)且由于位錯(cuò)的交滑移隨溫度升高而變得活躍的交滑移隨溫度升高而變得活躍,由由此產(chǎn)生更強(qiáng)的對(duì)位錯(cuò)塞積群前端應(yīng)此產(chǎn)生更強(qiáng)的對(duì)位錯(cuò)塞積群前端應(yīng)力松弛作用力松弛作用,所以在此區(qū)域所以在此區(qū)域,

36、強(qiáng)度隨溫強(qiáng)度隨溫度升高而呈上升趨勢(shì)。度升高而呈上升趨勢(shì)。 上述觀點(diǎn)并非對(duì)所有陶瓷都符合得上述觀點(diǎn)并非對(duì)所有陶瓷都符合得很好很好,不同的陶瓷材料也并非都存在不同的陶瓷材料也并非都存在A、B和和C三個(gè)區(qū)域。共價(jià)鍵很強(qiáng)的三個(gè)區(qū)域。共價(jià)鍵很強(qiáng)的Si3N4很很難產(chǎn)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)難產(chǎn)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),因此在很寬的溫度范因此在很寬的溫度范圍內(nèi)為圍內(nèi)為A區(qū)特性區(qū)特性,在很高的溫度下在很高的溫度下,強(qiáng)度強(qiáng)度也下降很少。也下降很少。Al2O3陶瓷在陶瓷在1000以下以下為為A區(qū)特性區(qū)特性,約在約在1000以上進(jìn)入以上進(jìn)入B區(qū)。區(qū)。很容易產(chǎn)生塑性變形的很容易產(chǎn)生塑性變形的MgO陶瓷無陶瓷無A區(qū)區(qū),在在1700以下均為以下均為

37、B區(qū)區(qū),約在約在1700以上進(jìn)入以上進(jìn)入C區(qū)。區(qū)。 材料表面狀態(tài)對(duì)強(qiáng)度的影響材料表面狀態(tài)對(duì)強(qiáng)度的影響 制作缺陷、加工缺陷、外力損傷制作缺陷、加工缺陷、外力損傷以及腐蝕缺陷等。此類缺陷往往尺寸以及腐蝕缺陷等。此類缺陷往往尺寸較大較大,常是影響材料強(qiáng)度的重要因數(shù)。常是影響材料強(qiáng)度的重要因數(shù)。荷載性質(zhì)對(duì)材料強(qiáng)度的影響荷載性質(zhì)對(duì)材料強(qiáng)度的影響 荷載大小、作用速度、靜載荷與震荷載大小、作用速度、靜載荷與震動(dòng)載荷等。另外動(dòng)載荷等。另外,小應(yīng)力特別是周期性小應(yīng)力特別是周期性應(yīng)力的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作用會(huì)使材料在遠(yuǎn)應(yīng)力的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作用會(huì)使材料在遠(yuǎn)低于實(shí)際強(qiáng)度的條件下疲勞破壞。低于實(shí)際強(qiáng)度的條件下疲勞破壞。 2.1.3

38、 材料硬度材料硬度 材料的硬度無統(tǒng)一定義材料的硬度無統(tǒng)一定義,通常因測(cè)試方通常因測(cè)試方法而異。不同的測(cè)試方法得到的硬度通常法而異。不同的測(cè)試方法得到的硬度通常物理意義也有區(qū)別。常用的有劃痕硬度、物理意義也有區(qū)別。常用的有劃痕硬度、壓入硬度與研磨硬度。用劃痕法測(cè)試硬度壓入硬度與研磨硬度。用劃痕法測(cè)試硬度時(shí)時(shí),如莫氏硬度如莫氏硬度,表示材料抵抗剪切破壞的能表示材料抵抗剪切破壞的能力。用壓入法測(cè)試硬度時(shí)力。用壓入法測(cè)試硬度時(shí),則表示材料抵抗則表示材料抵抗塑性變形的能力。例如維氏硬度塑性變形的能力。例如維氏硬度(HV)、洛、洛氏硬度氏硬度(HR、HRC,Rockwell hardness)、布、布氏硬

39、度氏硬度(HB, Brinell hardness)等。等。 HB主要用于測(cè)試較軟及中等主要用于測(cè)試較軟及中等硬度的金屬材料硬度的金屬材料,很少用于陶瓷。很少用于陶瓷。HV及及HK適用于較硬材料適用于較硬材料,包括陶瓷包括陶瓷材料的硬度測(cè)試。通常材料的硬度測(cè)試。通常,還用顯微還用顯微硬度測(cè)試無機(jī)非金屬材料的硬度。硬度測(cè)試無機(jī)非金屬材料的硬度。 2.1.3.1 維氏硬度維氏硬度(HV,Vikers hardness) HV硬度測(cè)試是用對(duì)面角為硬度測(cè)試是用對(duì)面角為136的 金 剛 石 正 四 棱 錐 體 作 為 壓 頭的 金 剛 石 正 四 棱 錐 體 作 為 壓 頭(indenter),在在9.

40、807490.3N的載荷作用的載荷作用下下,壓入材料表面壓入材料表面,保持一定時(shí)間后卸除保持一定時(shí)間后卸除載荷載荷,材料表面會(huì)留下一個(gè)截面為正方材料表面會(huì)留下一個(gè)截面為正方形的壓痕形的壓痕(indentation)(下圖下圖),測(cè)量壓痕測(cè)量壓痕的對(duì)角線長(zhǎng)度的對(duì)角線長(zhǎng)度,并計(jì)算壓痕的內(nèi)表面積并計(jì)算壓痕的內(nèi)表面積,便可求出單位面積上的載荷便可求出單位面積上的載荷,也即應(yīng)力也即應(yīng)力,此即為此即為HV硬度值。硬度值。HV的計(jì)算式為的計(jì)算式為: F (MPa) (2.1.27) 式中式中:P為壓頭載荷為壓頭載荷(N);S為壓痕表面積為壓痕表面積(mm2);為金剛石壓頭對(duì)面角為金剛石壓頭對(duì)面角(136);

41、 d為壓頭對(duì)角線平均長(zhǎng)度為壓頭對(duì)角線平均長(zhǎng)度(最大值最大值,mm)。HV與強(qiáng)度具有相同的量綱與強(qiáng)度具有相同的量綱,按按SI單位制單位制,一般為一般為MPa或或GPa。 221855.182/sin2/dPdPSPHV 對(duì)于脆性材料對(duì)于脆性材料,多數(shù)情況下壓痕邊多數(shù)情況下壓痕邊緣會(huì)產(chǎn)生破碎緣會(huì)產(chǎn)生破碎(裂紋裂紋),同時(shí)壓痕角上沿同時(shí)壓痕角上沿對(duì)角線延長(zhǎng)方向也會(huì)產(chǎn)生裂紋對(duì)角線延長(zhǎng)方向也會(huì)產(chǎn)生裂紋,因此因此,壓壓痕形狀不如金屬規(guī)整痕形狀不如金屬規(guī)整,給給d值的測(cè)量帶值的測(cè)量帶來一定困難。所以來一定困難。所以,在進(jìn)行試樣制備時(shí)在進(jìn)行試樣制備時(shí),其測(cè)試表面需用金剛石研磨拋光成鏡其測(cè)試表面需用金剛石研磨拋

42、光成鏡面。在面。在HV測(cè)定的同時(shí)測(cè)定的同時(shí),可根據(jù)壓痕角部可根據(jù)壓痕角部產(chǎn)生的微裂紋長(zhǎng)度估算材料的產(chǎn)生的微裂紋長(zhǎng)度估算材料的KIC值。值。因此因此,HV測(cè)試是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、一舉測(cè)試是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、一舉多得的方法。多得的方法。 2.1.3.2 顯微硬度顯微硬度(microhardness) 顯微硬度的測(cè)試原理同顯微硬度的測(cè)試原理同HV,但使用的載但使用的載荷較小荷較小,為為0.49039.807N(501000g)。另外。另外,壓頭尺寸也較小壓頭尺寸也較小,因此因此,壓痕尺寸也小壓痕尺寸也小,需用顯需用顯微鏡來測(cè)量壓痕的尺寸微鏡來測(cè)量壓痕的尺寸,因此而稱為顯微硬因此而稱為顯微硬度。度。 利用

43、顯微硬度儀利用顯微硬度儀,可對(duì)材料顯微組織中不可對(duì)材料顯微組織中不同的相或晶粒的硬度分別進(jìn)行測(cè)試。顯微同的相或晶粒的硬度分別進(jìn)行測(cè)試。顯微硬度根據(jù)壓頭的形狀不同又可分為維氏顯硬度根據(jù)壓頭的形狀不同又可分為維氏顯微硬度微硬度(Vikers microhardness,HVm)和努普和努普顯微硬度顯微硬度(Knoop microhardness,HKm)。 HVm的壓頭形狀與的壓頭形狀與HV相同相同,而而HKm的形的形狀為菱形截面金剛石錐狀為菱形截面金剛石錐,壓頭的對(duì)面角壓頭的對(duì)面角分別為分別為17230和和130。HVm及及HKm的計(jì)算公式如下的計(jì)算公式如下: (MPa) (2.1.28) (M

44、Pa) (2.1.29) 式中式中:P為載荷為載荷,(N);d對(duì)于對(duì)于HVm為壓痕對(duì)為壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度角線長(zhǎng)度(mm),而對(duì)于而對(duì)于HKm為長(zhǎng)對(duì)角線為長(zhǎng)對(duì)角線長(zhǎng)度。長(zhǎng)度。2/1855.18dPHVm2/229.14dPHKm 在顯微硬度使用的載荷范圍內(nèi)在顯微硬度使用的載荷范圍內(nèi),當(dāng)用小載荷測(cè)定高硬度材料的硬度當(dāng)用小載荷測(cè)定高硬度材料的硬度時(shí)時(shí),硬度值與硬度值與P值有一定依賴關(guān)系。值有一定依賴關(guān)系。因此因此,測(cè)定時(shí)應(yīng)盡量使用大載荷。另測(cè)定時(shí)應(yīng)盡量使用大載荷。另外外,HK比比HV的載荷依賴性更明顯。的載荷依賴性更明顯。所以所以,不管采用何種方法不管采用何種方法,測(cè)量硬度測(cè)量硬度時(shí)都應(yīng)注明載荷值。另外

45、時(shí)都應(yīng)注明載荷值。另外,HV測(cè)試測(cè)試時(shí)時(shí),由于壓痕彈性變形會(huì)帶來一定誤由于壓痕彈性變形會(huì)帶來一定誤差差,而而HK的誤差相對(duì)較小。的誤差相對(duì)較小。 2.1.3.3 劃痕硬度劃痕硬度(莫氏硬度莫氏硬度,Mohs hardness) 1812年由年由F.Mohs 創(chuàng)立。莫氏硬度創(chuàng)立。莫氏硬度(HM)是一種相對(duì)硬度表示法是一種相對(duì)硬度表示法,常用于礦物、地質(zhì)、常用于礦物、地質(zhì)、珠寶等行業(yè)。其測(cè)試方法是用事先規(guī)定好珠寶等行業(yè)。其測(cè)試方法是用事先規(guī)定好硬度等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)材料依次刻劃被測(cè)材料硬度等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)材料依次刻劃被測(cè)材料,如如果某一種材料剛好能劃傷被測(cè)材料果某一種材料剛好能劃傷被測(cè)材料,則其低則其低一級(jí)別的

46、材料的硬度即為被測(cè)試樣的硬度。一級(jí)別的材料的硬度即為被測(cè)試樣的硬度。 HM標(biāo)準(zhǔn)材料一般分為標(biāo)準(zhǔn)材料一般分為10級(jí)和級(jí)和15級(jí)兩類級(jí)兩類,詳見表詳見表2.1.4。 表表2.1.4 標(biāo)準(zhǔn)莫氏硬度材料順序標(biāo)準(zhǔn)莫氏硬度材料順序材 料硬度級(jí)(順序)材 料硬度級(jí)(順序)滑石 1滑石 1石膏 2石膏 2 方解石 3 方解石 3螢石 4螢石 4 磷灰石 5 磷灰石 5 正長(zhǎng)石 6 正長(zhǎng)石 6石英 7 石英玻璃 7石英 8黃玉 8黃玉 9 石榴石10 熔融ZrO211剛玉 9剛玉12SiC13 立方BC14 金剛石10 金剛石15 在選擇材料硬度測(cè)試方法時(shí)在選擇材料硬度測(cè)試方法時(shí),應(yīng)盡可應(yīng)盡可能地反映材料的使用

47、性能。另外能地反映材料的使用性能。另外,HM值只能比較材料硬度的相對(duì)大小值只能比較材料硬度的相對(duì)大小,而且而且,任意兩相鄰硬度級(jí)間的實(shí)際硬度差并任意兩相鄰硬度級(jí)間的實(shí)際硬度差并不相等。不相等。 應(yīng)當(dāng)指出的是應(yīng)當(dāng)指出的是,采用不同方法側(cè)得采用不同方法側(cè)得的硬度值之間沒有可比性。對(duì)于結(jié)構(gòu)的硬度值之間沒有可比性。對(duì)于結(jié)構(gòu)陶瓷陶瓷,E20HV,且當(dāng)溫度升高時(shí)且當(dāng)溫度升高時(shí),E/ HV比比值通常也升高。值通常也升高。 2.2 材料的熱性能材料的熱性能 陶瓷材料的熱性能可以分為陶瓷材料的熱性能可以分為基本熱性能基本熱性能(熱物性熱物性)和使用熱性能和使用熱性能兩大類。基本熱性能包括熱容兩大類?；緹嵝阅馨?/p>

48、括熱容(比比熱熱)、熱導(dǎo)率和熱膨脹性等。使用、熱導(dǎo)率和熱膨脹性等。使用熱性能則主要包括耐火度、荷重軟熱性能則主要包括耐火度、荷重軟化溫度、高溫蠕變、抗熱震性等?；瘻囟?、高溫蠕變、抗熱震性等。 2.2.1 基本熱學(xué)性能基本熱學(xué)性能 2.2.1.1 熱容熱容 (1)定義定義:材料溫度升高材料溫度升高(或降低或降低)1K所吸所吸收收(或放出或放出)的熱量的熱量,ISO單位為單位為Jmol-1K-1.根據(jù)過程的特征根據(jù)過程的特征,又可分為恒壓熱容與恒又可分為恒壓熱容與恒容熱容。容熱容。 (2.2.1)THCTHCPPP/ (2.2.2) 恒壓是實(shí)際生產(chǎn)中常見情況恒壓是實(shí)際生產(chǎn)中常見情況,因此因此恒壓熱

49、容應(yīng)用較為廣泛。為了應(yīng)用的恒壓熱容應(yīng)用較為廣泛。為了應(yīng)用的方便方便,工程應(yīng)用中還將恒壓條件下單位工程應(yīng)用中還將恒壓條件下單位質(zhì)量的材料溫度變化質(zhì)量的材料溫度變化1K時(shí)所吸收或放時(shí)所吸收或放出的熱量定義為比熱容的出的熱量定義為比熱容的,即即: (2.2.3)TUCTUCVVV/TmHCP/ 恒容條件下恒容條件下,可以從理論上導(dǎo)出可以從理論上導(dǎo)出CV-T關(guān)系。關(guān)系。0K時(shí)時(shí)CV=0,在極低溫度區(qū)在極低溫度區(qū)(2000)1550158030影響因素影響因素: 組成組成:包括化學(xué)組成和礦物組成包括化學(xué)組成和礦物組成,尤其尤其是礦物組成是礦物組成,玻璃相通常降低材料的高溫玻璃相通常降低材料的高溫荷重軟化

50、溫度荷重軟化溫度,影響的程度還與玻璃相種影響的程度還與玻璃相種類有關(guān)類有關(guān),見表見表2.2.6; 材料的顯微結(jié)構(gòu)材料的顯微結(jié)構(gòu):晶粒種類、晶粒大晶粒種類、晶粒大小、相對(duì)數(shù)量、形狀尺寸、交織關(guān)系等小、相對(duì)數(shù)量、形狀尺寸、交織關(guān)系等; 升溫速度升溫速度:升溫速度越快升溫速度越快,測(cè)得的高溫測(cè)得的高溫荷重軟化溫度值越高荷重軟化溫度值越高; 氣氛氣氛:含鐵、鈦等變價(jià)元素的材料含鐵、鈦等變價(jià)元素的材料,還原氣氛下通常具有較低的高溫荷還原氣氛下通常具有較低的高溫荷重軟化溫度重軟化溫度; 玻璃相玻璃相:數(shù)量、種類、分布形式及數(shù)量、種類、分布形式及其隨溫度的變化特性等其隨溫度的變化特性等; 氣孔率氣孔率:統(tǒng)常

51、降低高溫荷重軟化溫統(tǒng)常降低高溫荷重軟化溫度。度。 特別值得指出的是特別值得指出的是,熔點(diǎn)高的材料熔點(diǎn)高的材料TH 、TK不一定高不一定高,詳見表詳見表2.2.6及圖及圖2.2.3。另。另外外,組成越簡(jiǎn)單組成越簡(jiǎn)單(物相數(shù)量少物相數(shù)量少,主相多主相多,玻璃相玻璃相少少),通常高溫荷重軟化溫度范圍窄。對(duì)通常高溫荷重軟化溫度范圍窄。對(duì)于粘土磚來說于粘土磚來說,其相組成大約為其相組成大約為:主相為主相為A3S2(50%),其余部分為石英、氣孔和其余部分為石英、氣孔和硅酸玻璃相。通常具有較低的硅酸玻璃相。通常具有較低的TH,但因但因硅酸鹽玻璃相的高溫粘度隨溫度的變化硅酸鹽玻璃相的高溫粘度隨溫度的變化率較

52、小率較小,因而具有很寬的高溫荷重軟化溫因而具有很寬的高溫荷重軟化溫度范圍。度范圍。 硅磚的主相為鱗石英硅磚的主相為鱗石英,形成三微骨形成三微骨架架,少量玻璃相少量玻璃相(1015%)主要填充于空主要填充于空隙之中隙之中,因此而具有高的荷重軟化溫度因此而具有高的荷重軟化溫度和窄的軟化溫度范圍。鎂磚雖然具有和窄的軟化溫度范圍。鎂磚雖然具有特別高的耐火度特別高的耐火度,但其主相方鎂石沒有但其主相方鎂石沒有形成支撐骨架結(jié)構(gòu)形成支撐骨架結(jié)構(gòu),而是為耐火度較低而是為耐火度較低的鎂橄欖石和鎂薔薇輝石等所包裹的鎂橄欖石和鎂薔薇輝石等所包裹(高高溫時(shí)熔融成潤(rùn)濕性好的鎂硅酸鹽玻璃溫時(shí)熔融成潤(rùn)濕性好的鎂硅酸鹽玻璃)

53、,因此其高溫荷重軟化溫度較低因此其高溫荷重軟化溫度較低,高溫荷高溫荷重軟化溫度范圍也窄。重軟化溫度范圍也窄。 2.2.2.3 高溫荷重軟化溫度高溫荷重軟化溫度概念概念:指耐火制品、高溫結(jié)構(gòu)材料等在指耐火制品、高溫結(jié)構(gòu)材料等在一定溫度和恒定應(yīng)力同時(shí)作用下隨時(shí)間一定溫度和恒定應(yīng)力同時(shí)作用下隨時(shí)間變化而發(fā)生的等溫變形變化而發(fā)生的等溫變形,也是耐火材料以也是耐火材料以及其它高溫結(jié)構(gòu)材料的一項(xiàng)重要性能指及其它高溫結(jié)構(gòu)材料的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)標(biāo),基本反映了高溫材料在高溫使用條件基本反映了高溫材料在高溫使用條件下的強(qiáng)度性質(zhì)。下的強(qiáng)度性質(zhì)。測(cè)試方法測(cè)試方法:根據(jù)外加應(yīng)力的方式根據(jù)外加應(yīng)力的方式,可分為可分為壓縮

54、蠕變、拉伸蠕變、彎曲蠕變和扭轉(zhuǎn)壓縮蠕變、拉伸蠕變、彎曲蠕變和扭轉(zhuǎn)蠕變?nèi)渥?其中最為常用的是高溫壓縮蠕變。其中最為常用的是高溫壓縮蠕變。 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T5073-1985)規(guī)定了規(guī)定了耐火制品壓縮蠕變的測(cè)試方法。其基本耐火制品壓縮蠕變的測(cè)試方法。其基本原理是原理是:在恒定壓應(yīng)力下在恒定壓應(yīng)力下,以一定的升溫以一定的升溫速率加熱規(guī)定尺寸的試樣速率加熱規(guī)定尺寸的試樣,在指定的實(shí)驗(yàn)在指定的實(shí)驗(yàn)溫度下恒溫溫度下恒溫,記錄試樣隨時(shí)間變化而發(fā)生記錄試樣隨時(shí)間變化而發(fā)生的變形的變形,而蠕變速率按下式計(jì)算而蠕變速率按下式計(jì)算: (2.2.20)1000inLLLP 式中式中:P為蠕變速率為蠕變速率,

55、%;Li為試樣原為試樣原始高度始高度,mm;L0試樣在恒溫開始時(shí)的試樣在恒溫開始時(shí)的高度高度,mm;Ln是樣恒溫是樣恒溫n小時(shí)后的高小時(shí)后的高度度,mm。實(shí)際應(yīng)用中。實(shí)際應(yīng)用中,通常還用高溫通常還用高溫蠕變曲線表示。典型的高溫蠕變曲蠕變曲線表示。典型的高溫蠕變曲線如圖線如圖2.2.4所示所示,可分為可分為4個(gè)蠕變階個(gè)蠕變階段段: OA段段:瞬時(shí)彈性變形階段瞬時(shí)彈性變形階段,應(yīng)變與應(yīng)變與時(shí)間無關(guān)時(shí)間無關(guān); AB段段:一次蠕變一次蠕變,也稱減速蠕變階段也稱減速蠕變階段( ,蠕變速率隨時(shí)間增加而減小蠕變速率隨時(shí)間增加而減小)。此階段的持續(xù)時(shí)間與材料的本質(zhì)、溫度此階段的持續(xù)時(shí)間與材料的本質(zhì)、溫度以及應(yīng)

56、力大小有關(guān)。在減速蠕變階段往以及應(yīng)力大小有關(guān)。在減速蠕變階段往往伴隨有晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)的形成。往伴隨有晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)的形成。 B C 段段 : 二 次 蠕 變二 次 蠕 變 , 也 稱 等 速 蠕 變也 稱 等 速 蠕 變( ),蠕變率與時(shí)間成線性關(guān)系蠕變率與時(shí)間成線性關(guān)系,在此蠕變過程中在此蠕變過程中,材料一般無結(jié)構(gòu)變化材料一般無結(jié)構(gòu)變化;0/22dtd0/22dtd CD段段:三次蠕變,也稱加速蠕變( ),材料最后在D點(diǎn)破壞。此階段往往與材料內(nèi)部各種缺陷的成核、生長(zhǎng)與合并有關(guān)。0/22dtd蠕變機(jī)理蠕變機(jī)理:材料的蠕變從機(jī)理上可以材料的蠕變從機(jī)理上可以分為分為擴(kuò)散蠕變、位錯(cuò)蠕變擴(kuò)散蠕變、位錯(cuò)蠕變和和

57、晶界蠕晶界蠕變變?nèi)?。三類。擴(kuò)散蠕變也稱為納巴羅擴(kuò)散蠕變也稱為納巴羅-赫赫潤(rùn)潤(rùn)(Nabarro-Hering)蠕變?nèi)渥?其本質(zhì)為其本質(zhì)為材料晶格中質(zhì)點(diǎn)材料晶格中質(zhì)點(diǎn)(原子、離子等原子、離子等)由由受壓晶面向受拉晶面擴(kuò)散的過程受壓晶面向受拉晶面擴(kuò)散的過程,屬屬于晶界機(jī)制。在外界應(yīng)力的作用下于晶界機(jī)制。在外界應(yīng)力的作用下,多晶固體內(nèi)部自擴(kuò)散會(huì)隨應(yīng)力的方多晶固體內(nèi)部自擴(kuò)散會(huì)隨應(yīng)力的方向形成定向擴(kuò)散流向形成定向擴(kuò)散流(圖圖2.2.5)。 圖2.2.5 蠕變機(jī)理 例如例如,空位將從受壓晶界流向張應(yīng)力晶空位將從受壓晶界流向張應(yīng)力晶界界,其濃度將增加到其濃度將增加到 (為空為空位體積位體積;C0為平衡濃度為

58、平衡濃度),而受壓晶界的空而受壓晶界的空位濃度將降低到位濃度將降低到 ,原子和原子和離子也有類似的定向流離子也有類似的定向流,結(jié)果產(chǎn)生晶界結(jié)果產(chǎn)生晶界的滑移和晶粒形狀的改變。按上述模型的滑移和晶粒形狀的改變。按上述模型,納巴羅和赫潤(rùn)得出蠕變速率為納巴羅和赫潤(rùn)得出蠕變速率為: (2.2.21)213/kTdDdtdkTCC/exp0kTCC/exp0 式中式中:t為時(shí)間為時(shí)間;D為原子自擴(kuò)散系數(shù)為原子自擴(kuò)散系數(shù);d為為晶粒尺寸晶粒尺寸;為應(yīng)力。為應(yīng)力。 如果擴(kuò)散只沿晶界進(jìn)行如果擴(kuò)散只沿晶界進(jìn)行,Coble給出的給出的蠕變速率公式為蠕變速率公式為: (2.2.22) 式中式中:為晶界寬度為晶界寬度

59、,Db為晶界擴(kuò)散系數(shù)為晶界擴(kuò)散系數(shù).347/kTdDdtdb 位錯(cuò)蠕變位錯(cuò)蠕變則是由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生則是由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的變形。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)可以有滑移的變形。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)可以有滑移(沿滑移面沿滑移面的運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng))和攀移和攀移(運(yùn)動(dòng)到滑移面以外運(yùn)動(dòng)到滑移面以外,高溫高溫時(shí)起重要作用時(shí)起重要作用)兩種形式。位錯(cuò)的攀移過兩種形式。位錯(cuò)的攀移過程取決于晶格空位的擴(kuò)散。因此程取決于晶格空位的擴(kuò)散。因此,擴(kuò)散也擴(kuò)散也控制著變形的速率。威爾特曼給出小應(yīng)控制著變形的速率。威爾特曼給出小應(yīng)力下的穩(wěn)態(tài)應(yīng)變速率公式為力下的穩(wěn)態(tài)應(yīng)變速率公式為: (2.2.23) 式中式中:b為柏格斯矢量為柏格斯矢量;G為剪切模量為剪切模量

60、;N為為位錯(cuò)源密度。位錯(cuò)源密度。kTNGbDdtd5 . 05 . 35 . 05 . 42/ 位錯(cuò)通過攀移移出滑移面常形成小角晶位錯(cuò)通過攀移移出滑移面常形成小角晶界界(15)。溫度對(duì)位錯(cuò)攀移有顯著影響。在。溫度對(duì)位錯(cuò)攀移有顯著影響。在多晶陶瓷等材料中多晶陶瓷等材料中,晶界會(huì)阻止位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)晶界會(huì)阻止位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)(塞積和釘扎塞積和釘扎),從而減緩蠕變速率。晶粒尺寸從而減緩蠕變速率。晶粒尺寸也會(huì)影響材料蠕變。配奇也會(huì)影響材料蠕變。配奇(Petch)方程給出了方程給出了由于位錯(cuò)滑移而導(dǎo)致的屈服強(qiáng)度和晶粒尺寸由于位錯(cuò)滑移而導(dǎo)致的屈服強(qiáng)度和晶粒尺寸的關(guān)系為的關(guān)系為: (2.2.24) 式中式中:B為常數(shù)為