第10章 陶瓷材料的力學性能

1、1第十章 陶瓷材料的力學性能 10-1 陶瓷材料 10-2 陶瓷材料的力學性能。 10-3 陶瓷材料的斷裂韌度 10-4 陶瓷材料的疲勞強度 10-5 陶瓷材料的其他性能210-1 陶瓷材料 陶瓷、金屬、高分子材料并列為當代三大固體材料。之間的主要區(qū)別在于化學鍵不同。金屬：金屬鍵高分子：共價鍵（主價鍵）+范德瓦爾鍵（次價鍵）陶瓷：離子鍵和共價鍵。 普通陶瓷，天然粘土為原料，混料成形，燒結而成。 工程陶瓷：高純、超細的人工合成材料，精確控制化學組成。 工程陶瓷的性能：耐熱、耐磨、耐腐蝕、絕緣、抗蠕變性能好。硬度高，彈性模量高，塑性韌性差，強度可靠性差。 常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化鋁

2、、氧化鋯、氮化硼等。3一、陶瓷材料的結構和顯微組織1、結構特點陶瓷材料通常是金屬與非金屬元素組成的化合物；以離子鍵和共價鍵為主要結合鍵?？梢酝ㄟ^改變晶體結構的晶型變化改變其性能。如“六方氮化硼為松散的絕緣材料；立方結構是超硬材料”2、顯微組織晶體相，玻璃相，氣相晶界、夾雜（種類、數(shù)量、尺寸、形態(tài)、分布等）影響陶瓷材料的力學性能。（對陶瓷燒結體進行熱處理，使晶界玻璃相重結晶或進入晶相成為固溶體材料，可顯著提高陶瓷材料的高溫強度）410-2 陶瓷材料的力學性能強度（高、低、室溫）韌性、硬度、斷裂韌度、疲勞等。一、陶瓷材料的彈性變形、塑性變形與斷裂（1）彈性A）彈性模量大是金屬材料的2倍以上。共價鍵

3、結構有較高的抗晶格畸變、阻礙位錯運動的阻力。晶體結構復雜，滑移系很少，位錯運動困難。B）彈性模量呈方向性；壓縮模量高于拉伸彈性模量結構不均勻性；缺陷 C）氣孔率，彈性模量5（2）塑性變形 a）室溫下，絕大多數(shù)陶瓷材料塑性變形極小。 b）1000以上，大多數(shù)陶瓷材料可發(fā)生塑性變形（主滑移系運動） c）陶瓷的超塑性（微晶超塑性） 超細等軸晶，第二相彌散分布，晶粒間存在無定形相。含Y2O3的ZrO2粉體，成型后1250燒結，在該溫度下，以3.510-2 S-1應變速率 =400%。利用陶瓷的超塑性，可以對陶瓷進行超塑加工（包括擴散焊接）。6（3）斷裂 以各種缺陷（表面或內部）為裂紋源，裂紋擴展，瞬時

4、脆斷。 缺陷的存在是概率性的。 用韋伯分布函數(shù)表示材料斷裂 F()斷裂概率m韋伯模數(shù)0特征應力，該應力下斷裂概率為0.632、 試樣內部的應力及它們的最大值dvFmvm)()(exp1)(07二、陶瓷材料強度和硬度陶瓷的實際強度比其理論值小12個數(shù)量級。（1）彎曲強度（圖10-3，4）三點彎曲、四點彎曲四點彎曲試樣工作部分缺陷存在的幾率較大。 強度比三點的低。（2）抗拉強度夾持部位易斷裂（加橡膠墊）常用彎曲強度代之，高20%40%。（3）抗壓強度比抗拉強度高得多，10倍左右。（4）硬度高 HRA，HR45N小負荷的維氏硬度HV或努氏硬度HK（表10-5）。810-3 陶瓷材料的斷裂韌度比金屬的

5、低12個數(shù)量級測定方法（圖）單邊切口法、山形切口法、壓痕法、雙扭法、雙懸臂梁法。KIC值受切口寬度的影響。金屬材料：、KIC；陶瓷材料：、 KIC。 尖端塑性區(qū)很小。陶瓷材料的增韌：（1）改善組織（細密、純、勻）（2）相變增韌（3）微裂紋增韌91010-4 陶瓷材料的疲勞強度 靜態(tài)疲勞，動態(tài)疲勞，循環(huán)疲勞和熱疲勞（1）靜態(tài)疲勞對應于金屬材料的應力腐蝕和高溫蠕變斷裂。“溫度、應力、環(huán)境介質”分成的四個區(qū)（圖10-11）孕育區(qū) （低于應力強度因子門檻值）低速區(qū) da/dt隨K而中速區(qū) da/dt僅與環(huán)境介質有關，與K無關。高速區(qū) da/dt隨K而呈指數(shù)關系11（2）動態(tài)疲勞 類似于金屬材料應力腐蝕研究中的慢應變速率拉伸。（3）循環(huán)疲勞 疲勞破壞以慢速龜裂擴展的方式發(fā)生。 陶瓷材料是脆性材料。（4）熱疲勞 低周疲勞 金屬的疲勞壽命通常用循環(huán)周次表示。 陶瓷材料的疲勞壽命則用斷裂時間表示。 疲勞特性評價，同樣符合paris公式。1210-5 陶瓷材料的其他性能1、耐磨性 (陶瓷是耐磨材料的一個發(fā)展方向) （1）減摩性與耐磨性 （2）抗磨性2、抗熱震性（熱沖擊）（1）抗熱震斷裂參數(shù)R急劇加熱和冷卻緩慢加熱和冷卻 均與熱導率 、有關。fcEtR 1RERf )1(13（2