材料的力學(xué)性能13

1、第十三章 陶瓷材料的力學(xué)行為13.1 前言 陶瓷材料大都是脆性材料，對缺陷十分敏感，故其強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的分散性大。要使陶瓷材料作為結(jié)構(gòu)材料在工程中獲得應(yīng)用，需要對其力學(xué)性能做更多的研究，并對其力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果做統(tǒng)計(jì)分析。此外，玻璃、光導(dǎo)纖維、電瓷、紅外窗口材料等也屬于陶瓷材料，對這些材料力學(xué)性能的研究報(bào)導(dǎo)也日益增多。 除少數(shù)幾個(gè)具有簡單的晶體結(jié)構(gòu)，如MgO，KCl， KBr等，在室溫下稍具塑性以外，一般陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，室溫下沒有塑性，因而是脆性材料。脆性材料的拉伸試驗(yàn)只能測定其彈性模量和斷裂強(qiáng)度。 13.2 陶瓷材料的彈性模量 陶瓷材料的彈性模量比金屬的大得多，常高出一倍至幾倍。陶瓷材料彈

2、性模量列于表13-1。陶瓷材料的原子鍵主要有離子鍵和共價(jià)鍵兩大類，且多數(shù)具有雙重性。共價(jià)鍵晶體結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是鍵具有方向性。它使晶體擁有較高的抗晶格畸變和阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力，使共價(jià)鍵陶瓷具有比金屬高得多的硬度和彈性模量。離子鍵晶體結(jié)構(gòu)的鍵方向性不明顯，但滑移系不僅要受到密排面與密排方向的限期，而且要受到靜電作用力的限制，因此實(shí)際可動(dòng)滑移系較少，彈性模量較高。 （1）陶瓷材料的彈性模量材 料E/GPa材 料E/GPa材 料E/GPa金剛石1200W2C428NbC345WC717MoSi2380Be2C317TiB2648BeO352SiC485Al2O3510FeSi2345B4C455TiC

3、490ZrC345ZrB2440表13-1 典型陶瓷材料的彈性模量 165(2) 氣孔率對陶瓷材料彈性模量的影響 (13-1) 式中E0為無孔隙時(shí)陶瓷材料的彈性模量，p為孔隙率?？紫堵蕦椥阅Ａ縀eff的影響示于圖13-1；圖中曲線按式（13-1）畫出。圖13-1 孔隙率對陶瓷材料彈性模量Eeff的影響167(3) 拉、壓應(yīng)力狀態(tài)下的彈性模量 眾所周知，金屬不論是在拉伸還是在壓縮狀態(tài)下，其彈性模量相等，即拉伸與壓縮兩部分曲線為一條直線，如圖13-2(a)所示。而陶瓷材料壓縮時(shí)彈性模量一般高于拉伸時(shí)彈性模量，即壓縮時(shí)-e 曲線斜率比拉伸時(shí)的大，如圖13-2(b)所示。這與陶瓷材料顯微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性

4、和不均性有關(guān)。 圖13-2 金屬與陶瓷材料-e曲線的彈性部分。13.3 陶瓷材料的強(qiáng)度13.3.1 陶瓷材料的斷裂強(qiáng)度 強(qiáng)度與塑性是材料的基本力學(xué)性能。陶瓷材料在常溫下基本上不出現(xiàn)和極少出現(xiàn)塑性變形，因而其塑性指標(biāo)：延伸率和斷面收縮率均近似為零?？梢哉J(rèn)為，陶瓷材料的抗拉強(qiáng)度b,斷裂強(qiáng)度f和屈服強(qiáng)度在數(shù)值上是相等的。而且，陶瓷材料不論在拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)，或軸向壓縮應(yīng)力狀態(tài)下均發(fā)生脆性斷裂。因此，陶瓷材料可認(rèn)為是本征脆性材料。此外,陶瓷材料的軸向壓縮強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度大得多。這是脆性材料的一個(gè)特點(diǎn)或優(yōu)點(diǎn)。和金屬材料相比，陶瓷材料在高溫下具有良好的抗蠕變性能，而且在高溫下也具有一定的塑性。若按E/10估

5、算陶瓷材料的理論強(qiáng)度（見6.2節(jié)）6，則理論強(qiáng)度和實(shí)際斷裂強(qiáng)度差別達(dá)1-3個(gè)數(shù)量級(jí)。這是因?yàn)閷?shí)際的陶瓷組織結(jié)構(gòu)中存在工藝缺陷，若其中的缺陷是裂紋，則其真實(shí)斷裂強(qiáng)度應(yīng)采用Griffith公式，即式（6-11）估算；若其中的缺陷是微孔洞，則其真實(shí)斷裂強(qiáng)度可按下式估算168(13-2) 式中0為無微孔洞材料的斷裂強(qiáng)度。圖13-3為孔隙率對陶瓷材料斷裂強(qiáng)度的影響，圖中曲線按式（13-2）畫出。由式（13-1）和式（13-2）可見，應(yīng)減小結(jié)構(gòu)陶瓷中的孔隙率，以提高材料的彈性模量和強(qiáng)度。圖13-3 孔隙率對陶瓷材料斷裂強(qiáng)度的影響168 試樣的表面粗糙度對陶瓷材料的彎曲斷裂強(qiáng)度有很大的影響，如圖13-4所示

6、39。而且，試樣加工方向?qū)箯潖?qiáng)度也有影響，尤其是磨削方向與拉伸應(yīng)力方向垂直時(shí)，會(huì)因加工傷痕而使強(qiáng)度降低很多；在平行于拉伸軸的方向磨削時(shí)，影響較小。圖13-4 因加工產(chǎn)生的表面?zhèn)叟c氮化鋁AlN強(qiáng)度的關(guān)系3913.3.2 陶瓷材料強(qiáng)度的概率分布 測定陶瓷材料的抗拉強(qiáng)度比較困難，主要是因?yàn)樘沾刹牧嫌捕?，難以加工出高精度的拉伸試樣，而且要求試驗(yàn)機(jī)具有高的同心度。故目前主要以測定彎曲強(qiáng)度作為評價(jià)陶瓷強(qiáng)度性能指標(biāo) 。為得到可靠的試驗(yàn)結(jié)果，最好能從同質(zhì)坯料上切出盡可能多的小試樣，進(jìn)行大子樣試驗(yàn)，然后對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。 陶瓷材料的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果不僅遵循威布爾（Weibull）分布，也遵循正態(tài)分布和對

7、數(shù)正態(tài)分布 。13.4 陶瓷材料的切口強(qiáng)度與切口敏感性13.4.1 陶瓷材料的切口強(qiáng)度表達(dá)式在陶瓷材料彎曲斷裂強(qiáng)度和切口強(qiáng)度遵循正態(tài)分布的情況下，其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差可分別用下式表示 (13-3) (13-4) 式中 . 分別為彎曲強(qiáng)度和切口強(qiáng)度的平均值Sf、SbN分別為彎曲強(qiáng)度和切口強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差。13.4.2 加載速率對陶瓷材料強(qiáng)度和切口強(qiáng)度的影響 加載速率對陶瓷材料彎曲強(qiáng)度和切口強(qiáng)度的影響，如圖13-7所示。圖13-7 加載速率對陶瓷材料彎曲強(qiáng)度和切口強(qiáng)度的影響 由此可見，當(dāng)加載速率較低時(shí)，加載速率對陶瓷材料彎曲強(qiáng)度和切口強(qiáng)度的影響不大；當(dāng)加載速率高于某一數(shù)值時(shí)，陶瓷材料彎曲強(qiáng)度和切口強(qiáng)度隨加

8、載速率的升高而急劇下降。這與加載速率對金屬拉伸強(qiáng)度的影響剛好相反。這是研究和應(yīng)用陶瓷材料時(shí)，應(yīng)予以考慮的另一個(gè)重要特點(diǎn)；也可能是制約陶瓷材料用作高速運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)件的另一個(gè)因素。在高溫下，提高加載速率也降低陶瓷材料的強(qiáng)度和切口強(qiáng)度。13.4 陶瓷材料的疲勞 陶瓷材料疲勞的概念，與金屬材料的疲勞有所不同。陶瓷材料的疲勞分為靜態(tài)疲勞、動(dòng)態(tài)疲勞和循環(huán)疲勞。陶瓷材料的靜態(tài)疲勞是在持久載荷的作用下發(fā)生的失效斷裂，對應(yīng)于金屬材料中的應(yīng)力腐蝕和高溫蠕變。陶瓷材料的動(dòng)態(tài)疲勞，是以恒定的速率加載，研究材料的失效斷裂對加載速率的敏感性，類似于金屬材料應(yīng)力腐蝕研究中的慢應(yīng)變速率拉伸。陶瓷材料的循環(huán)疲勞，是在循環(huán)應(yīng)力作

9、用下發(fā)生的失效斷裂，對應(yīng)于金屬中的疲勞。下面簡要介紹循環(huán)疲勞與靜態(tài)疲勞。 13.4.1 陶瓷材料的循環(huán)疲勞壽命 陶瓷材料循環(huán)疲勞的一個(gè)主要特點(diǎn)，是疲勞壽命的試驗(yàn)結(jié)果非常分散，最長與最短的疲勞壽命相差達(dá)5-6個(gè)數(shù)量級(jí)172。因此，陶瓷材料循環(huán)疲勞壽命的試驗(yàn)結(jié)果，必須進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)分析表明，陶瓷材料循環(huán)疲勞壽命的試驗(yàn)結(jié)果也遵循對數(shù)正態(tài)分布，如圖13-8所示。 圖13-8 Al2O3陶瓷具有給定存活率的循環(huán)疲勞壽命曲線 13.4.2 陶瓷材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率圖13-10 陶瓷材料的裂紋擴(kuò)展速率曲線 a) 循環(huán)疲勞 b) 靜疲勞17413.5 陶瓷材料的韌性13.5.1 陶瓷材料的靜態(tài)韌性 陶瓷

10、材料的靜態(tài)韌性，即單位體積材料斷裂前所吸收的功，可按下式計(jì)算， W=f2/2E (13-6) 而陶瓷材料的斷裂強(qiáng)度并不比鋼的屈服強(qiáng)度高，但其彈性模量卻比鋼的高，見表13-1。因此，陶瓷材料的靜態(tài)韌性很低。 13.5.2 陶瓷材料的斷裂韌性 因?yàn)樘沾刹牧鲜谴嘈圆牧?，故含裂紋的陶瓷試件或零件的裂紋擴(kuò)展阻力，即斷裂抗力，即為形成新表面所需的表面能2。若已知表面能之值，則陶瓷材料斷裂韌性KIC值可按下式估算（見式（5-11）和（7-17） KIC= 2E/（1-2）1/2 （13-7） 金屬材料斷裂要吸收大量的塑性變形能，而塑性變形能要比表面能大幾個(gè)量級(jí)，所以陶瓷材料的斷裂韌性比金屬材料的要低1-2個(gè)數(shù)量級(jí)；最高達(dá)到12-15 MPa 低者僅有2-3 MPa 176。 13.6 陶瓷材料的抗熱震性 大多數(shù)陶瓷在生