材料力學(xué)性能第10章課件

1第十章陶瓷材料的力學(xué)性能2陶瓷在人類生活和社會(huì)建設(shè)中是不可缺少的材料

它和金屬材料、高分子材料的主要區(qū)別在于化學(xué)鍵不同，在性能上存在很大差異。3陶瓷陶器與瓷器的總稱，既古老又現(xiàn)代，亦稱無機(jī)非金屬材料，耐高溫、耐腐蝕、硬度高、絕緣。天然或人工合成的粉狀化合物，經(jīng)過成型和高溫?zé)Y(jié)可制成多相固體材料。5工程陶瓷是采用高純、超細(xì)的人工合成材料，精確控制其化學(xué)組成，經(jīng)過特殊工藝加工而得到的結(jié)構(gòu)精細(xì)、力學(xué)性能和熱學(xué)性質(zhì)優(yōu)良的陶瓷材料。常用工程陶瓷材料：氮化硅、碳化硅、氧化鋁、氧化鋯、氮化硼、氧化鋯增韌陶瓷（ZTC）等。679

工程陶瓷材料的塑性、韌性值比金屬材料低得多，對(duì)缺陷十分敏感，因而其力學(xué)性能數(shù)據(jù)的分散性大，強(qiáng)度可靠性較差。

工程陶瓷材料的制備技術(shù)、氣孔、夾雜物、晶界、晶粒結(jié)構(gòu)均勻性等因素對(duì)其力學(xué)性能有顯著影響。1010.2

陶瓷材料的變形與斷裂10.3

陶瓷材料的強(qiáng)度10.4

陶瓷材料的硬度與耐磨性10.5

陶瓷材料的斷裂韌性與增韌10.6

10.7

陶瓷材料的疲勞和抗熱震性10.1

陶瓷材料的結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容1110.1

陶瓷材料的結(jié)構(gòu)

一、陶瓷材料的組成與結(jié)合鍵

陶瓷材料通常是金屬與非金屬元素組成的化合物。

陶瓷晶體是以離子鍵和共價(jià)鍵為主要結(jié)合鍵，一般為

兩種或兩種以上不同鍵合的混合形式。

離子鍵和共價(jià)鍵是強(qiáng)固的結(jié)合鍵，故陶瓷材料具有高

熔點(diǎn)、高硬度、耐腐蝕和無塑性等特性。

陶瓷材料可以通過晶體結(jié)構(gòu)的晶型變化改變其性能。

表10-1

陶瓷材料離子鍵與共價(jià)鍵的混合

Si

0

0100SiC

0.7

11

89Si3N4

1.2

30

70SiO2

1.7

51

49Al2O3

2.0

63

37MgO

2.3

73

27LiF3.0

89

11

化合物

負(fù)電性差離子鍵(%)

共價(jià)鍵13陶瓷生產(chǎn)的工藝過程對(duì)各相的結(jié)構(gòu)，數(shù)量，形狀和

分布有重大的影響，從而給性能帶來巨大差異。

以固態(tài)份制成的陶瓷胚體中一般含40%-60%的氣

孔，隨著燒結(jié)過程要減少，最終含5%-10%氣孔。

氣孔通常不是球形，而是不規(guī)則的形狀用作保溫的陶瓷和化工用的過濾多孔陶瓷等需要增加氣孔率，有時(shí)氣孔率可高達(dá)60％。

若玻璃相分布于主晶相界面，在高溫下陶瓷材料的強(qiáng)度下降，且易于產(chǎn)生塑性變形。對(duì)陶瓷燒結(jié)體進(jìn)行熱處理，使晶界玻璃相重結(jié)晶或進(jìn)入晶相成為固溶體材料，可顯著提高陶瓷材料的高溫強(qiáng)度。14一、陶瓷材料的彈性變形10.2

陶瓷材料的變形與斷裂絕大多數(shù)陶瓷材料在室溫下拉伸或彎曲，均不產(chǎn)生塑性變形，呈脆性斷裂特征。脆性材料的拉伸試驗(yàn)只能測(cè)定其彈性模量和斷裂強(qiáng)度15陶瓷材料與金屬材料相比，其彈性變形具有如下特點(diǎn)：(1)彈性模量大是金屬的兩倍以上，這是由其共價(jià)鍵和離子鍵的鍵合結(jié)構(gòu)所決定的。17二、陶瓷材料的塑性變形室溫下，絕大多數(shù)陶瓷材料均不產(chǎn)生塑性變形。

?特例：?jiǎn)尉gO陶瓷因以離子鍵為主，在室溫

下可經(jīng)受高度彎曲而不斷裂。在1000℃以上高溫條件下，大多數(shù)陶瓷材料會(huì)出現(xiàn)主滑移系運(yùn)動(dòng)引起的塑性變形。陶瓷的超塑性?晶界滑動(dòng)，晶界液相流動(dòng)。?存在條件：超細(xì)等軸晶，第二相彌散分布，晶粒間存在液相或無定形相。F(σ)

=1?exp[?∫

(σ

?σu

mσ

0三、陶瓷材料的斷裂

陶瓷的斷裂均是以其內(nèi)部或表面存在的缺陷為起點(diǎn)

而發(fā)生的。

晶粒和氣孔尺寸在決定陶瓷材料強(qiáng)度與裂紋尺寸方

面有等效作用。缺陷的存在是概率性的。

陶瓷材料斷裂概率可以最弱環(huán)節(jié)理論為基礎(chǔ)，按韋伯分布函數(shù)考慮。

陶瓷材料在考慮其平均強(qiáng)度同時(shí)，用韋伯模數(shù)m度

量其強(qiáng)度均勻性(m↑分散性↓)。若兩種陶瓷材料平

均強(qiáng)度相同，則在一定的破壞應(yīng)力下，m值大的材

料比m值小的材料發(fā)生破壞的可能性要小18V)

dV]19解理是陶瓷材料的主要斷裂機(jī)理，且很容易從穿晶解理轉(zhuǎn)變成沿晶斷裂。

陶瓷材料的斷裂是以各種缺陷為裂紋源，在一定拉伸應(yīng)力作用下，其最薄弱環(huán)節(jié)處的微小裂紋擴(kuò)展，當(dāng)裂紋尺寸達(dá)到臨界值時(shí)，陶瓷瞬時(shí)脆斷。21試樣尺寸：?長(zhǎng)度LT≥35mm?跨距L＝30mm±0.1，l＝10mm±0.5，?加載壓頭R1＝2.0～5.0mm，R2=2.0～3.0mm。?寬度為b，高度為h，常用試樣截面尺寸為b×h＝4mm×3mm22彎曲試驗(yàn)時(shí)，以0.5mm/min的位移速率加載，求出最大斷裂載荷F，再按下式計(jì)算抗彎強(qiáng)度σbb：四點(diǎn)彎曲三點(diǎn)彎曲σbb,4＜σbb,323

σc/

σ'c

3.3

2.3

6.4

5.6

14.5

66.0

77.6

150.0

81.4

38.5

51.5

130.546.7~28.0測(cè)定值(抗彎強(qiáng)度)

σ'c/MPa

15400

13000

3200

2500

2400

105

644

238

301

1000

950

295

600~1000

理論值σc/MPa

50000

30000

20480

14000

34800

6930

50000

35700

24500

38500

49000

38500

28000

材料AL2O3晶須鐵晶須奧氏體型鋼高碳鋼琴絲硼玻璃Al2O3（藍(lán)寶石）BeOMgOSi3N4（熱壓）SiC

（熱壓）Si3N4（反應(yīng)燒結(jié)）AlN（熱壓）表10-3

陶瓷材料的斷裂強(qiáng)度25三、抗壓強(qiáng)度壓縮試樣尺寸為直徑5mm±0.1，高度為12.5mm±0.1兩端面研磨成平面并互相平行。陶瓷材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其抗拉強(qiáng)度，兩者相差10倍左右，因而陶瓷材料特別適于制造承受壓縮載荷作用的零件?？估瓘?qiáng)度/抗壓強(qiáng)度

1/4

1/3.3~1/3.4

1/8.3~1/10

1/40

1/10.8

1/14

1/11.3

1/10抗壓強(qiáng)度/MPa

400~600

850~1000

250~400

200

1350

1900

2990

3000抗拉強(qiáng)度/MPa

100~150

250~300

30~40

50

125

134

265

300

材料鑄鐵FC10①鑄鐵FC25①化工陶瓷透明石英玻璃多鋁紅柱石燒結(jié)尖晶石99％燒結(jié)氧化鋁燒結(jié)B4C表10-4

某些材料的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度

①鑄鐵FC10、FC25為日本牌號(hào)，分別相當(dāng)于我國(guó)的HT100和HT250262929602610202018802300198019301630169016501610146014601390136012101040

930

970

890HV(0.5)HV(1)HK(0.5)HK(1)92857487HR45NHP-SiC

96RB-SiC

92HP-Si3N4

92S-Si3N4

91RB-Si3N4

86S-Al2O3

92材料

硬度HRA10.4

陶瓷材料的硬度與耐磨性

一、陶瓷材料的硬度

工程陶瓷材料硬度高是其優(yōu)點(diǎn)之一，常用洛氏硬度

HRA、HR45N、維氏硬度HV或努氏硬度HK表示。

在測(cè)量陶瓷材料的維氏或努氏硬度時(shí)，試樣表面必

須研拋至鏡面，表面粗糙度在0.1μm以下。

表10-5

工程陶瓷材料的硬度值

注：RB—反應(yīng)燒結(jié)；

S—常壓燒結(jié)；HP—熱壓燒結(jié)。3031二、陶瓷材料的耐磨性陶瓷材料表面存在局部微凸起，其外側(cè)常有水蒸氣或碳?xì)浠衔镄纬傻谋砻鎸樱瑑?nèi)側(cè)在加工時(shí)可能形成有變形層。陶瓷材料表面加工還可能產(chǎn)生顯微裂紋或其它缺陷。其表面狀況影響摩擦磨損行為。1、陶瓷材料的表面接觸特性工程陶瓷硬度高，所以耐磨性也比較高。陶瓷材料的耐磨性不僅遠(yuǎn)優(yōu)于金屬，而且在高溫、腐蝕環(huán)境條件下更顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性。最重要的耐磨陶瓷材料是Al2O3、SiC、ZrO2、Si3N4、Sialon（賽隆陶瓷）等。322、陶瓷材料的摩擦磨損陶瓷材料的摩擦學(xué)特性，與對(duì)摩件的材料種類和性能、摩擦條件、環(huán)境，以及陶瓷材料自身的性能和表面狀態(tài)等諸多因素有關(guān)。磨損機(jī)理主要是以微斷裂方式導(dǎo)致的磨粒磨損陶瓷與陶瓷材料配對(duì)的摩擦副，金屬與陶瓷的摩擦副其粘著傾向都比金屬配對(duì)的摩擦副小，多應(yīng)用在要求極小磨損率的機(jī)件上。33斷裂韌度KIC/MPa·m1/2

210

93

77

47

5.5～3.5

7～10

3～5

3～5

12～16屈服強(qiáng)度/MPa

235

167

981

1040

49010.5

陶瓷材料的斷裂韌度與增韌

一、陶瓷材料的斷裂韌度

工程陶瓷的斷裂韌度值比金屬的低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)

表10-6

常用金屬與陶瓷的室溫屈服強(qiáng)度和斷裂韌度

性能

材

料

碳鋼

馬氏體時(shí)效鋼

高溫合金

鈦合金

陶瓷HP-Si2N4

高韌性ZrO2

Al2O3(熱壓)

燒結(jié)SiCWC-Co硬質(zhì)合金34目前測(cè)定陶瓷材料斷裂韌度的方法常用的方法有：?jiǎn)芜吳锌诹悍ㄉ叫吻锌诜▔汉鄯p扭法雙懸臂梁法35二、陶瓷材料的增韌工程陶瓷有一系列優(yōu)異的性能，但因其脆性大，應(yīng)用受到限制，陶瓷材料的增韌一直是材料科學(xué)界研究的熱點(diǎn)之一(1)改善陶瓷顯微結(jié)構(gòu)陶瓷增韌途徑：晶粒形狀也影響陶瓷韌性。晶粒長(zhǎng)寬比↑

KIC↑使材料達(dá)到細(xì)、密、勻、純，是陶瓷材料增韌增強(qiáng)的有效途徑之一。eg.用熱壓法制備Si3N4，致密且晶粒細(xì)化，KIC↑斷裂強(qiáng)度↑室溫以下。裂紋四

方

相

ZrO2顆

粒

應(yīng)力場(chǎng)在應(yīng)力作用下轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

單

斜

相

ZrO2顆

粒36(2)相變?cè)鲰g

是ZrO2陶瓷的典型增韌機(jī)理，它是通過外力誘發(fā)四方t-ZrO2

相轉(zhuǎn)變成單斜m-ZrO2相變來實(shí)現(xiàn)的。

該馬氏體相變伴有4%-5%體積膨脹，且消耗能量，使材料

1170℃

加入少量穩(wěn)定劑如Y2O3、CaO、MgO等，可將相變點(diǎn)Ms降到37相變?cè)鲰g受使用溫度限制，當(dāng)溫度超過800℃時(shí)，

t-ZrO2由亞穩(wěn)態(tài)變成穩(wěn)定態(tài)，t-ZrO2→

m-ZrO2相變不再發(fā)生，故相變?cè)鲰g失去作用。38(3)微裂紋增韌機(jī)理：當(dāng)主裂紋擴(kuò)展遇到微裂紋時(shí)會(huì)發(fā)生分叉轉(zhuǎn)向前進(jìn)，

主裂紋尖端應(yīng)力集中被松弛，致使擴(kuò)展速度減慢，使材

料韌性增加。微裂紋產(chǎn)生原因：微裂紋是相變體積膨脹時(shí)產(chǎn)生；溫度變化基體相與分散相之間熱膨脹性能不同所引起；材料中原本已經(jīng)存在的。3910.6陶瓷材料的疲勞一、陶瓷材料的疲勞類型陶瓷的疲勞循環(huán)疲勞靜態(tài)疲勞動(dòng)態(tài)疲勞循環(huán)載荷作用下的機(jī)械疲勞效應(yīng)

在靜載荷作用下，陶瓷承載能力隨

時(shí)間延長(zhǎng)而下降的斷裂現(xiàn)象在恒加載速率下，陶瓷斷裂對(duì)加載速率敏感性401.

循環(huán)疲勞在循環(huán)載荷作用下，陶瓷材料的低應(yīng)力斷裂。單相陶瓷、相變?cè)鲰g陶瓷以及陶瓷基復(fù)合材料缺口試樣，在室溫循環(huán)壓縮載荷作用下有疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展現(xiàn)象。412.

靜態(tài)疲勞在靜載荷作用下，材料的承載能力隨時(shí)間延長(zhǎng)而下降產(chǎn)生的斷裂，對(duì)應(yīng)于金屬材料的應(yīng)力腐蝕和高溫蠕變斷裂當(dāng)外加應(yīng)力低于斷裂應(yīng)力時(shí)，陶瓷材料也可能出現(xiàn)亞臨界裂紋擴(kuò)展。這一過程與溫度、應(yīng)力和環(huán)境介質(zhì)諸因素密切相關(guān)。42陶瓷材料裂紋擴(kuò)展速率曲線包括了四個(gè)區(qū)域:KⅠ

≤Kth區(qū)，裂紋不發(fā)生亞臨界擴(kuò)展(Kth為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子門檻值)；Ⅰ區(qū)：低速區(qū)，裂紋擴(kuò)展速率da/dt隨KⅠ提高而增大，材料與環(huán)境介質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)不是裂紋擴(kuò)展速率的控制因素；Ⅱ區(qū)：中速區(qū)，裂紋擴(kuò)展速率僅與環(huán)境有關(guān)而與KⅠ無關(guān)；Ⅲ區(qū)：高速區(qū)，裂紋擴(kuò)展速率da/dt隨KⅠ變化呈指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)，與環(huán)境介質(zhì)無關(guān)。這一階段的速率取決于材料的組分、結(jié)構(gòu)和顯微組織。=

AKI對(duì)I區(qū)而言，裂紋擴(kuò)展速率da/dt與應(yīng)力強(qiáng)度因

子KI之間的基本關(guān)系為：

由于陶瓷材料的靜強(qiáng)度值分散性很大，所以

其疲勞強(qiáng)度值的分散性更大。為此，在試驗(yàn)

方法上應(yīng)增大測(cè)量時(shí)間范圍；在數(shù)據(jù)處理

上，必須考慮試驗(yàn)數(shù)據(jù)的概率分布。43式中

A，n——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)n稱為應(yīng)力腐蝕指數(shù)，其值隨材料韌性增加而增加，并對(duì)濕度很敏感。nda

dt44二、陶瓷材料疲勞特性評(píng)價(jià)陶瓷的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKth與斷裂韌度KIC之比值較金屬大，陶瓷一般為0.4～0.8，結(jié)構(gòu)鋼的為0.04。陶瓷材料的ΔKth/KIC值比金屬大得多，說明陶瓷更難產(chǎn)生疲勞裂紋。陶瓷材料在室溫及大氣中也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂，但陶瓷材料的應(yīng)力腐蝕開裂比疲勞更難產(chǎn)生。在交變載荷作用下，疲勞和應(yīng)力腐蝕對(duì)裂紋擴(kuò)展的疊加效應(yīng)。4510.7

陶瓷材料的抗熱震性高溫下服役的機(jī)件常伴有急劇的加熱和冷卻，在這種條件下使用的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，要求具有優(yōu)良的抗熱震性?？篃嵴鹦裕翰牧铣惺軠囟润E變而不破壞的能力。熱震破壞分為兩類：熱震斷裂：由熱震引起的瞬時(shí)斷裂；熱震損傷：在熱沖擊循環(huán)作用下，材料先出現(xiàn)開裂，隨之裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低，最終整體破壞。46陶瓷材料的抗熱震性是其力學(xué)性能和熱學(xué)性能的綜合表現(xiàn)，不僅受幾何因素、環(huán)境介質(zhì)的影響，同時(shí)也取決于材料的強(qiáng)度和斷裂韌度。熱震破壞的動(dòng)力：在各種熱環(huán)境下引起的熱應(yīng)力。當(dāng)材料固有的強(qiáng)度不足以抵抗熱度溫差引起的熱應(yīng)力時(shí)，將導(dǎo)致材料瞬時(shí)熱震斷裂。當(dāng)熱應(yīng)力導(dǎo)致的儲(chǔ)存于材料中的應(yīng)變能足以支付裂紋成核和擴(kuò)展所需的新增表面能時(shí)，裂紋就形成和擴(kuò)展。隨著反復(fù)的加熱、冷卻，裂紋擴(kuò)展，強(qiáng)度急劇降低，機(jī)件局部有可能發(fā)生剝落或崩裂→熱震損傷的過程。陶瓷材料的抗熱振性是其重要的使用性能，通常用抗熱震參數(shù)表征。R

=σ

fR

=

Δtc

=1?ν

Eασ

f

=

λRλ(1?ν)

Eα'對(duì)于緩慢加熱和冷卻的陶瓷材料，其抗熱震斷裂參數(shù)R'為一、抗熱震斷裂參數(shù)

根據(jù)熱彈性理論，以強(qiáng)度-應(yīng)力為判據(jù)，可以得到陶瓷的抗

熱震斷裂參數(shù)。

對(duì)于急劇加熱和冷卻的陶瓷材料，其抗熱震斷裂參數(shù)R為

式中

Δtc——熱震斷裂的臨界溫差

σf

——斷裂強(qiáng)度，相當(dāng)于熱震斷裂的臨界熱應(yīng)力σc

E,ν,α,λ——分別為彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率47度σ?

113.7

180.82.4

30625250215100

40350171584

863860.270.270.240.270.340.263.23.24.39.08.54.9310220410400400600

850

240

500

500

2001400

熱壓Si3N4反應(yīng)燒結(jié)Si3N4

反應(yīng)燒結(jié)SiC

熱壓Al2O3

熱壓BeO

燒結(jié)WC

R’/kW·m-1

R/K熱導(dǎo)系數(shù)λW·M-1·K-1(500℃)泊松比ν斷裂強(qiáng)

彈性模

熱膨脹系

量E

數(shù)α/MPa

/GPa

×10-6K-1材料表10-7

幾種陶瓷材料的抗熱震斷裂參數(shù)

①

斷裂強(qiáng)度σ?由彎曲試驗(yàn)測(cè)定。

R越大，材料的抗熱震斷裂越好。4849二、抗熱震損傷參數(shù)在熱震環(huán)境下，多孔陶瓷的抗熱震損傷性優(yōu)于致密性高的陶瓷。eg.氣孔率為10%～20%的非致密性陶瓷中的熱震裂紋核往往受到氣孔的抑制；此時(shí)，氣孔不僅鈍化裂紋尖端，減小應(yīng)力集中，而且會(huì)降低熱導(dǎo)率γf為斷裂表面能50欲提高陶瓷材料抗熱震斷裂能力，要求材料的強(qiáng)度高、彈性模量低，同時(shí)熱導(dǎo)率要大，熱膨脹系數(shù)要小；要提高陶瓷材料抗熱震損傷能力，要求材料具有盡可能高的彈性模量、斷裂表面能和低的強(qiáng)度?？梢?，提高陶瓷材料抗兩類熱震破壞的能力，對(duì)材料力學(xué)性能的要求恰好相反提高陶瓷材料抗熱