材料力学行为-第六章-孙巧艳主讲

1、第六章第六章 陶瓷材料的力学行为陶瓷材料的力学行为 陶瓷材料的陶瓷材料的晶体结构晶体结构 陶瓷材料的陶瓷材料的显微组织显微组织 陶瓷材料的陶瓷材料的增韧增韧 陶瓷材料陶瓷材料高温力学性能高温力学性能 主要内容主要内容 一一 陶瓷材料的物质结构和显微结构陶瓷材料的物质结构和显微结构 1 陶瓷材料的结合键陶瓷材料的结合键 离子键离子键 共价键共价键 （1）离子键：由正离子和负离子相互吸引形成的结合键。）离子键：由正离子和负离子相互吸引形成的结合键。 如如CaO,MgO,Al2O3,ZrO2 离子键构成的材料具有高离子键构成的材料具有高 熔点和高硬度，塑性差。熔点和高硬度，塑性差。 (2) 共价键：

2、由原子之间共享价电子而形成的结合件。共价键：由原子之间共享价电子而形成的结合件。 例如例如Si，C（金刚石），（金刚石），SiC，Si3N4等等 共价键的特点：具有明确的方向，共价键的键角为共价键的特点：具有明确的方向，共价键的键角为109 .由由 共价键构成的材料具有高熔点和高硬度，塑性差。共价键构成的材料具有高熔点和高硬度，塑性差。 2 陶瓷材料的组织结构（相组成）陶瓷材料的组织结构（相组成） 晶相、玻璃相和气相晶相、玻璃相和气相 （1）晶相：陶瓷材料主要组成相，决）晶相：陶瓷材料主要组成相，决 定陶瓷材料的性能，如物理化学和力学定陶瓷材料的性能，如物理化学和力学 性能。晶相的结合键为离子

3、键和共价键。性能。晶相的结合键为离子键和共价键。 陶瓷晶相也有缺陷，点缺陷、线缺陷和面缺陷，比如位错和晶界、亚晶界等。陶瓷晶相也有缺陷，点缺陷、线缺陷和面缺陷，比如位错和晶界、亚晶界等。 （2）玻璃相）玻璃相 非晶态固体，在陶瓷材料烧结过程中各组成相与杂质产生一系列化学反应，非晶态固体，在陶瓷材料烧结过程中各组成相与杂质产生一系列化学反应， 形成液相，冷却凝固时形成非晶态玻璃。形成液相，冷却凝固时形成非晶态玻璃。 玻璃相的作用？玻璃相的作用？ 有利：将分散的晶相颗粒粘接在一起，降低烧结温度，抑制晶相的晶粒有利：将分散的晶相颗粒粘接在一起，降低烧结温度，抑制晶相的晶粒 长大并填充气孔。长大并填充

4、气孔。 不利：玻璃相热稳定性差，在较低温度下开始软化，导致陶瓷在高温下发生不利：玻璃相热稳定性差，在较低温度下开始软化，导致陶瓷在高温下发生 蠕变。玻璃相中存在金属离子，降低陶瓷材料的绝缘性。蠕变。玻璃相中存在金属离子，降低陶瓷材料的绝缘性。 陶瓷材料控制玻璃相的数量，一般在陶瓷材料控制玻璃相的数量，一般在20-40%。 （3）气相，即陶瓷中的气孔）气相，即陶瓷中的气孔 气孔是陶瓷材料制备中不可避免地残留下来。陶瓷材料中的气孔数量：气孔是陶瓷材料制备中不可避免地残留下来。陶瓷材料中的气孔数量：5-10%。 气孔对陶瓷材料的影响？气孔对陶瓷材料的影响？ 不利的影响：降低陶瓷材料的强度，使介电损耗

5、大，电击穿强度不利的影响：降低陶瓷材料的强度，使介电损耗大，电击穿强度 降低，绝缘性减低。降低，绝缘性减低。 气孔可以加以利用吗？气孔可以加以利用吗？ 降低陶瓷密度，吸收振动和隔绝噪音。降低陶瓷密度，吸收振动和隔绝噪音。 多孔陶瓷，气孔率大于多孔陶瓷，气孔率大于20-30% 二二 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能 概括地讲，陶瓷材料具有高硬度、耐高温和抗氧化、概括地讲，陶瓷材料具有高硬度、耐高温和抗氧化、 耐腐蚀和优良的物理化学性能。耐腐蚀和优良的物理化学性能。 1 力学性能力学性能 （1）强度）强度 陶瓷材料的晶相由离子键和共价键组成，理论断裂强度很高。陶瓷材料的晶相由离子键和共价键组成

6、，理论断裂强度很高。 实际上，陶瓷材料强度的实验测试值远远小于理论断裂强度。实际上，陶瓷材料强度的实验测试值远远小于理论断裂强度。 原因是什么？原因是什么？ 实测强度实测强度/理论强度：理论强度：1/31/150 原因之一：陶瓷材料的气相，如同裂纹；原因之一：陶瓷材料的气相，如同裂纹； 之二：固相组织结构复杂不均匀，导致内应力增加，增加了微裂纹形成之二：固相组织结构复杂不均匀，导致内应力增加，增加了微裂纹形成 的可能性的可能性 之三：陶瓷材料的微裂纹的尺寸比金属材料的大之三：陶瓷材料的微裂纹的尺寸比金属材料的大 （2）抗压强度）抗压强度陶瓷材料抗压不抗拉。陶瓷材料抗压不抗拉。 抗压强度远远大于

7、抗压强度。抗压强度远远大于抗压强度。 拉拉 伸伸 压压 缩缩 （3）弹性模量）弹性模量 陶瓷材料具有高的弹性模量，数倍于金属材料的弹性模量。陶瓷材料具有高的弹性模量，数倍于金属材料的弹性模量。 （4）陶瓷材料的脆性）陶瓷材料的脆性 陶瓷材料脆性大是其致命的弱点。陶瓷材料脆性大是其致命的弱点。 脆性的来源脆性的来源 陶瓷晶相本身的滑移系非常少陶瓷晶相本身的滑移系非常少 显微组织中存在裂纹显微组织中存在裂纹 陶瓷材料的断裂能比金属的低几个数量级。陶瓷材料的断裂能比金属的低几个数量级。 陶瓷材料：陶瓷材料：40-109J/m2金属：金属：103-5J/m2 2 陶瓷材料的物理化学性能陶瓷材料的物理化

8、学性能 （1）陶瓷材料的熔点高（熔点一般高于）陶瓷材料的熔点高（熔点一般高于2000 C），耐高温，膨胀系数小，），耐高温，膨胀系数小， 热导率低（与气孔数量有关），绝缘体。热导率低（与气孔数量有关），绝缘体。 （2）陶瓷材料具有特殊的光学性能，用于制造固体激光材料和光纤。）陶瓷材料具有特殊的光学性能，用于制造固体激光材料和光纤。 （3）有些陶瓷材料具有磁性，用于磁芯、磁带和磁头的制造。）有些陶瓷材料具有磁性，用于磁芯、磁带和磁头的制造。 （4）陶瓷材料的化学稳定性高，在）陶瓷材料的化学稳定性高，在1000 C下不氧化，对酸碱盐具有很好的耐下不氧化，对酸碱盐具有很好的耐 腐蚀性，用于化工行业耐

9、腐蚀零件。腐蚀性，用于化工行业耐腐蚀零件。 三三 陶瓷材料强度的影响因素和陶瓷材料的增韧陶瓷材料强度的影响因素和陶瓷材料的增韧 1 影响陶瓷材料强度的因素影响陶瓷材料强度的因素 （1）气孔）气孔 气孔的大小、数量和分布影响陶瓷材料的强度气孔的大小、数量和分布影响陶瓷材料的强度 气孔数量（气孔率）增加，弹性模量降低，陶瓷材料的强度降低。气孔数量（气孔率）增加，弹性模量降低，陶瓷材料的强度降低。 陶瓷材料的断裂强陶瓷材料的断裂强 度与弹性模量的平度与弹性模量的平 方根成正比方根成正比 )exp( 0 p 是强度，是强度，p是气孔率，是气孔率， 是常数，是常数， 0是气孔率为零时的强度。是气孔率为零

10、时的强度。 Al2O3-SiO2-MgO （2）微裂纹和晶粒尺寸的影响）微裂纹和晶粒尺寸的影响 微裂纹的形成：陶瓷晶粒弹性和热膨胀的各向异性引起的残余应力导致微裂纹的形成：陶瓷晶粒弹性和热膨胀的各向异性引起的残余应力导致 裂纹形成的。裂纹形成的。 TiO2陶瓷陶瓷 对于陶瓷材料，也建立了晶粒尺对于陶瓷材料，也建立了晶粒尺 寸和强度的经验关系寸和强度的经验关系 D:晶粒平均直径，晶粒平均直径， 0、 1是常数是常数 2 1 10 D 陶瓷中微裂纹真得这么一无是处吗？陶瓷中微裂纹真得这么一无是处吗？ 有人提出微裂纹可以钝化裂纹尖有人提出微裂纹可以钝化裂纹尖 端，松弛能量，提高强度。端，松弛能量，提

11、高强度。 陶瓷晶粒尺寸大，陶瓷中的微裂纹尺寸也大。陶瓷晶粒尺寸大，陶瓷中的微裂纹尺寸也大。 2 陶瓷材料的增韧陶瓷材料的增韧 克服致命弱点克服致命弱点 常用的增加机制和方法如下常用的增加机制和方法如下 （1）ZrO2相变增韧相变增韧 ZrO2晶体结构和相变晶体结构和相变 单斜相单斜相四方相四方相 立方相立方相 1100 C 2300 C 马氏体相变马氏体相变 伴随体积膨胀伴随体积膨胀 关键：如何将关键：如何将1100度以上的四方相保留到室温？度以上的四方相保留到室温？ 两个途径两个途径 途径一：将途径一：将ZrO2颗粒弥散在陶瓷基体中，因为基体的强烈约束，抑颗粒弥散在陶瓷基体中，因为基体的强烈

12、约束，抑 制马氏体相变，四方制马氏体相变，四方ZrO2保留下来保留下来 途径二：加入稳定四方途径二：加入稳定四方ZrO2的物质，如的物质，如CaO，Y2O3，CeO等，将部分等，将部分 四方四方ZrO2颗粒保留到室温，称为部分稳定颗粒保留到室温，称为部分稳定ZrO2 （PSZ)。 室温下四方室温下四方ZrO2在热力学上不稳定？有向单斜相发生马氏体相变的趋势。在热力学上不稳定？有向单斜相发生马氏体相变的趋势。 室温下：单斜相和四方相化学自由能差室温下：单斜相和四方相化学自由能差 （相变驱动力不够），需要外力做功补偿（相变驱动力不够），需要外力做功补偿 驱动力的缺少值，使相变发生。宏观上表驱动力的

13、缺少值，使相变发生。宏观上表 现为陶瓷材料断裂消耗了更多的能量，从现为陶瓷材料断裂消耗了更多的能量，从 而表现出好的韧性。而表现出好的韧性。 （2）韧性相增韧）韧性相增韧 思路：在陶瓷材料中分布韧性相（金属），在裂纹扩展中起着附加吸收能思路：在陶瓷材料中分布韧性相（金属），在裂纹扩展中起着附加吸收能 量的作用。量的作用。 韧性相改善陶瓷材料韧性的机制韧性相改善陶瓷材料韧性的机制? 1）在裂纹尖端，韧性相发生大范围屈服和塑性变形，以塑性变形功的形式）在裂纹尖端，韧性相发生大范围屈服和塑性变形，以塑性变形功的形式 吸收外力做功，增加裂纹扩展的阻力；吸收外力做功，增加裂纹扩展的阻力； 2）裂纹尖端韧

14、性相屈服有助于钝化裂纹，缓解应力集中，在一定程度提高）裂纹尖端韧性相屈服有助于钝化裂纹，缓解应力集中，在一定程度提高 裂纹扩展阻力。裂纹扩展阻力。 实际中金属相如何增加裂纹扩展阻力呢？实际中金属相如何增加裂纹扩展阻力呢？ 根据金属和陶瓷浸润程度而不同根据金属和陶瓷浸润程度而不同 金属很好的浸润陶瓷形成金属网络金属很好的浸润陶瓷形成金属网络 裂纹裂纹裂纹尖端受到金属韧性相很好的裂纹尖端受到金属韧性相很好的 屏蔽，裂纹面也会因为金属相塑屏蔽，裂纹面也会因为金属相塑 性好而出现桥接现象，是裂纹有性好而出现桥接现象，是裂纹有 闭合趋势，增加裂纹扩展阻力，闭合趋势，增加裂纹扩展阻力， 提高陶瓷材料的韧性

15、。提高陶瓷材料的韧性。 金属不能很好的浸润陶瓷，以分散颗粒金属不能很好的浸润陶瓷，以分散颗粒 存在于陶瓷基体中。存在于陶瓷基体中。 金属粒子在裂纹前方和后方起到钉金属粒子在裂纹前方和后方起到钉 扎作用和桥接作用。增加了裂纹扩扎作用和桥接作用。增加了裂纹扩 展阻力，提高陶瓷的韧性。展阻力，提高陶瓷的韧性。 （3）纤维（晶须）增韧）纤维（晶须）增韧 在陶瓷材料中引入纤维或者晶须，一方面在陶瓷材料中引入纤维或者晶须，一方面 为陶瓷基体分担外加应力，另一方面裂纹为陶瓷基体分担外加应力，另一方面裂纹 为避开纤维，沿着纤维与基体界面扩展传为避开纤维，沿着纤维与基体界面扩展传 播，增加裂纹扩展阻力。播，增加

16、裂纹扩展阻力。 裂纹尖端，裂纹尖端， 基体和纤维基体和纤维 之间脱开之间脱开 纤维的桥纤维的桥 接作用接作用 显著增加裂纹扩展显著增加裂纹扩展 阻力，提高陶瓷材阻力，提高陶瓷材 料的韧性料的韧性 纤维与陶瓷基体结合力要控制适当纤维与陶瓷基体结合力要控制适当 （4）控制显微组织增韧）控制显微组织增韧 1）晶粒形状对增韧的影响）晶粒形状对增韧的影响 柱状晶粒中裂柱状晶粒中裂 纹扩展路径纹扩展路径 等轴晶粒中裂等轴晶粒中裂 纹扩展路径纹扩展路径 晶粒为长柱状陶瓷材料的断裂韧性比等轴状陶瓷材料的高。晶粒为长柱状陶瓷材料的断裂韧性比等轴状陶瓷材料的高。 （2）晶粒尺寸的影响）晶粒尺寸的影响 对于陶瓷材料

17、，晶粒尺寸对韧性的影响规律复杂。对于陶瓷材料，晶粒尺寸对韧性的影响规律复杂。 Al2O3陶瓷韧性随晶粒陶瓷韧性随晶粒 尺寸的增加而减小尺寸的增加而减小 SiN陶瓷随着晶粒尺寸陶瓷随着晶粒尺寸 的增加先增后减的增加先增后减 四四 陶瓷材料的弹性变形和塑性变形陶瓷材料的弹性变形和塑性变形 1 弹性变形弹性变形 陶瓷材料在室温静拉伸载荷下不出现塑性变形，弹性变形结束后发生断裂。陶瓷材料在室温静拉伸载荷下不出现塑性变形，弹性变形结束后发生断裂。 弹性变形行为取决于弹性模量。弹性变形行为取决于弹性模量。 气孔率对弹性模量的影响气孔率对弹性模量的影响 2 210 1/pkpkEE 工艺过程对陶瓷材料的弹性

18、模量有重要影响。工艺过程对陶瓷材料的弹性模量有重要影响。 陶瓷材料的弹性模量的特点陶瓷材料的弹性模量的特点 与陶瓷材料的相组成密切相关与陶瓷材料的相组成密切相关 大于金属材料的弹性模量大于金属材料的弹性模量 陶瓷材料的弹性模量仅次于金刚石。陶瓷材料的弹性模量仅次于金刚石。 室温下陶瓷材料的主要变形方式是弹性变形室温下陶瓷材料的主要变形方式是弹性变形 2 陶瓷材料的塑性陶瓷材料的塑性 陶瓷材料在低温下没有塑性，表现为脆性断裂。陶瓷材料在低温下没有塑性，表现为脆性断裂。 原因是什么？原因是什么？ 结合键：具有方向性，位错少结合键：具有方向性，位错少 位错运动阻力大位错运动阻力大 存在微裂纹存在微裂

19、纹 五五 陶瓷材料的高温性能陶瓷材料的高温性能 1 陶瓷材料高温下的塑性变形陶瓷材料高温下的塑性变形 陶瓷材料在高温下可以发生明显的塑性变形陶瓷材料在高温下可以发生明显的塑性变形 加载速率小，材料的塑性变形量较大加载速率小，材料的塑性变形量较大 陶瓷材料随着温度的升高发生脆性向韧性的转变陶瓷材料随着温度的升高发生脆性向韧性的转变 转变的温度大约为转变的温度大约为0.5Tm 2 陶瓷材料在高温下的蠕变陶瓷材料在高温下的蠕变 （1）陶瓷材料高温下的蠕变曲线）陶瓷材料高温下的蠕变曲线 具有三个阶段具有三个阶段 I 减速蠕变减速蠕变 II 稳定蠕变稳定蠕变 III 快速蠕变快速蠕变 陶瓷材料的蠕变机制

20、：陶瓷材料的蠕变机制：扩散蠕变、晶界扩散、晶界流动机扩散蠕变、晶界扩散、晶界流动机 制为主要机制制为主要机制 （2）陶瓷材料蠕变行为的特点（影响陶瓷材料蠕变行为的因素）陶瓷材料蠕变行为的特点（影响陶瓷材料蠕变行为的因素） 1）受陶瓷晶体结构的影响）受陶瓷晶体结构的影响 六方晶体结构六方晶体结构Al2O3和四方晶体结构的和四方晶体结构的ZrO2陶瓷塑性变形量很小。陶瓷塑性变形量很小。 体心立方结构的体心立方结构的MgO陶瓷的变形量大陶瓷的变形量大. 随着共价键键性增强，晶内原子扩散速率降低，位错可动性显著降低。随着共价键键性增强，晶内原子扩散速率降低，位错可动性显著降低。 B、N、C共价键化合物

21、具有良好的抗高温蠕变性能。共价键化合物具有良好的抗高温蠕变性能。 类似金属材料类似金属材料 2)显微结构对陶瓷蠕变行为的影响显微结构对陶瓷蠕变行为的影响 气孔的影响气孔的影响 气孔率增加，陶瓷材料的蠕变率增加气孔率增加，陶瓷材料的蠕变率增加 玻璃相的影响玻璃相的影响 玻璃相降低陶瓷材料抗蠕变的能力玻璃相降低陶瓷材料抗蠕变的能力 与玻璃相的分布有关与玻璃相的分布有关 玻璃相不连续玻璃相不连续 分布分布 玻璃相连续分布玻璃相连续分布 蠕变变形较小蠕变变形较小蠕变变形较大蠕变变形较大 3）晶粒尺寸的影响）晶粒尺寸的影响晶粒尺寸越小，蠕变率增加晶粒尺寸越小，蠕变率增加 （3） 陶瓷材料的蠕变断裂陶瓷材

22、料的蠕变断裂 陶瓷材料蠕变断裂的方式是沿晶断裂。陶瓷材料蠕变断裂的方式是沿晶断裂。 应力集中理论应力集中理论 孔穴聚集理论孔穴聚集理论 高温下晶界发生粘性流动，在晶界交界高温下晶界发生粘性流动，在晶界交界 处产生应力集中。应力集中得不到缓解，处产生应力集中。应力集中得不到缓解， 就有可能产生裂纹。就有可能产生裂纹。 在应力和温度的作用下，受拉晶在应力和温度的作用下，受拉晶 界空位浓度大大增加，空位大量界空位浓度大大增加，空位大量 聚集，可以产生裂纹。聚集，可以产生裂纹。 3 陶瓷材料的抗热震性能陶瓷材料的抗热震性能 （1）抗热震性能）抗热震性能材料经受温度剧烈变化而不发生破坏的能力。材料经受温

23、度剧烈变化而不发生破坏的能力。 2）热震破坏的分类）热震破坏的分类 瞬时断裂：热冲击断裂瞬时断裂：热冲击断裂 热震损伤：在热冲击循环作用下材料出现开裂、剥落直到最后断裂。热震损伤：在热冲击循环作用下材料出现开裂、剥落直到最后断裂。 3）热震破坏的机制）热震破坏的机制 热弹性理论：热弹性理论： 断裂力学理论：断裂力学理论： 当热震温差引起的热应力超过材料当热震温差引起的热应力超过材料 的断裂应力时导致材料瞬时断裂。的断裂应力时导致材料瞬时断裂。 热应力引起的弹性变形，体系中的弹性热应力引起的弹性变形，体系中的弹性 应变能足以支付裂纹扩展所需的新生表应变能足以支付裂纹扩展所需的新生表 面能，裂纹扩

24、展。面能，裂纹扩展。 4）陶瓷材料容忍的最大温差和变温速率）陶瓷材料容忍的最大温差和变温速率(陶瓷材料的抗热震参数）陶瓷材料的抗热震参数） 陶瓷材料的最大热应力陶瓷材料的最大热应力 Hmax m：力学行为参数；：力学行为参数；H：热处理条件；：热处理条件； S：试样几何因子；：试样几何因子；T：温度有关的：温度有关的 参数参数 材料的尺寸和热处理条件相同材料的尺寸和热处理条件相同 发生热震破坏的条件：发生热震破坏的条件： fH max 临界温度函数临界温度函数r(Tr(Tc) )：发生热震破坏时对应的温度函数称为临界温度函数。：发生热震破坏时对应的温度函数称为临界温度函数。 )()()()(

25、max TsHmf H r )()( max Tmf H r 陶瓷材料抗热震断裂的陶瓷材料抗热震断裂的 指标指标 如何求出临界温度函数如何求出临界温度函数r r(Tc)？ 第一种情况：极端情况：急剧加热或者冷却第一种情况：极端情况：急剧加热或者冷却 临界温度函数就是温度差临界温度函数就是温度差DTDTC 均匀试样从高温均匀试样从高温T1状态立即抛入低温状态立即抛入低温T0的介质中。的介质中。 表面收缩率表面收缩率 a a（T0-T1） 心部未收缩，表层就受到心部的张力心部未收缩，表层就受到心部的张力 Ea a（T0-T1)/(1- ) 临界状态临界状态D DTc（ D DTc=T0-T1） f

26、c E TR a D 1 f TTEa)1/()( 10 急冷或者急热条件下临急冷或者急热条件下临 界热震参数界热震参数 第二种情况：缓慢冷却或者加热过程第二种情况：缓慢冷却或者加热过程 陶瓷材料的热震参数仍为临界温度差陶瓷材料的热震参数仍为临界温度差 D DT，可表示为，可表示为 f E kA TR a )1 ( D RkAR k是是材料的热导率，是是材料的热导率，A是试样几何形状和热处理有关的常数是试样几何形状和热处理有关的常数 第三种情况：以恒定的速率加热或者冷却第三种情况：以恒定的速率加热或者冷却 dt dT 对于几何形状简单的构件，表面应力对于几何形状简单的构件，表面应力 H计算如下

27、计算如下 ) ( 1 2 p m H C k n E r a 在恒速受热或者冷却条件下，热震参数是临界变温速率在恒速受热或者冷却条件下，热震参数是临界变温速率 c R C Ak R p c r f mp c C k E ra )( 1 2 陶瓷材料能容忍的最大升温和冷却速率陶瓷材料能容忍的最大升温和冷却速率 4 陶瓷材料的疲劳行为陶瓷材料的疲劳行为 （1） 陶瓷材料的疲劳行为与金属材料疲劳行为的区别陶瓷材料的疲劳行为与金属材料疲劳行为的区别 陶瓷材料的疲劳陶瓷材料的疲劳 金属材料的疲劳金属材料的疲劳 交变载荷长期作用下的破坏交变载荷长期作用下的破坏 交变载荷、恒定载荷、交变载荷、恒定载荷、 恒

28、定载荷速率恒定载荷速率 静态疲劳静态疲劳 循环疲劳循环疲劳 动态疲劳动态疲劳 循环疲劳循环疲劳 陶瓷材料疲劳含义更广陶瓷材料疲劳含义更广 局部塑形变形，累局部塑形变形，累积积损伤损伤很难塑形变形，是否有损伤累积？很难塑形变形，是否有损伤累积？ 载荷载荷 特征特征 疲劳疲劳 种类种类 疲劳疲劳 机理机理 （2 ）陶瓷材料的疲劳行为分类）陶瓷材料的疲劳行为分类 1） 静态疲劳静态疲劳 在一定的载荷下材料的耐用应力随着时间的延长而下降的现象。在一定的载荷下材料的耐用应力随着时间的延长而下降的现象。 类似于金属的延迟断裂类似于金属的延迟断裂 施加的应力低于陶瓷断裂应力，陶瓷材施加的应力低于陶瓷断裂应力

29、，陶瓷材 料也出现裂纹亚稳态扩展阶段。料也出现裂纹亚稳态扩展阶段。 第一阶段：第一阶段：KIKth, 裂纹不发生扩展。裂纹不发生扩展。 第二阶段（第二阶段（I区）：裂纹扩展速率区）：裂纹扩展速率da/dt 随着随着KI的增加而增加。（与环境无关）的增加而增加。（与环境无关） A 陶瓷材料中的裂纹扩展陶瓷材料中的裂纹扩展 裂纹不裂纹不 扩展扩展 II区 I区区 工程陶瓷零件的使用寿命由哪个区域决定的？工程陶瓷零件的使用寿命由哪个区域决定的？ 由由I区决定的。区决定的。 n I KA dt da A,n是经验常数。是经验常数。 第三阶段（第三阶段（II区）：裂纹扩展速率与区）：裂纹扩展速率与K无无

30、 关，只与环境有关。关，只与环境有关。 第四阶段（第四阶段（III区）：裂纹扩展速率与区）：裂纹扩展速率与K 呈指数关系。扩展速率取决于材料组织呈指数关系。扩展速率取决于材料组织 成分和结构。成分和结构。 预测陶瓷材料的静疲劳强度，主要通过确定预测陶瓷材料的静疲劳强度，主要通过确定A,n的值来确定，主要是的值来确定，主要是n值。值。 II区 I区区 III区 裂纹不裂纹不 扩展扩展 B 陶瓷材料的疲劳强度陶瓷材料的疲劳强度 陶瓷材料的疲劳强度分散性大。陶瓷材料的疲劳强度分散性大。 类似于金属的疲劳强度类似于金属的疲劳强度 抗弯强度随时间的变化抗弯强度随时间的变化 2） 陶瓷材料的循环疲劳陶瓷材料的循环疲劳 在循环应力作用下的疲劳行为在循环应力作用下的疲劳行为 两两 个个 问问 题题 问题问题1：在陶瓷材料中，是否有裂纹尖端塑性区和应变损伤累计？：在陶瓷材料中，是否有裂纹尖端塑性区和应变损伤累计？ 问题问题2：陶瓷材料是否发生疲劳