材料力学行为-第六章-孙巧艳主讲课件

第六章陶瓷材料的力学行为陶瓷材料的晶体结构陶瓷材料的显微组织陶瓷材料的增韧高温力学性能主要内容一陶瓷材料的物质结构和显微结构1陶瓷材料的结合键离子键共价键（1）离子键：由正离子和负离子相互吸引形成的结合键。如CaO,MgO,Al2O3,ZrO2离子键构成的材料具有高熔点和高硬度，塑性差。(2)共价键：由原子之间共享价电子而形成的结合件。例如Si，C（金刚石），SiC，Si3N4等共价键的特点：具有明确的方向，共价键的键角为109.由共价键构成的材料具有高熔点和高硬度，塑性差。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。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？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。气孔可以加以利用吗？降低陶瓷密度，吸收振动和隔绝噪音。多孔陶瓷，气孔率大于20-30%二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、耐腐蚀和优良的物理化学性能。1力学性能（1）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。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？实测强度/理论强度：1/3~1/150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，增加了微裂纹形成的可能性之三：陶瓷材料的微裂纹的尺寸比金属材料的大（2）抗压强度陶瓷材料抗压不抗拉。抗压强度远远大于抗压强度。拉伸压缩（3）弹性模量陶瓷材料的断裂能比金属的低几个数量级。陶瓷材料：40-109J/m2金属：103-5J/m2气孔数量（气孔率）增加，弹性模量降低，陶瓷材料的强度降低。陶瓷材料的断裂强度与弹性模量的平方根成正比

s是强度，p是气孔率，b是常数，s0是气孔率为零时的强度。Al2O3-SiO2-MgO2陶瓷材料的增韧克服致命弱点常用的增加机制和方法如下（1）ZrO2相变增韧ZrO2晶体结构和相变单斜相四方相立方相1100C2300C马氏体相变伴随体积膨胀关键：如何将1100度以上的四方相保留到室温？两个途径途径一：将ZrO2颗粒弥散在陶瓷基体中，因为基体的强烈约束，抑制马氏体相变，四方ZrO2保留下来途径二：加入稳定四方ZrO2的物质，如CaO，Y2O3，CeO等，将部分四方ZrO2颗粒保留到室温，称为部分稳定ZrO2（PSZ)。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。室温下：单斜相和四方相化学自由能差（相变驱动力不够），需要外力做功补偿驱动力的缺少值，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，从而表现出好的韧性。（2）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量的作用。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吸收外力做功，增加裂纹扩展的阻力；2）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。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金属很好的浸润陶瓷形成金属网络裂纹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，提高陶瓷材料的韧性。金属不能很好的浸润陶瓷，以分散颗粒存在于陶瓷基体中。金属粒子在裂纹前方和后方起到钉扎作用和桥接作用。增加了裂纹扩展阻力，提高陶瓷的韧性。（3）纤维（晶须）增韧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。裂纹尖端，基体和纤维之间脱开纤维的桥接作用显著增加裂纹扩展阻力，提高陶瓷材料的韧性纤维与陶瓷基体结合力要控制适当（2）晶粒尺寸的影响对于陶瓷材料，晶粒尺寸对韧性的影响规律复杂。Al2O3陶瓷韧性随晶粒尺寸的增加而减小SiN陶瓷随着晶粒尺寸的增加先增后减四陶瓷材料的弹性变形和塑性变形1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。弹性变形行为取决于弹性模量。气孔率对弹性模量的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与陶瓷材料的相组成密切相关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。室温下陶瓷材料的主要变形方式是弹性变形2陶瓷材料在高温下的蠕变（1）陶瓷材料高温下的蠕变曲线具有三个阶段I减速蠕变II稳定蠕变III快速蠕变陶瓷材料的蠕变机制：扩散蠕变、晶界扩散、晶界流动机制为主要机制（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）1）受陶瓷晶体结构的影响六方晶体结构Al2O3和四方晶体结构的ZrO2陶瓷塑性变形量很小。体心立方结构的MgO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。B、N、C共价键化合物具有良好的抗高温蠕变性能。类似金属材料2)显微结构对陶瓷蠕变行为的影响气孔的影响气孔率增加，陶瓷材料的蠕变率增加玻璃相的影响玻璃相降低陶瓷材料抗蠕变的能力与玻璃相的分布有关玻璃相不连续分布玻璃相连续分布蠕变变形较小蠕变变形较大3）晶粒尺寸的影响晶粒尺寸越小，蠕变率增加2）热震破坏的分类瞬时断裂：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。3）热震破坏的机制热弹性理论：断裂力学理论：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。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(陶瓷材料的抗热震参数）陶瓷材料的最大热应力sHmaxm：力学行为参数；H：热处理条件；S：试样几何因子；T：温度有关的参数材料的尺寸和热处理条件相同发生热震破坏的条件：临界温度函数r(Tc)：发生热震破坏时对应的温度函数称为临界温度函数。陶瓷材料抗热震断裂的指标如何求出临界温度函数r(Tc)？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DTC均匀试样从高温T1状态立即抛入低温T0的介质中。表面收缩率a（T0-T1）心部未收缩，表层就受到心部的张力–Ea（T0-T1)/(1-)临界状态DTc（DTc=T0-T1）急冷或者急热条件下临界热震参数在恒速受热或者冷却条件下，热震参数是临界变温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（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金属材料的疲劳交变载荷长期作用下的破坏交变载荷、恒定载荷、恒定载荷速率静态疲劳循环疲劳动态疲劳循环疲劳陶瓷材料疲劳含义更广局部塑形变形，累积损伤很难塑形变形，是否有损伤累积？载荷特征疲劳种类疲劳机理（2）陶瓷材料的疲劳行为分类1）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。类似于金属的延迟断裂施加的应力低于陶瓷断裂应力，陶瓷材料也出现裂纹亚稳态扩展阶段。第一阶段：KI<Kth,裂纹不发生扩展。第二阶段（I区）：裂纹扩展速率da/dt随着KI的增加而增加。（与环境无关）A陶瓷材料中的裂纹扩展裂纹不扩展II区I区工程陶瓷零件的使用寿命由哪个区域决定的？由I区决定的。A,n是经验常数。第三阶段（II区）：裂纹扩展速率与K无关，只与环境有关。第四阶段（III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成分和结构。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n值。II区I区III区裂纹不扩展B陶瓷材料的疲劳强度陶瓷材料的疲劳强度分散性大。类似于金属的疲劳强度抗弯强度随时间的变化2）陶瓷材料的循环疲劳在循环应力作用下的疲劳行为两个问题问题1：在陶瓷材料中，是否有裂纹尖端塑性区和应变损伤累计？问题2：陶瓷材料是否发生疲劳破坏？由静疲劳的da/dt-KI曲线的数据预测循环载荷的裂纹扩展数据。预测值与试验值吻合！陶瓷玻璃循环载荷作用下陶瓷的裂纹速率高于静载荷下的裂纹扩展速率！循环载荷作用下疲劳裂纹扩展速率高于静载荷下的裂纹扩展速率。有相变增韧陶瓷，循环载荷下的裂纹扩展速率高于静载荷下的裂纹扩展速率。在非相变增韧的陶瓷材料中，循环载荷引起的附加损伤较小。对于相变增韧陶瓷，循环应力引起的损伤明显，循环载荷下的疲劳裂纹扩展速率高于静载荷下的裂纹扩展速率。循环损伤的形式：裂纹尖端微裂纹、马氏体相变、蠕变以及沿晶界等界面滑动等方式。3陶瓷材料疲劳特性的评价与金属疲劳的异同1）疲劳裂纹扩展速率