陶瓷材料的力学性能

关于陶瓷材料的力学性能2§10.1陶瓷材料的概述陶瓷材料是与金属材料、高分子材料并列的三大固体材料之一。其间的主要区别在于化学键不同。一、陶瓷材料的特点

（1）陶瓷材料的相组成特点晶相--------1玻璃相----2气相-------3第2页,共37页，星期六，2024年，5月3晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。气相是在工艺过程中形成并保留下来的。三部分组成示意图第3页,共37页，星期六，2024年，5月4（2）陶瓷材料的结合键特点陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其结合键以离子键(如Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者的混合键为主。共价键离子键第4页,共37页，星期六，2024年，5月5（3）陶瓷材料的性能特点---最显著的特点：硬而脆陶瓷材料具有高熔点、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。陶瓷材料还具有密度小、弹性模量大、耐磨损、强度高等特点。功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能。韧性陶瓷硬度压痕脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹第5页,共37页，星期六，2024年，5月6（4）陶瓷材料的工艺特点陶瓷具有硬度高、脆性大的特点，大部分陶瓷是通过粉体成型和高温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。烧结体也是固相反应形成晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在的问题是其存在一定的气孔率。Al2O3粉末的烧结组织ZrO2陶瓷中的气孔第6页,共37页，星期六，2024年，5月7二、陶瓷材料的分类（1）按化学成分分类

可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。导电玻璃玻璃幕墙第7页,共37页，星期六，2024年，5月82、按使用的原材料分类可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷。普通陶瓷以天然的岩石、矿石、

黏土等材料作原料。特种陶瓷采用人工合成的材料

作原料。3、按性能和用途分类可将其分为结构陶瓷和功能陶瓷两类。陶瓷零件第8页,共37页，星期六，2024年，5月9三、常用的工程陶瓷

工程陶瓷的生产过程：原料制备、坯料成形和制品烧成或烧结。①原料制备

将矿物原料经拣选、粉粹后配料、混合、磨细等得到坯料。②坯料成形

将坯料加工成一定形状和尺寸并有必要机械强度和致密度的半成品。包括可塑成形（如传统陶瓷），注浆成形（如形状复杂、精度要求高的普通陶瓷）和压制成形（如特种陶瓷和金属陶瓷）③干燥后的坯料加热到高温，进行一系列的物理、化学变化而成瓷的过程。烧成是使坯件瓷化的工艺（1250℃～1450℃）；烧结是指烧成的制品气孔率极低、而致密度很高的瓷化过程。

第9页,共37页，星期六，2024年，5月101、普通陶瓷

普通陶瓷是用粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、长石(K2O·Al2O3·6SiO2，Na2O·Al2O3·6SiO2)和石英(SiO2)为原料，经成型、烧结而成的陶瓷。其组织中主晶相为莫来石(3Al2O3·2SiO2)，占25~30%，玻璃相占35~60%，气相占1~3%。普通陶瓷加工成型性好，成本低，产量大。除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门。绝缘子景德镇陶瓷第10页,共37页，星期六，2024年，5月112、新型结构陶瓷⑴

氧化铝陶瓷

氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分,含有少量SiO2的陶瓷，又称高铝陶瓷。单相Al2O3陶瓷组织Al2O3化工、耐磨陶瓷配件Al2O3密封、气动陶瓷配件第11页,共37页，星期六，2024年，5月12根据Al2O3含量不同分为75瓷(含75%Al2O3，又称刚玉-莫来石瓷)、95瓷和99瓷，后两者又称刚玉瓷。氧化铝陶瓷耐高温性能好，可使用到1950℃,。具有良好的电绝缘性能及耐磨性。微晶刚玉的硬度极高(仅次于金刚石).95瓷纺织件99瓷纺织件氧化铝耐高温喷嘴第12页,共37页，星期六，2024年，5月13氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩埚、热偶套管，淬火钢的切削刀具、金属拔丝模，内燃机的火花塞，火箭、导弹的导流罩及轴承等。氧化铝陶瓷转心球阀氧化铝陶瓷密封环氧化铝陶瓷坩埚第13页,共37页，星期六，2024年，5月14⑵氮化硅（Si3N4）陶瓷氮化硅是由Si3N4四面体组成的共价键固体。①氮化硅的制备与烧结工艺工业硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4二氧化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO烧结工艺优点缺点反应烧结烧结时几乎没有收缩，能得到复杂的形状密度低，强度低，耐蚀性差热压烧结用较少的助剂就能致密化，强度、耐蚀性最好只能制造简单形状，烧结助剂使高温强度降低第14页,共37页，星期六，2024年，5月15②性能特点及应用氮化硅的强度、比强度、比模量高；硬度仅次于金刚石、碳化硼等；摩擦系数仅为0.1~0.2；热膨胀系数小；抗热震性大大高于其他陶瓷材料；化学稳定性高。热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高的零件，如切削刀具、高温轴承等。Si3N4轴承第15页,共37页，星期六，2024年，5月16

反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如转子、机械密封环等。汽轮机转子叶片气阀等零件第16页,共37页，星期六，2024年，5月17（3）碳化硅（SiC）陶瓷碳化硅是通过键能很高的共价键结合的晶体。碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高温还原而成：SiO2+3C→SiC+2CO。碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有硼、碳、铝等。常压烧结碳化硅第17页,共37页，星期六，2024年，5月18碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。SiC密封件SiC紧固件第18页,共37页，星期六，2024年，5月19碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。第19页,共37页，星期六，2024年，5月20⑷氧化锆陶瓷氧化锆的晶型转变：立方相⇌四方相⇌单斜相。四方相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，易使制品开裂。ZrO2氧化锆单相陶瓷第20页,共37页，星期六，2024年，5月21在氧化锆中加入某些氧化物能形成稳定立方固溶体，不再发生相变，具有这种结构的氧化锆称为完全稳定氧化锆(FSZ)，其力学性能低，抗热冲击性差。减少加入的氧化物数量，使部分氧化物以四方相的形式存在。由于这种材料只使一部分氧化锆稳定，所以称部分稳定氧化锆(PSZ)。

氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱发产生。当受到外力作用时，这种相变将吸收能量而使裂纹尖端的应力场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提高陶瓷材料的韧性。部分稳定氧化锆的导热率低，绝热性好；热膨胀系数大，接近于发动机中使用的金属，抗弯强度与断裂韧性高，除在常温下使用外，已成为绝热柴油机的主要侯选材料，如发动机汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承等。第21页,共37页，星期六，2024年，5月22氧化锆油泵氧化锆柱塞氧化锆拉线轮氧化锆球阀部分稳定氧化锆喷涂层增韧氧化锆导轮芯轴氧化锆制品实例第22页,共37页，星期六，2024年，5月23§10.2陶瓷材料的变形与断裂一、弹性变形特点：1）弹性模量大；

2）成型与烧结工艺对弹性模量影响大；

3）压缩弹性模量高于拉伸弹性模量。第23页,共37页，星期六，2024年，5月24二、塑性变形

室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。1000℃以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形（主滑移系运动）。陶瓷的高温超塑性

是微晶超塑性------晶界滑动，晶界液相流动。

存在条件：超细等轴晶，第二相弥散分布，晶粒间存在液相或无定形相。

如含化学共沉淀法制备的含Y2O3的ZrO2粉体，在1250℃烧结后，3.5×10-2S-1应变速率ε=400%。

利用陶瓷的超塑性，可以对陶瓷进行超塑加工。超塑加工＋扩散焊接：新的复合加工方法。第24页,共37页，星期六，2024年，5月25三、断裂陶瓷材料断裂过程都是以其内部或表面存在的缺陷为起点而发生。晶粒和气孔尺寸在决定陶瓷材料强度方面与裂纹尺寸有等效作用。陶瓷材料断裂概率按韦伯分布函数考虑：用韦伯模数m度量强度均匀性。m值大，材料强度分布窄，分散性小。优质工程陶瓷m为10.主要断裂机理：解理（穿晶解理→沿晶断裂）。第25页,共37页，星期六，2024年，5月26§10.3陶瓷材料的强度一、抗弯强度采用三点弯曲或四点弯曲试验方法（实用）。

σf,4<σf,3m越小其差值愈大。二、抗拉强度常用抗弯强度代替，抗弯强度比抗拉强度高20%－40%。三、抗压强度拉伸时，陶瓷材料中的缺陷作为裂纹源快速扩展导致断裂；压缩时，裂纹缓慢扩展并相互连接，最终导致压碎。第26页,共37页，星期六，2024年，5月27表10-4某些材料的抗拉强度和抗压强度材料抗拉强度/Mpa抗压强度/Mpa抗拉强度/抗压强度铸铁FC10100-150400-6001/4化工陶瓷30－40250－4001/8.3-1/10多铝红柱石12513501/10.8烧结B4C30030001/10第27页,共37页，星期六，2024年，5月28§10.4陶瓷材料的断裂韧度与增韧一、陶瓷材料的断裂韧度测定陶瓷材料断裂韧度的方法：单边切口梁法，山形切口法，压痕法，双扭法，双悬臂梁法。名称优点缺点适用条件单边切口梁法数据分散性小，重现性好，试样加工测定简单所测KIC值受切口宽度影响大高温和各种介质条件山形切口法切口宽度对KIC影响小，测定值误差小试样加工困难，需专用夹具高温和各种介质条件压痕法测试方便，可用很小试样进行多点韧度测试表面质量、加载速率、载荷时间、卸载后测量时间对裂纹长度有影响，KIC误差大用于对韧度相对评价，压头下部材料在加载过程中无相变或体积致密化；压痕表面无碎裂第28页,共37页，星期六，2024年，5月29二、陶瓷材料的增韧陶瓷材料强度提高，断裂韧度值增大，因此陶瓷材料的增韧常与增强相联系。陶瓷增韧途径：（除纤维、纳米颗粒等制备陶瓷基复合材料外）1）改善陶瓷显微结构a.使材料达到细、密、匀、纯b.晶粒长宽比增大，KIC值增大。2）相变增韧：受使用温度限制（应<800℃)3）微裂纹增韧主裂纹扩展遇到微裂纹发生分叉转向前进，增加扩展过程中的表面能；主裂纹尖端应力集中被松弛，扩展减慢。第29页,共37页，星期六，2024年，5月30一、硬度和耐磨性1、硬度工程陶瓷材料硬度高，常用洛氏硬度、维氏硬度或努氏硬度表示。测量维氏或努氏硬度时，表面须研抛至镜面，表面粗糙度在0.1μm以下。2、耐磨性工程陶瓷材料耐磨性较高，重要的耐磨陶瓷材料包括：Al2O3、SiC、ZrO2、Si3N4等。

弹性接触微小塑性区微裂纹§10.5陶瓷材料的其他性能第30页,共37页，星期六，2024年，5月31陶瓷材料的磨损机理：1）在滑动摩擦条件下的磨损机理主要是以微断裂方式导致的磨粒磨损。陶瓷与陶瓷材料配对的摩擦副粘着倾向小：

（金属+陶瓷<金属+金属）2）在特定条件下可能形成摩擦化学磨损（特有磨损机理）。第31页,共37页，星期六，2024年，5月32二、疲劳陶瓷的疲劳包括静态疲劳、动态疲劳和循环疲劳。静态疲劳是在静载荷作用下，材料的承载能力随时间延长而下降产生的断裂，对应于金属材料的应力腐蚀和高温蠕变断裂。循环疲劳是陶瓷材料在循环载荷作用下所产生的低应力断裂。第32页,共37页，星期六，2024年，5月33当外加应力低于断裂应力时，陶瓷材料也可能出现亚临界裂纹扩展。其特点为：1）KI≤Kth区：裂纹不发生亚临界扩展；2）低速区（I区）

da/dt随KI提高而增大3）中速区（Ⅱ区）

da/dt与KI无关4）高速区（Ⅲ区）

da/dt随KI变化呈指数关系增大。工程陶瓷零件的使用寿命由裂纹低速扩展区决定。第33页,共37页，星