第09章 陶瓷材料的力学性能.ppt

1、1,第九章 陶瓷材料的力学性能,9.1 陶瓷材料 9.2 陶瓷材料的力学性能 9.3 陶瓷材料的断裂韧度 9.4 陶瓷材料的疲劳强度 9.5 陶瓷材料的其他性能,2,9.1 陶瓷材料,陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料。 之间的主要区别在于化学键不同。 金属：金属键 高分子：共价键（主价键）+范德瓦尔键（次价键） 陶瓷：离子键和共价键。 普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。 工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化 学组成。如氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼、氧化锆增韧陶瓷（ZTC）等。 工程陶瓷的性能： 耐高温、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好； 硬度高，弹性

2、模量高，塑性韧性比金属差得多；对缺陷很敏感；强度可靠性差。,3,陶瓷材料的结构和显微组织 1、结构特点 陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以 离子键和共价键为主要结合键。 可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。 如“六方氮化硼为松散的绝缘材料；立方结构是超硬 材料” 2、显微组织 晶体相，玻璃相，气相。 夹杂（种类、数量、尺寸、形态、分布）、晶界、晶粒结构均匀性对其力学性能有重要影响。 （可通过对陶瓷烧结体进行热处理，来改善材料的力学性能） 返回,4,9.2 陶瓷材料的力学性能,一、陶瓷材料的弹性变形、塑性变形与断裂 1、弹性 （1）弹性模量大 E值大，是金属材料的2倍以上。 共

3、价键结构有较高的抗晶格畸变、 阻碍位错运动的阻力。 晶体结构复杂，滑移系很少，位错 运动困难。 （2）弹性模量呈方向性；压缩模 量高于拉伸弹性模量。 结构不均匀性；缺陷。 （3）气孔率，弹性模量,5,2、塑性变形 （1）室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。 （2）1000以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形（主滑移系运动）。 （3）陶瓷的超塑性 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，3.510-2 S-1应变速率 =400%。 利用陶瓷的超塑性，可以对陶瓷进行超

4、塑加工。 超塑加工扩散焊接：新的复合加工方法。,6,3、断裂 以各种缺陷（表面或内部）为裂纹源，从最薄弱处裂纹扩展，瞬时脆断。 缺陷的存在是概率性的。 用韦伯分布函数表示材料断裂的概率 F()断裂概率； m韦伯模数 0特征应力，该应力下断裂概率为0.632 、 试样内部的应力及它们的最大值 若两种陶瓷材料的平均强度相同，在一定的断裂应力下，m值大的材料比m值小的材料发生断裂的几率小。 陶瓷的主要断裂机制：解理。且容易从穿晶变为沿晶断裂。,7,二、陶瓷材料强度和硬度 陶瓷的实际强度比其理论值小12个数量级。只有晶须、纤维的实际强度才比较接近理论值（1）弯曲强度 可采用三点弯曲、四点弯曲方法测出。

5、 四点弯曲试样工作部分缺陷存在的几率较大。 强度比三点弯曲的低。（2）抗拉强度 测试时，夹持部位易断裂（可采用加橡胶垫） 常用弯曲强度代之，高20%40%。（3）抗压强度 比抗拉强度高得多，10倍左右。（4）硬度高 HRA，AT45N小负荷的维氏硬度或努氏硬度。返回,8,9.3 陶瓷材料的断裂韧度,工程陶瓷的KIC比金属的低12个数量级。 测定方法（参见下页图）单边切口法、山形切口法、压痕法、双扭法、双悬臂梁法。 KIC值受切口宽度的影响。 金属材料：、KIC； 陶瓷材料： 尖端塑性区很小。 、 KIC。,9,10,陶瓷材料的增韧： （1）改善组织（细密、纯、匀，减少应力集中）； （2）相变增

6、韧(外力作用诱发相变，并伴有体积膨胀，消耗外加能量，使材料增韧).但相变增韧受温度限制（800以下）； （3）微裂纹增韧（当主裂纹遇到微裂纹时，发生分叉转向前进，增加扩展过程中的表面能；并松弛主裂纹尖端的应力集中，减慢裂纹扩展速度）。 返回,11,9.4 陶瓷材料的疲劳强度,陶瓷不仅在循环载荷作用下存在机械疲劳，其含义也比金属要广（一是静载，随时间，承载能力；二是恒载，断裂 对应于加载速率敏感性）。 研究陶瓷疲劳对扩大其应用具有重要意义。 一、疲劳类型 （静态疲劳，动态疲劳，循环疲劳）,12,（1）静态疲劳 静载下，随时间延长，材料承载能力下降所产生的断裂。对应于金属材料的应力腐蚀和高温蠕变断

7、裂。 “温度、应力、环境介质”分成的四个区（图10-11） 孕育区 （低于应力强度因子门槛值） 低速区 da/dt随K而 中速区 da/dt仅与环境介质有关， 与K无关。 高速区 da/dt随K而呈指数关系。,13,（2）动态疲劳 类似于金属材料应力腐蚀研究中的慢应变速 率拉伸。 （3）循环疲劳 疲劳破坏以慢速龟裂扩展的方式发生。 研究表明，循环载荷同样可对陶瓷材料造成损伤，这种损伤是由裂纹尖端的微裂纹、马氏体相变、蠕变、以及沿晶和界面滑动等因素所引起的。 （4）热疲劳（属低周疲劳） 金属的疲劳寿命通常用循环周次表示； 陶瓷材料的疲劳寿命则用断裂时间表示。,14,二、疲劳特性评价 疲劳裂纹扩展

8、速率和应力强度因子之间的关系同样符合Paris公式： da/dN=C(K)n c、n材料试验常数 金属：n为24；陶瓷：一般n10。 返回,15,9.5 陶瓷材料的其他性能,1、耐磨性 (陶瓷是耐磨材料的一个发展方向) 其耐磨性也远高于金属，而且在高温、腐蚀环境下更显示出其独特的优越性。 最重要的耐磨陶瓷材料是氧化铝、氧化锆和氮化硅陶瓷等。 （1）减摩性与耐磨性 （2）抗磨性,16,2、抗热震性（热冲击） 材料承受温度骤变而不破坏的能力。 在各种热环境下引起的热应力，以及与之相应的应力强度因子是热震破坏的原因。由热震引起的瞬时断裂，即热振断裂。 （1）抗热震断裂参数R 急剧加热和冷却 缓慢加热和冷却 均与热导率 、热膨胀系数有关。 f 断裂强度（热震断裂的临界热应力，通过弯曲试验测定）。,17,（2）抗热震损伤 热冲击循环下，材料经开裂、裂纹扩展，终致材料强度降低而破坏热振损伤。 气孔可钝化裂纹尖端；减小应力集中；降低热导率。抗热震损伤：多孔陶瓷优于致密性高的陶瓷。 反复加热冷却产生的弹性应变能是陶瓷材料热震损伤的动力（裂纹扩展的动力）。 提高抗热震断裂抗力