[材料与材料性能第九章.ppt

耐高温、硬度高、弹性模量高、耐磨、耐蚀、抗高温蠕变 结构陶瓷 主要利用的是材料的耐高温、强度、硬度、韧性、耐磨性等结构性能， 主要包括氧化物、非氧化物以及其两者的复合系统，如氧化铝、氧化锆、碳化物、氮化物等材料。 应用：磨料、磨具、刀具，纺织瓷件、轴承、喷嘴、人工关节以及航天材料（宇宙飞船的外保护装置）等各个领域。 功能陶瓷 指具有优异的物理性能、化学性能及生物学性能，如电、光、磁、热、声、化学、生物医学，且各种功能之间可以相互转换的陶瓷材料， 应用主要取决于电绝缘性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性及生物适应性、化学吸附性等。 陶瓷材料的弹性变形 弹性模量 弹性模量的本质 弹性模量的大小反映材料原子间结合力的大小，越大，材料的结合强度越高。 陶瓷材料高弹性模量的原因 1) 由于陶瓷材料具有离子键或共价键的键合结构，因此陶瓷材料表现出高的熔点，也表现出高的弹性模量。 2）显微结构对弹性模量的影响 弹性模量不仅与结合键有关，还与组成相的种类、分布比例及气孔率有关。陶瓷的弹性模量E与气孔率p的关系可表示为 E0是气孔率为零时的弹性模量 b为与制备工艺有关的参数 弹性模量随孔隙率的升高而降低 3）温度对弹性模量的影响 由于原子间距及结合力随温度的变化而变化，所以弹性模量对温度变化很敏感，当温度升高时，原子间距增大，即弹性模量变低。因此，固体的弹性模量一般随温度的升高而降低。 一般陶瓷材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性模量。 陶瓷材料的塑性变形 多晶体陶瓷的塑性 1、多晶体陶瓷的塑性 在室温或较低温度下，由于陶瓷结合键的特性，使陶瓷不易发生塑性变形，通常呈现典型的脆性断裂。 在较高的工作温度晶内和晶界均可出现塑性变形现象 T＞0.5Tm Tm为材料熔点的绝对温度 室温下陶瓷难发生塑性变形的原因 陶瓷的塑性来源于晶内滑移或孪生、晶界的滑动或流变 ①陶瓷材料中，若为离子键，则正负离子相邻，位错在其中若要运动，会引起同号离子相遇，斥力大，位能急剧升高 ②陶瓷中，位错很难运动，几乎不发生塑性变形。因此，塑韧性差成了陶瓷材料的致命弱点，也是影响陶瓷材料工程应用的主要障碍 陶瓷材料的断裂 陶瓷材料无塑性变形，因此陶瓷强度指断裂强度。 陶瓷断裂强度的特点 陶瓷材料的实际断裂强度比理论断裂强度低得多，往往低于金属 陶瓷材料的抗压强度比抗拉强度大得多，其差别的程度大大超过金属 气孔和材料密度对陶瓷断裂强度有重大影响 解理是陶瓷材料的主要断裂机理，且很容易从穿晶解理转变成沿晶断裂。 陶瓷材料的断裂以各种缺陷为裂纹源，在一定拉伸应力作用下，从最薄弱环节处的微小裂纹扩展，当裂纹尺寸达到临界值时陶瓷瞬间断裂。 强度 抗弯强度 抗拉强度 设计陶瓷零件时有时用抗拉强度值作为判据； 陶瓷材料由于脆性大，在拉伸试验时易在夹持部位断裂，另外，夹具与试样轴心不一致产生附加弯矩，所以往往测不出陶瓷材料真正的抗拉强度。 为保证陶瓷材料拉伸试验的精确性，需要在试样和夹头设计方向做一些工作，例如：在平行夹头中加橡胶垫固定薄片状试样，可以防止试样在夹持部位断裂，并利用试样的弹性变形减少附加弯矩。 抗压强度 陶瓷材料的断裂韧度 单边切口梁法优点：(1) 数据分散性好；(2) 重现性好；(3) 试样加工测定方法比较简单，是目前广泛采用的一种方法。缺点：测定的KIC值受切口宽度影响较大，切口宽度增加， KIC增大，误差随之增大。如果能将切口宽度控制在0.05~0.10mm以下，可望提高KIC值的稳定性。 压痕法 陶瓷材料的增韧 工程陶瓷材料的脆性大，应用受到限制，所以陶瓷材料的增韧一直是材料学界研究的热点之一。 通常金属材料的强度提高，塑性往往下降，断裂韧度也随之降低。 而陶瓷材料的强度与断裂韧度的变化关系与金属材料的相反，随着陶瓷材料强度的提高，KIC值也随之增大，所以陶瓷材料的增韧常常与增强联系在一起。 陶瓷材料的增韧途径 (1) 改善陶瓷显微结构 微裂纹增韧 引起微裂纹的原因： 相变体积膨胀产生微裂纹； 由于温度变化基体相与分散相之间热膨胀系数不同引发微裂纹； 可能是材料原来已经存在的微裂纹。 图 相变增韧示意图 图 ZTA中应力诱变韧化导致性能随ZrO2体积含量的变化 相变增韧 第四章 金属的断裂韧度 Evaluation only. Created with Asp