陶瓷的塑性研究.doc

先进陶瓷是为了满足科学技术(特别是电子 技术、计算机技术、空间技术、海洋工程技术)的迅 速发展而发展起来的一种有特殊性能的材料。这 些采用优化配方和精细生产工艺制造的新陶瓷具 有优良的机械、物理等性能，其中许多性能是金属 材料无法比拟的。在不同的国家和不同的专业领 域，这类陶瓷有不同的名称，如美国称之为特种陶 瓷、先进陶瓷；日本称之为精细陶瓷；我国则称之 为工程陶瓷、高性能陶瓷。依据使用性能可将这 类陶瓷分为功能陶瓷、生物陶瓷、结构陶瓷等类 型。 功能陶瓷是指那些具有电、磁、声、光、热、力 及部分化学功能(这些功能可以是直接效应，也可 以是耦合效应)的陶瓷[1]。生物陶瓷是指用于生 物医学和生物化学工程领域的各种陶瓷。结构陶 瓷是指具有力学、机械性能和部分热学、化学功 能，用于制造机械工程零部件的工程陶瓷。 吉林大学超塑性与塑性研究所在其以往关于 超塑性变形以及成形规律研究的基础上以及国家 自然科学基金的资助下，正在开展硬脆性材料超 塑性的研究。为此，在完善实验手段的同时，汇 集、分析了结构陶瓷超塑性研究方面的文献资料 并写出本文，旨在与该领域的专家切磋、交流。国 内的同行专家张凯峰嘲、胡士廉嘲、叶建东Ⅲ、韩 秉强嘲、王零森‘63和谢征芳[71等的综述性文章对 本文作者很有启发。结构陶瓷在先进陶瓷中占有 最大比例和重要位置。这类陶瓷具有耐高温、耐 腐蚀、耐磨损、耐冲刷等一系列优异性能，可以承 受金属材料和有机高分子材料难以承受的苛刻工 作环境，常常成为许多新兴科学技术得以实现的 关键因素。 由于结构陶瓷经常在高温下使用，因而也常 被称为高温结构陶瓷，依据在工作温度下的使用 情况将其大致分两类[8]：一类是在大热流和1500 ℃高温下短时间(几秒到几十分钟)使用，如用于 洲际导弹的端头、回收人造卫星的前缘、火箭尾喷 管喉衬和航天飞行器外蒙皮等；另一类是在中等 热流和1200℃以上1500℃以下的高温下长时间 (几百到数千小时)使用。主要用于能源工程，作 为各种新型热机(燃气轮机、绝热柴油机)中的耐 热、耐磨部件，如燃烧室、活塞顶、涡轮转子、汽缸 套等；也被广泛用于汽车、机械、石油化工、纺织等 工业领域的耐热、耐磨损、耐腐蚀部件，如各种泵 用的密封材料、轴承及轴套等。 陶瓷超塑性指的是多晶陶瓷在拉伸载荷下显 示的异常高的延伸率，断裂前无颈缩发生。陶瓷 材料的结构和键性决定了其滑移系统少，位错产 生和运动困难，而且有沿晶界分离的倾向，使得它 本质上是一种脆性材料，在常温下几乎不产生塑 性变形。 陶瓷超塑性中至今还未发现相变超塑性比J， 主要是等轴细晶多晶材料的大延伸率，其变形机 理是以晶界滑移凹3为主的组织超塑性，包括离子 键多晶体和共价键多晶体、单相陶瓷和多相复合 陶瓷。 产生超塑性变形的两个前提是[1?：①拉伸塑 性稳定性，即不过早产生明显颈缩；②有效压制空 洞和晶界分离。呈现超塑性的外在条件为拉伸应 变速率很低，温度要在材料熔点绝对温度一半以 上；内在条件是晶粒微细(1“m)、等轴、稳定。 由于陶瓷材料的晶间脆性，使其超塑性的潜力受 到限制。 陶瓷超塑性与金属超塑性的区别：①陶瓷材 料能发生超塑性的最大晶粒尺寸约为金属的十分 之一，两种材料间的晶粒尺寸之比可能与晶界扩 散比相关。②陶瓷材料的流动应力旷应变速率； 对数坐标图，不像金属对应不同毒的应变速率敏 感指数值(仇)分成3个区，而矿；通常是线性关 系。因为在陶瓷材料中观察到的；值与金属相 比是有限的，所以这种关系是否是超塑性陶瓷的 固有特性还不清楚。对数坐标图中转变点出现在 “低纯”TzP上，可用杂质形成了多相晶界来解 释。③陶瓷材料发生超塑性变形时，应变速率敏 感性指数优值超过o．3是必要条件，但不是充分 条件，这必须与陶瓷超塑性变形(一般无颈缩)即 断裂联系起来。④超塑性陶瓷的断裂伸长与 Zener—Hollomon(Z—H)参数有关，而不像金属那 样与m值有关。 对于受扩散控制的变形过程，高温超塑性变 形的特征方程可表达为[11。： ；一等(导)’(昙)”D (1) 尼』口U 式中：；为应变速率；A为常数；G为剪切模量；6 为伯氏矢量；志为玻尔兹曼常数；丁为绝对温度；d 为晶粒尺寸；p为晶粒尺寸指数；盯为应力；以为应 力指数；D为扩散系数，D—D。exp(一Q／RT)，其 中Do为频率因子；Q为活化能；R为气体常数。 n、声和Q是描写变形过程的特征参数。方程(1) 也可简化为[1引： 一n n ÷一A知exp(一荠) (2) 在温度和晶粒尺寸不变的条件下，方程(2)还可进 一步简化为： ；一知”或仃一B；” (3) 式中：B为常数；仇一1／行为应变速率敏感性指数。 由于流动局部化和颈缩受到有效的抑制，材料才 能产生明显的超塑性，通常要求mO．3或竹≤3。 应该说明的是