无机材料物理性能—第三章.ppt

* 3.12 陶瓷材料的硬度 陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度叫做莫氏硬度，只表示硬度由小到大的顺序，不表示硬度的程度。 用静载压入的硬度试验法种类很多，常用布氏硬度、维氏硬度及洛氏硬度。 布氏硬度法主要用来测定金属材料中较软及中等硬度的材料，很少用于陶瓷，维氏硬度及努普硬度法都适于较硬的材料，也用于测量陶瓷的硬度，洛氏硬度测量的范围较广。 陶瓷材料的硬度也常用显微硬度法来测量，其原理和维氏硬度法一样。显微硬度试验常用金刚石正四棱锥为压头，并在显微镜下测其硬度，试验公式和维氏硬度所用的相同。 硬度是材料的重要的力学性能参数之一，它是材料抵抗局部压力而产生变形能力的表征。 * * 负荷P以g为单位；d以um为单位 矿物、晶体和陶瓷材料的硬度取决于其组成和结构。离子半径越小，离子电价越高，配位数越大，极化能就越大，抵抗外力摩擦、刻划和压入的能力就越强，所以硬度就较大。陶瓷材料的显微组织、裂纹、杂质等对硬度有影响。当温度升高时，硬度就下降。 几种陶瓷断裂机理与温度之间的关系 陶瓷的强度随温度的变化曲线 * 3.10 提高陶瓷材料强度及改善脆性的途径 3.10.1 微晶化、高密度 与高纯度 为了消除缺陷，提高晶体的完整性，细、密、匀、纯是当 前陶瓷发展的一个重要方向，出现了许多微晶、高密度、高纯 度陶瓷。值得注意的是各种纤维材料和晶须。 材料的强度受到材料的弹性模量、断裂表面能、和裂纹尺寸的控制。其中弹性模量是非结构敏感的，断裂表面能与微观结构有关，但对单相材料，微观结构对断裂表面能影响不大。惟一可以控制是材料中微裂纹，可把微裂纹理解为各种缺陷的总和。因此，大多强化措施是消除缺陷或阻止其发展。 * 几种陶瓷材料的块体、纤维和晶须的抗张强度 3.10.2 预加应力 脆性断裂通常是在张应力作用下，自表面开始，如果 在表面造成一层残余压应力层，则在材料使用过程中表面 受到拉伸破坏之前首先要克服表面的残余压应力。 * 热韧化玻璃板受横向变曲荷载时，残余应力、作用力及合成应力分布图 3.10.3 化学强化 采用化学强化（离子交换）的办法，通过改变表面的 化学组成，使表面的摩尔体积比内部的大。由于表面体积 胀大受到内部材料的限制，就产生一种两向状态的压应力。 * 3.10.4 相变增韧 利用多相陶瓷中某些相成分在不同温度的相变，从而 增韧的效果，统称为相变增韧。韧化的主要机理有应力诱 导相变增韧、相变诱发微裂纹增韧、残余应力增韧等。 例如，利用ZrO2的马氏体相变来改善陶瓷材料的力学性能。 含有亚稳t- ZrO2的陶瓷中裂纹扩展时裂纹尖端应力场诱发t-m相变及其引起的应力变化示意图 裂纹尖端应力诱发相变区轨迹示意图 显微裂纹增韧 3.10.5 弥散增韧 在基体中渗入具有一定颗粒尺寸的微细粉末，达到增韧的效果称为弥散增韧。 纤维和晶须韧化的机理 长纤维韧化 定向纤维增韧的材料中裂纹平面垂直于纤维时的裂纹扩展示意图 在断裂过程中，纤维断裂并非在同一裂纹平面，因而主裂纹沿纤维断裂位置的不同发生裂纹转向： (a)桥连拔出 (b) 裂纹转向 纳米粒子 * 3.11 复合材料 在一种基体材料中加入另一种粉末材料或纤维材料而制成复合材料材料是提高陶瓷材料强度和改善脆性的有效措施。 粒子强化的机理在于粒子可以防止基体内的位错运动，或通过粒子的塑性形变而吸收一部分能量，从而达到强化的目的。 纤维强化的作用在于负荷主要有纤维承担，而基体将负荷传递、分散给纤维，此外纤维还可以阻止基体内的裂纹扩展。 为了评价强化效果，定义强化率： * 对于粒子强化复合材料来说，粒子越小，阻止位错运动的效果就越大；大的粒子容易成为应力集中源，是负荷材料的力学性能受到破坏。 根据纤维和基体的特点，F的变化范围较大，这类材料中可用纤维材料来强化韧体基体（如橡胶、树脂、金属）和脆性基体（如玻璃和陶瓷材料）。 为了达到纤维强化的目的，须注意下面的原则： 纤维尽可能多地承担外加负荷 纤维与基体的结合强度以适当为宜 应力作用的方向应与纤维平行 纤维与基体的热膨胀系数应匹配 纤维与基体在高温下的化学相容性 * 3.11.1 连续纤维单向强化复合材料的强度 连续纤维单向强化复合材料的纤维排列及受力情况 设纤维与基体的应变相同，则 上式为理想状态，也是复合材料弹性模量和强度的最高估计，叫做上界模量及上界强度。 * 由于在复合材料中，纤维和基体的应变是一样了，即： 设εm超过基体的临界应变时，复合材料就破坏，但此时纤维还未充分发挥作用，因此可以求得复合材料的下界强度。 * 纤维、基体及复合材料的应力应变曲线