第10章 陶瓷材料的力学性能.ppt

第十章 陶瓷材料的力学性能 §10-1 陶瓷材料 §10-2 陶瓷材料的力学性能。 §10-3 陶瓷材料的断裂韧度 §10-4 陶瓷材料的疲劳强度 §10-5 陶瓷材料的其他性能 §10-1 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。 工程陶瓷的性能：耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差。 常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。 一、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，气相晶界、夹杂（种类、数量、尺寸、形态、分布等）影响陶瓷材料的力学性能。（对陶瓷烧结体进行热处理，使晶界玻璃相重结晶或进入晶相成为固溶体材料，可显著提高陶瓷材料的高温强度） §10-2 陶瓷材料的力学性能强度（高、低、室温）韧性、硬度、断裂韧度、疲劳等。 一、陶瓷材料的弹性变形、塑性变形与断裂 （1）弹性A）弹性模量大是金属材料的2倍以上。∵共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。B）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 C）气孔率↑，弹性模量↓ （2）塑性变形 a）室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。 b）1000℃以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形 （主滑移系运动） c）陶瓷的超塑性（微晶超塑性） 超细等轴晶，第二相弥散分布，晶粒间存在无定形 相。含Y2O3的ZrO2粉体，成型后1250℃烧结，在该温度下，以3.5×10-2 S-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（包括 扩散焊接）。 （3）断裂 以各种缺陷（表面或内部）为裂纹源，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  F(σ)—断裂概率m—韦伯模数σ0—特征应力，该应力下断裂概率为0.632σ’、 σ—试样内部的应力及它们的最大值 二、陶瓷材料强度和硬度 陶瓷的实际强度比其理论值小1～2个数量级。（1）弯曲强度（图10-3，4） 三点弯曲、四点弯曲四点弯曲试样工作部分缺陷存在的几率较大。 ∴强度比三点的低。（2）抗拉强度夹持部位易断裂（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，HR45N小负荷的维氏硬度HV或努氏硬度HK（表10-5）。 §10-3 陶瓷材料的断裂韧度 比金属的低1～2个数量级测定方法（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：σ↑、δ↓、KIC↓；陶瓷材料：σ↑、 KIC↑。 ∵尖端塑性区很小。 陶瓷材料的增韧：（1）改善组织（细密、纯、匀）（2）相变增韧（3）微裂纹增韧  §10-4 陶瓷材料的疲劳强度 静态疲劳，动态疲劳，循环疲劳和热疲劳（1）静态疲劳对应于金属材料的应力腐蚀和高温蠕变断裂。“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↑  （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。 陶瓷材料是脆性材料。 （4）热疲劳 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。 疲劳特性评价，同样符合paris公式。 §10-5 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) （1）减摩性与耐磨性 （2）抗磨性 2、抗热震性（热冲击）（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