[材料科学]4力学性能-1.ppt

无机非金属材料概论 C.5 陶瓷性能 由图看出，热压Si3N4强度下降较少，适合用作高温结构材料。 　 高温下，晶界第二相，特别是低熔点物质的软化，使晶界产生滑移，从而使陶瓷表现出一定程度的塑性，同时晶界强度大幅度下降，使宏观承载能力下降， 因此高温下大多数陶瓷材料是沿晶断裂，说明陶瓷材料强度是由晶界强度所控制。如果要提高陶瓷材料的高温强度，应尽量减少玻璃相和杂质成分。 无机非金属材料概论 C.5 陶瓷性能 无机非金属材料概论 C.5 陶瓷性能 四、陶瓷材料的硬度 (hardness) 硬度: 材料抵抗局部压力而产生变形能力的表征。 测定陶瓷材料硬度的方法: 主要是金刚石压头加载压入法, 包括: 维氏硬度、显微硬度、莫氏硬度 无机非金属材料概论 C.5 陶瓷性能 五、陶瓷材料的断裂韧性 (fracture toughness) 3.5.1 陶瓷材料的断裂韧性1．断裂韧性的基本概念??? 由于陶瓷是脆性材料，裂纹尖端塑性远小于裂纹长度，因此可以根据线弹性力学来研究弹性裂纹的扩展和断裂问题。 ?? 陶瓷材料的裂纹扩展主要属于张开式裂纹模型， 简称I型。 无机非金属材料概论 C.5 陶瓷性能 五、陶瓷材料的断裂韧性 (fracture toughness) 1. 应力强度 因子 K = ? Y ? c 其中, ? ?应力 , c ?裂纹尺寸, Y ?无量纲系数 (determined by crack shape, size and load) 2. 临界应力强度 因子?断裂韧性 KIc = ? f Y ? c 3.断裂韧性测试方法 SENB法等 3.5.1 陶瓷材料的断裂韧性 无机非金属材料概论 C.5 陶瓷性能 FIGURE 5.9 三种裂纹表面位移的型式 the three modes of crack surface displacement. (a) Mode I 张开型(拉伸型), opening or tensile mode; (b) mode II, 滑移型 sliding mode; (c) mode III, 撕开型 tearing mode. 无机非金属材料概论 C.5 陶瓷性能 根据I型弹性裂纹尖端附近的应力场分布，可求得陶瓷受张力(σ)使裂纹扩展，其应力强度因子KI用下式表示: ???????????????????????? 　 式中：Y为无量纲因子，取决于裂纹几何形状、试样形状及加载方式； a为裂纹长度。 裂纹尖端张应力σy随KI增加而提高。当KI增到一临界值，则σy增大到使裂纹失稳扩展并导致断裂。 临界KI以KIc表示，称作临界应力强度因子，又称为材料的断裂韧性。 ????????????????????????????????????????????????????????式中：KIc为断裂韧性，单位MPa·√m；σc为临界应力，即材料的断裂强度,ac临界裂纹尺寸. 无机非金属材料概论 C.5 陶瓷性能 断裂韧性是材料固有的性能， 　 是材料结构和显微结构的函数， 　 是材料抵抗裂纹扩展的阻力， 　 与裂纹的大小、形状以及外力无关。 无机非金属材料概论 C.5 陶瓷性能 陶瓷材料和金属材料的抗拉或抗弯屈服强度并不存在很大差异。 但是反映材料裂纹扩展抗力的断裂韧性值却差别甚大。 无机非金属材料概论 C.5 陶瓷性能 3.5.2 陶瓷材料的增韧途径 陶瓷材料的高温力学性能、抗化学侵蚀能力、耐磨性，电绝缘性等均优于金属材料，但其脆性限制了它的使用。 目前改善陶瓷材料脆性、增加韧性的方法有以下几种： ①通过晶须或纤维增韧； ②异相弥散强化增韧； ③氧化锆相变增韧； ④显微结构增韧； ⑤表面强化和增韧； ⑥复合增韧。 无机非金属材料概论 C.5 陶瓷性能 六、陶瓷材料的热稳定性 热稳定性：材料抵抗温度变化的能力。 热冲击 (thermal shock) (抗热震性）(thermal shock resistance) 陶瓷材料 优点：具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀等。 缺点：但塑韧性差，不耐冲击和难加工又是它致命的缺点。 工程陶瓷构件，特别是高温结构件，使用中不能承受较大的机械应力和冲击应力， 无机非金属材料概论 C.5 陶瓷性能 实际上工程陶瓷构件主要用于高温领域。由于温度急剧变化引起的热冲击应力很大，如果材料具有塑性，可以消减应力峰，缓和应力集中，吸收冲击功，防止裂纹的萌生与扩展。陶瓷材料不仅几乎没有塑性，加上陶瓷一般导热差，温度变化引起的应力梯度大；因此，热冲击断裂与损伤是工程陶瓷材料失效的主要方式之一，也是评价工程陶瓷材料使用性能的一种重要性能指标。