课件：陶瓷力学性能.pptx

《陶瓷材料概论》-何贤昶;陶瓷制备 工程结构陶瓷 陶瓷力学性能 陶瓷热性能 陶瓷光学性能;陶瓷制备 工程结构陶瓷 陶瓷力学性能 陶瓷热性能 陶瓷光学性能;参考书目;概 述;陶瓷材料力学性能主要致力于： 改善材料的韧性、强度（尤其是高温强度）。;第一节 陶瓷弹性性能;剪切模量、压缩模量与拉伸模量的关系;陶瓷弹性变形的本质;陶瓷弹性模量数据; 1）多晶材料： 结晶相、玻璃态相和气孔相。对于多相材料，其杨氏模量与这几种材料各自的杨氏模量值以及每个材料所占的体积分数有关，可以表为： E = E1V1 + E2V2+??? 这里Vi代表各相占据的体积分数。 ; 3）材料的组成相及显微结构： 例如在陶瓷材料中通常都有一定比例的气孔相，当气孔的体积分数较小时，可以认为气孔相的E=0，材料的杨氏模量可以表为： E = E0(1- kp） 这里，E0为材料中不存在有气孔时的杨氏模量值，k为与气孔形状有关的常数，p为气孔的体积分数，即气孔率。 陶瓷材料杨氏模量值与气孔率的关系也有不同的表达形式，如 E = E0(1- k1p + k2p2) 或者， E = E0 exp(- k p） 式中的k1、k2、k均为常数。总之，存在有气孔时，陶瓷材料的杨氏模量值会有所下降，材料的泊松比也随材料中所含气孔率的增加而有所降低。;4）杨氏模量的数值与温度关系： 可以表为： E = E0 – BT exp(-TC/ T） 这里E0为温度在0℃时材料的杨氏模量值，B与TC均为由物质本身决定的常数。从式中可知，随温度的升高，陶瓷材料的杨氏模量值降低，但对某些材料也有例外，石英等材料随温度升高，杨氏模量值也随之增加。;5）杨氏模量与物质熔点关系： 物质熔点高低与物质中原子的结合力大小有关，杨氏模量值与熔点一般有线性关系，在温度低于300K时， 其中，k为常数，Tm为熔点，Va为原子或者分子的体积。因此，熔点高的材料，其杨氏模量值也大。; 总体来说，陶瓷材料的弹性模量与组成相的种类和分布、气孔率及温度等的关系密切，而与材料中各相的晶粒大小及表面状态的关系不大，结构敏感性较小。;第二节 陶瓷的硬度;陶瓷材料硬度测试方法-金刚石压头加载压入法;维氏硬度;(a);显微硬度;劳克维尔硬度;莫氏硬度;决定材料硬度的因素;决定材料硬度的因素;决定材料硬度的因素;第三节 陶瓷的强度;陶瓷与金属的应力-应变曲线模型;理论断裂强度; 理论断裂强度与杨氏模量值有以下的简单关系： σth≈E/10。 陶瓷材料杨氏模量的平均值较金属大10倍，因此从理论上预计，陶瓷材料的强度应该比金属高。但是实验表明，陶瓷材料的强度总体上比金属要低，原因主要是陶瓷中存在有大量的缺陷和微裂纹，因此大大降低了材料的强度。 ;理论断裂强度- Griffith理论;; 当外力σ满足;应力强度因子与断裂韧性;金属材料的断裂韧性大于陶瓷材料;应力强度因子与断裂韧性;强度测定方法;影响陶瓷材料强度的因素;影响陶瓷材料强度的因素;影响陶瓷材料强度的因素; 晶粒尺寸对陶瓷材料强度的影响可以用Hall-Petch关系式来描述 ： ;举例：晶粒尺寸对材料强度的影响;影响陶瓷材料强度的因素;影响陶瓷材料强度的因素;第四节 陶瓷韧性和增韧方法; 不同材料，以及同种材料在不同的结晶状态下的应力-应变关系可以相差很大。 ;陶瓷和金属的脆性相差如此之大，主要原因是：;脆-延转变 许多陶瓷材料存在脆性-延性转变温度，如KCl在150℃以上出现二次滑移，到250℃发生脆-延转变。 高温塑性并不全是位错滑移的作用，还包含有扩散、位错攀移(climb)、晶界滑移(slip)及蠕变(creep)的作用。 ;陶瓷增韧的方法;陶瓷增韧的方法;（2）复合强化增韧 如采用延性金属-陶瓷复合材料，制备纤维、晶须或颗粒增强的金属/陶瓷基及陶瓷/陶瓷基复合材料。 （3）相变增韧和复相增韧 氧化锆相变增韧（Garvie，1975年）以及其它的第二相增韧。 （4）耦合增韧 将几种增韧的方法结合起来，例如从显微结构和晶须增韧两方面同时进行增韧，将晶须增韧和相变增韧结合起来等。 ;相变增韧举例：;粒子增韧举例：碳化硅增强氧化铝 自补强氮化硅陶瓷的显