先进陶瓷材料第四讲 结构陶瓷材料-陶瓷材料物理性能.ppt

先进陶瓷材料 第四讲 结构陶瓷材料(III) 陶瓷材料物理性能 陶瓷材料物理性能 陶瓷材料力学性能 陶瓷材料的力学性能 陶瓷材料的弹性性能 陶瓷材料的力学性能 切应变 γ 陶瓷材料的力学性能 压缩应力与体积应变成正比 K:体积弹性模量 陶瓷材料的力学性能 金属材料—低的弹性模量 高韧性、可塑性、可加工性、抗热震性 陶瓷材料—高弹性模量 高强度、高硬度、耐磨性、耐蚀性 陶瓷材料的力学性能 影响弹性模量的微观机制 陶瓷材料的力学性能 弹性模量的影响因素 温度对弹性模量的影响 陶瓷材料的力学性能 弹性模量与熔点 熔点→原子间结合力 熔点高→结合力大→弹性模量大 300K时弹性模量与熔点的关系： 陶瓷材料的力学性能 弹性模量与材料的密度 材料的密度是影响弹性模量的重要因素 材料密度→气孔率 弹性模量与气孔率关系 陶瓷材料的力学性能 复合材料的弹性模量 弹性模量→原子间结合力（原子种类、键型） 弹性模量对显微结构不敏感 材料的组元作用显著 对于三明治型复合材料： 陶瓷材料的力学性能 两相或多相复合材料 弹性模量随组分而变化 陶瓷材料的力学性能 陶瓷材料的硬度 陶瓷材料的力学性能 布氏硬度 F=30~3000kg 陶瓷材料的力学性能 洛氏硬度(劳氏硬度) 硬度测试规程 陶瓷材料的力学性能 维氏硬度（常用方法） 陶瓷材料的力学性能 努普硬度 陶瓷材料的力学性能 显微硬度 在微观下测量材料的硬度 维氏显微硬度 努普显微硬度 原理和公式同上 试验在专门的显微硬度计上进行 载荷50～100g 可用于用于材料组织中的不同相及不同晶粒的硬度测定 陶瓷材料的力学性能 高温硬度 高温下测量 维氏硬度、显微硬度 应该注意的几个问题 陶瓷材料的力学性能 陶瓷材料的强度 陶瓷材料的力学性能 理论断裂强度与Griffith理论 理论强度 理论强度取决于原子间的结合力 陶瓷材料的力学性能 Grifiith理论 实际材料的强度理论强度（两个数量级） 认为：微裂纹的扩展——材料整体断裂 应力做功——裂纹扩展 应力的功=新生表面的表面能 同时考虑裂纹几何形状的影响 得到： 陶瓷材料的力学性能 强度测试试验方法 陶瓷材料的力学性能 测试试验 三点弯曲： L=30±0.5mm R1=2~3mm 加载速率 （夹头位移速度）： 0.5mm/min 强度计算： 陶瓷材料的力学性能 四点弯曲： L=30±0.5mm l =10±0.5mm a=10±0.5mm R1=2~3mm R2=0.5~3μm 加载速率：0.5mm/min 强度计算： 陶瓷材料的力学性能 影响强度的因素 影响强度的组织因素 气孔率 p：气孔率 σ0：p = 0 时的强度 α：常数（4～7） 晶粒尺寸 σf∝d -1/2 (目前没有确切的关系式、有待研究） 细晶有利于强度的提高 陶瓷材料的力学性能 晶界相的性质和厚度、晶粒形状 晶界玻璃相不利于强度提高 单相多晶体陶瓷： 均匀等轴晶粒——强度提高 等轴晶粒与棒晶适当配比——强度提高 温度对强度的影响 多数陶瓷材料的强度随温度升高而降低 AlN、SiC等极少数陶瓷材料强度随温度的升高略有升高 陶瓷材料的力学性能 陶瓷材料的断裂韧性 陶瓷材料——室温下几乎无塑性变形 断裂方式——脆性断裂 对裂纹敏感的材料 断裂行为——线弹性断裂力学描述 陶瓷材料韧性评价参数——断裂韧性 陶瓷材料的力学性能 裂纹扩展方式 三种类型： 陶瓷材料的力学性能 对与脆性材料 断裂强度与裂纹尺寸有关 如图实验结果 陶瓷材料的力学性能 裂纹尖端的应力场分析 I 型裂纹尖端应力 陶瓷材料的力学性能 裂纹尖端附近的任一点： 当r c， θ = 0时 可得到： 陶瓷材料的力学性能 应力场强度因子及几何形状因子 由Griffith理论 陶瓷材料的力学性能 几种情况下的Y值 陶瓷材料