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1 第九章陶瓷材料的力學(xué)性能 9 1陶瓷材料 9 2陶瓷材料的力學(xué)性能 9 3陶瓷材料的斷裂韌度 9 4陶瓷材料的疲勞強(qiáng)度 9 5陶瓷材料的其他性能 2 9 1陶瓷材料 陶瓷 金屬 高分子材料并列為當(dāng)代三大固體材料 之間的主要區(qū)別在于化學(xué)鍵不同 金屬 金屬鍵高分子 共價(jià)鍵 主價(jià)鍵 范德瓦爾鍵 次價(jià)鍵 陶瓷 離子鍵和共價(jià)鍵 普通陶瓷 天然粘土為原料 混料成形 燒結(jié)而成 工程陶瓷 高純 超細(xì)的人工合成材料 精確控制化學(xué)組成 如氮化硅 碳化硅 氧化鋁 氧化鋯 氮化硼 氧化鋯增韌陶瓷 ZTC 等 工程陶瓷的性能 耐高溫 耐磨 耐腐蝕 絕緣 抗蠕變性能好 硬度高 彈性模量高 塑性韌性比金屬差得多 對(duì)缺陷很敏感 強(qiáng)度可靠性差 3 陶瓷材料的結(jié)構(gòu)和顯微組織1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)陶瓷材料通常是金屬與非金屬元素組成的化合物 以離子鍵和共價(jià)鍵為主要結(jié)合鍵 可以通過改變晶體結(jié)構(gòu)的晶型變化改變其性能 如 六方氮化硼為松散的絕緣材料 立方結(jié)構(gòu)是超硬材料 2 顯微組織晶體相 玻璃相 氣相 夾雜 種類 數(shù)量 尺寸 形態(tài) 分布 晶界 晶粒結(jié)構(gòu)均勻性對(duì)其力學(xué)性能有重要影響 可通過對(duì)陶瓷燒結(jié)體進(jìn)行熱處理 來(lái)改善材料的力學(xué)性能 返回 4 9 2陶瓷材料的力學(xué)性能 一 陶瓷材料的彈性變形 塑性變形與斷裂1 彈性 1 彈性模量大E值大 是金屬材料的2倍以上 共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)有較高的抗晶格畸變 阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力 晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜 滑移系很少 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難 2 彈性模量呈方向性 壓縮模量高于拉伸彈性模量 結(jié)構(gòu)不均勻性 缺陷 3 氣孔率 彈性模量 5 2 塑性變形 1 室溫下 絕大多數(shù)陶瓷材料塑性變形極小 2 1000 以上 大多數(shù)陶瓷材料可發(fā)生塑性變形 主滑移系運(yùn)動(dòng) 3 陶瓷的超塑性是微晶超塑性 晶界滑動(dòng) 晶界液相流動(dòng) 存在條件 超細(xì)等軸晶 第二相彌散分布 晶粒間存在液相或無(wú)定形相 如含化學(xué)共沉淀法制備的含Y2O3的ZrO2粉體 在1250 燒結(jié)后 3 5 10 2S 1應(yīng)變速率 400 利用陶瓷的超塑性 可以對(duì)陶瓷進(jìn)行超塑加工 超塑加工 擴(kuò)散焊接 新的復(fù)合加工方法 6 3 斷裂以各種缺陷 表面或內(nèi)部 為裂紋源 從最薄弱處裂紋擴(kuò)展 瞬時(shí)脆斷 缺陷的存在是概率性的 用韋伯分布函數(shù)表示材料斷裂的概率F 斷裂概率 m 韋伯模數(shù) 0 特征應(yīng)力 該應(yīng)力下斷裂概率為0 632 試樣內(nèi)部的應(yīng)力及它們的最大值若兩種陶瓷材料的平均強(qiáng)度相同 在一定的斷裂應(yīng)力下 m值大的材料比m值小的材料發(fā)生斷裂的幾率小 陶瓷的主要斷裂機(jī)制 解理 且容易從穿晶變?yōu)檠鼐嗔?7 二 陶瓷材料強(qiáng)度和硬度陶瓷的實(shí)際強(qiáng)度比其理論值小1 2個(gè)數(shù)量級(jí) 只有晶須 纖維的實(shí)際強(qiáng)度才比較接近理論值 1 彎曲強(qiáng)度可采用三點(diǎn)彎曲 四點(diǎn)彎曲方法測(cè)出 四點(diǎn)彎曲試樣工作部分缺陷存在的幾率較大 強(qiáng)度比三點(diǎn)彎曲的低 2 抗拉強(qiáng)度測(cè)試時(shí) 夾持部位易斷裂 可采用加橡膠墊 常用彎曲強(qiáng)度代之 高20 40 3 抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度高得多 10倍左右 4 硬度高HRA AT45N小負(fù)荷的維氏硬度或努氏硬度 返回 8 9 3陶瓷材料的斷裂韌度 工程陶瓷的KIC比金屬的低1 2個(gè)數(shù)量級(jí) 測(cè)定方法 參見下頁(yè)圖 單邊切口法 山形切口法 壓痕法 雙扭法 雙懸臂梁法 KIC值受切口寬度的影響 金屬材料 KIC 陶瓷材料 尖端塑性區(qū)很小 KIC 9 10 陶瓷材料的增韌 1 改善組織 細(xì)密 純 勻 減少應(yīng)力集中 2 相變?cè)鲰g 外力作用誘發(fā)相變 并伴有體積膨脹 消耗外加能量 使材料增韌 但相變?cè)鲰g受溫度限制 800 以下 3 微裂紋增韌 當(dāng)主裂紋遇到微裂紋時(shí) 發(fā)生分叉轉(zhuǎn)向前進(jìn) 增加擴(kuò)展過程中的表面能 并松弛主裂紋尖端的應(yīng)力集中 減慢裂紋擴(kuò)展速度 返回 11 9 4陶瓷材料的疲勞強(qiáng)度 陶瓷不僅在循環(huán)載荷作用下存在機(jī)械疲勞 其含義也比金屬要廣 一是靜載 隨時(shí)間 承載能力 二是恒載 斷裂對(duì)應(yīng)于加載速率敏感性 研究陶瓷疲勞對(duì)擴(kuò)大其應(yīng)用具有重要意義 一 疲勞類型 靜態(tài)疲勞 動(dòng)態(tài)疲勞 循環(huán)疲勞 12 1 靜態(tài)疲勞靜載下 隨時(shí)間延長(zhǎng) 材料承載能力下降所產(chǎn)生的斷裂 對(duì)應(yīng)于金屬材料的應(yīng)力腐蝕和高溫蠕變斷裂 溫度 應(yīng)力 環(huán)境介質(zhì) 分成的四個(gè)區(qū) 圖10 11 孕育區(qū) 低于應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值 低速區(qū)da dt隨K 而 中速區(qū)da dt僅與環(huán)境介質(zhì)有關(guān) 與K無(wú)關(guān) 高速區(qū)da dt隨K 而呈指數(shù)關(guān)系 13 2 動(dòng)態(tài)疲勞類似于金屬材料應(yīng)力腐蝕研究中的慢應(yīng)變速率拉伸 3 循環(huán)疲勞疲勞破壞以慢速龜裂擴(kuò)展的方式發(fā)生 研究表明 循環(huán)載荷同樣可對(duì)陶瓷材料造成損傷 這種損傷是由裂紋尖端的微裂紋 馬氏體相變 蠕變 以及沿晶和界面滑動(dòng)等因素所引起的 4 熱疲勞 屬低周疲勞 金屬的疲勞壽命通常用循環(huán)周次表示 陶瓷材料的疲勞壽命則用斷裂時(shí)間表示 14 二 疲勞特性評(píng)價(jià)疲勞裂紋擴(kuò)展速率和應(yīng)力強(qiáng)度因子之間的關(guān)系同樣符合Paris公式 da dN C K nc n 材料試驗(yàn)常數(shù)金屬 n為2 4 陶瓷 一般n 10 返回 15 9 5陶瓷材料的其他性能 1 耐磨性 陶瓷是耐磨材料的一個(gè)發(fā)展方向 其耐磨性也遠(yuǎn)高于金屬 而且在高溫 腐蝕環(huán)境下更顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性 最重要的耐磨陶瓷材料是氧化鋁 氧化鋯和氮化硅陶瓷等 1 減摩性與耐磨性 2 抗磨性 16 2 抗熱震性 熱沖擊 材料承受溫度驟變而不破壞的能力 在各種熱環(huán)境下引起的熱應(yīng)力 以及與之相應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子是熱震破壞的原因 由熱震引起的瞬時(shí)斷裂 即熱振斷裂 1 抗熱震斷裂參數(shù)R急劇加熱和冷卻緩慢加熱和冷卻均與熱導(dǎo)率 熱膨脹系數(shù) 有關(guān) f斷裂強(qiáng)度 熱震斷裂的臨界熱應(yīng)力 通過彎曲試驗(yàn)測(cè)定 17 2 抗熱震損傷熱沖擊循環(huán)下 材料經(jīng)開裂 裂紋擴(kuò)展 終致材料強(qiáng)度降低而破壞 熱振損傷 氣孔可鈍化裂紋尖端 減小應(yīng)力集中 降低熱導(dǎo)率 抗熱震損傷 多孔陶瓷優(yōu)于致密性高的陶瓷 反復(fù)加熱冷卻產(chǎn)生的彈性應(yīng)變能是陶瓷材料熱震損傷的動(dòng)力 裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力 提高抗熱震斷裂抗力 要求 高 E低 大 小 因?yàn)樵跓嵴饠嗔亚闆r下 低的材料裂紋易于擴(kuò)展 提高熱震損傷抗力 要求E高 低 斷裂表面能低的材料 在熱震損傷情況下 高的材料裂紋易于擴(kuò)展 反復(fù)的加熱 冷卻 裂紋擴(kuò)展 強(qiáng)度急劇下降 機(jī)件局部有可能發(fā)生剝落或崩裂 這就是熱震損傷過程