新型无机非金属材料
- 格式：pdf
- 大小：4.18 MB
- 文档页数：73
陶瓷的维氏硬度与弹性模量的关系
9.1.3.3 强度
室温强度：只能测到断裂强度σf值。 一般只测弯曲强度，拉伸强度很少测定. （1）组织因素对强度的影响 陶瓷的缺陷：晶界上：气孔、裂纹、玻璃相 晶内：气孔、孪晶界、层错、位错等 a、 气孔率对强度的影响 强度随气孔率的增加近似按指数规律下降。 Ryskewitsch公式：σ=σ0exp(-αP) P—气孔率，σ0—P=0时的强度，α—常数，在4～7之间。 当P=10%时，σ下降到σ0的一半。硬瓷P=3%, 陶器 P=10%～15%。 ∴为获得高强度，应制备接近理论密度的无气孔陶瓷材料。
自增韧陶瓷：烧结或热处理使其内部自生出 增韧相。 外加第二相增韧：纤维、晶粒、颗粒
9.1.4.1 相变韧化
（1）ZrO2同素异构转变及相变韧化的概念
ZrO2同素异构转变： 液相（L）→立方相（c）→正方相（t）→单斜相（m） 其中t→m转变时将产生3%～5%的体积膨胀，属M相变。 相变韧化：将ZrO2的t→m相变Ms点稳定到比室温稍低， 而Md(形变M点)点比室温高，使其在承载时由应力诱发产生 t→m相变，由于相变产生的体积效应和形状效应而吸收大量的 能量，从而表现异常高的韧性。
从中可 得最高使用 温度（在σf 明显降低前 的温度）。
温度对陶瓷材料强度的影响
9.1.3.4、断裂韧性
用线弹性断裂力学来描述其断裂行为。 评介参数：KIC 金属的KIC比陶瓷高1～2个数量级。 实际应用中，应设法大幅提高和改善陶瓷的 韧性。
一些陶瓷与金属断裂韧性值的比较
9.1.4 陶瓷的韧化
9.1.3.2 硬度
（1）常温硬度 与强度间无对应关系。 测定方式：维氏HV，显微Hm，洛氏HR 测试表面应用金刚石研磨膏抛光成镜面。
一些常用陶瓷材料的硬度值
（2）高温硬度 用维氏或显微硬度法测定。 与高温强度有一定对应关 系，长时保载可显示其蠕变特 性，故用于表征其高温性能。 （3）硬度与其他性能之 间的关系 E≈20HV，常温下成立。 温度升高，HV下降明显， E/HV随T升高而增大。 HV/KIC：某种程度可表示 材料的脆性断裂程度。
分类
氧化物陶瓷：Al2O3、SiO2、ZrO2、BaTiO3、ZrSiO4
按成分
碳化物陶瓷：SiC、WC、B4C、TiC， 氮化物陶瓷：Si3N4、AlN、BN、TiN, 硼化物陶瓷：ZrB2、TiB2 结构陶瓷：结构零部件，主要使用其力学、热学、 化学性能，如耐磨、耐高温、抗氧化。 包括：氧化物、氮化物、碳化物、金属陶瓷
（2）温度对强度的影响
陶瓷的最大特点：高温强度比金属高得多。有三区： A区：T < 0.5 Tm，无塑变，σf基本保持不变； B区：T > 0.5 Tm，有塑变，σf随T上升明显降低； C区：T继续升高，二维滑移系开动，有交滑移产生，松 弛了应力集中，σf随T升高而上升。
陶瓷的断裂应力与温度的依赖关系示意图
新型无机非金属材料
9.1 概 述
现代陶瓷（新型陶瓷、特种陶瓷、精细陶瓷、高 性能陶瓷、高技术陶瓷）与传统陶瓷的比较 传统陶瓷：陶器、瓷器 陶器：粘土，700~1000℃；多孔，脆，强度低。 瓷器：瓷石、高岭土，1100~1300℃；致密，脆， 强度低。 现代陶瓷：高纯人工合成，>1300 ℃。高致密， 高强、高韧。
立
（2）PSZ、TZP和FSZ
为使t→m相变稳定在室温承载时发生，必须加入稳定剂 （Y2O3），使ZrO2可分别获得t+m双相，c+t双相，c+t+m三相， 纯t相或纯c相组织。只有纯m相无相变韧化。 PSZ(Partially Stabilized Zirconia)部分稳定化氧化锆： t+m，c+t，c+t+m三相均含有亚稳t相的复相组织，可产生 t→m相变韧化效应。 TZP(Tetrayunal Zirconia Polycrystal)正方相氧化锆多晶： 纯t相。 FSZ(Fully Stabilized Zirconia)全稳定氧化锆：纯c相。 当稳定剂含量较低，快冷至c+t双相区等温时效，可析出t 相，也会产生t→m相变韧化作用。
一些材料的室温强度
Al2O3的强度与气孔率的关系
b、晶粒尺寸对强度的影响 符合Hall-Patch关系，d减小，强度σ↑，σf ∝d-1/2。 努力获得细晶粒组织，对提高室温强度有利而无害。 c、晶界相的性质与厚度，晶粒形状对强度的影响 晶界相：低熔点，但促进致密化。 晶界相最好能起阻止裂纹过界扩展并松弛裂纹尖端应力的 作用。 玻璃相对强度不利，应尽量减少，可通过热处理使其晶化。 晶粒形状：最好为均匀的等轴晶粒。 高强度单相多晶陶瓷的显微组织要求： ⑴晶粒尺寸小，晶体缺陷少； ⑵晶粒尺寸均匀，等轴； ⑶晶界相含量适当，并尽量减少晶界玻璃相含量； ⑷减少气孔率，尽量接近理论密度。
9.1.3
陶瓷的力学性能
弹性性能
9.1.3.1
（1）弹性和弹性模量 E 弹性模量仍可用虎克定律描述：σ=Eε E—原子间距的微小变化所需外力的大小。 （2）温度对E的影响 温度升高，原子间距增大，弹性模量降低。 热膨胀系数小，弹性模量高。 （3）E与熔点的关系 100kTm E与熔点成正比例关系， E Va Va——原子体积或分子体积。 E与kTm/Va之间成线性关系。 Tm↑，E↑ 氧化物<氮化物<硼化物<碳化物
按性能 和用途
功能陶瓷：功能器件，主要使用物理性能，如压电 陶瓷、磁性陶瓷、发光材料。
生物陶瓷：人工骨、齿，生物相容性。
9.1.1 陶瓷的显微结构
晶体相（结晶相） 玻璃相 气相
Al2O3陶瓷的显微结构 1－结晶相 2－玻璃相 3－气相
9.1.2
陶瓷材料的性能特点
化学键：离子键、共价键。 优点： 硬度高，耐磨性好； 熔点高，耐热性好； 化学稳定性高，耐蚀性好。 缺点： 塑性变形困难； 脆性大； 裂纹敏感性强。 致命缺点，脆性大，韧化很重要。
陶瓷的弹性模量数据
温度对弹性模量的影响
弹性模量与kTm/Va之间的关系
（4）E与致密度的关系 随气孔率增加，E急剧下降。 即致密度提高，E提高。 E=EOexp(-BP) P——气孔率
气孔率对Al2O3陶瓷弹性模量的影响
大多数陶瓷材料的泊松比都小于金属的泊松比 （BeO、MgO除外）
一些陶瓷材料在室温下的泊松比
9.1.3.3 强度
室温强度：只能测到断裂强度σf值。 一般只测弯曲强度，拉伸强度很少测定. （1）组织因素对强度的影响 陶瓷的缺陷：晶界上：气孔、裂纹、玻璃相 晶内：气孔、孪晶界、层错、位错等 a、 气孔率对强度的影响 强度随气孔率的增加近似按指数规律下降。 Ryskewitsch公式：σ=σ0exp(-αP) P—气孔率，σ0—P=0时的强度，α—常数，在4～7之间。 当P=10%时，σ下降到σ0的一半。硬瓷P=3%, 陶器 P=10%～15%。 ∴为获得高强度，应制备接近理论密度的无气孔陶瓷材料。
自增韧陶瓷：烧结或热处理使其内部自生出 增韧相。 外加第二相增韧：纤维、晶粒、颗粒
9.1.4.1 相变韧化
（1）ZrO2同素异构转变及相变韧化的概念
ZrO2同素异构转变： 液相（L）→立方相（c）→正方相（t）→单斜相（m） 其中t→m转变时将产生3%～5%的体积膨胀，属M相变。 相变韧化：将ZrO2的t→m相变Ms点稳定到比室温稍低， 而Md(形变M点)点比室温高，使其在承载时由应力诱发产生 t→m相变，由于相变产生的体积效应和形状效应而吸收大量的 能量，从而表现异常高的韧性。
从中可 得最高使用 温度（在σf 明显降低前 的温度）。
温度对陶瓷材料强度的影响
9.1.3.4、断裂韧性
用线弹性断裂力学来描述其断裂行为。 评介参数：KIC 金属的KIC比陶瓷高1～2个数量级。 实际应用中，应设法大幅提高和改善陶瓷的 韧性。
一些陶瓷与金属断裂韧性值的比较
9.1.4 陶瓷的韧化
9.1.3.2 硬度
（1）常温硬度 与强度间无对应关系。 测定方式：维氏HV，显微Hm，洛氏HR 测试表面应用金刚石研磨膏抛光成镜面。
一些常用陶瓷材料的硬度值
（2）高温硬度 用维氏或显微硬度法测定。 与高温强度有一定对应关 系，长时保载可显示其蠕变特 性，故用于表征其高温性能。 （3）硬度与其他性能之 间的关系 E≈20HV，常温下成立。 温度升高，HV下降明显， E/HV随T升高而增大。 HV/KIC：某种程度可表示 材料的脆性断裂程度。
分类
氧化物陶瓷：Al2O3、SiO2、ZrO2、BaTiO3、ZrSiO4
按成分
碳化物陶瓷：SiC、WC、B4C、TiC， 氮化物陶瓷：Si3N4、AlN、BN、TiN, 硼化物陶瓷：ZrB2、TiB2 结构陶瓷：结构零部件，主要使用其力学、热学、 化学性能，如耐磨、耐高温、抗氧化。 包括：氧化物、氮化物、碳化物、金属陶瓷
（2）温度对强度的影响
陶瓷的最大特点：高温强度比金属高得多。有三区： A区：T < 0.5 Tm，无塑变，σf基本保持不变； B区：T > 0.5 Tm，有塑变，σf随T上升明显降低； C区：T继续升高，二维滑移系开动，有交滑移产生，松 弛了应力集中，σf随T升高而上升。
陶瓷的断裂应力与温度的依赖关系示意图
新型无机非金属材料
9.1 概 述
现代陶瓷（新型陶瓷、特种陶瓷、精细陶瓷、高 性能陶瓷、高技术陶瓷）与传统陶瓷的比较 传统陶瓷：陶器、瓷器 陶器：粘土，700~1000℃；多孔，脆，强度低。 瓷器：瓷石、高岭土，1100~1300℃；致密，脆， 强度低。 现代陶瓷：高纯人工合成，>1300 ℃。高致密， 高强、高韧。
立
（2）PSZ、TZP和FSZ
为使t→m相变稳定在室温承载时发生，必须加入稳定剂 （Y2O3），使ZrO2可分别获得t+m双相，c+t双相，c+t+m三相， 纯t相或纯c相组织。只有纯m相无相变韧化。 PSZ(Partially Stabilized Zirconia)部分稳定化氧化锆： t+m，c+t，c+t+m三相均含有亚稳t相的复相组织，可产生 t→m相变韧化效应。 TZP(Tetrayunal Zirconia Polycrystal)正方相氧化锆多晶： 纯t相。 FSZ(Fully Stabilized Zirconia)全稳定氧化锆：纯c相。 当稳定剂含量较低，快冷至c+t双相区等温时效，可析出t 相，也会产生t→m相变韧化作用。
一些材料的室温强度
Al2O3的强度与气孔率的关系
b、晶粒尺寸对强度的影响 符合Hall-Patch关系，d减小，强度σ↑，σf ∝d-1/2。 努力获得细晶粒组织，对提高室温强度有利而无害。 c、晶界相的性质与厚度，晶粒形状对强度的影响 晶界相：低熔点，但促进致密化。 晶界相最好能起阻止裂纹过界扩展并松弛裂纹尖端应力的 作用。 玻璃相对强度不利，应尽量减少，可通过热处理使其晶化。 晶粒形状：最好为均匀的等轴晶粒。 高强度单相多晶陶瓷的显微组织要求： ⑴晶粒尺寸小，晶体缺陷少； ⑵晶粒尺寸均匀，等轴； ⑶晶界相含量适当，并尽量减少晶界玻璃相含量； ⑷减少气孔率，尽量接近理论密度。
9.1.3
陶瓷的力学性能
弹性性能
9.1.3.1
（1）弹性和弹性模量 E 弹性模量仍可用虎克定律描述：σ=Eε E—原子间距的微小变化所需外力的大小。 （2）温度对E的影响 温度升高，原子间距增大，弹性模量降低。 热膨胀系数小，弹性模量高。 （3）E与熔点的关系 100kTm E与熔点成正比例关系， E Va Va——原子体积或分子体积。 E与kTm/Va之间成线性关系。 Tm↑，E↑ 氧化物<氮化物<硼化物<碳化物
按性能 和用途
功能陶瓷：功能器件，主要使用物理性能，如压电 陶瓷、磁性陶瓷、发光材料。
生物陶瓷：人工骨、齿，生物相容性。
9.1.1 陶瓷的显微结构
晶体相（结晶相） 玻璃相 气相
Al2O3陶瓷的显微结构 1－结晶相 2－玻璃相 3－气相
9.1.2
陶瓷材料的性能特点
化学键：离子键、共价键。 优点： 硬度高，耐磨性好； 熔点高，耐热性好； 化学稳定性高，耐蚀性好。 缺点： 塑性变形困难； 脆性大； 裂纹敏感性强。 致命缺点，脆性大，韧化很重要。
陶瓷的弹性模量数据
温度对弹性模量的影响
弹性模量与kTm/Va之间的关系
（4）E与致密度的关系 随气孔率增加，E急剧下降。 即致密度提高，E提高。 E=EOexp(-BP) P——气孔率
气孔率对Al2O3陶瓷弹性模量的影响
大多数陶瓷材料的泊松比都小于金属的泊松比 （BeO、MgO除外）
一些陶瓷材料在室温下的泊松比
