实验二 氧化铝陶瓷材料力学性能的检测
为了有效而合理的利用材料，必须对材料的性能充分的了解。材料的性能包括物理性能、化学性能、机械性能和工艺性能等方面。物理性能包括密度、熔点、导热性、导电性、光学性能、磁性等。化学性能包括耐氧化性、耐磨蚀性、化学稳定性等。工艺性能指材料的加工性能，如成型性能、烧结性能、焊接性能、切削性能等。机械性能亦称为力学性能，主要包括强度、弹性模量、塑性、韧性和硬度等。而陶瓷材料通常来说在弹性变形后立即发生脆性断裂，不出现塑性变形或很难发生塑性变形，因此对陶瓷材料而言，人们对其力学性能的分析主要集中在弯曲强度、断裂韧性和硬度上，本文在此基础上对其力学性能检测方法做了简单介绍。
1.弯曲强度
弯曲实验一般分三点弯曲和四点弯曲两种，如图1-1所示。四点弯曲的试样中部受到的是纯弯曲，弯曲应力计算公式就是在这种条件下建立起来的，因此四点弯曲得到的结果比较精确。而三点弯曲时梁各个部位受到的横力弯曲，所以计算的结果是近似的。但是这种近似满足大多数工程要求，并且三点弯曲的夹具简单，测试方便，因而也得到广泛应用。
图1-1 三点弯曲和四点弯曲示意图
由材料力学得到，在纯弯曲且弹性变形范围内，如果指定截面的弯矩为M，该截面对中性轴的惯性矩为Iz，那么距中性轴距离为y点的应力大小为：
zIMy
在图1-1的四点弯曲中，最大应力出现在两加载点之间的截面上离中性轴最远的点，其大小为：
••zIyaPmaxmax21圆形截面 16矩形截面 332DPabhPa
其中P为载荷的大小，a为两个加载点中的任何一个距支点的距离，b和h分别为矩形截面试样的宽度和高度，而D为圆形截面试样的直径。因此当材料断裂时所施加载荷所对应的应力就材料的抗弯强度。
而对于三点弯曲，最大应力出现在梁的中间，也就是与加载点重合的截面上离中性轴最远的点，其大小为： ••zIyaPlmaxmax4圆形截面 8矩形截面 2332DPlbhPl
第７卷第３期
２００８年９月 材料与 冶金学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ＶｏｌＩ ７ Ｎｏ．３
ｓｅｐｔ．２００８
氧化铝陶瓷刀具材料的制备及力学性能
俞肇元，李晓东，修稚萌
（东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室，沈阳１１０００４）
摘要：采用硫酸铝铵热分解方法制备出颗粒细小（一１００ ａｍ）、粒径分布范围窄、团聚程度轻、性能良好
的 －Ａｌ２０，纳米粉体，并研究了氧化铝陶瓷刀具材料的制备及力学性能．研究表明，以氧化镁和氧化钇作添
加剂， 一Ａ１ ０ 纳米在１ ５５０℃真空烧结２ ｈ，可获得相对密度达９８．７％的氧化铝陶瓷．样品的维氏硬度为
１７．０ ＧＰａ，洛氏硬度ＨＲＡ为９３，抗折强度４０４ ＭＰａ，断裂韧性５．７ ＭＰａ・ｍ ，达到了高性能氧化铝陶瓷
刀具的性能要求．
关键词： －Ａｌ２０３超微粉；氧化铝陶瓷；刀具
中图分类号：ＴＢ ３３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－６６２０（２００８）０３－０１７４－０３
Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｌｕｍｉｎａ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｏｏｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ
ＹＵ Ｚｈａｏ—ｙｕａｎ，ＬＩ Ｘｉａｏ—ｄｏｎｇ，ＸＩＵ Ｚｈｉ—ｍｅｎｇ
（Ｋｅｙ ＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＡｎｉｓｏｔｍｐｙ ａｎｄ Ｔｅｘｔｕｒｅ ｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ（Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ），Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０００４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ＷＯｒｋ。ａｌｕｍｉｎａ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｏｏｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｏｒｅ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ ｎａｎｏｐｏｗｄｅｒ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｍｏｔｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｗｅｒｅ ｒｅｐｏｒｔｅｄ．ＡＩｕｍｉｎａ ｃｅｒａｍｉｃｓ ｗｉｔｈ ９８．７％ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｖａｃｕｕｍ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ
实验二 氧化铝陶瓷材料力学性能的检测
为了有效而合理的利用材料，必须对材料的性能充分的了解。材料的性能包括物理性能、化学性能、机械性能和工艺性能等方面。物理性能包括密度、熔点、导热性、导电性、光学性能、磁性等。化学性能包括耐氧化性、耐磨蚀性、化学稳定性等。工艺性能指材料的加工性能，如成型性能、烧结性能、焊接性能、切削性能等。机械性能亦称为力学性能，主要包括强度、弹性模量、塑性、韧性和硬度等。而陶瓷材料通常来说在弹性变形后立即发生脆性断裂，不出现塑性变形或很难发生塑性变形，因此对陶瓷材料而言，人们对其力学性能的分析主要集中在弯曲强度、断裂韧性和硬度上，本文在此基础上对其力学性能检测方法做了简单介绍。
1.弯曲强度
弯曲实验一般分三点弯曲和四点弯曲两种，如图1-1所示。四点弯曲的试样中部受到的是纯弯曲，弯曲应力计算公式就是在这种条件下建立起来的，因此四点弯曲得到的结果比较精确。而三点弯曲时梁各个部位受到的横力弯曲，所以计算的结果是近似的。但是这种近似满足大多数工程要求，并且三点弯曲的夹具简单，测试方便，因而也得到广泛应用。
图1-1 三点弯曲和四点弯曲示意图
由材料力学得到，在纯弯曲且弹性变形范围内，如果指定截面的弯矩为M，该截面对中性轴的惯性矩为Iz，那么距中性轴距离为y点的应力大小为：
zIMy
在图1-1的四点弯曲中，最大应力出现在两加载点之间的截面上离中性轴最远的点，其大小为：
••zIyaPmaxmax21圆形截面 16矩形截面 332DPabhPa
其中P为载荷的大小，a为两个加载点中的任何一个距支点的距离，b和h分别为矩形截面试样的宽度和高度，而D为圆形截面试样的直径。因此当材料断裂时所施加载荷所对应的应力就材料的抗弯强度。
而对于三点弯曲，最大应力出现在梁的中间，也就是与加载点重合的截面上离中性轴最远的点，其大小为： ••zIyaPlmaxmax4圆形截面 8矩形截面 2332DPlbhPl
陶瓷的力学性能
陶瓷材料的化学健大都为离子键和共价健，健合牢固并有明显的方向性，同一般的金属相比，其晶体结构复杂而表面能小。因此，它的强度、硬度、弹性模量、耐磨性、耐蚀性和耐热性比金属优越，但塑性、韧性、可加工性、抗热震性及使用可靠性却不如金属。因此搞清陶瓷的性能特点及其控制因素，不论是对研究开发还是使用设计都具有十分重要的意义。本节主要讨论弹性、硬度、强度、韧性及其组织结构因素、环境因素的影响。
一．弹性性能
1.弹性和弹性模量
陶瓷材料为脆性材料，在室温下承载时几乎不能产生塑性变形，而在弹性变形范围内就产生断裂破坏。因此，其弹性性质就显得尤为重要。与其他固体材料一样。陶瓷的弹性变形可用虎克定律来描述。
陶瓷的弹性变形实际上是在外力的作用下原子间里由平衡位置产生了很小位移的结果。弹性模量反映的是原子间距的微小变化所需外力的大小。表11.3给出一些陶瓷在室温下的弹性模量。
2.温度对弹性模量的影响
由于原子间距和结合力随温度的变化而变化，所以弹性核量对温度变化很敏感、当温度升高时。原子间距增大，由成j变为d，(见图11.2而该处曲线的斜率变缓，即弹性模量降低。因此，固体的弹性模量一般均随温度的升高而降低。图11.3给出一些陶瓷的弹性模量随温度的变化情况。一般来说，热膨胀系数小的物质，往往具有较高的弹性模量。
3.弹性模量与熔点的关系
物质熔点的高低反映其原子间结合力的大小。一般来说，弹性模量与熔点成正比例关系。不同种类的陶瓷材料样性模量之间大体上有如下关系氧化物＜氯化物＜硼化挪＜碳化物。
泊松比也是描述陶瓷材料弹性变形的重要参数。表11.4给出一些陶瓷材料和金属的泊松比。可以看出除BeO与MgO外大多数陶瓷材料的泊松比都小于金属材制的泊松比。
4.弹性模量与材料致密度的关系
陶瓷材料的致密度对其弹性模量影响很大。图11.5给出AL2O3陶瓷的弹性模量随气孔率的变化及某些理论计算值的比较。Fros指出弹性模量与气孔率之间将会指数关系
