陶瓷材料力学性能

抗压强度
第四节 陶瓷的硬度与耐磨度
陶瓷材料的硬度
陶瓷材料的耐磨性
• 1、陶瓷材料的表面接触特性 、 • 与金属相同，陶瓷表面也存在局部微凸起， 与金属相同，陶瓷表面也存在局部微凸起， 其外侧常有水蒸气或碳氢化合物形成的表 面层，而在内侧则可能有变形层， 面层，而在内侧则可能有变形层，这是陶 瓷加工时形成的， 瓷加工时形成的， • 陶瓷表面加工时还可能产生微裂纹或其它 缺陷， 缺陷，所以陶瓷的表面状况影响其摩擦磨 损行为。 损行为。 • 陶瓷材料的摩擦副接触受载时，真实接触 陶瓷材料的摩擦副接触受载时， 面积上的局部应力一般引起弹性变形。 面积上的局部应力一般引起弹性变形。
第三节 陶瓷材料的强度
抗弯强度
• 四点弯曲试验的最大弯矩范围较宽，其应 四点弯曲试验的最大弯矩范围较宽， 力状态接近实际零件的服役状态， 力状态接近实际零件的服役状态，所以较 为实用。 为实用。 • 由于四点弯曲试样工作部分缺陷存在的概 率较大， 率较大，所以同一材料的四点抗弯强度比 三点抗弯强度低。 三点抗弯强度低。 • 材料的韦伯常数越小，三点抗弯强度和四 材料的韦伯常数越小， 点抗弯强度的差值就越大。 点抗弯强度的差值就越大。
第五节 陶瓷材料的断裂韧度与增韧
• 陶瓷材料的断裂韧度
1.单边切口梁法
• • • •
优点： 优点： (1) 数据分散性好； 数据分散性好； (2) 重现性好； 重现性好； (3) 试样加工和测定方法比较简单，是目前 试样加工和测定方法比较简单， 广泛采用的一种方法。 广泛采用的一种方法。 • 缺点： 缺点： • 测定的KIC值受切口宽度影响较大，切口宽 测定的 值受切口宽度影响较大， 度增加， 增大，误差随之增大。 度增加， KIC增大，误差随之增大。 • 如果能将切口宽度控制在 如果能将切口宽度控制在0.05~0.10mm以 以 或在切口顶端预制一定长度的裂纹， 下，或在切口顶端预制一定长度的裂纹， 可望提高K 值的稳定性。 可望提高 IC值的稳定性。
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1.静态疲劳
• 应力腐蚀定义：材料 应力腐蚀定义： 在拉应力和特定的化 学介质共同作用下， 学介质共同作用下， 经过一段时间后所产 生的低应力断裂现象。 生的低应力断裂现象。 • 产生的应力腐蚀后都 会在没有明显预兆的 情况下发生脆断，会 情况下发生脆断， 造成严重事故。 造成严重事故。
2.循环疲劳
抗拉强度
• 设计陶瓷零件时常用抗拉强度值作为判据； 设计陶瓷零件时常用抗拉强度值作为判据； • 陶瓷材料由于脆性大，在拉伸试验时易在夹持部 陶瓷材料由于脆性大， 位断裂，另外， 位断裂，另外，夹具与试样轴心不一致产生附加 弯矩，所以往往测不出陶瓷材料真正的抗拉强度。 弯矩，所以往往测不出陶瓷材料真正的抗拉强度。 • 为保证陶瓷材料拉伸试验的精确性，需要在试样 为保证陶瓷材料拉伸试验的精确性， 和夹头设计方向做一些工作，例如： 和夹头设计方向做一些工作，例如： • 在平行夹头中加橡胶垫固定薄片状试样，可以防 在平行夹头中加橡胶垫固定薄片状试样， 止试样在夹持部位断裂， 止试样在夹持部位断裂，并利用试样的弹性变形 减少附加弯矩。 减少附加弯矩。
微裂纹增韧
• 引起微裂纹的原因： 引起微裂纹的原因： • 相变体积膨胀产生微裂纹； 相变体积膨胀产生微裂纹； • 由于温度变化基体相与分散相之间热膨胀系数不 同引发微裂纹； 同引发微裂纹； • 还可能是材料原来已经存在的微裂纹。 还可能是材料原来已经存在的微裂纹。
第六节 陶瓷材料的疲劳
• 一、陶瓷材料的疲劳类型
• 对陶瓷烧结体进行热处理，使晶界玻璃相 对陶瓷烧结体进行热处理， 重结晶或进入晶相固溶体， 重结晶或进入晶相固溶体，可显著提高陶 瓷材料的高温强度。 瓷材料的高温强度。
第二节 陶瓷材料的变形与断裂
• 陶瓷材料的弹性变形
几种陶瓷材料与金属材料的弹性模量值
共价键具有方向性，使晶体具有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的能力。 共价键具有方向性，使晶体具有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的能力。 离子键晶体结构的键方向不明显，但滑移系受原子密排方向的限制， 离子键晶体结构的键方向不明显，但滑移系受原子密排方向的限制，还受静电 作用力的限制，其实际可动滑移系较少。 作用力的限制，其实际可动滑移系较少。 另外，陶瓷为多元化合物，晶体结构复杂，点阵常数较金属晶体大， 另外，陶瓷为多元化合物，晶体结构复杂，点阵常数较金属晶体大，所以弹性 模量较高。 模量较高。 1 弹性模量不仅与结合键有关，还与组成相的种类、分布比例及气孔率有关。 弹性模量不仅与结合键有关，还与组成相的种类、分布比例及气孔率有关。 2 一般陶瓷材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性模量。 一般陶瓷材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性模量。
• 陶瓷材料的显微结构
• 陶瓷材料由晶相、玻璃相和气孔组成。 陶瓷材料由晶相、玻璃相和气孔组成。 • 如果玻璃相分布于主晶相界面，在高温下陶瓷材 如果玻璃相分布于主晶相界面， 料的强度下降，易于产生塑性变形。 料的强度下降，易于产生塑性变形。 • 气孔率增大，陶瓷材料的致密度降低，强度及硬 气孔率增大，陶瓷材料的致密度降低， 度下降。 度下降。
陶瓷材料的断裂
• 陶瓷材料的断裂过程都是以材料内部或表 面存在的缺陷为起点发生的， 面存在的缺陷为起点发生的，晶粒和气孔 尺寸在决定陶瓷材料强度与裂纹尺寸方面 具有等效作用。 具有等效作用。
• 陶瓷材料断裂概率以最弱环节理论为基础，按韦 陶瓷材料断裂概率以最弱环节理论为基础， 伯分布函数考虑，韦伯分布函数表示材料断裂概 伯分布函数考虑， 率的一般公式为： 率的一般公式为：
3.压痕法
• 测试过程：用维氏或显微硬度压头，压入 测试过程：用维氏或显微硬度压头， 抛光的陶瓷试样表面， 抛光的陶瓷试样表面，在压痕时对角线方 向出现四条裂纹，测定裂纹长度， 向出现四条裂纹，测定裂纹长度，根据载 荷与裂纹长度的关系，求出K 荷与裂纹长度的关系，求出 IC值。
• 优点：测试方便，可以用很小的试样进行多点韧度测试， 测试方便，可以用很小的试样进行多点韧度测试， 测试方便 但此法只对能产生良好压痕裂纹的材料有效。 但此法只对能产生良好压痕裂纹的材料有效。 • 缺点：由于裂纹的产生主要是残余应力的作用，而残余应 由于裂纹的产生主要是残余应力的作用， 由于裂纹的产生主要是残余应力的作用 力又是因为压痕周围塑性区与弹性基体不匹配引起的。 力又是因为压痕周围塑性区与弹性基体不匹配引起的。因 此，这种方法不允许压头下部材料在加载过程中产生相变 或体积致密化现象，同时压痕表面也不能有碎裂现象。 或体积致密化现象，同时压痕表面也不能有碎裂现象。
• 但是当陶瓷摩擦副相对滑动时，可以看到陶瓷摩 但是当陶瓷摩擦副相对滑动时， 擦表面有塑性流动迹象， 擦表面有塑性流动迹象，在接触点下方有微小塑 性变形区。 性变形区。 • 另外，由于陶瓷的高脆性，在接触载荷不大时， 另外，由于陶瓷的高脆性，在接触载荷不大时， 即还未产生较大塑性变形， 即还未产生较大塑性变形，表面及亚表面就可能 产生微裂纹。 产生微裂纹。
陶瓷材料的增韧
• 改善陶瓷显微结构
变相增韧
• 这是 这是ZrO2陶瓷的典型增韧机理，通过四方相转变 陶瓷的典型增韧机理， 成单斜相来实现。 成单斜相来实现。 • ZrO2陶瓷有三种晶型，从高温冷至室温时将发生 陶瓷有三种晶型， 如下转变： 如下转变：
例如： 例如： • 热压烧结含钇的四方氧化锆多晶体，KIC值可达 热压烧结含钇的四方氧化锆多晶体， 值可达15.3MPa·m1/2； 值可达 • 氧化锆增韧氧化铝陶瓷，KIC值可达 氧化锆增韧氧化铝陶瓷， 值可达15MPa·m1/2； • 热压烧结 3N4，其中 热压烧结Si 其中ZrO2的含量为 的含量为20-25vol%时，KIC值可提高到 时 8.5MPa·m1/2。 • 相变增韧受使用温度的限制，当温度超过800时，四方t- ZrO2由亚稳 相变增韧受使用温度的限制，当温度超过 时 四方 态变成稳定态，t- ZrO2 →m- ZrO2相变不再发生，所以相变增韧失去 态变成稳定态， 相变不再发生， 作用。 作用。
陶瓷材料的塑性变形
• 近年的研究表明陶瓷材料在高温下可显示 出超塑性： 出超塑性： • （1）晶粒细小（尺寸小于一微米） ）晶粒细小（尺寸小于一微米） • （2）晶粒为等轴结构 ） • （3）第二相弥散分布，能有效抑制高温下 ）第二相弥散分布， 基体晶粒生长 • （4）晶粒间存在液相或无定形相 ）
材料力学性能
第十章 陶瓷材料的力学性能
• 陶瓷材料广泛应用于我们的日常生活，它和金属材料、 陶瓷材料广泛应用于我们的日常生活，它和金属材料、 高分子材料并列为当代三大固体材料之一。 高分子材料并列为当代三大固体材料之一。 • 传统的陶瓷制品以天然粘土为原料，通过混料、成型 传统的陶瓷制品以天然粘土为原料，通过混料、 烧结而成，性能特点是强度低、脆性高。 烧结而成，性能特点是强度低、脆性高。 • 工程陶瓷的力学性能是耐高温、硬度高、弹性模量高、 工程陶瓷的力学性能是耐高温、硬度高、弹性模量高、 耐磨、耐蚀、抗蠕变性能好。 耐磨、耐蚀、抗蠕变性能好。
• 陶瓷材料的疲劳，除在循环载荷作用下存 陶瓷材料的疲劳， 在机械疲劳效应外， 在机械疲劳效应外，其含义要比金属材料 的要广。 的要广。 • 静态疲劳：在静载荷作用下，陶瓷承载能 静态疲劳：在静载荷作用下， 力随着时间延长而下降的断裂现象； 力随着时间延长而下降的断裂现象； • 动态疲劳：恒加载速率下，陶瓷承载能力 动态疲劳：恒加载速率下， 随着时间延长而下降的断裂现象。 随着时间延长而下降的断裂现象。
陶瓷材料的摩擦磨损
• 陶瓷材料的摩擦磨损学特性，与对摩件的种类和性能、摩 陶瓷材料的摩擦磨损学特性，与对摩件的种类和性能、 擦条件、 擦条件、环境以及陶瓷材料自身的性能和表面状态等因素 有关。 有关。 • 陶瓷与陶瓷材料配对的摩擦副，其粘着倾向很小； 陶瓷与陶瓷材料配对的摩擦副，其粘着倾向很小； • 金属与陶瓷的摩擦副比金属配对的摩擦副粘着作用也小。 金属与陶瓷的摩擦副比金属配对的摩擦副粘着作用也小。 • 陶瓷材料的这种优良的耐磨性能，使其在要求极小磨损率 陶瓷材料的这种优良的耐磨性能， 的机件上得到了广泛应用。 的机件上得到了广泛应用。 • 由于陶瓷对环境介质和气氛敏感，所以在特定条件下还可 由于陶瓷对环境介质和气氛敏感， 能形成摩擦化学磨损，这是陶瓷特有的磨损机理。 能形成摩擦化学磨损，这是陶瓷特有的磨损机理。 • 这种磨损涉及表面、材料结构、热力学与化学共同作用的 这种磨损涉及表面、材料结构、 摩擦化学问题。 摩擦化学问题。
第一节 陶瓷材料的结构
• 陶瓷材料的组成与结合键
负电性所体现的是一个原于吸住电子的能力， 负电性所体现的是一个原于吸住电子的能力，元素的负电性与其在 周期表中的位置有关，大约当负电性差∆X<0.4～0.5时，对形成固溶 周期表中的位置有关，大约当负电性差 ～ 时 体有利， 增大时， 体有利，当∆X增大时，则形成化合物的倾向增大。 增大时 则形成化合物的倾向增大。
2.山形切口法
• 陶瓷是脆性材料，弯曲或拉伸加载时，裂 陶瓷是脆性材料，弯曲或拉伸加载时， 纹一旦出现，极易产生失稳断裂。 纹一旦出现，极易产生失稳断裂。 • 山形切口法中切口剩余部分为三角形，其 山形切口法中切口剩余部分为三角形， 顶点处存在应力集中现象， 顶点处存在应力集中现象，易在较低载荷 下产生裂纹，所以不需要预制裂纹。 下产生裂纹，所以不需要预制裂纹。当试 验参数合适时， 验参数合适时，这种方法能产生裂纹稳定 扩展，直至断裂。 扩展，直至断裂。 • 山形切口法切口宽度对 IC值影响较小，测 山形切口法切口宽度对K 值影响较小， 定值误差也较小， 定值误差也较小，也适用于高温和在各种 介质中测定K 介质中测定 IC值，但是测试试样加工较困 难，且需要专用的夹具。 且需要专用的夹具。
• 1987年，研究发现单相陶瓷、相变增韧陶瓷以及陶瓷基 年 研究发现单相陶瓷、 复合材料缺口试样， 复合材料缺口试样，在室温循环压缩载荷作用下也有疲劳 裂纹萌生和扩展现象。 裂纹萌生和扩展现象。 • 图10-13是多晶氧化铝（晶粒尺寸 微米）在室温空气环 是多晶氧化铝（ 微米） 是多晶氧化铝 晶粒尺寸10微米 境对称循环加载（ 境对称循环加载（f=5Hz）及在静载下的裂纹扩展特征。 ）及在静载下的裂纹扩展特征。