某型号陶瓷的高温力学性能测试

电子质量2017年第05期(总第362期)作者简介：赵海龙(1985-)，男，工程师，硕士，从事电子产品质量检测与可靠性研究工作。

0引言自从20世纪90年代以来，LTCC 技术飞速发展，应用LTCC 技术制造出来的多层基板具有良好的导热性、优异的高频特性、高集成特性和高可靠性。

目前，LTCC 基板已经广泛应用于制造高密度、高可靠性电路，应用领域涉及射频和微波、移动通信、汽车电子、医疗电子及MEMS 领域等[1-2]。

LTCC 基板在使用时要与特定的硅铝盒体装配在一起，配合芯片、元器件、隔筋、外围电路和接头等组成具有一定功能的模块或组件。

其中芯片和元件采用粘接或焊接工艺安装在LTCC 基板上。

隔筋部件是一个结构外型较为复杂的结构和功能一体化构件，作为结构和功能部件既对力学性能有要求，也要求具有电磁屏蔽功能[3]。

某四通道组件装配两个某型号LTCC 陶瓷基板，基板焊接到硅铝盒体底部，基板表面用导电胶粘接两个铝合金隔筋。

基板在组件中的整体装配及隔筋形貌如图1所示。

图1组件整体装配示意图1故障现象基板焊接到盒体底部，装配好芯片和隔筋后，装配完成的136只基板中测试发现10只连通性能出现问题，其中3只基板通过键丝补救后继续使用。

随后将测试性能合格的64个组件(128只LTCC 基板)投入筛选试验，试验条件为随机振动-温度循环(-55℃~70℃，12次)-LTCC 基板装配过程中的开裂失效研究The Cracking Failure Study of LTCC Substratesin Assembly Process赵海龙,尹丽晶,彭浩,任赞（中国电子科技集团公司第十三研究所,河北石家庄050051）Zhao Hai-long,Yin Li-jing,Peng Hao,Ren Zan (The 13th Research Institute of CETC,Hebei Shijiazhuang 050051）摘要：针对LTCC 基板在装配过程中产生的开裂现象，进行了故障定位。

高温陶瓷材料的力学性能测试随着科学技术的不断发展，高温陶瓷材料已经越来越广泛地应用于各个领域，如航空航天、能源、电子等。

然而，高温下的工作环境对这些材料的力学性能提出了极高的要求。

因此，了解和测试高温陶瓷材料的力学性能显得尤为重要。

在研究高温陶瓷材料的力学性能之前，我们首先需要了解一些相关的基础知识。

高温陶瓷材料是指在高温条件下具有良好稳定性的陶瓷材料，其耐高温性能可以达到1000℃以上。

与传统的陶瓷材料相比，高温陶瓷材料具有更优异的机械性能、耐磨性能和耐蚀性能。

这些特点使得高温陶瓷材料成为了许多高温工作环境下的首选材料。

为了测试高温陶瓷材料的力学性能，人们通常采用多种方法，其中最常见的方法之一是压缩试验。

压缩试验是一种通过施加外力使材料产生压缩变形的测试方法。

这种方法能够直接测量材料在不同温度下的压缩应力、应变以及应力-应变曲线，从而评估材料的力学性能。

另外，人们也常使用一种称为三点弯曲试验的方法来评估高温陶瓷材料的力学性能。

这种方法通过在材料的两个支点之间施加外力，使材料产生弯曲变形，从而获得材料在高温下的弯曲强度、弹性模量等性能参数。

相比于压缩试验，三点弯曲试验更适用于需要考虑材料在高温下的弯曲性能的实际工程。

除了以上两种测试方法，我们还可以通过击穿试验来测试高温陶瓷材料的力学性能。

击穿试验是将材料置于一个外部电场中，逐渐增加电场强度，直至材料发生击穿破坏的测试方法。

这种方法能够评估材料在高温下的击穿强度和击穿电场强度等相关性能。

为了更准确地测试高温陶瓷材料的力学性能，我们还需要使用一些先进的测试设备，比如高温拉伸机、高温压力机和高温硬度计。

这些设备能够保证在不同温度条件下对高温陶瓷材料进行力学性能测试的准确性和可靠性。

总而言之，高温陶瓷材料的力学性能测试对于了解和评估这类材料的性能非常重要。

通过采用压缩试验、三点弯曲试验和击穿试验等方法，以及先进的测试设备，我们可以全面了解高温陶瓷材料在高温条件下的力学行为，并为材料的应用和优化提供有力的支持。

实验名称：医疗器械力学性能测试实验目的：1. 了解医疗器械力学性能测试的基本原理和方法。

2. 掌握医疗器械力学性能测试仪器的操作方法。

3. 分析医疗器械在不同力学条件下的性能表现。

实验时间：2023年4月15日实验地点：医疗器械力学性能测试实验室实验器材：1. 医疗器械力学性能测试仪2. 标准试件3. 记录仪4. 秒表5. 计量器6. 计算器实验原理：医疗器械的力学性能是其质量保证的重要指标之一。

力学性能测试主要包括弹性模量、屈服强度、抗拉强度、断裂伸长率等。

本实验通过测试医疗器械的力学性能，了解其在不同力学条件下的表现，为医疗器械的设计、制造和检验提供依据。

实验步骤：1. 标准试件准备：根据医疗器械的规格，准备相应的标准试件，确保试件尺寸符合测试要求。

2. 设备调试：打开医疗器械力学性能测试仪，进行设备调试，确保测试仪器的准确性。

3. 试件安装：将标准试件安装到测试仪器的夹具上，确保试件与夹具紧密接触。

4. 数据采集：设定测试参数，如加载速度、测试次数等，开始测试。

记录试件在拉伸过程中的最大载荷、断裂载荷、断裂伸长率等数据。

5. 数据处理：将采集到的数据进行整理、计算，得出医疗器械的力学性能指标。

实验结果与分析：1. 弹性模量测试：通过测试医疗器械的弹性模量，可以了解其在受力时的弹性变形能力。

本实验中，某型号医疗器械的弹性模量为2.5×10^6 Pa，符合国家标准要求。

2. 屈服强度测试：屈服强度是医疗器械承受最大载荷而不断裂的能力。

本实验中，某型号医疗器械的屈服强度为3.0×10^5 Pa，达到国家标准要求。

3. 抗拉强度测试：抗拉强度是医疗器械承受最大载荷而不断裂的能力。

本实验中，某型号医疗器械的抗拉强度为3.5×10^5 Pa，符合国家标准要求。

4. 断裂伸长率测试：断裂伸长率是医疗器械在拉伸过程中发生断裂时的伸长程度。

本实验中，某型号医疗器械的断裂伸长率为15%，符合国家标准要求。

陶瓷材料的高温力学性能与高温应变行为在现代工业生产中，陶瓷材料作为一种重要的工程材料，广泛应用于航空航天、能源、化工等领域。

高温力学性能与高温应变行为是评价陶瓷材料性能的重要指标之一。

高温力学性能指材料在高温条件下的力学行为，包括抗拉强度、抗压强度、弹性模量、热膨胀系数等。

陶瓷材料的高温力学性能与其晶体结构、组织结构以及化学成分密切相关。

首先，晶体结构对陶瓷材料的高温力学性能有着重要影响。

陶瓷材料晶体结构的稳定性决定了其在高温下的力学性能表现。

例如，硼化硅陶瓷材料由于具有特殊的六方结构，使得其在高温下表现出优良的力学性能和高温稳定性。

其次，组织结构对陶瓷材料的高温力学性能也起到至关重要的作用。

陶瓷材料通常由多个晶粒组成的晶界构成，晶界在高温下容易发生晶界扩散，从而影响材料的高温力学性能。

对于微晶陶瓷材料来说，其具有较小的晶粒尺寸和较多的晶界，因此其高温力学性能相对较好。

此外，化学成分也对陶瓷材料的高温力学性能产生着重要影响。

化学成分的选择可以调控材料的晶体结构、组织结构以及化学反应活性，从而直接影响材料的高温力学性能。

例如，氧化铝陶瓷材料由于具有良好的抗化学腐蚀性能和高耐磨性，广泛应用于高温炉窑中。

除了高温力学性能，高温应变行为也是评价陶瓷材料性能的重要指标之一。

高温应变行为包括高温蠕变性能和高温断裂性能。

高温蠕变性能指材料在高温下承受恒定应力长时间变形的能力。

陶瓷材料在高温下容易发生蠕变现象，即在恒定应力下随时间的推移逐渐变形。

陶瓷材料的蠕变行为与其晶体结构、组织结构以及温度、应力等因素密切相关。

对于蠕变行为好的陶瓷材料来说，其在高温条件下能够保持较好的形状稳定性和力学性能。

高温断裂性能指材料在高温下承受应力时的断裂行为。

陶瓷材料在高温下容易出现断裂现象，其断裂行为与其晶界结构、缺陷形态、应力状态以及温度等因素密切相关。

对于断裂性能好的陶瓷材料来说，其能够在高温下保持较好的强度和韧性，并具有较高的破坏韧性。

氮化硅陶瓷材料Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】摘要氮化硅陶瓷是一种具有广阔发展前景的高温、高强度结构陶瓷，它具有强度高、抗热震稳定性好、疲劳韧性高、室温抗弯强度高、耐磨、抗氧化、耐腐蚀性能好等高性能，已被广泛应用于各行各业。

本文介绍了氮化硅陶瓷的基本性质，综述了氮化硅陶瓷的制备工艺和国内外现代制造业中的应用，并展望了氮化硅陶瓷的发展前景。

Abtract：Silicon nitride ceramic is a broad development prospects of high temperature, high strength structural ceramics, it has high strength, thermal shock stability, high temperature fatigue toughness, high bending strength, wear resistance, oxidation resistance,corrosion resistance and good performance of high performance, has been widely used in all walks of life. This paper introduces thebasic properties of silicon nitride ceramics, reviews the fabricating technique of silicon nitride ceramics at home and abroad and modern manufacturing industry in the application, and looks forward to the development prospect of silicon nitride ceramics.氮化硅陶瓷材料关键词氮化硅陶瓷性能制备工艺应用Key words properties of silicon nitride ceramic preparation process and Application1.前言随着现代科学技术的发展，各种零部件的使用条件愈加苛刻（如高温、强腐蚀等），对新材料的研究和应用提出了更高的要求，传统的金属材料由于自身耐高温、抗腐蚀性能差等弱点已难以满足科技日益发展对材料性能的要求，现亟待开发新材料。

不同的物体对各种不同波长的光的反射、吸收及透过程度不同，反射方向也不同，就产生了各种物体不同颜色(不同白度)、光泽度是指物体受光照射时表面反射光的能力，通常以试样在镜面方向的反射率与标准板表面的反射率之比来表示硬度是衡量材料力学性能的一项重要指标，它是指材料的表面层抵抗外力进入其中的能力维氏硬度Hv=1.8544P/d2抗压强度—试样单位面积上所能承受的最大压力。

抗折强度—试样受到弯曲力作用到破坏时的最大应力。

它是用试样破坏时所受弯曲力矩(N•m)与被折断处的断面模数(m^3)之比来表示。

陶瓷的热稳定性(抗热震性) ，是陶瓷材料耐受温度剧列变化而不破坏的能力线膨胀系数温度每升高1℃时单位长度上所增加的长度，单位为cm/cm•℃耐受电压样品在一定电压作用下,在规定的时间内没有发生击穿的电压值和时间。

由瓷介质组成的电容器的电容Cx与同样电极结构形式的真空电容器的电容C0的比值，称为相对介电常数ε陶瓷等绝缘介质在电场作用下，由于极化、漏导电流等各种因素造成电能损耗转换成热能散失的现象，称为介质损耗磁化率对于弱磁性材料，磁化强度M与外磁场强度H成正比，即M = k H k为材料的磁化率。

比色分析法使某种光线分别透过标准溶液和被测溶液，通过比较两者颜色的强度，决定被测物质在溶液中含量或浓度的方法。

白度测量的影响因素陶瓷产品釉面光学性质十分复杂。

陶瓷产品在可见光区的反射率不高(60%~75%之间) ，均匀性又很差，不同型号的仪器，其光源、滤光片、投射和接收方式、接收器等在设计上有差异（由漫反射决定）影响维氏硬度测定结果的因素及改进措施(1) 试验力即所施加的负荷，仪器的系统误差，测试者施加力的熟练程度，环境因素(2) 压痕对角线的测量；试片的表面状态，测试者施加力的熟练程度，读数方式；改进措施(1)选择平整光洁的试片；(2)压痕部位无釉泡缺陷；(3)选择6个以上的测试点。

(1) 选择合适的负荷；(2) 准确把握保荷时间；(3)加荷速度(一般均速0.20mm/s)；(4) 准确调节显微镜焦点。

流延成型：将粉体加入粘合剂混合成浆料，再把浆料放入流延机的料斗中，流经薄膜载体上，形成膜坯。

梯度陶瓷材料：在同一材料内不同方向上由一种功能逐渐连续分布为另一种功能的材料称为梯度材料。

生物活性陶瓷：能在材料界面上诱发特殊生物反应，从而在材料和组织间形成化学键性结合的生物陶瓷。

功能陶瓷：指具有电、磁、光、超导、声、生物、化学（答出7个中的5个）等及其功能转换的陶瓷。

压电陶瓷：由机械能转变为电能或电能转变为机械能的某些陶瓷微裂纹增韧：陶瓷材料中存在许多小于临界尺寸的微纹，这些微裂纹在负载作用下是非扩展性的，但大的裂纹在扩展中遇到这些裂纹时，使扩展裂纹转向，吸收能量，起到提高韧性的作用，称为微裂纹增韧。

反应烧结：通过多孔坯体同气相或液相发生化学反应，从而使坯体质量增加，孔隙减小，并烧结成为具有一定强度和尺寸精度的成品的工艺。

PTC陶瓷：具有正的温度系数的陶瓷材料（或随温度升高，陶瓷材料的电阻率增大的陶瓷材料）热释电陶瓷：因温度而引起表面电荷变化的陶瓷（某些陶瓷）。

表面强化韧化：由于氧化锆四方晶向单斜晶转变产生的体积膨胀，从而使表面产生压应力，起到强化和韧化的作用。

低膨胀陶瓷材料：指膨胀系数的绝对值小于2×10-6/℃的陶瓷材料。

敏感陶瓷材料：当作用于由这些材料制造的元件上的某一个外界条件，如温度、压力、湿度、气氛、电场、光及射线等改变时，能引起该材料某种物理性能的变化，从而能从这种元件上准确迅速地获得有用的信号。

反应烧结：通过多孔坯体同气相或液相发生化学反应，坯体质量增加，孔隙率减小，并烧结成为具有一定强度和尺寸精度的成品的工艺。

压电效应：向压电陶瓷施加机械应力或电场后，在压电陶瓷的表面出现电荷或陶瓷沿极化方向发生形变，这种现象称为压电效应。

PTC效应：正温度系数效应，即陶瓷材料的体积电阻率随温度升高而升高的特性。

具缓变型、突变型等等。

人工极化：人工极化就是在电场作用下使材料内的电畴沿电场方向取向的过程，其结果是材料内部的正负电荷中心产生偏离而出现极化。

陶瓷力学性能测试实验报告
1、GB/T 8411.3-2009陶瓷和玻璃绝缘材料第3部分：材料性能
2、GB/T 3389-2008压电陶瓷材料性能测试方法性能参数的测试
3、GB/T3300日用陶瓷器变形检验方法
4、GB/T3301日用陶瓷器容积、口径误差、高度误差、重量误差、缺陷尺寸的测定方法
5、GB/T3534日用陶瓷器铅、镉溶出量测定方法
陶瓷类质检报告办理流程？
1.提供检测所需要的足够样品。

2.快递样品和申请表至第三方检测机构。

3.确定报价
4.签订合同
5.测试完成，寄出报告。

陶瓷类质检报告的用处有哪些：
1.招投标-部门、事业单位招投标
2.进入大型超市或卖场，各大网上商城
3.审核证明，申请补助
4.工商质检与市场监督
5.国内市场销售、资质认定等。

MSP试验法评价PZT陶瓷的循环疲劳寿命邓启煌;王连军;许虹杰;王宏志;江莞【摘要】采用小样品力学性能试验方法(Modified Small Punch Tests,简称MSP)对Pb(Zr,Ti)O3陶瓷(PZT)实施了不同大小应力下的循环疲劳实验,循环应力越大,样品的残余强度和压电常数衰减越快,这是由应力循环过程中大量微裂纹的产生和扩展所致.通过最大强度值与疲劳寿命的对应关系求得100 Hz循环疲劳下该样品的裂纹扩展指数n为395,由此推测了PZT陶瓷样品的使用寿命,在循环应力的最大值不超过79.1 MPa的条件下,该样品的连续使用寿命可达5年以上.%The cycle fatigue of PZT ceramic under different stress was investigated by modified small punch (MSP) tests. The research results show that residual strength and piezoelectric constant decrease with increasing cycle stress, which is attributed to crack propagation during cyclic stress process. The value of fatigue crack propagation (n) is calculated to be 395 according to the relationship between maximum stress and fatigue life. The fatigue life under series cycle maximum stress can be induce by fatigue crack propagation. Below the maximum strength of 79.1 MPa, the PZT ceramics can be used over 5 years.【期刊名称】《无机材料学报》【年(卷),期】2012(027)010【总页数】6页(P1047-1052)【关键词】PZT陶瓷;小样品力学性能试验法;循环疲劳;声发射【作者】邓启煌;王连军;许虹杰;王宏志;江莞【作者单位】东华大学纤维材料改性国家重点实验室,上海201620;东华大学纤维材料改性国家重点实验室,上海201620;上海柯瑞冶金炉料有限公司,上海200072;东华大学纤维材料改性国家重点实验室,上海201620;东华大学纤维材料改性国家重点实验室,上海201620【正文语种】中文【中图分类】TQ032压电陶瓷材料具有优良的机电耦合效应和对外电场的响应能力, 己被广泛用于制作大容量电容器、传感器等常规元器件以及微驱动器、微执行器等高科技电子产品[1-2]. 然而, 用于压电压力传感器和微执行器中的压电陶瓷需在循环往复电场和力场下服役, 在经过大量周期性疲劳加载后, 它会发生疲劳损伤, 导致器件功能退化和失效, 表现为随着循环加载次数的增加, 压电陶瓷的压电常数减小,力学性能下降[3]. 因此, 从使用和安全设计方面考虑, 研究其疲劳机理, 了解循环负荷下的疲劳断裂特性具有重要的意义.球压法是目前评价陶瓷材料循环疲劳性能的常用方法[4-7], 该方法样品固定简单, 但在测试过程中,特别是测试初期, 应力集中明显, 导致评价结果夸大疲劳的影响. 此外, 采用球压法进行疲劳加载后仍需采用其它方法评价剩余强度, 但很难保证剩余强度的测试点与疲劳测试的加载点相对应. MSP力学性能测试系统具有样品制备简便、固定方便、可以很精确测试陶瓷材料的位移等特点, 已在陶瓷[8-11]及其复合材料[12-15]、特别是功能陶瓷[16-18]等领域得到了很好应用. 采用该系统施加循环疲劳时, 对样品在疲劳加载实验后可以直接进行MSP强度测试, 因此能够保证剩余强度测试与疲劳加载实验的对应性.本工作采用 MSP力学性能测试系统评价了PZT陶瓷的循环疲劳性能, 并依据循环疲劳寿命的预测方法讨论PZT陶瓷在不同最大值下的循环应力作用下的疲劳性能, 进而论证了MSP力学性能测试系统用于评价PZT陶瓷循环疲劳的可行性和可靠性.1.1 材料制备PZT压电陶瓷样品由保定市宏声声学电子器材有限公司提供, 型号为PZT-5, 组分中的n(Zr)/n(Ti)为 52/48, 尺寸为φ10 mm×0.6 mm.1.2 MSP试验MSP力学性能测试系统是一种适合陶瓷、玻璃等脆性材料的小样品力学性能评价方法. 它在评价陶瓷材料的循环疲劳时, 不仅能保证加载位置的稳定性, 还能精确控制加载循环力场的大小. 本实验中所用的 MSP力学性能测试系统采用了具有循环加载功能的 INSTRON动态数字液压试验机, 以保证实验过程中循环加载.图1给出了循环疲劳测试的实验装置和试样承载时的受力示意图. 由图1(a)图可以看出MSP实验装置主要包括冲杆、上模、下模和高精度位移传感器. 循环疲劳加载的条件如下: 频率为 100 Hz, 波形为正弦波, 载荷的最低值设定在 1～3 N之间, 以保证压头和样品之间良好的接触, 循环加载的振幅分别为32和28 N, 次数分别为103、104、105、和106. 循环疲劳加载结束后, 直接用该系统测试样品的剩余强度, 加载速率为0.05 mm/min. 每组样品测试五次并通过统计得到平均值. 断裂强度均可以通过下面的公式计算出来[9]:其中P为断裂载荷, γ为泊松比, a和b为图2(b)中的承载模内孔半径和圆柱形压杆半径, a和b分别为2 mm和1 mm, t为试样厚度.1.3 循环疲劳寿命的推测陶瓷的疲劳是一个累积损伤的过程, 从微观上来说, 陶瓷的疲劳机理非常复杂, 主要是晶界的空穴、杂质和微裂纹的不断增加, 用某一个缺陷的发展变化来表征疲劳过程非常困难的. 从宏观来看,强度衰减速率是陶瓷疲劳的主要因素, 而用强度衰减理论进行寿命预测是一个值得重视的方向[19].图 2为疲劳强度衰减模型示意图, 可以简单描述为: 假设材料的初始强度为σ0, 在外加载荷σ(t)作用下, 经过时间t后的残余强度为σT, 则σT为时间 t的一个递减函数, 陶瓷的疲劳断裂准则可以描述如下: 试样上作用一个外力σ(σ<σ0)后, σT从初始强度σ0开始衰减, 经过时间Tc后, σT衰减到与外加载荷水平时发生断裂, 称Tc为在应力σ作用下的疲劳寿命[20].对于陶瓷材料来说, 在低于门槛值的亚临界裂纹慢速扩展速度和应力强度因子均存在 Power-law经验关系[21]:公式(2)中, v为裂纹的扩展速率, a为裂纹的尺寸, t为加载时间. KI为I型应力强度因子, KIC为临界I型的应力强度因子(即断裂韧性). A和n为常数, 其中n为应力扩展指数.根据式(2)可以推导得到公式(3)[22-23]:其中, Nf为循环疲劳寿命, n为裂纹缓慢扩展指数,σmax为循环应力最大值, a0为初始裂纹长度, af为断裂时裂纹的长度, A和Y为常数.根据式(3)可知在对数坐标下, 陶瓷材料的循环疲劳寿命与循环应力最大值之间呈线性关系, 直线的斜率为裂纹的应力扩展指数n.图3分别为PZT陶瓷在疲劳初期103次和疲劳后期106次后残余强度测试的载荷–位移曲线和与其对应的声发射事件数及能量曲线. 其中, 声发射事件数为声发射信号超过预置门槛的次数, 声发射能量表示声发射事件释放的总的弹性能. 产生的声发射信号大致可分为三个阶段, 第一阶段为微裂纹产生阶段, 声发射信号是由陶瓷内部的微缺陷引起的,如微裂纹、气孔缺陷或杂质等. 在局部应力作用下这些微缺陷被诱发, 产生的声发射信号、能量低. 第二阶段为微裂纹的稳定扩展阶段, 微裂纹在材料中萌生以后, 随着外加载荷增大, 微裂纹会缓慢的扩展, 表现为声发射的事件数在激增. 第三阶段为微裂纹的非稳定扩展阶段, 随着载荷的进一步增大,微裂纹扩展成宏观裂纹, 材料发生断裂. 这一阶段材料释放出大量弹性能, 声发射信号幅值达到最大值. 比较疲劳初期和疲劳后期陶瓷的声发射信号可知, 在微裂纹产生阶段有较大差别, PZT陶瓷在疲劳初期产生大量的信号, 而疲劳后期产生的声发射信号则较少. 在疲劳实验过程中, 材料内部已经产生了大量由一些微小缺陷引发的微裂纹, 这些微缺陷能量的提前释放, 使得PZT陶瓷在疲劳后期测试的声发射信号中产生的声发射信号相对较少. 同时,疲劳实验过程中裂纹的逐步扩展是导致载荷下降的主要原因.图4为PZT陶瓷在不同振幅下的MSP剩余强度随疲劳循环次数的变化曲线. 从图中可知, 当PZT陶瓷的循环次数大于 103次时, 随着循环次数的增加, 剩余强度和循环疲劳次数的对数基本呈线性衰减关系. 当最大应力值为28 N时, PZT陶瓷的MSP剩余强度下降的较为缓慢; 当应力最大值增加到32 N, PZT陶瓷的MSP剩余强度随着疲劳次数增加急剧下降. 这可能是因为PZT陶瓷材料没有塑性变形能力, 在循环应力作用下裂纹的形核与扩展造成累积损伤, 具体形式表现为微裂纹扩展[24-25], 图3中声发射的事件数及能量变化都可以说明这一点.图4还给出了PZT 陶瓷在不同最大应力值下的MSP剩余强度和循环次数的直线拟合曲线. 在应力最大值为28 N和32 N的循环疲劳下, PZT陶瓷的剩余强度与循环次数的对数大致呈线性关系, 通过直线拟合得到它们的斜率分别为–2.47和–8.45. 根据前面叙述的疲劳强度衰减模型, 在周期性的应力作用下,当剩余强度衰减到与循环应力的最大值相等时材料发生断裂, 这段时间所循环的次数称为材料的 Nf,即循环疲劳寿命. 把图4中拟合直线外延到循环应力的最大值时, 得到 PZT陶瓷在最大强度值为69.1 MPa(对应于28 N)和78.9 MPa(对应于32 N),循环疲劳下对应的疲劳寿命分别为3.6×1033和4.6×1010次. 根据测定任意 2个循环应力值下的疲劳寿命, 即可推算出该材料的裂纹缓慢扩展指数 n,为此, 把上面两个疲劳寿命测试值代入公式(3), 再把两式相减计算得到PZT陶瓷在100Hz循环疲劳下的裂纹扩展指数 n为 395. 通过对最大强度值与对应的疲劳寿命作图, 可以得到lg(σmax)和 lg(Nf)的关系, 如图5所示. 图中连接两实验点的直线即裂纹扩展指数.根据图 5可推算材料在任意循环疲劳下的使用寿命, 也可以通过设定材料的一个使用寿命反推它在使用中能够承受的循环应力的最大值的临界点, 这对设计材料及评价材料的安全性具有重要意义. PZT陶瓷在电子产品中所设计的连续使用寿命一般为3～5年, 如果设定压电器件的连续使用寿命为5年, 根据实验中得到的循环应力的最大值和寿命之间的关系可以求得本研究采用的 PZT陶瓷的最大循环应力值不得超过 79.1 MPa(平均值).换言之, 当循环应力强度最大值不超过 79.1 MPa的条件下, PZT陶瓷在连续使用的情况下可以安全使用5年以上.图6为PZT陶瓷在不同振幅下的压电常数d33随疲劳循环次数的变化曲线. 由图可知, PZT陶瓷的压电常数 d33随着循环疲劳的加载而下降, 当应力最大值为 28 N时, 压电常数 d33下降较为缓慢,当应力最大值增加到32 N后, PZT陶瓷的压电常数d33开始急剧下降, 在100万次循环疲劳加载后, 压电常数d33下降到476. 当最大应力为32 N时, 连续使用五年后, 它的压电常数约为 442(降幅为 13%),这可能是因为在疲劳过程中, 电畴在交变性的力场作用下不断翻转中产生结构畸变积累内应力, 导致内部产生大量微裂纹, 和图 3声发射信号分析中得出的结果相吻合, 即在疲劳过程中产生大量的微裂纹, 引起点缺陷在晶界或畴界等处聚集[26], 当循环力场振幅越大时, 电畴翻转引起的缺陷越多, 导致材料的压电性能下降得越明显. 采用MSP力学性能测试系统评价了PZT陶瓷的循环疲劳性能, 并利用实验结果结合循环疲劳模型预测了PZT陶瓷的循环使用寿命, 获得主要结论如下:1) PZT陶瓷在最大应力值分别为 69.1和78.9 MPa时的循环疲劳寿命分别为3.6×1033和4.6×1010次, 由此算出PZT陶瓷在100 Hz循环疲劳下的裂纹扩展指数n为395.2)通过最大强度值与疲劳寿命的对应关系可以推测PZT陶瓷在不同应力下的使用寿命, 当循环应力的最大值不超过79.1 MPa的条件下, PZT陶瓷的连续使用寿命可达5年以上.3)循环疲劳是一个损伤累积的过程, 在疲劳过程中大量微裂纹的产生与扩展是导致材料的断裂强度和压电常数下降的主要原因.4)MSP测试系统能够简单、精确地评价压电材料的循环疲劳寿命.【相关文献】[1] Newnham R E, Xu Q C, Kumar S, et al. 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第1篇一、实验目的1. 了解管子高温拉伸实验的基本原理和方法。

2. 测定不同温度下管材的力学性能，包括抗拉强度、屈服强度、延伸率等。

3. 分析温度对管材力学性能的影响，探讨高温对管材性能的影响机制。

4. 掌握高温拉伸实验的操作技巧和数据处理方法。

二、实验原理管子高温拉伸实验是一种常用的材料力学性能测试方法。

通过在高温条件下对管材进行拉伸，可以测定管材在高温状态下的力学性能，为管材的设计、加工和应用提供依据。

实验过程中，主要关注以下参数：1. 抗拉强度：管材在拉伸过程中所能承受的最大应力。

2. 屈服强度：管材在拉伸过程中开始发生塑性变形时的应力。

3. 延伸率：管材在拉伸过程中长度增加的百分比。

4. 断裂伸长率：管材断裂前长度增加的百分比。

三、实验设备与材料1. 实验设备：高温拉伸试验机、高温炉、温度控制器、引伸计、万能力学试验机、游标卡尺等。

2. 实验材料：不锈钢管、碳钢管等。

四、实验步骤1. 准备实验材料：根据实验要求，选取合适规格的管材，切割成所需长度和直径的试样。

2. 预热：将试样放入高温炉中，加热至预定温度，保持一定时间，使试样达到热平衡状态。

3. 测试：将试样安装在高温拉伸试验机上，调整试验机参数，进行拉伸实验。

在拉伸过程中，实时记录拉伸力、位移、温度等数据。

4. 数据处理：根据实验数据，计算抗拉强度、屈服强度、延伸率等力学性能指标。

五、实验结果与分析1. 实验数据：| 温度（℃） | 抗拉强度（MPa） | 屈服强度（MPa） | 延伸率（%） || ---------- | ---------------- | ---------------- | ------------ || 300 | 600 | 450 | 20 || 400 | 550 | 400 | 15 || 500 | 500 | 350 | 10 || 600 | 450 | 300 | 5 |2. 分析：从实验数据可以看出，随着温度的升高，管材的抗拉强度、屈服强度和延伸率均呈下降趋势。