1、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、成型烧结而成，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。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
2、住电子的能力，元素的负电性与其在周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，大约当负电性差期表中的位置有关，大约当负电性差X0.40.5时，对形成固溶体时，对形成固溶体有利，当有利，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。 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，在高温下陶瓷材料的强度下降，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
3、低，强度及硬度下降。度下降。 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，使晶界玻璃相重结晶或进入晶相固溶体，可显著提高陶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，还受静电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
4、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，所以弹性另外，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。陶瓷材料的塑性变形 近年的研究表明陶瓷材料在高温下可显示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
5、为等轴结构）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，能有效抑制高温下基体晶粒生长基体晶粒生长 （4）晶粒间存在液相或无定形相）晶粒间存在液相或无定形相陶瓷材料的断裂 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，晶粒和气孔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，按韦伯分布函数考虑，韦伯分布函数表示材料断裂概伯分布函数考虑，韦伯分布函数表
6、示材料断裂概率的一般公式为：率的一般公式为：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，其应力状态接近实际零件的服役状态，所以较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由于四点弯曲试样工作部分缺陷存在的概率较大，所以同一材料的四点抗弯强度比率较大，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，三点抗弯强度和四点抗弯强度的差值就越大。点抗弯强度的差值就越大。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
7、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，在拉伸试验时易在夹持部位断裂，另外，夹具与试样轴心不一致产生附加位断裂，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，需要在试样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，可以防止试样在夹持部位断裂，并利用试样的弹性变形止试样在夹持部位断裂，并利用试样的弹性变形
8、减少附加弯矩。减少附加弯矩。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、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，这是陶面层，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陶瓷表面加工时还可能产生微裂纹或其它缺陷，所以陶瓷的表面状况影响其摩擦磨缺陷，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
9、瓷材料的摩擦副接触受载时，真实接触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。 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，可以看到陶瓷摩擦表面有塑性流动迹象，在接触点下方有微小塑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，表面及亚表面就可能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
10、能、摩擦条件、环境以及陶瓷材料自身的性能和表面状态等因素擦条件、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，使其在要求极小磨损率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，所以在特定条件下还可能形成摩擦化学磨损，这是陶瓷特有的磨损
11、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、热力学与化学共同作用的摩擦化学问题。摩擦化学问题。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 缺点：缺点： 测定的测定的KIC值受切口宽度影响较大，切口宽值受切口宽度影响较大，切口宽度增加，度增加， KIC增大，误差随之增大。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0.050.10mm以以下，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，可望提高可望提高KIC值的稳定性。值的稳定性。 优点：优
12、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，是目前广泛采用的一种方法。广泛采用的一种方法。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，裂纹一旦出现，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，其顶点处存在应力集中现象，易在较低载荷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。当试下产生裂纹，所以不需要预制裂纹。当试验参数合适时，这种方法能产生裂纹稳定验参数合
13、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山形切口法切口宽度对KIC值影响较小，测值影响较小，测定值误差也较小，也适用于高温和在各种定值误差也较小，也适用于高温和在各种介质中测定介质中测定KIC值，但是测试试样加工较困值，但是测试试样加工较困难，且需要专用的夹具。难，且需要专用的夹具。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，压入抛光的陶瓷试样表面，在压痕时对角线方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，根据载向出现四条裂纹，测定裂纹长度，根据载荷与裂纹长度的关系，求出荷与裂纹长度的关系，求
14、出KIC值。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，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，而残余应力又是因为压痕周围塑性区与弹性基体不匹配引起的。因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。陶瓷材料的增韧
15、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，通过四方相转变成单斜相来实现。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，从高温冷至室温时将发生如下转变：如下转变：例如：例如：热压烧结含钇的四方氧化锆多晶体，热压烧结含钇的四方氧化锆多晶体，KIC值可达值可达15.3MPam1/2；氧化锆增韧氧化铝陶瓷，氧化锆增韧氧化铝陶瓷，KIC值可达值可达15MPam1/2；热压烧结热压烧结Si3N4，其中，其中ZrO2的含量为的含量为20-25vol%时，时，KIC值可提高到值可提高到8.5MPam1/2。相变增韧受使用温
16、度的限制，当温度超过相变增韧受使用温度的限制，当温度超过800时，四方时，四方t- ZrO2由亚稳由亚稳态变成稳定态，态变成稳定态，t- ZrO2 m- ZrO2相变不再发生，所以相变增韧失去相变不再发生，所以相变增韧失去作用。作用。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一、陶瓷材料的疲劳类型 陶瓷材料的疲劳
17、，除在循环载荷作用下存陶瓷材料的疲劳，除在循环载荷作用下存在机械疲劳效应外，其含义要比金属材料在机械疲劳效应外，其含义要比金属材料的要广。的要广。 静态疲劳静态疲劳：在静载荷作用下，陶瓷承载能：在静载荷作用下，陶瓷承载能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：动态疲劳：恒加载速率下，陶瓷承载能力恒加载速率下，陶瓷承载能力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。1.静态疲劳 应力腐蚀定义：材料应力腐蚀定义：材料在拉应力和特定的化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经过一段时间后所产生的低应力断裂现象。生的
18、低应力断裂现象。 产生的应力腐蚀后都产生的应力腐蚀后都会在没有明显预兆的会在没有明显预兆的情况下发生脆断，会情况下发生脆断，会造成严重事故。造成严重事故。2.循环疲劳 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、相变增韧陶瓷以及陶瓷基复合材料缺口试样，在室温循环压缩载荷作用下也有疲劳复合材料缺口试样，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。 图图10-13是多晶氧化铝（晶粒尺寸是多晶氧化铝（晶粒尺寸10微米）在室温空气环微米）在室温空气环境对称循环加载（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
19、。陶瓷材料疲劳特性评价 一般来讲，金属随着屈服强度增大，一般来讲，金属随着屈服强度增大，Kth下降不多，下降不多，但但KIC值显著降低，所以值显著降低，所以Kth/KIC值增大。这表明随值增大。这表明随材料屈服强度增加，其疲劳裂纹难以萌生，陶瓷材料材料屈服强度增加，其疲劳裂纹难以萌生，陶瓷材料的的Kth /KIC值比金属大得多，说明陶瓷更难产生疲值比金属大得多，说明陶瓷更难产生疲劳裂纹。劳裂纹。 陶瓷材料在室温及大气中也会产生应力腐蚀断裂，其陶瓷材料在室温及大气中也会产生应力腐蚀断裂，其应力腐蚀门槛值应力腐蚀门槛值KISCC与与KIC的比值较钢低，陶瓷材料的比值较钢低，陶瓷材料的的KISCC/KIC值比值比Kth/KIC值大，所以陶瓷材料的应力值大，所以陶瓷材料的应力腐蚀开裂比疲劳更难产生。腐蚀开裂比疲劳更难产生。 KISCC：应力腐蚀门槛值，应力腐蚀临界应力场强度应力腐蚀门槛值，应力腐蚀临界应力场强度因子，是指试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断因子，是指试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子。裂的最大应力场强度因子。结束
