5 陶瓷材料的力学性能.ppt

5 陶瓷材料的力学性能;陶瓷广泛应用于我们的日常生活，如建筑材料、饮食餐具等以及国家战略战备设施，如武器装备、航天领域上。 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。 目前研究的陶瓷可以分为结构陶瓷和功能陶瓷。;结构陶瓷 主要利用的是材料的耐高温、强度、硬度、韧性、耐磨性等结构性能， 主要包括氧化物、非氧化物以及其两者的复合系统，如氧化铝、氧化锆、碳化物、氮化物等材料。 应用：磨料、磨具、刀具，纺织瓷件、轴承、喷嘴、人工关节以及航天材料（宇宙飞船的外保护装置）等各个领域。;功能陶瓷 指具有优异的物理性能、化学性能及生物学性能，如电、光、磁、热、声、化学、生物医学，且各种功能之间可以相互转换的陶瓷材料， 应用主要取决于电绝缘性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性及生物适应性、化学吸附性等。;第一节 陶瓷材料的变形与断裂;弹性模量;2）显微结构对弹性模量的影响 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。陶瓷的弹性模量E与气孔率p的关系可表示为 E0是气孔率为零时的弹性模量 b为与陶瓷制备工艺有关的 弹性模量随孔隙率的升高而降低 3）温度对弹性模量的影响 由于原子间距及结合力随温度的变化而变化，所以弹性模量对温度变化很敏感，当温度升高时，原子间距增大，即弹性模量变低。因此，固体的弹性模量一般随温度的升高而降低。 一般陶瓷材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性模量。;二、陶瓷材料的塑性变形;二、单晶陶瓷的塑性;二、多晶体陶瓷的塑性;近年的研究表明陶瓷材料在高温下可显示出超塑性： （1）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，能有效抑制高温下基体晶粒生长 （4）晶粒间存在液相或无定形相;典型的超塑性陶瓷材料：;2、室温下陶瓷难发生塑性变形的原因;三、陶瓷材料的断裂;解理是陶瓷材料的主要断裂机理，且很容易从穿晶解理转变成沿晶断裂。 陶瓷材料的断裂以各种缺陷为裂纹源，在一定拉伸应力作用下，从最薄弱环节处的微小裂纹扩展，当裂纹尺寸达到临界值时陶瓷瞬间断裂。;第三节 强度;一、抗弯强度;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，所以较为实用。 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三点抗弯强度低。 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。;二、抗拉强度;;三、抗压强度;第四节 陶瓷材料的硬度与耐磨性;二、陶瓷材料的耐磨性;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性变形区。 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产生微裂纹。;（二）陶瓷材料的摩擦磨损;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。 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。 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摩擦化学问题。;第五节 陶瓷材料的断裂韧度与增韧;;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。 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扩展，直至断裂。 山形切口法切口宽度对KIC值影响较小，测定值误差也较小，也适用于高温和在各种介质中测定KIC值，但是测试试样加工较困难，且需要专用的夹具。;二、陶瓷材料的增韧;(1) 改善陶瓷显微结构;(2) 相变增韧;例如： 热压烧结含钇的四方氧化锆多晶体，KIC值可达15.3MPa·m1/2； 氧化锆增韧氧化铝陶瓷，KIC值可达15MPa·m1/2； 热压烧结Si3N4，其中ZrO2的含量为20-25vol%时，KIC值可提高到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由亚稳态变成稳定态，t- ZrO2 →m- ZrO2相变不再发生，所以相变增韧失去作用。;(3) 微裂纹增韧;第六节 陶瓷材料的疲劳;（一）静态疲劳;（二）循环疲劳;第七节 陶瓷材料的抗热震性;在各种热环境下引起的热应力，以及与之相应的应力强度因子是热震破坏的原因，当材料固有的强度不足以抵抗热震温差引起的热应力时，将导致材料瞬时热震断裂。 热震损伤过程：当热应力导致的储存