第五章-陶瓷材料的力学性能11

陶瓷材料的力学性能第5章引言陶瓷广泛应用于我们的日常生活中，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、非氧化物以及两者复合系统，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（宇宙的外保护装置）等各个领域。功能陶瓷指具有优异的物理、化学性能及生物性能，如电、光、磁、热、声、化学、生物医学，且各种性能之间相互转换的陶瓷材料。应用主要取决于电绝缘性、半导性、导电性、压电性、铁电性、磁性以及生物适应性、化学吸附性等。陶瓷材料的结构陶瓷材料的组成与结合键陶瓷材料的显微结构本章主要内容1、陶瓷的弹性变形2、陶瓷的塑性3、陶瓷的硬度4、陶瓷的强度5、陶瓷的断裂韧性6、陶瓷的抗热震性能第一节弹性性能一、陶瓷弹性变形特点金属：弹性变形、塑性变形和断裂陶瓷：在弹性变形阶段完成后，即发生脆性断裂二、弹性模量见P107表5.11、弹性模量的本质弹性模量的大小反映了材料原子间结合力的大小，越大，材料的结合力强度越高。2、陶瓷材料的高弹性模量的原因由于陶瓷材料具有离子键或共价键的键合结构，因此陶瓷材料表现出高的熔点，也表现出高的弹性模量。常见的结构陶瓷的弹性模量二、温度对弹性模量影响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的变化很敏感。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升高而降低。二、温度对弹性模量影响三、孔隙率对弹性模量影响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：E0是材料气孔率为零时的弹性模量ρ为与陶瓷制备工艺有关的常数弹性模量随气孔率的升高而降低一般材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性模量。5.21)1(0EE三、孔隙率对弹性模量影响第二节陶瓷材料的塑性一、陶瓷材料的塑性变形的特点1、陶瓷材料在常温下基本不出现或极少出现塑性变形，他的脆性比较大。主要原因是陶瓷材料具有非常少的滑移系统。2、陶瓷材料中只有少数的具有简单晶体结构的材料在室温下具有塑性。二、单晶陶瓷的塑性三、多晶体陶瓷的塑性三、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四、陶瓷材料的断裂四、陶瓷材料的断裂第三节硬度及摩擦磨损一、陶瓷材料的硬度一、维氏硬度一、维氏硬度二、显微硬度•努普显微硬度金刚石压头对棱角分别是172。30’和130。，压痕为棱形。三、克劳维尔硬度•先加标准载荷，再加上试验载荷，然后回到基准载荷，测出两次载荷下压头压入深度差h，根据定义求出硬度值。•表5.2（P111）给出了试验规程及计算公式。•表5.4（P111）是劳氏硬度和维氏硬度的对比情况。三、克劳维尔硬度四、硬度与其它性能之间的关系•图5.5五、陶瓷材料的表面接触特性•1、与金属材料相同，陶瓷材料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，陶瓷材料表面加工还可以产生显裂纹或其他缺陷。2.陶瓷材料摩擦副接触受载时，真实接触面积上的局部应力一般仅引起弹性形变。五、陶瓷材料的表面接触特性六、陶瓷材料的摩擦磨损•陶瓷材料的摩擦学特性，与对磨件的材料种类和性能、摩擦条件、环境，以及陶瓷材料自身的性能和表面状态等诸多因素有关，需要系统地进行研究。温度对陶瓷摩擦因数有重要的影响六、陶瓷材料的摩擦磨损第四节强度一、理论强度二、陶瓷材料的断裂强度陶瓷材料无塑性变形，因此陶瓷强度指断裂强度。陶瓷断裂强度的特点：陶瓷材料的抗拉强度和抗压强度二、陶瓷材料的抗弯强度•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。二、陶瓷材料的抗弯强度二、陶瓷材料的抗弯强度注意：陶瓷材料强度试验结果的处理！•陶瓷强度试验结果分散性很大。内部空洞和表面状态对陶瓷材料的强度有很大的影响。见图5.6和图5.7。•取样：同一块或同质坯料上取多个小试样进行试验，强度结果应服从正态分布。四、影响强度的因素1、影响强度的组织因素(1)气孔率的影响图5.9和图5.10)exp(0ap（2）晶粒尺寸对强度的影响符合hall-pitch关系式：分析图5.11。2/10kdf（2）晶粒尺寸对强度的影响•分析图5.13。（2）晶粒尺寸对强度的影响•分析图5.14。（2）晶粒尺寸对强度的影响•分析图5.15。（2）晶粒尺寸对强度的影响高强度单相多晶陶瓷的显微结构应符合的要求：晶粒尺寸小，晶体缺陷少；晶粒尺寸均匀、等轴，不易在晶界处产生应力集中；晶界相含量适当，尽量减少玻璃的含量；减少气孔率。2、温度对强度的影响•图5.16。（1）离子键型陶瓷材料•图5.17和图5.18、5.19。（2）共价键型陶瓷材料•图5.20。（2）共价键型陶瓷材料•图5.21。3、加载速率对陶瓷强度的影响•图5.22。第五节陶瓷材料的断裂韧性一、陶瓷材料的断裂韧性一、陶瓷材料的断裂韧性二、陶瓷材料的断裂韧性的测定1、单边切口梁法2、山形切口法3、压痕法二、陶瓷材料增韧•问题的提出人们在利用材料的力学性质时，总是希望所使用的材料既有足够的强度，又有较好的韧性。但通常的材料往往二者只能居其一，要么是强度高，韧性差；要么是韧性好，但强度却达不到要求。寻找办法来弥补材料各自的缺点，这就是材料强化和增韧所要解决的问题。例金属材料有较好的韧性，可以拉伸得很长，但是强度不高，所以对金属材料而言，需要增加的是强度，强化成为关键的问题；而陶瓷材料本身的强度很高，其弹性模量比金属高得多，但缺乏韧性，会脆断，所以陶瓷材料要解决的是增韧的问题。如果能成功地实现材料的强化或增韧，就可以弥补上述两种材料各自所缺的性能。二、材料的强化从理论上来看，提高材料强度有两条途径：完全消除内部的位错和其它缺陷，使材料的强度接近理论强度。在材料中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动。第一种方法目前已制出无位错高强度的晶须，但实际应用还存在困难。因为这样获得的高强度是不稳定的，对于操作效应和表面情况非常敏感，而且一旦位错产生后，强度就大大下降。在实际生产中，强化材料走的是第二种途径。第二种引入大量缺陷的方法又细分为：加工硬化、合金强化、细晶强化、化学强化、沉淀强化等。对陶瓷来说，为了消除缺陷，提高晶体的完整性，细、密、匀、纯是发展的一个重要方向。二、陶瓷材料增韧三.陶瓷材料的增韧改善陶瓷显微结构相变增韧微裂纹增韧裂纹偏折和弯曲增韧裂纹分支增韧桥联与拔出增韧延性颗粒增韧残余热应力增韧压电效应损耗能量增韧电畴翻转增韧复合韧化机制陶瓷材料增韧途径（2）相变增韧第二相颗粒相变韧化（transformationtoughening）是指将亚稳的四方ZrO2颗粒引入到陶瓷基体中，当裂纹扩展进入含有t-ZrO2晶粒的区域时，在裂纹尖端应力场的作用下，将会导致t-ZrO2发生tm相变，因而除了产生新的断裂表面而吸收能量外，还因相变时的体积效应（膨胀）而吸收能量，可见，应力诱发的这种组织转变消耗了外加应力。同时由于相变粒子的体积膨胀而对裂纹产生压应力，阻碍裂纹扩展。结果这种相变韧化作用使在该应力水平下在无相变粒子的基体中可以扩展的裂纹在含有氧化锆tm相变粒子的复合材料中停止扩展，如要使其继续扩展，必须提高外加应力水平，具体体现在提高了材料的断裂韧性。（2）相变增韧必要条件有亚稳的四方氧化锆颗粒存在t相的晶粒尺寸是影响t-m相变的一个重要因素，Ms点随晶粒尺寸的减少而降低。氧化锆的室温组织存在一个临界粒径dc，ddc的晶粒室温下已经转变成m相；ddc的晶粒冷却到室温仍保留为t相。所以只有ddc的晶粒才有可能（但不一定）产生相变韧化作用。当裂纹尖端应力场最高值一定的情况下，应力诱发t-m相变存在一个临界晶粒直径d1。只有d1ddc的晶粒才会应力诱发相变（stressinducedphasetransformation），即这部分晶粒才对相变韧化有贡献。（2）相变增韧举例：（2）相变增韧微裂纹增韧（microcracktoughening）是指因热膨胀失配或相变诱发出显微裂纹，这些尺寸很小的微裂纹在主裂纹尖端过程区内张开而分散和吸收能量，使主裂纹扩展阻力增大，从而使断裂韧性提高。（3）微裂纹增韧过程区内微裂纹吸收能量与微裂纹的表面积即裂纹密度呈正比，所以由微裂纹韧化所产生的韧性增量在微裂纹不相互连接的情况下，随微裂纹的密度增加而增大。显微裂纹的密度与两相的膨胀系数之差引起的残余应力的大小及第二相粒子的尺寸和含量有关。裂纹偏折和弯曲增韧机制是指基体中第二弥散相的存在会扰动裂纹尖端附近应力场，使裂纹产生偏折和弯曲，从而减小了驱动力，增加了新生表面区域，提高了韧性。（4）裂纹偏折和弯曲增韧裂纹偏折和弯曲不受温度和粒子尺寸的影响优点当裂纹扩展遇到不可穿越障碍物（impenetrable）时，有两种并存的主要扰动作用，即裂纹偏折和裂纹弯曲。裂纹偏折产生非平面裂纹，而裂纹弯曲产生非线形裂纹前沿。裂纹偏折裂纹偏折过程可以看作分两步进行（1）首先是裂纹尖端的倾斜（tilt），产生裂纹偏转（图(a)）；（2）随后由于裂纹前沿的不同部分向不同方向倾斜，进一步的裂纹扩展将导致裂纹面的扭曲（twist），产生非平面裂纹（图(b)）。裂纹偏折示意图(a)裂纹倾斜，(b)裂纹扭转yzxAAAA1(a)(b)(a)(b)(c)(d)200MPa冷等静压成型然后1300℃无压烧结LTA陶瓷复合材料的裂纹扩展路径SEM照片LiTaO3颗粒内裂纹发生大角度偏转的TEM照片A0.2mLiTaO3Al2O3CrackDomainLiTaO3Particle（5）裂纹分支增韧裂纹分支增韧机制是指材料中主裂纹端产生微裂纹后，使某些晶界变弱和分离，并与主裂纹交互作用促使裂纹分支、晶界启裂和伸展。在拉伸应力的作用下，弱晶界裂开，增加了表面积，并且晶界上存在的细小粒子使裂纹产生弯曲，随后如果裂纹发展到切开或剥离粒子时，需要消耗更多的能量，从而提高了韧性。裂纹分支的最大贡献在于与其它机制的相互复合作用，这在两相或多相材料中更为有效。LiTaO3ParticleDomainCrack动态拉伸后15LTA陶瓷复合材料试样中LiTaO3颗粒内裂纹扩展的TEM观察BAAAAB(a)(b)(c)(d)0.1m0.1m0.2m0.1mC裂纹偏转和分支（6）延性颗粒增韧延性颗粒增韧机制是指在脆性陶瓷基体中加入第二相延性颗粒，利用其塑性变形来缓解裂纹尖端高度的应力集中，可以明显提高材料的断裂韧性。金属陶瓷是这一增韧方法的典型代表。金属能否对陶瓷润湿良好，从而形成彼此交错的均匀网络结构对增韧效果起决定性作用。在适当的条件下，如果形成延性裂纹桥联会进一步提高增韧效果。延性颗粒裂纹桥联示意图CCDc（7）残余热应力增韧当裂纹扩展进入残余热应力区时，残余热应力释放，同时有闭合阻碍裂纹扩展的作用，从而提高了材料的断裂韧性。平均残余热应力q引起的断裂韧性变化量为1/21/22(1.085)2pICpdfKqf式中d为第二相颗粒平均直径，为第二相颗粒体积分数，q可根据材料常数和求出。pf第二相颗粒越粗，平均残余热应力对材料断裂韧性的影响越大。另外，当q为负值时，平均残余热应力对材料的断裂韧性不利。残余热应力引起的裂纹偏折示意图CrackpathmTensilemCompressive第六节陶瓷材料的抗震性陶瓷材料的抗震性二、抗热震损伤性二、抗热震损伤性第七节、陶瓷材料的疲