材料與材料性能第九章

概述第九章陶瓷材料的力學(xué)性能陶瓷廣泛應(yīng)用于我們的日常生活，如建筑材料、飲食餐具等以及國家戰(zhàn)略戰(zhàn)備設(shè)施，如武器裝備、航天領(lǐng)域上。傳統(tǒng)的陶瓷制品以天然粘土為原料，通過混料、成型、燒結(jié)而成，性能特點(diǎn)是強(qiáng)度低、脆性高。目前研究的陶瓷可以分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。1可編輯ppt耐高溫、硬度高、彈性模量高、耐磨、耐蝕、抗高溫蠕變2可編輯ppt結(jié)構(gòu)陶瓷主要利用的是材料的耐高溫、強(qiáng)度、硬度、韌性、耐磨性等結(jié)構(gòu)性能，主要包括氧化物、非氧化物以及其兩者的復(fù)合系統(tǒng)，如氧化鋁、氧化鋯、碳化物、氮化物等材料。應(yīng)用：磨料、磨具、刀具，紡織瓷件、軸承、噴嘴、人工關(guān)節(jié)以及航天材料（宇宙飛船的外保護(hù)裝置）等各個(gè)領(lǐng)域。第九章陶瓷材料的力學(xué)性能3可編輯ppt功能陶瓷指具有優(yōu)異的物理性能、化學(xué)性能及生物學(xué)性能，如電、光、磁、熱、聲、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)，且各種功能之間可以相互轉(zhuǎn)換的陶瓷材料，應(yīng)用主要取決于電絕緣性、半導(dǎo)體性、導(dǎo)電性、壓電性、鐵電性、磁性及生物適應(yīng)性、化學(xué)吸附性等。第九章陶瓷材料的力學(xué)性能4可編輯ppt一、陶瓷材料的組成與結(jié)合鍵陶瓷晶體是以離子鍵和共價(jià)鍵為主要結(jié)合鍵，一般為兩種或兩種以上不同結(jié)合的混和形式。離子鍵和共價(jià)鍵是強(qiáng)固的結(jié)合鍵，故陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高硬度、耐腐蝕和無塑性等特性。二、陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)陶瓷材料有晶相、玻璃相和氣相組成。第九章陶瓷材料的力學(xué)性能5可編輯ppt陶瓷材料的彈性變形第九章陶瓷材料的力學(xué)性能6可編輯ppt彈性模量彈性模量的本質(zhì)彈性模量的大小反映材料原子間結(jié)合力的大小，越大，材料的結(jié)合強(qiáng)度越高。陶瓷材料高彈性模量的原因1)由于陶瓷材料具有離子鍵或共價(jià)鍵的鍵合結(jié)構(gòu)，因此陶瓷材料表現(xiàn)出高的熔點(diǎn)，也表現(xiàn)出高的彈性模量。第九章陶瓷材料的力學(xué)性能7可編輯ppt2）顯微結(jié)構(gòu)對(duì)彈性模量的影響彈性模量不僅與結(jié)合鍵有關(guān)，還與組成相的種類、分布比例及氣孔率有關(guān)。陶瓷的彈性模量E與氣孔率p的關(guān)系可表示為

E0是氣孔率為零時(shí)的彈性模量b為與制備工藝有關(guān)的參數(shù)

彈性模量隨孔隙率的升高而降低3）溫度對(duì)彈性模量的影響由于原子間距及結(jié)合力隨溫度的變化而變化，所以彈性模量對(duì)溫度變化很敏感，當(dāng)溫度升高時(shí)，原子間距增大，即彈性模量變低。因此，固體的彈性模量一般隨溫度的升高而降低。一般陶瓷材料的壓縮彈性模量高于拉伸彈性模量。第九章陶瓷材料的力學(xué)性能8可編輯ppt陶瓷材料的塑性變形一、陶瓷材料塑性變形的特點(diǎn)1、陶瓷材料在常溫下基本不出現(xiàn)或極少出現(xiàn)塑性變形，它的脆性比較大主要原因在于陶瓷材料具有非常少的滑移系統(tǒng)2、陶瓷材料中只有為數(shù)極少的具有簡單晶體結(jié)構(gòu)的材料在室溫下具有塑性第九章陶瓷材料的力學(xué)性能9可編輯ppt多晶體陶瓷的塑性1、多晶體陶瓷的塑性在室溫或較低溫度下，由于陶瓷結(jié)合鍵的特性，使陶瓷不易發(fā)生塑性變形，通常呈現(xiàn)典型的脆性斷裂。在較高的工作溫度晶內(nèi)和晶界均可出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象T＞0.5TmTm為材料熔點(diǎn)的絕對(duì)溫度第九章陶瓷材料的力學(xué)性能10可編輯ppt

室溫下陶瓷難發(fā)生塑性變形的原因

陶瓷的塑性來源于晶內(nèi)滑移或?qū)\生、晶界的滑動(dòng)或流變①陶瓷材料中，若為離子鍵，則正負(fù)離子相鄰，位錯(cuò)在其中若要運(yùn)動(dòng)，會(huì)引起同號(hào)離子相遇，斥力大，位能急劇升高②陶瓷中，位錯(cuò)很難運(yùn)動(dòng)，幾乎不發(fā)生塑性變形。因此，塑韌性差成了陶瓷材料的致命弱點(diǎn)，也是影響陶瓷材料工程應(yīng)用的主要障礙第九章陶瓷材料的力學(xué)性能11可編輯ppt陶瓷材料的斷裂

陶瓷材料無塑性變形，因此陶瓷強(qiáng)度指斷裂強(qiáng)度。陶瓷斷裂強(qiáng)度的特點(diǎn)陶瓷材料的實(shí)際斷裂強(qiáng)度比理論斷裂強(qiáng)度低得多，往往低于金屬陶瓷材料的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度大得多，其差別的程度大大超過金屬氣孔和材料密度對(duì)陶瓷斷裂強(qiáng)度有重大影響第九章陶瓷材料的力學(xué)性能12可編輯ppt解理是陶瓷材料的主要斷裂機(jī)理，且很容易從穿晶解理轉(zhuǎn)變成沿晶斷裂。陶瓷材料的斷裂以各種缺陷為裂紋源，在一定拉伸應(yīng)力作用下，從最薄弱環(huán)節(jié)處的微小裂紋擴(kuò)展，當(dāng)裂紋尺寸達(dá)到臨界值時(shí)陶瓷瞬間斷裂。陶瓷材料的斷裂過程都是以材料內(nèi)部或表面存在的缺陷為起點(diǎn)發(fā)生的，晶粒和氣孔尺寸在決定陶瓷材料強(qiáng)度與裂紋尺寸方面具有等效作用。第九章陶瓷材料的力學(xué)性能13可編輯ppt第九章陶瓷材料的力學(xué)性能14可編輯ppt圖因加工產(chǎn)生的表面?zhèn)叟c氮化鋁AlN強(qiáng)度的關(guān)系第九章陶瓷材料的力學(xué)性能15可編輯ppt強(qiáng)度第九章陶瓷材料的力學(xué)性能16可編輯ppt抗彎強(qiáng)度第九章陶瓷材料的力學(xué)性能17可編輯ppt抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)陶瓷零件時(shí)有時(shí)用抗拉強(qiáng)度值作為判據(jù)；陶瓷材料由于脆性大，在拉伸試驗(yàn)時(shí)易在夾持部位斷裂，另外，夾具與試樣軸心不一致產(chǎn)生附加彎矩，所以往往測不出陶瓷材料真正的抗拉強(qiáng)度。為保證陶瓷材料拉伸試驗(yàn)的精確性，需要在試樣和夾頭設(shè)計(jì)方向做一些工作，例如：在平行夾頭中加橡膠墊固定薄片狀試樣，可以防止試樣在夾持部位斷裂，并利用試樣的彈性變形減少附加彎矩。第九章陶瓷材料的力學(xué)性能18可編輯ppt第九章陶瓷材料的力學(xué)性能19可編輯ppt抗壓強(qiáng)度第九章陶瓷材料的力學(xué)性能20可編輯ppt陶瓷材料的硬度第九章陶瓷材料的力學(xué)性能21可編輯ppt陶瓷材料的斷裂韌度陶瓷材料在室溫下，甚至T/Tm<0.5的溫度范圍很難產(chǎn)生塑性變形，其斷裂方式為脆性斷裂，所以陶瓷材料的裂紋敏感性很強(qiáng)，因此，斷裂力學(xué)性能是評(píng)價(jià)陶瓷材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)。I型是陶瓷材料最常遇到的情況：斷裂韌性：金屬材料要吸收大量的塑性變性能，而塑性變性能要比表面能大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以陶瓷材料的斷裂韌性比金屬材料的藥低1~2數(shù)量級(jí)，最高達(dá)到12~15MPa.m1/2第九章陶瓷材料的力學(xué)性能22可編輯ppt第九章陶瓷材料的力學(xué)性能23可編輯ppt

單邊切口梁法

優(yōu)點(diǎn)：(1)數(shù)據(jù)分散性好；(2)重現(xiàn)性好；(3)試樣加工測定方法比較簡單，是目前廣泛采用的一種方法。

缺點(diǎn)：測定的KIC值受切口寬度影響較大，切口寬度增加，KIC增大，誤差隨之增大。如果能將切口寬度控制在0.05~0.10mm以下，可望提高KIC值的穩(wěn)定性。

第九章陶瓷材料的力學(xué)性能24可編輯ppt壓痕長度測量示意圖式中∑l=L1+L2+L3+L4(L1、L2、L3、L4見圖，單位為um)。第四章金屬的斷裂韌度壓痕法25可編輯ppt名稱優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用條件單邊切口梁法數(shù)據(jù)分散性小，重現(xiàn)性好，試樣加工測定簡單所測KIC值受切口寬度影響大高溫和各種介質(zhì)條件壓痕法測試方便，可用很小試樣進(jìn)行多點(diǎn)韌度測試表面質(zhì)量、加載速率、載荷時(shí)間、卸載后測量時(shí)間對(duì)裂紋長度有影響，KIC誤差大用于對(duì)韌度相對(duì)評(píng)價(jià)，壓頭下部材料在加載過程中無相變和致密化；壓痕表面無碎裂第四章金屬的斷裂韌度26可編輯ppt陶瓷材料的增韌工程陶瓷材料的脆性大，應(yīng)用受到限制，所以陶瓷材料的增韌一直是材料學(xué)界研究的熱點(diǎn)之一。通常金屬材料的強(qiáng)度提高，塑性往往下降，斷裂韌度也隨之降低。而陶瓷材料的強(qiáng)度與斷裂韌度的變化關(guān)系與金屬材料的相反，隨著陶瓷材料強(qiáng)度的提高，KIC值也隨之增大，所以陶瓷材料的增韌常常與增強(qiáng)聯(lián)系在一起。第四章金屬的斷裂韌度27可編輯ppt(1)改善陶瓷顯微結(jié)構(gòu)陶瓷材料的增韌途徑第四章金屬的斷裂韌度28可編輯ppt

裂紋橋聯(lián)是一種裂紋尾部效應(yīng)。它發(fā)生在裂紋尖端，靠橋聯(lián)元（劑）連接裂紋的兩個(gè)表面并提供一個(gè)使裂紋面相互靠近的應(yīng)力，即閉合應(yīng)力。裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)理第四章金屬的斷裂韌度29可編輯ppt相變增韌

當(dāng)將氧化鋯顆粒加入其它陶瓷基體中時(shí)，氧化鋯的相變使陶瓷的韌性增加。單斜相(m)ZrO2， 1170

C

四方相(t)ZrO2； 2370

C

立方相ZrO2。 t-m轉(zhuǎn)變具有馬氏體的特征，伴隨有3-5%的體積膨脹。這一相變溫度正處在室溫與燒結(jié)溫度之間，對(duì)材料的韌性和強(qiáng)度有很大影響。ZrO2發(fā)生t-m相變時(shí)體積膨脹，使基體產(chǎn)生微裂紋，增加了材料的韌性，但使強(qiáng)度有所下降。第四章金屬的斷裂韌度30可編輯ppt如在ZTA（ZrO2/Al2O3）中加入某些穩(wěn)定氧化物（如Y2O3等），則會(huì)抑制ZrO2的t-m相變。當(dāng)從制備溫度冷卻下來時(shí)，通過控制晶粒尺寸，可以制備出全部為四方相(t)ZrO2組成的氧化鋯多晶陶瓷（Y-TZP）。此時(shí)四方ZrO2處于亞穩(wěn)態(tài)，當(dāng)材料受外力作用時(shí)，在應(yīng)力的誘導(dǎo)下，發(fā)生t-m相變。相變吸收能量而阻礙裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展，因而不但提高了材料的強(qiáng)度而且提高了韌性。相變增韌

第四章金屬的斷裂韌度31可編輯ppt圖相變增韌示意圖

圖ZTA中應(yīng)力誘變韌化導(dǎo)致性能隨ZrO2體積含量的變化相變增韌

第四章金屬的斷裂韌度32可編輯ppt微裂紋增韌引起微裂紋的原因：相變體積膨脹產(chǎn)生微裂紋；由于溫度變化基體相與分散相之間熱膨脹系數(shù)不同引發(fā)微裂紋；可能是材料原來已經(jīng)存在的微裂紋。第四章金屬的斷裂韌度33可編輯ppt

纖維、晶須增韌-裂紋彎曲圖裂紋彎曲韌化機(jī)理 在擴(kuò)展裂紋尖端應(yīng)力場中的增強(qiáng)體會(huì)導(dǎo)致裂紋發(fā)生彎曲，從而干擾應(yīng)力場，導(dǎo)致基體的應(yīng)力強(qiáng)度降低，起到阻礙裂紋擴(kuò)展的作用。隨著增強(qiáng)體長徑比和體積比增加，裂紋彎曲增韌效果增加。

第四章金屬的斷裂韌度34可編輯ppt

由于纖維周圍的應(yīng)力場，基體中的裂紋一般難以穿過纖維，而仍按原來的擴(kuò)展方向繼續(xù)擴(kuò)展。相當(dāng)來講，它更易繞過纖維并盡量貼近纖維表面擴(kuò)展，即裂紋偏轉(zhuǎn)。裂紋偏轉(zhuǎn)可繞著增強(qiáng)體傾斜發(fā)生偏轉(zhuǎn)或扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)后裂紋受的拉應(yīng)力往往低于偏轉(zhuǎn)前的裂紋，而且裂紋的擴(kuò)展路徑增長，裂紋擴(kuò)展中需消耗更多的能量因而起到增韌作用。

纖維、晶須增韌-裂紋偏轉(zhuǎn)第四章金屬的斷裂韌度圖

裂紋偏轉(zhuǎn)示意圖35可編輯ppt

復(fù)合材料在纖維脫粘后產(chǎn)生了新的表面，因此需要能量。盡管單位面積的表面能很小，但所有脫粘纖維總的表面能則很大。因此，通過纖維脫粘達(dá)到的增韌效果。圖纖維脫粘

纖維、晶須增韌-脫粘第四章金屬的斷裂韌度36可編輯ppt

纖維拔出是指靠近裂紋尖端的纖維在外應(yīng)力作用下沿著它和基體的界面滑出的現(xiàn)象。纖維首先脫粘才能拔出。纖維拔出會(huì)使裂紋尖端應(yīng)力松弛，從而減緩了裂紋的擴(kuò)展。纖維拔出需外力做功，因此起到增韌作用

纖維、晶須增韌-拔出第四章金屬的斷裂韌度圖晶須拔出示意圖37可編輯ppt對(duì)于特定位向和分布的纖維，裂紋很難偏轉(zhuǎn)，只能沿著原來的擴(kuò)展方向繼續(xù)擴(kuò)展。這時(shí)緊靠裂紋尖端處的纖維并未斷裂，而是在裂紋兩岸搭起小橋，使兩岸連在一起。這會(huì)在裂紋表面產(chǎn)生一個(gè)壓應(yīng)力，以抵消外加應(yīng)力的作用，從而使裂紋難以進(jìn)一步擴(kuò)展，起到增韌作用。