郑州大学陶瓷工艺原理第七章7.ppt

2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,第7章 陶瓷材料强度的控制,陶瓷材料使用过程中所要求达到的一些有关力学、光学、电磁学方面的技术性能，一方面受材料的本征物理量所影响，同时又受材料的显微结构以及制约着显微结构形成的工艺因素的支配。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,7.1 陶瓷材料强度的特征,Orowan提出，固体材料的理论强度th ：,E 材料的弹性模量，Pa； 材料的表面断裂能，J/m2； a 原子间的平衡距离或晶格常数。,th 0.1 E,实验表明，陶瓷材料的实际强度远小于其理论强度。?,1. 陶瓷材料的强度,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,Griffith微裂纹理论：,材料中总存在着许多细小的裂纹或缺陷，在外力作用下裂纹或缺陷处易产生应力集中，当达到一定程度时（远小于原子间的结合力），裂纹扩展连接而导致材料整体破坏。裂纹扩展的动力是材料内弹性应变能的释放或降低。,E 材料的弹性模量，Pa； 材料的表面断裂能，J/m2； c 裂纹长度的一半。,裂纹扩展的临界应力：,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,2. 陶瓷材料中裂纹产生的原因,（1）因动力学条件不满足，晶体生长存在着许多缺陷，如位错，它们在运动过程中受晶界制约形成塞积，产生应力集中而形成裂纹。 （2）陶瓷材料的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹。 （3）陶瓷多相体热性质的不同引起裂纹。晶相各向异性与晶粒取向不同产生应力，晶相与玻璃相的膨胀系数差异等。 （4）不规则气孔的存在，其作用相当于裂纹。这与烧结程度、密度有关。 （5）材料表面的粗糙度会影响表面裂纹的大小变化。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,7.2 影响常温强度的因素,(一) 显微结构与常温强度的关系,1. 气孔对陶瓷强度的影响,陶瓷强度总是随气孔率升高而下降。坯体越致密，气孔愈少，则强度愈高。,原因：气孔（1）降低了承受载荷作用的有效横截面积；（2）引起应力集中而使强度下降；（3）气孔率升高能造成材料的弹性模量降低，从而影响强度。, 0 exp(-b p),p气孔率,； 0 p0时的强度, MPa； b常数。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,气孔的大小、形状及分布都会对陶瓷强度产生影响。,原因：气孔率10%时，开口气孔增多，呈狭长的通道，类似裂纹，成为断裂的引发剂，造成强度下降。,气孔率10%，强度下降。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,2. 晶相对陶瓷强度的影响,主晶相不同及含量不同对强度有影响。 普通陶瓷：晶相越多，玻璃相越少，强度越高。,晶相种类及含量对陶瓷强度的影响,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,（1）晶粒尺寸对强度的影响,多晶陶瓷强度f与晶粒直径d的关系符合半经验公式： f Kd- K 与晶体结构及材料显微结构有关的比例常数； 与材料特性和实验常数有关的经验常数。,部分研究结果显示，的取值为1/81；当d值小时，的取值也小；当d值大时，的取值也大。因此，陶瓷强度对晶粒尺寸的依赖性很强。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,坯体中出现的裂纹往往和晶粒尺寸呈正比。,a. 裂纹长度大，则出现断裂所需的负荷小； b. 裂纹有一定长度时，尖端部分出现应力集中，尖端的曲率半径愈小则应力愈集中，小的负荷即可使裂纹扩展断裂。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,晶粒尺寸增大对强度影响的原因：,晶粒尺寸减小，为什么会使陶瓷材料的强度提高？,大晶粒出现裂纹的几率增大； 大晶粒的各向异性导致内应力加剧。,晶粒尺寸减小，比表面积增加，晶界面积增加，裂纹扩 展的阻力愈大，或者说外加破坏负荷衰减愈多，因此强 度增加； 细晶粒的应力集中效应小于粗晶粒的； 非立方结构的陶瓷材料中，粗颗粒的各向异性使晶界产 生裂纹，增大内应力，降低断裂能，从而降低强度。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,玻璃相含量多的三组分陶瓷中，晶粒大小也会影响其机械强度。玻璃相和石英的热膨胀系数存在差异，随着石英颗粒尺寸的增加，玻璃相由承受压应力转变为承受张应力，故其强度下降。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,通过讨论晶粒大小对强度的影响，可以从以下几方面提高陶瓷强度：,提高原料微粉的品质，特别是对氧化物与非氧化物陶瓷。要求粉体尽量细；大小、形状均一，化学纯度和相结构的单一性好； 科学选择烧结温度，选择最佳工艺条件，防止晶粒长大； 选择适当的添加物质和加入量，抑制晶粒异常长大，促进致密化。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,（2）晶型和晶粒形貌对强度的影响,晶型：滑石瓷，正常生成情况下，主晶相为原顽辉石（斜方晶系），控制不当时会转变为斜顽辉石（单斜晶系），伴随着2.8% 的体积变化，并产生裂纹，导致坯体碎裂、粉化。,晶粒形貌的影响：,热压烧结，加入5% MgO为烧结促进剂,-Si3N4，低温稳定型，六方晶系，等轴状、短柱状晶体。,-Si3N4，高温稳定型，六方晶系，针状、长柱状晶体。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,（3） 晶界对强度的影响,由单一晶相组成的陶瓷材料，在外力作用下扩展的裂纹遇到晶界往往会终止。如晶界上有气孔存在而出现应力集中，则裂纹会沿晶界延长。 多晶材料，晶粒取向不同，各向异性，会在晶界处产生应力，降低强度。 晶界中的杂质、第二相晶粒对强度也有或好或坏的影响。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,3. 玻璃相对陶瓷强度的影响,普通陶瓷：,玻璃相是主体，其强度对陶瓷强度起主要作用；构成玻璃相的组成的键强显得较重要。玻璃相数量少，晶相多，则陶瓷强度高。,氧化物和非氧化物陶瓷：,生产中加入添加剂，以促进坯体烧结，但会生成少量的玻璃相，使陶瓷的强度下降很多。一般需要进行热处理，使玻璃相转化为晶相。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,（二）工艺因素与常温强度的关系,高强度陶瓷显微结构的特点是：密度要高，气孔和裂纹要少，晶粒尺寸要适当。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,控制坯体致密化与晶粒粗化过程的分析：,致密化速率：,晶粒的粗化速率：,提高 /速率的方法：,（1）选用适当的添加剂；,（2）采用细粒易烧结的粉末；,（3）采用有效的烧成工艺与方法。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,1. 原料制备工艺的影响,可提高其反应活性，增加表面缺陷、比表面积和反应能力，使烧结温度降低并易于烧结，减少气孔，从而有利于实现致密化。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,（1）采用化学方法制备出超细、性能良好的粉料,不同方法制得的TiO2的粒度与其它性能的关系,（2）采用严格的保障措施，防止杂质进入原料中，保证纯度。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,(3) 若采用压制法成型，则对细粉料进行造粒处理，使之适应成型需要。,（4）原料配比时要选择合适的添加剂，这对氧化物和非氧化物陶瓷非常重要。,添加剂的作用主要有：？,选择添加剂的原则： （R.J.Brook）,a.添加剂的金属离子大小和主晶相的金属离子相近，以促进形成固溶体；,b. 添加剂浓度和固溶体的极限要接近，以增强致密化效果；,c. 添加剂和主晶相金属离子电价之差为1，以保证缺陷浓度和适当的溶解度；,d. 添加剂有适当的挥发性，使其在高温下能均匀分布在坯体中。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,2. 成型工艺的影响,普通陶瓷：因使用较多粘土，故一般用可塑法、浇注法成型，对强度影响不大。,氧化物、非氧化物陶瓷：原料主要为化工原料，以及添加剂。,经常采用的成型方法有压制成型（单向加压、双向加压、冷等静压、热等静压等）、热压注成型、挤压成型、注射成型等。 要保证成型坯体密度的均匀性。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,3. 烧成方法与制度的影响,采用通常烧成方法和制度煅烧陶瓷制品时，坯体中的气孔难以完全排除。如果提高烧成温度或是延长保温时间，则会增加液相量，增加晶粒尺寸，甚至降低密度和强度。,周玉等（1988年）认为，这是由于烧成温度升高后，使MgO在晶界上偏析，ZrO2晶体内固溶的MgO量减少、晶粒长大、晶格畸变程度减少、变形与裂纹扩展阻力减少所致。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,一般说来，当陶瓷坯体烧成收缩接近中止时，晶粒开始长大。,因此，要获得高强度的烧结体，可采取的烧成措施为快速烧成和热压烧结。,晶粒尺寸/m,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,7.3 提高常温强度，克服脆性的方法,降低脆性、提高韧性、强度的方向：,（1）减弱裂纹尖端的应力集中效应。,（2）提高抵抗裂纹扩展的能力，即提高材料的断裂能。,1. 陶瓷材料的表面补强,（1）热处理,（2）化学处理,（3）施布涂层,将烧后产品经过物理或化学处理，使表面出现压应力，消除部分裂纹，以提高产品抵抗裂纹扩展的能力。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,2. 陶瓷的复合增韧,（1）金属与陶瓷的复合：金属陶瓷,条件：,a. 金属相与陶瓷相能均匀分散组成交错的网络结构。,b. 金属对陶瓷的润湿性良好。,此外，金属在高温煅烧时易氧化，降低材料的高温性能。,（2）纤维与陶瓷的复合,纤维类型：,金属纤维：难熔金属丝（钨丝、钼丝等）,非金属纤维：碳、B的纤维,陶瓷纤维：BN、SiC、Al2O3、ZrO2纤维等,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,纤维对陶瓷的补强、增韧取决与以下因素：,b. 纤维与基体的配比：二者承受的应力和其体积分数呈正比。,c. 纤维的排列方向：一维、二维、三维,d. 纤维与基体的结合力：适中,e. 纤维的尺寸：与基体中晶粒尺寸同一数量级，低于微裂纹出现的临界半径。,a. 纤维与基体的性质：弹性模量、热膨胀性的匹配及二者的化学相容性。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,3. 陶瓷的相变增韧,主要是利用氧化锆（ZrO2，Zirconia）相变时发生的体积变化增韧陶瓷。,由四方相转变为单斜相，伴随着35%的体积膨胀和8%的剪切应变。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,（1）应力诱导相变增韧,a. ZrO2受周围陶瓷基体的约束会抑制其相变，使相变温度向低温方向移动。如果室温下有未相变的t-ZrO2，受张应力后，基体对t-ZrO2的束缚减弱，使之转变为m-ZrO2。转化时吸收了能量，伴随的体积膨胀减少了裂纹尖端集中的应力。因此，裂纹扩展甚至断裂所需要的应力增大， 从而提高陶瓷的断裂韧性。,b. t-ZrO2的相变温度随其粒度降低而下降，一直可降至室温以下。,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,应力诱导相变增韧的使用条件：,材料中有t-ZrO2颗粒存在，其开始相变温度Ms比材料的使用温度低。,dc的差别源于ZrO2颗粒的化学组成不同。,不同基体的含ZrO2陶瓷在室温下相变时的临界尺寸dc见下表:,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,（2）微裂纹增韧 Micro-cracking toughening,当加入的t-ZrO2颗粒稍大（d dc），则相变温度在室温以上。冷却至室温时，四方相已自发地转变为单斜相。相变时的体积膨胀引起基体出现微裂纹。 当受外力作用时，微裂纹会使主裂纹分叉或改变方向，吸收和消耗裂纹扩展所需的能量，因而减缓或阻碍裂纹扩展，达到增韧效果。,但材料强度由于微裂纹的出现而下降。而且，如果t-ZrO2尺寸超过微裂纹生成的临界值，则微裂纹的保护作用减弱，韧性又会降低。,获得最佳增韧效果对t-ZrO2颗粒尺寸 的要求：,2019/9/19,国家精品课程陶瓷工艺原理,（3）裂纹分岔增韧,D.J.Green，1973：裂纹端与弱晶界作用使裂纹分支是两相或多相材料主要的增韧机理。基体中较大的ZrO2颗粒相变时产生大的应力，使晶界减弱和分离。它和主裂纹作用使裂纹分支，让晶界开口或伸展，吸收能量而缓和裂纹端的应力集中。加上分支的裂纹弯曲会增大断裂表面积，从而提高韧性。,As：单斜相转变为四方相的开始温度。 Ms：四方相转变为单斜相的开始温度。 Mf：最细的ZrO2颗粒由四方相完全转变为单斜相的温度。,2019/9/19,