课程演讲-陶瓷材料的强度影响因素及改善方法.pptx

陶瓷材料强度的影响因素及改善方法 汇报人： 指导老师：胥 钧耀 小组成员： CONTENT 简介 Overview 材料强度 Strength 改善方法 Method 影响因素 Factor 陶瓷材料的强度影响因素及改善方法 简介陶瓷材料的强度影响因素及改善方法 4 陶瓷具有耐高温、耐磨耗、耐腐蚀、低热传导率以及理论高 强度等许多优良特性，作为结构材料而得到广泛的应用。按照其 化学组成可以分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷及硼化 物等陶瓷。 简介 4 陶瓷材料的强度影响因素及改善方法 陶瓷材料 氧化物陶瓷氮化物陶瓷 碳化物陶瓷硼化物陶瓷 氧化物中作为 陶瓷的主要有 Al2O3和ZrO2 陶瓷。 氮化物中作为 陶瓷的主要有 Si3N4和AlN陶 瓷。 碳化物中作为 陶瓷的主要有 SiC和B4C陶 瓷。 硼化物中作为 陶瓷的主要 有、ZrB2、 TiB2。 陶瓷材料的优缺点陶瓷材料的强度影响因素及改善方法 5 陶瓷材料的优点 一般熔点高，在高温下具有极好的化学稳定性；陶瓷的导热性低于 金属材料，陶瓷还是良好的隔热材料； 陶瓷的线膨胀系数比金属低，当温度发生变化时，陶瓷具有良好的 尺寸稳定性； 大多数陶瓷材料在高温下不易氧化，并对酸、碱、盐具有良好的抗 腐蚀能力； 大多数陶瓷具有良好的电绝缘性；陶瓷材料还有独特的光学性能、 磁性能。 陶瓷材料的缺点 抗拉强度较低，塑性和韧性很差，可靠性较差。 陶瓷材料的强度陶瓷材料的强度影响因素及改善方法 6 强度是陶瓷材料最基本的力学性能，陶瓷材料的性能由其化学键所 决定，由于在室温下几乎不能产生滑移或位错运动，因而很难产生塑性 变形，所以其破坏方式为脆性断裂。 陶瓷的断裂强度具有以下几个特点： 1）陶瓷材料的实际断裂强度比理论断裂强度低得多，往往低于金 属，大量试验结果表明，陶瓷的实际强度比其理论值小23个数量级， 只有晶须和纤维的实际强度较接近理论值； 2）陶瓷材料的抗压强度比抗拉强度大得多，其差别的程度大大超 过金属； 3）气孔和材料密度对陶瓷断裂强度有重大影响。 影响材料强度的因素陶瓷材料的强度影响因素及改善方法 7 通常陶瓷材料都是用烧结的方法制造的，在晶界上大都存在着气 孔、裂纹和玻璃相即非晶相等。而且有时在晶内，也存在有气孔、层 错、位错等缺陷。陶瓷的强度除决定于本身材料外，上述微观组织因素 对强度也有显著的影响（微观组织敏感性），其中气孔率与晶粒尺寸是 两个最重要的影响因素。 影响材料强度的因素主要包含以下几点： 1）气孔率对强度的影响 2）晶粒尺寸对强度的影响 3）晶界相的性质与厚度、晶粒形状对强度的影响 影响材料强度的因素陶瓷材料的强度影响因素及改善方法 8 气孔率对强度的影响 气孔是绝大多数陶瓷的主要组织缺陷之一，气孔明显地降低了载荷 作用横截面积。同时气孔也是引起应力集中的地方。实验发现，多孔陶 瓷的强度随气孔束的增加近似按指数规律下降。有关气孔率与温度的关 系式有多种提案，其中最常用的经验公式： 影响材料强度的因素陶瓷材料的强度影响因素及改善方法 9 晶粒尺寸对强度的影响 陶瓷材料的强度和晶粒尺寸的关系与金属有类似的规律，但对烧结 体陶瓷来讲，要做出只有晶粒尺寸大小不同而其它组织参量都相同的试 样是非常困难的，但无论如何，室温断裂强度随晶粒尺寸的减小而增 高。 晶界相的性质与厚度、晶粒形状对强度的影响 晶界相最好能起阻止裂纹过界扩展并松弛裂纹尖端应力场的作用。 晶界玻璃相的存在对强度是不利的，所以应尽量减少晶界玻璃相的数量 ，并通过热处理使其晶化。对单相多晶陶瓷材料，晶粒形状最好为均匀 的等轴晶粒，这样承载时变形均匀而不易引起应力集中，从而使强度得 到充分发挥。 陶瓷材料的强度影响因素及改善方法改善材料强度的方法 10 从断裂力学的观点看，克服陶瓷的脆性和提高其强度的关键是：提 高陶瓷材料抵抗裂纹扩展的能力；减缓裂纹尖端的应力集中效应。前者 主要是提高材料的断裂能，后者的关键在于减小材料内部所含裂纹缺陷 的尺度。 材料强度的本质是内部质点（原子、离子、分子）间的结合力，从 对材料的形变及断裂的分析可知，在晶体结构既定的情况下，控制强度 的主要因素有三个，即：弹性模量E，断裂功（断裂表面能）和裂纹尺 寸C。因此，提高陶瓷材料强度的方法主要有以下几个： 微晶，高密度与高纯度 预加应力 化学强化 陶瓷材料的增韧 相变增韧 微裂纹增韧 表面残余压应力增韧 弥散增韧 陶瓷材料的强度影响因素及改善方法改善材料强度的方法 11 微晶，高密度与高纯度 为了消除缺陷，提高晶体的完整性，细、密、匀、纯是当前陶瓷发 展的一个重要方面。近年来出现了许多微晶、高密度、高纯度陶瓷，例 如：用热压工艺制造的Si3N4陶瓷密度接近理论值，几乎没有气孔，特别 值得提出的是各种纤维材料及晶须。 表1 几种陶瓷材料的块体、纤维及晶须的抗拉强度 陶瓷材料的强度影响因素及改善方法改善材料强度的方法 12 预加应力 人为预加应力，在材料表面造成一层压应力层，就可提高材料的抗 张强度。将玻璃加热到转变温度以上而低于熔点，然后淬冷，使得表面 立即冷却变成刚性的，而内部仍处于软化状态，不存在应力。在以后继 续冷却中，内部将比表面以更大速率收缩，此时是表面受压，内部受拉 ，结果在表面形成残留压应力。 图1 热韧化玻璃板受横向变曲荷载时，残余应力、作用应力及合成应力分布 陶瓷材料的强度影响因素及改善方法改善材料强度的方法 13 化学强化 通过改变表面的化学组成，使表面的摩尔体积大于内部。由于表面 体积胀大受到内部材料的限制，就产生一种双向的压应力。可以认为这 种表面压力和体积变化的关系近似服从胡克定律，即： 此外，将表面抛光及化学处理用以消除表面缺陷也能提高强度。 陶瓷材料的强度影响因素及改善方法改善材料强度的方法 14 陶瓷材料的增韧 所谓增韧，是指提高陶瓷材料强度及改善陶瓷的脆性。与金属材料 相比，陶瓷材料有极高的强度，其弹性模量比金属大很多。但大多数陶 瓷材料缺乏塑性变形能力和韧性。韧化的主要机理有应力诱导相变增韧 ，相变诱发微裂纹增韧，残余应力增韧等。 相变增韧 微裂纹增韧 表面残余压应力增韧 弥散增韧 陶瓷材料的强度影响因素及改善方法改善材料强度的方法 15 相变增韧 利用多晶多相陶瓷中某些相成分在不同温度的相变，从而增韧的效 果，统称为相变增韧。 当部分稳定ZrO2陶瓷烧结致密后，四方相ZrO2颗粒弥散分布于其它陶瓷 基体中（包括ZrO2本身），冷却时，亚稳四方相颗粒受到基体的抑制而处于压 应力状态，这时基体沿颗粒连线方向也处于压应力状态。材料在外力作用下所 产生的裂纹尖端附近由于应力集中的作用，存在张应力场，从而减轻了对四方 相颗粒的束缚，在应力的诱发作用下会发生向单斜相的转变并发生体积膨胀， 相变和体积膨胀的过程除消耗能量外，还将在主裂纹作用区产生压应力，二者 均阻止裂纹的扩展，只有增加外力做功才能使裂纹继续扩展，于是材料强度和 新裂韧性大幅度提高。 陶瓷材料的强度影响因素及改善方法改善材料强度的方法 16 (a) 明亮的扁平椭圆形区域是立方结构的氧化铝基底中的四方结构氧化 (b) 形变区在临界裂纹的一个薄层内，明亮的部分是变形单余氧化锆 图2 相变增韧氧化锆 陶瓷材料的强度影响因素及改善方法改善材料强度的方法 17 因此，这种微结构会产生三种不同的增韧机理。在氧化锆中具有亚 稳态四方相的盘状沉淀的微粒，如图2所示。 首先，随着裂纹发展导致的应力增加。会使四方结构的沉淀相通过 马氏体相变转变为单斜结构，这一相变吸收了能量并导致体积膨胀产生 张应力。这种微区的形变在裂纹附近尤为明显。 其次，相变的粒子周围的应力场会吸收额外的能量，并形成许多微 裂纹。这些微结构的变化有效地降低了裂纹尖端附近的有效应力强度。 最后，由于沉淀颗粒对裂纹的阻滞作用和局域残余应力场的效应， 会引起裂纹的偏转。裂纹偏转又引起裂纹的表面积和有效表面能增加， 从而增加材料的韧性。 陶瓷材料的强度影响因素及改善方法改善材料强度的方法 18 微裂纹增韧 部分稳定ZrO2陶瓷在烧结冷却过程中，存在较粗四方相向单斜相的 转变，引起体积膨胀，在基体中产生弥散分布的裂纹或者主裂纹扩展过 程中在其尖端过程区内形成的应力诱发相变导致的微裂纹，这些尺寸很 小的微裂纹在主裂纹尖端扩展过程中会导致主裂纹分叉或改变方向，增 加了主裂纹扩展过程中的有效表面能，此外裂纹尖端应力集中区内微裂 纹本身的扩展也起着分散主裂纹尖端能量的作用，从而抑制了主裂纹的 快速扩展，提高了材料的韧性。 陶瓷材料的强度影响因素及改善方法改善材料强度的方法 19 表面残余压应力增韧 陶瓷材料可以通过引入残余压应力达到增强韧化的目的。控制含弥 散四方ZrO2颗粒的陶瓷在表层发生四方相向单斜相相变，引起表面体积 膨胀而获得表面残余压应力。由于陶瓷断裂往往起始于表面裂纹，表面 残余压应力有利于阻止表面裂纹的扩展，从而起到了增强增韧的作