陶瓷材料的脆性和克服脆性的途径.ppt

材料物理性能,无机材料2004级 教师:邓承继博士,无机材料物理性能,邓承继博士,2,陶瓷材料的脆性和克服脆性的途径,材料强度的本质(根本):内部质点间的结合力-各种化学键的综合表现,在“固体材料结构基础中已经学习.同学们应该把原来的知识和现在的学习结合起来.材料的“表观”强度是由材料的本征强度和材料的各种“结构”-包括缺陷和强化,无机材料物理性能,邓承继博士,3,脆性是陶瓷的特征，亦是陶瓷的致命弱点，它间接地反映在陶瓷较低的抗机械冲击强度和较差的抗温度骤变性，直观地表现在一旦受到临界的外加负荷，陶瓷的断裂则具有爆发性的特征和灾难性的后果,无机材料物理性能,邓承继博士,4,实际材料的强度接近理论强度的途径:,提高晶体的完整度，消除缺陷： 细：细晶 微晶 密：高密度 匀：均匀,无机材料物理性能,邓承继博士,5,晶须(Whisker)：和理论强度在一个数量级 纤维(fiber)：低于理论强度一个数量级 单晶(Crystal)：接近理论强度 氧化铝：抗拉强度(GPa)，particle-0.28， fiber-2.1，whisker-21,无机材料物理性能,邓承继博士,6,晶体尺寸和强度关系,Hull-Petch 公式(经验公式)， 晶体尺寸和强度成反比关系 Strength(Grain Size)-1/2，见下面的图,无机材料物理性能,邓承继博士,7,Grain Size Strength (Grain Size)-1/2,无机材料物理性能,邓承继博士,8,陶瓷脆性的量度,多晶体的脆性断裂经历着裂纹在晶内形成、扩展、越过晶界至相邻晶粒内等三个步骤，而裂纹扩展速度决定着是否能发生消除应力集中的塑性流动，因为引起塑性形变需要一定的起始时间。所以裂纹扩展是脆性的一种量度,无机材料物理性能,邓承继博士,9,改善陶瓷韧性与提高其强度的关系,从断裂力学的观点来看，克服陶瓷的脆性和提高其强度的关键是： 1）提高陶瓷材料抵抗裂纹扩展的能力； 2）减缓裂纹尖端的引力集中效应。前者主要是提高材料的断裂性，后者的关键在于减小材料内部所含裂纹缺陷的尺度,无机材料物理性能,邓承继博士,10,克服陶瓷脆性的途径,陶瓷体中的韧性相金属与陶瓷复合 在裂纹扩展过程中，弥散于陶瓷基体中的韧性相起着附加的能量吸收作用，从而使裂纹尖端区域高度集中的应力得以部分消除，抑制了原先可能达到的临界状态，提高了材料裂纹扩展的抗力，相对改善了材料的韧性,无机材料物理性能,邓承继博士,11,陶瓷体内中裂纹尖端的增韧作用相变粒子弥散,相变增韧：MgO-ZrO2的相关系图表明，往ZrO2中掺入8mol% MgO，可在1800获得全稳定的ZrO2立方固溶体相，将其冷却至1500，就出现弥散于ZrO2立方基体中的四方ZrO2相。从能量平衡条件进行分析，可以看到几种影响ZrO2相变的因素,无机材料物理性能,邓承继博士,12,1）ZrO2颗粒在陶瓷基体中相变的能量条件 2）ZrO2弥散粒子的相变临界直径 3）化学因素的影响。基体的化学组分和ZrO2弥散相的含量对ZrO2粒子的相变温度有一定影响。凡是能固溶于ZrO2中的其他掺杂物都或多或少地减少ZrO2的相变自由能差，相对降低其相变温度,无机材料物理性能,邓承继博士,13,主裂纹尖端增韧作用区的控制原则,韧化作用区为陶瓷断裂韧性的提高做出贡献的理论基础是，ZrO2弥散粒子由四方相向单斜相转化引起的体积膨胀，以及由之诱发的弹性压变能或激发产生的微裂纹。因此，合理地控制ZrO2弥散粒子的相变过程就能达到提高韧化效果的目的,无机材料物理性能,邓承继博士,14,1）控制ZrO2弥散粒子的尺寸D 2）控制ZrO2颗粒的分布状态 3）最佳的ZrO2体积分数和均匀的ZrO2弥散程度 4）陶瓷基体和ZrO2粒子热膨胀系数的匹配 5）控制ZrO2基弥散粒子的化学性质,无机材料物理性能,邓承继博士,15,表面韧化,表面韧化是相变韧化的一种特殊形式，借助于表面处理的特殊技术，其目的在于陶瓷基体表面层在一定深度之内有四方ZrO2弥散相,无机材料物理性能,邓承继博士,16,陶瓷体内设置的裂纹扩展势垒纤维与陶瓷复合,高强度和高模量的纤维既能为基体分担大部分外加应力，又可阻碍裂纹的扩展，并能在局部纤维发生断裂时以“拔出功”的形式消耗的部分能量，起到提高断裂能并克服脆性的效果,无机材料物理性能,邓承继博士,17,减缓裂纹尖端的应力集中效应,1）采用化学抛光净化陶瓷表面，去除加工损伤，可大幅度减小实际强度和理论值之间的差别 2）细化晶粒，既减小了晶内裂纹的尺度，又降低裂纹出现的几率，并且减小了多晶陶瓷坯体中由于晶粒的弹性和热性各向异性引起的残余应力，有利于克服脆性和提高强度 3）裂纹尖端钝化或裂纹愈合,无机材料物理性能,邓承继博士,18,提高抗裂能力与预加应力,在材料表面预加压应力压，材料在断裂时的应力断-拉应力，引起材料断裂的应力为：压+ 断，提高材料抗断裂能力 实际是：玻璃钢化-安全玻璃，航空玻璃 Quenching method,无机材料物理性能,邓承继博士,19,复合材料及其力学性能,复合材料的定义： Composites refer to a kind of material in which one phase or multi-phases reinforcements are embedded in a matrix. 复合材料的分类： 金属基复合材料，陶瓷基复合材料，高分子复合材料，碳纤维复合材料,无机材料物理性能,邓承继博士,20,复合材料的分类,分类方法很多，这里讲一种，按增强相的形态分：颗粒增强，晶须或者不连续纤维增强，连续纤维增强,无机材料物理性能,邓承继博士,21,无机材料物理性能,邓承继博士,22,无机材料物理性能,邓承继博士,23,无机材料物理性能,邓承继博士,24,复合材料科学中一个重要方向是：根据材料的性能设计材料的成分、结构，通过合适方法获得具有所需要性能的复合材料,无机材料物理性能,邓承继博士,25,复合材料的力学性能,复合材料的力学性能符合材料的力学性能的基本规律，是以基本的力学公式为基础推导的 具体的推导采用我们已经介绍的串并联模型或者方法处理，下面以例题为例,无机材料物理性能,邓承继博士,26,例题,假设由玻璃纤维一维增强的树脂的复合材料。玻璃纤维的体积分数是60%，其强度是1GPa，是70GPa。树脂强度是60MPa ，弹性模量是3GPa。计算复合材料在增强方向的强度和弹性模量。,无机材料物理性能,邓承继博士,27,解答,复合材料在增强方向的弹性模量是：,无机材料物理性能,邓承继博士,28,为了计算复合材料在增强方向的强度，我们需要复合材料中基体和纤维先断裂。纤维的断裂时应变是：,无机材料物理性能,邓承继博士,29,基体的断裂时应变是： 由于 fm，纤维先破坏。在纤维破坏时，基体的强度是：,无机材料物理性能,邓承继博士,30,所以，复合材料的强度是：,无机材料物理性能,邓承继博士,31,无机材料的硬度,硬度： 材料抵抗形变或者破坏的能力。 材料的硬度是定性反映材料的强度,无机材料物理性能,邓承继博士,32,硬度的分类,陶瓷及矿物材料常用的划痕-莫氏硬度 滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石 正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石 玻璃 石榴石，熔融ZrO2 碳化硅，碳化硼,无机材料物理性能,邓承继博士,33,静载压入的硬度方法,布氏硬度：适宜于金属材料中软及中硬材料 维氏硬度：硬材料或者陶瓷材料 洛氏硬度：可以测量硬度的范围广泛，可以适合多种材料，包括陶瓷材料,无机材料物理性能,邓承继博士,34,材料的硬度的测量和应用,选择什么测量方法，由材料的本征硬度和测量方法的合适范围决定 材料的硬度是材料的基本性能 材料的硬度