无机材料的力学性能测试方法

断裂强度的测试断裂强度的测试 弹性模量的测试弹性模量的测试 硬度的测试硬度的测试 断裂韧性的测试断裂韧性的测试 无机材料的力学性能测试方法 饶平根 断裂强度的测试 fracture strength 抗弯强度的测定抗弯强度的测定 bending strength or flexural strength 抗压强度的测定 抗压强度的测定 compressive strength 拉伸强度的测定拉伸强度的测定 tensile strength 陶瓷材料的强度关系 拉伸强度 0 5 0 7 抗弯强度 抗压强度 8 10 抗弯强度 抗弯强度的测定 精细陶瓷弯曲强度试验方法 GB T 6569 2006 L 30 mm P 2 2 3 bw Pl f 加载速率 0 5 mm min 跨距 30 mm 试样尺寸 3 w 4 b 35 抗张面抛 光 并45o倒角 长条试样三点抗弯强度测定 w 长棒状试样三点抗弯强度测定长棒状试样三点抗弯强度测定 P 3 8 D Pl f L D 抗弯强度试样的制备 平面磨床 抛光机 四点抗弯比 三点抗弯更 接近真实 值 工程实 际应用需要 四点抗弯 写论文三点 抗弯就Ok 每组试样至 少 每组试样至 少5根 根 工程应用至少每组试样要20根 并计算韦伯模数 两种材料的韦伯统计断裂几率图的比较 陶瓷材料的力学性能曲线 抗弯强度的测定 混凝土样品 混凝土一般抗弯强 度10MPa 采用短 纤维或聚合物等措 施可提高到30MPa 甚至50MPa 国标 试样尺寸 40 x40 x160 跨距 120 加载速率 0 5mm min 陶瓷砖抗折仪 国标GB T3810 4 2006 陶瓷砖试验方 法 第4部分 断裂模数和破坏强度的测 定 断裂模数与破坏强度的测定方法 1 最大试验力 10000N 2 最大试样尺寸 600 600mm 800 800mm 1000 1000mm 3 两支承辊间距160 810mm 每隔10mm调定 力学性能测试 万能材料试验机 高温 抗弯法间接测定 牙科烤瓷材料与金属间结合强度 抗压强度的测定 陶瓷的抗压强度是抗弯强度的十倍左右 一般 只测定陶瓷抗弯强度 如果材料的抗弯强度很 低的情况下 才测抗压强度 如多孔陶瓷 生 物陶瓷 拉伸强度的测定 拉伸强度试样 拉伸法测定涂层附着力 在一个试柱的表面按其相应的涂料产品的技术条件进行涂 装 用胶结剂与另一个试柱胶结 2个试柱可借助于图2的 装置同轴地胶结 连同定中心装置 按其干燥工艺要求进 行固化 然后进行在万能材料试验机上测定涂层附着力 实例 实例 采用拉伸法测定砂浆和土 聚材料的结合力 土聚材料土聚材料 砂浆 待测样品 砂 浆 土聚材料 弹性模量的测试 应变测试技术应变测试技术 the strain measurement technique 共振技术共振技术 the resonance technique 超声脉冲超声脉冲 回波技术回波技术 the ultrasonic pulse echo method 应变测试技术应变测试技术 拉伸法拉伸法 需要应变仪或引伸计 在试样拉伸强度 测试过程中 测定应力 应变曲线 E 引伸计测 量精度 0 m 采用12 5mm引伸计 加载0 02 in mm 室温 抗弯法测陶瓷的弹模 满足线弹性满足线弹性 应变仪 跨距 60 加载速率 0 5mm min 95氧化铝试样测试 非接触式视频应变测量仪非接触式视频应变测量仪 相机 特制的材料测 试专用镜头 与传统方式比较 视频测量仪 传统设备 如 引伸计 应变计 性能 视频测量仪 传统设备 如 引伸计 应变计 性能可能存在的问题可能存在的问题 安装方式安装方式非接触非接触接触式接触式 打滑 无法固定在试样上 打滑 无法固定在试样上 试样断裂可能破坏引伸计试样断裂可能破坏引伸计 测量对象 所有材质的材料 尺寸范围广 常规尺寸的材料测量对象 所有材质的材料 尺寸范围广 常规尺寸的材料 特殊材料无法测量 小试样无法测量 大试样需要贴很多应变片 特殊材料无法测量 小试样无法测量 大试样需要贴很多应变片 测量环境测量环境 宽泛 比如 高温 高 速 辐射条件 宽泛 比如 高温 高 速 辐射条件 常规条件常规条件特殊的环境下无法测量 测量方向二维空间任何方向单一方向 特殊的环境下无法测量 测量方向二维空间任何方向单一方向 测量不同方向需要更多的 应变计 测量不同方向需要更多的 应变计 材料领域的优势 非接触式 只要摄像机能拍摄到 就能测量 非接触式 只要摄像机能拍摄到 就能测量 安装方便 节省时间 操作简单安装方便 节省时间 操作简单 无需专业人士即可操作无需专业人士即可操作 测量对象 测量对象 所有材料所有材料 如 金属 塑料 橡胶 复合材料 高分子材料 皮革等等如 金属 塑料 橡胶 复合材料 高分子材料 皮革等等 测量测量条件宽泛条件宽泛 高速 高温 有害条件测量高速 高温 有害条件测量 测量测量尺寸宽泛尺寸宽泛 从细小材料 从细小材料 100m 测量分辨率高 测量分辨率高 位移分辨率位移分辨率0 012 m 应变 应变5 能够进行能够进行静态和动态静态和动态测试测试 取代传统传感器 取代传统传感器 如 应变计 引伸计 加速度计等等 如 应变计 引伸计 加速度计等等 实时测量实时测量多达多达100个点个点 每两个点之间相当于一个传感器 每两个点之间相当于一个传感器 同步测量同步测量多项指标多项指标 如 同时测量位移 应变 加速度 如 同时测量位移 应变 加速度 能够录制下实验过程 从而 对实验进行新的测量 能够录制下实验过程 从而 对实验进行新的测量 共振技术共振技术 试样要求试样要求 平板试样 我日本老板的标样尺寸 20 5 80mm 声波发生器 测试原理 测试原理 测定试样的共振频率 来间接试样的弹性模量 共振技术的计算公式 f 共振频率 m1 与振动模式有关的常数 d 试样的厚度 l 试样的长度 试样的密度 T 与泊松比以及与d l有关的参数 超声脉冲 回波技术 试样要求 横截面 1cm2 长度 1cm 测试要求 需要一个已知声速的标样采 用脉冲 回波仪器来标定待测样品 cx cd ds cx 待测样品的声速 c 标样的声速 d 标样的厚度 ds 测样品的厚度 待测样品的横向声速ct或纵向声速cl可采 用上述方法测定 ct和cl满足以下关系 ct c1 1 2 2 1 2 待测样品的泊松比 可得弹性模量E E ct 3 4 ct cl 2 1 ct cl 2 试样的密度 剪切模量G ct 硬度的测试 硬度是材料的一个重要的力学性能 反 映材料表面层抵抗永久形变或破裂的能 力 它与晶体结构 晶体缺陷 结合键 类型 体积密度 晶粒尺寸和材料纯度 有关 划痕法 压入法 测试方法 划痕法 矿物材料常用的划痕硬度叫莫氏硬度 它只表示硬度有小到大的顺序 不表示 软硬的程度 后面的矿物可以划破前面 的矿物 现在莫氏硬度分为15级 金刚石 Hv 100 GPa 静载压入的硬度试 验法种类很多 常 用布氏硬度 维氏 硬度 洛氏硬度法 及努普硬度 这些 方法的原理都是在 静压下将一硬的物 体压入被测物体表 面 以表面压入凹 面单位面积上的荷 载表示被测物体的 硬度 1 布氏硬度布氏硬度 HB 布氏硬度法主要用来测定金属材料中较 软及中等硬度的材料 很少用于陶瓷 原理 以一定的载荷 一般3000kg 把一 定大小 直径一般为10mm 的淬硬钢球压 入材料表面 保持一段时间 去载后 负荷与其压痕面积之比值 即为布氏硬 度 值 HB 单 位 为 公 斤 力 mm2 N mm2 2 洛氏硬度洛氏硬度 HR 当HB 450或者试样过小时 不能采用布氏硬度试验 而改用洛氏硬度计量 它是用一个顶角120 的金刚 石圆锥体或直径为1 59 3 18mm的钢球 在一定载 荷下压入被测材料表面 由压痕的深度求出材料的 硬度 洛氏硬度法测量的范围较广 采用不同的压头和负 荷可以得到15种标准洛氏硬度 其中 HRA HRC能 用来测量陶瓷的硬度 实践证明 金属材料的各种硬度值之间 硬度值与强度值之间具有近似的相应关 系 因为硬度值是由起始塑性变形抗力和 继续塑性变形抗力决定的 材料的强度越 高 塑性变形抗力越高 硬度值也就越 高 但各种材料的换算关系并不一致 钢 的不同硬度值的换算 硬度换算 表 常用硬度对照表见图 对3Y TZP 南玻公司提供的测定值HRA 87 日本Tosho公司提供的测定值HRA 91 5 本实验室测定Hv 12 5 GPa 维氏硬度 Hv 陶瓷材料常用 对于普通陶瓷材料 载 荷5 30 Kg 对于脆性材料 如玻 璃 载荷 1 Kg 也称显微硬度 试样要求 表面平整 抛光如镜面抛光如镜面 致 密度高 致 密度高 尺寸大小 形状无要求 计算公式 Hv 1 8544P d2 P 载荷 d 压痕两对角线长度平均值 维氏硬度试样的制备 mounting Fine polishing 维氏硬度计 范例1 金属材料 标样 范例2 陶瓷材料 d1 d2 d d1 d2 2 载荷选择过大 容易 造成硬度测量值偏高 抛光如镜面抛光如镜面 致密度高是前提保证致密度高是前提保证 不是试样抛光了就可以测显微硬度 经过表面抛光处理PMCC样品示意图 问 题 透明陶瓷如何测维氏硬度 努普硬度 HK 努普硬度 Knoop hardness 也是采用金刚 石压头 得到非常浅的金刚石形状的压 痕 特别适合于薄膜类材料的硬度测定 微纳米综合力学测量系统微纳米综合力学测量系统 Open Plateform微纳米综 合力学测量系统主要由 Open Plateform 微纳米 压入测量系统 显微划痕 测量系统 原子力显微 镜 光学显微镜以及高分 辨彩色CCD及图形采集卡 组成 其具体用途如下 动态压入法 Berkovich 或 Vickers金刚石压头 测量薄膜和块体材料显微 硬度 弹性模量 接触刚 度 加载力0 5 300 mN 加载分辨率 40 nN 原子力显微镜观察微纳米压痕形貌 硅基体表面沉积 TiZrCrAlN 复合膜的硬 度曲线和Berkovich压痕形貌 载荷 50 mN 硬度 2450 Hv 断裂韧性测定 1 单边切口梁法 Single Edge Notched Beam 2 Vickers 压痕弯曲梁法 SEPB 3 直接压痕法 Indentation Method 单边切口梁法 SENB 加载速率 0 05 mm min 跨距 20 mm 试样尺寸 6 w 3 b 30 或 4 w 2 b 30 试样尖端裂纹 实际SENB样品照片 单边切口梁法压痕法 单边切口梁法试样制备 刀片厚度刀片厚度刀片厚度刀片厚度 0 05mm0 05mm 开槽设备 读数显微镜 单边切口梁法压痕法 单边切口梁法优点 简单 快捷单边切口梁法优点 简单 快捷 单边切口梁法缺点 测试精度受切口宽度 影响 切口沌化效应 对于细晶材 料 测的的KIC偏高 d 2 5 m 切口宽 度应0 1mm 单边切口梁法近似简化为单边尖锐裂纹试样 SENB计算公式 aYK bw Pl c 2 2 3 1 a 切口深度 Y 几何形状 a w 0 3 0 6 切口宽度 0 1 mm 432 22 25 98 23 66 13 07 3 93 1 wawawawaY Vickers 压痕弯曲梁法 SEPB 思路 思路 尽可能减小人工裂纹尖端的曲率半 径 预制出一条表面贯穿性尖锐人工裂 纹 测试过程测试过程 在试样受拉面中心位置预制一个 Vickers压痕 然后对压痕试样进行预开 裂处理 裂纹预制成功后 即可类似于 SENB技术对试样进行弯曲破坏试验以确 定断裂韧性 压痕试样预制人工裂纹加载构型示意图压痕试样预制人工裂纹加载构型示意图 Vickers 压痕弯曲梁法 SEPB 的缺点 预制裂纹的成功率很低 而进一步控 制裂纹的深度以保证计算公式所要求 的尺寸就更困难 直接压痕法 试样表面要求高 无划痕和缺陷 试样不平 计算公式 计算公式有很多 这里只给出新原皓一提出 的公式 半月型裂纹 c a 2 5 巴氏裂纹 0 25 c a 2 5 5 124 06 0 109 2 caEHK IC 5 124 06 0 5727 0 caEHK IC IM法的优缺点 优点 无需特别制样 可利用很小的样品 测 定Hv的同时获得KIC 简单易行 缺点 1 表面要求高 2 由于压痕周围应力应变场十分复 杂 目前并没有获得断裂力