陶瓷材料力学性能和测试方法ppt课件.ppt

高性能结构陶瓷是指具有高强度 高韧性 高硬度 耐高温 耐磨损 耐腐蚀和化学稳定性好等优异性能的一类先进的结构陶瓷 已逐步成为航天航空 新能源 电子信息 汽车 冶金 化工等工业技术领域不可缺少的关键材料 1 根据材料的化学组成 高性能结构陶瓷又可分为 氧化物陶瓷 如Al2O3 ZrO2 氮化物陶瓷 如Si3N4 AlN 碳化物陶瓷 如SiC TiC 硼化物陶瓷 如TiB2 ZrB2 硅化物陶瓷 如MoSi2 及其他新型结构陶瓷 如Cf SiC复合材料 2 陶瓷的力学性能 1 弹性以及弹性形变金属材料在室温静拉伸载荷下 断裂前一般都要经过弹性变形和塑性变形两个阶段 而陶瓷材料一般都不出现塑性变形阶段 极微小应变的弹性变形后立即出现脆性断裂 延伸率和断面收缩都几乎为零 两类材料的应力 应变曲线对比如下图所示 3 陶瓷材料的弹性变形服从虎克定律 E 1 1 E为弹性模量 是材料原子间结合力的反映 由上可知 陶瓷材料的弹性模量比金属的大很多 陶瓷材料形变的另一特点是 压缩时的弹性模量大大高于拉伸时的弹性模量 即E压 E拉 陶瓷材料压缩时还可以产生少量的压缩塑性变形 金属材料 即使是很脆的铸铁 其抗拉强度也有抗压强度的1 3 1 4 但陶瓷材料的抗拉强度通常不到抗压强度的1 10 4 其弹性变形具有如下特征 弹性模量大这是由共价键和键合结构所决定的 共价键具有方向性 使晶体具有较高的抗晶格畸变 阻碍位错运动的阻力 离子键晶体结构的键方向性虽不明显 但滑移系受原子密排面与原子密排方向的限制 还受静电作用力的限制 其实际可动滑移系较少 此外 陶瓷材料都是多元化合物 晶体结构较复杂 点阵常数较金属晶体大 因而陶瓷材料中位错运动很困难 5 陶瓷材料的弹性模量大小不仅与结合键有关 还与其组成相的种类 分布比例及气孔率有关 温度上升陶瓷材料的弹性模量降低 熔点增加陶瓷材料的弹性模量增加 而当气孔率较小时 弹性模量又随气孔率增加呈线性降低 通常陶瓷材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性模量 由图1 2 可见陶瓷在压缩时 其曲线斜率比拉伸时的大 此与陶瓷材料复杂的显微结构和不均匀性有关 6 7 影响弹性模量的因素 温度 材料的熔点和致密度等 温度由于原子间距以及结合力随温度的变化而变化 所以弹性模量对温度变化很敏感 温度升高 原子间距离增大 弹性模量降低 一般来说 热膨胀系数小的物质往往具有较高的弹性模量 8 熔点物质熔点的高低反映其原子间结合力的大小 熔点与弹性模量成正比关系 在300K以下 弹性模量E与熔点Tm之间满足如下关系 E 1000KTm Va 1 2 式中Va为原子体积或分子体积 K为体积弹性模量 致密度弹性模量随材料致密度的增加而迅速增加 满足如下关系式 E Eo 1 f1P f2P2 1 3 式中Eo为气孔率为0时的弹性模量 f1和f2为由气孔形状决定的常数 P为气孔率 9 陶瓷材料的塑性变形塑性变形是指外应力去除后尚保持着的部分变形 材料在断裂之前所能容忍的形变量越大 则塑性变形越大 许多陶瓷到了高温都表现出不同程度的塑性 但在室温下 绝大多数陶瓷材料均不发生塑性变形 单晶MgO陶瓷因以离子键为主 在室温下可经受高度弯曲而不断裂 这是极个别的特例 10 近年来的研究表明 当陶瓷材料具有下述条件时 可显示超塑性 晶粒细小 尺寸小于1um 晶体是等轴晶 第二相弥散分布 能抑制高温下基体晶粒的生长 晶粒之间存在液相或者玻璃相 典型拥有超塑性的陶瓷材料是用化学共沉淀法制备的含Al2O3的ZrO2粉体 成形后在1250oC左右烧结 可获得相对密度为98 左右的烧结体 这种陶瓷在1250oC 3 5 10 2s 1应变速率下 最大应变量可达400 陶瓷材料的超塑性与晶界滑动或晶界液相流动有关 和金属一样 陶瓷材料的超塑性流动也是扩散控制过程 11 研究结果表明 陶瓷超塑性与金属超塑性的不同点如下 1 超塑性陶瓷的应变速率和应力之间既没有金属超塑性那样的依赖关系 也无单一的n值 2 当存在晶间玻璃相时 陶瓷的n值几乎随玻璃相增加而减小 而超塑性金属的n值几乎随初始晶粒尺寸增大而减小 12 2 硬度硬度是材料的重要力学性能之一 它是材料抵抗局部压力而产生变形能力的表征 由于结合键存在差异 陶瓷与金属的硬度存在较大差异 常用的硬度指标有布氏硬度 HB 洛氏硬度 HR 维氏硬度 HV 莫氏硬度等 表1 1为典型陶瓷材料的熔点和硬度 目前测试陶瓷材料硬度的方法主要有金刚石压头加载压入法 测试内容主要为洛氏硬度和维氏硬度 显微硬度 13 表1 1典型结构陶瓷材点和硬度 表1 1典型结构陶瓷材料的熔点和硬度 14 15 16 3 强度强度与弹性模量和硬度一样 是材料的本征物理参数 陶瓷材料的化学键决定了其在室温下几乎不能产生滑移或位错运动 因此很难产生塑性变型 室温下的强度测定只能得到一个断裂强度 fracturestrength f 固体材料断裂强度的理论值为 th 2Ero 1 4 式中E为弹性模量 ro为原子间结合力最大时原子间距增加量 17 上式是假定理想晶体作完全弹性体脆性断裂时的计算值 实际陶瓷材料的强度至少比理论强度小两个数量级 如Al2O3的 th为46GPa 几乎无缺陷的Al2O3晶须的强度约为14GPa 表面精密抛光的Al2O3细棒的强度约为7GPa 而块状多晶Al2O3材料的强度只有0 1 1GPa 理论计算和实际数值之所以有如此大的差距 主要是由于实际材料内存在微小裂纹所致 陶瓷材料的强度主要包括弯曲强度 拉伸强度 压缩强度等 18 气孔率强度与气孔率的关系近似满足Ryskewitch经验公式 oexp aP 1 5 式中a为气孔率 o为气孔率为零时的强度 P为常数 其值在4 7之间 由此可见 为了获得高强度 应制备接近理论密度的无气孔材料 影响陶瓷材料强度的因素主要有 19 晶粒尺寸与形状 晶界相的性质与厚度强度与晶粒尺寸的关系符合Hall Petch关系式 b o kd 1 2 1 6 式中 o为无限大单晶的强度 k为系数 d为晶粒直径 从上式可以看出 细晶组织对提高材料的室温强度有利无害 而晶界相的性质与厚度 晶粒形状对强度的影响则较为复杂 温度陶瓷材料的一个显著特点是高温强度比金属高很多 当温度T 0 5Tm时 基本保持不变 当温度高于0 5Tm时 才出现明显降低 20 4 断裂韧性断裂韧性是材料抵抗裂纹扩展的能力 是本征属性 与裂纹的大小 形状以及外力大小无关 陶瓷材料对裂纹的敏感性很强 断裂韧性是评价陶瓷材料力学性能的重要指标 常用线弹性力学研究裂纹扩展和断裂的问题 下式用来评价材料的断裂韧性 KIC Y fa1 2 1 7 式中KIC为断裂韧性 f为临界应力 即材料的断裂强度 Y为裂纹的几何形状因子 a为1 2裂纹长度 陶瓷和金属材料的拉伸和弯曲强度并不存在很大差异 但是反映材料裂纹扩展抗力的断裂韧性值却有很大差异 一般低1 2个数量级 21 陶瓷材料断裂韧性的测试方法主要有单边开口梁法和压痕法 具体操作可以参考相关测试技术 陶瓷材料的脆性是限制其相关特性发挥和实际应用的重要因素 为此 人们一直在不断探寻各种方法来增加陶瓷材料的断裂韧性 如 相变增韧 颗粒 晶须或纤维韧化 纳米结构韧化以及通过仿生结构韧化等 具体可参考有关文献 22 1 2 2结构陶瓷的热学性能和抗热震性陶瓷材料的热学性质 如熔点 热容 导热率 热膨胀系数等 不仅对陶瓷的制备具有重要意义 还直接影响它们在工程中的应用 熔点与金属材料相比 耐高温是陶瓷材料优异的特性之一 材料的耐热性一般用高温强度 抗氧化性以及耐烧蚀性等因子来判断 但要成为耐热材料 首先熔点必须高 熔点是维持晶体结构的原子间结合力强弱的参数 结合力越强 原子的热震动越稳定 越能将晶体结构维持到更高温度 熔点就越高 图1 2为各种材料熔点的对照图 可以看出 单质材料中 炭素材料的熔点最高 陶瓷材料中 碳化物的熔点最高 23 图1 2各种材料的熔点 24 摩尔热容晶体材料的摩尔热容对结构不敏感 但是体积热容却取决于气孔率 热膨胀绝大多数晶体材料的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀 陶瓷材料的线膨胀系数一般都不大 约为10 5 10 6 K 热膨胀系数实际并不是一个恒定的值 而是随温度变化的 一般陶瓷材料的线膨胀系数常指20 1000 的平均值 热导率不同陶瓷材料在热导率性能上可以有很大的差别 有些材料是极为优良的绝热材料 有些又是热的良导体 通常 低温时有较高热导率的材料 随温度升高 热导率降低 而低热导率的材料则具有相反的变化特征 25 表1 2一些材料的平均线膨胀系数 26 抗热震性陶瓷材料热应力大小取决于材料的热学性能和力学性能 并且还受构件几何形状和环境介质的影响 所以作为陶瓷材料抵抗温度变化能力大小标志的抗热震性 也必将是其力学性能和热学性能对应于各种受热条件的综合表现 陶瓷材料抗热震性的评价理论主要有 临界应力断裂理论 热震损伤理论和裂纹形成与扩展理论等 这些理论不同程度地存在着局限性 27 影响陶瓷抗热震性的主要因素有 热膨胀系数众所周知 固体材料的热膨胀是由于原子热振动而引起 晶体中的平衡间距由原子间的势能所决定 温度升高则原子的振动加剧 原于间距的相应扩大就呈现出宏观的热膨胀 热膨胀系数较低 抗热震性较好 表1 2一些材料的平均线膨胀系数 28 由表1 2可知 密堆积的离子键氧化物 如Al2O3等 具有较高的热膨胀系数 且随温度升高而增大 大部分硅酸盐晶体 如堇青石 MgO 2Al2O3 5SiO2 和锂霞石 Li2O Al2O3 2SiO2 由于晶体中原子堆积较松 其热膨胀系数较低 抗热震性较好 共价键晶体 如SiC等 虽然其晶体中原子紧密堆积 但由于具有高的价键方向性和较大的键强度 晶格振动需要更大的能量 因而其热膨胀系数较小 即共价晶体热膨胀系数比离子晶体低 为了改善陶瓷材料的抗热震性 应选择热膨胀系数较小的组分 29 热导率抗热震性好的陶瓷材料 一般具有较高的热导率 由于热在陶瓷中的传导主要依靠晶格振动 因而硬度高的SiC陶瓷由于晶格振动速度大 其热导率较高 MgO Al2O3和BeO等纯氧化物陶瓷的热导率比结构复杂的硅酸盐要高 弹性模量热应力是弹性模量的增值函数 陶瓷材料的弹性模量比较高 所产生的热应力也较高 一般弹性模量随原子价的增多和原子半径的减小而提高 因此选择适当的化学组分是控制陶瓷材料弹性模量的重要途径之一 前面讨论陶瓷材料的弹性模量 f随气孔率的增大而减小 因此为了提高陶瓷的抗热震性 应增大气孔率 降低弹性模量 30 断裂能断裂表面能是决定材料强度和断裂韧性的重要因素 无论是抗热震断裂还是抗热震损伤 均是断裂能的增值函数 因此 凡是能提高材料断裂能的组分和显微结构均能提高陶瓷材料的抗热震性 31 l 2 3陶瓷材料的断裂过程陶瓷材料的断裂过程都是以其内部或表面存在的缺陷为起点而发生的 晶粒和气孔尺寸在决定陶瓷材料强度方面与裂纹尺寸有等效作用 缺陷的存在是概率性的 当内部缺陷成为断裂原因时 随试样体积增加 缺陷存在的概率增加 材料强度下降 表面缺陷成为断裂源时 随表面积的增加 缺陷存在概率也增加 材料强度也下降 32 陶瓷材料断裂概率可以最弱环节理论为基础 按韦伯分布函数考虑 可以认为同一组材料 韦伯模数是固定值 陶瓷材料在考虑其平均强度时 用韦伯模数m度量其强度均匀性 若两种陶瓷材料平均强度相同 则在一定的破坏应力下 m值大的材料比m值小的材料发生破坏的可能性要小 可以认为 陶瓷材料的断裂是以各种缺陷为裂纹源 在一定拉伸应力作用下 其最薄弱环节处的微小裂纹扩展 当裂纹尺寸达到临界值时 陶瓷材料在瞬间断裂 33 34 l 2 4陶瓷材料强度的测量如同金属材料一样 强度是陶瓷的最基本的性能 大量试验结果表明 陶瓷的实际强度比其理论值小1 2个数量级 只有晶须和纤维的实际强度较接近理论值 格里菲斯 Griffith 裂纹强度理论成功地解释了这一差异 35 A弯曲强度弯曲强度是评定陶瓷材料强度的主要实验方法 分为三点弯曲强度和四点弯曲强度 试样尺寸 长度LT 36mm 宽度为b 厚度为h 跨距为L 30 0 5mm l 10 0 5mm 加压载头Rl 2 0 5 0mm R2 2 0 3 0mm 常用的试样截面尺寸为b h 4mm 3mm 弯曲实验时 以0 5mm min的位移速度加载 求出最大断裂载荷 再按下式计算弯曲强度 36 37 四点弯曲实验的最大弯矩范围较宽 其应力状态接近实际零部件的服役状态 故较为实用 由于四点弯曲试样工作部分缺陷存在的几率较大 因而同一材料的四点弯曲强度比三点弯曲强度低 材料的韦伯模数越小时 b3和 b4的差值越大 在室温条件下 陶瓷材料不发生屈服 常在形变量较小 0 0l 的状态下即发生脆性断裂 当温度提高到一定程度 约1000oC 时 大部分陶瓷材料由脆性转化为半脆性 断裂前将出现不同程度的塑性变形 优良的高温结构陶瓷材料其强度可保持到较高温度 1000 1200 而不下降 38 B拉强度设计陶瓷零部件时常用其抗拉强度值作为判据 陶瓷材料由于脆性大 在拉伸试验时易在夹持部位断裂 加之夹具与试样轴心不一致产生附加弯矩 因而往往测不出陶瓷材料真正的抗拉强度 为保证正确进行陶瓷材料的拉伸试验 需要在试样及夹头设计方面做许多工作 如在平形夹头中加橡胶垫固定薄片状试样 可防止试样在夹持部位断裂 并利用试样的弹性变形减少附加弯矩 由于测定陶瓷材料抗拉强度在技术上有一定难度 所以常用弯曲强度代之 弯曲强度比抗拉强度高20 40 实际上 两者之差随试样尺寸 韦伯模数和断裂源位置等不同而不同 39 C抗压强度陶瓷材料的抗压强度远大于其抗拉强度 两者相差10倍左右 因而陶瓷材料特别适于制造承受压缩载荷作用的零部件 国家标准规定 压缩试样尺寸为直径9 0mm 0 05mm 长度18mm 0 10mm 两端面研磨成平面并互相平行 40 1 2 5陶瓷材料的断裂韧性目前国内外测定陶瓷材料断裂韧性的方法尚无统一标准 常用的方法有单边切口梁法 压痕法 双扭法和双悬臂梁法 本节只简要介绍前两种测定方法 A单边切口粱法该法所用的试样见图1 12 在试样的一侧用薄片金刚石砂轮加工出长度为a的裂纹 宽度小于0 2mm 试样的截面尺寸w b 5mm 5mm 或5mm 2 5mm 切口深度n为试样厚度w的1 10 1 4 1 2 三点弯曲跨距L 20 40mm 加载速率为0 05mm min 41 42 该方法适用于在高温和各种介质条件下测定KIC 其优点是数据分散性小 重现性较好 试样加工和测定方法比较简单 这是目前广泛采用的一种方法 其缺点是测定的KIC值受切口宽度影响较大 切口宽度增加 KIC增大 误差也随之增大 若能将切口宽度控制在0 05 0 10mm以下 或在切口顶端预制一定长度的裂纹 则可望提高KIC值的准确性 43 B压痕法用维氏或显微硬度压头 压入抛光的陶瓷试样表面 在压痕对角线延长方向出现四条裂纹 测定裂纹长度 根据载荷与裂纹长度的关系 求得KIc值 压入维氏硬度压头的载荷常用29 4N 使压痕对角线裂纹长度在100 m左右 裂纹为半椭圆形或半圆形 压痕法的优点是测试方便 可以用很小试样进行多点韧度测试 但此法只对能产生良好压痕裂纹的材料才有效 由于裂纹的产生主要是残余应力的作用 而残余应力又起因于压痕周围塑性区与弹性基体不匹配 因此 这种方法不允许压头下部材料在加载过程中产生相变或体积致密化现象 同时压痕表面也不能有碎裂现象 44 45 压痕法通常用于对材料韧度的相对评价 因压痕周围应力状态复杂 有可能出现K c K c混杂的情况 此外 表面质量 加载速率 载荷保持时间 卸载后的测量时间等因素对裂纹长度均有影响 因此 测定KIc值的误差较大 KIc的数值按照下列公式计算 46 材料的断裂韧度是其强度和塑性的综合反映 金属材料随强度提高 其塑性往往降低 断裂韧度也随之降低 陶瓷材料的强度与断裂韧度的变化关系与金属材料相反 随陶瓷强度水平提高 其KIc值也随之增大 这种不同的变化规律是由于金属材料断裂前在裂纹尖端产生大量塑性变形 消耗很大的塑性功 阻碍裂纹扩展所致 对于塑性较好的结构钢 其缺陷或裂纹对材料的强度或韧性的影响很小 只有在高强度或超高强度状态下 缺陷或裂纹才对钢的强韧性产生显著影响 陶瓷材料在室温下几乎没有塑性 裂纹扩展时 其尖端塑性区很小 消耗的功也很小 因而缺陷或裂纹大小对强韧性的影响十分敏感 47 通常陶瓷与金属的断裂强度 C属于同一数量级 而陶瓷的KIC值比金属小1 2个数量级 因此 陶瓷中的临界裂纹长度比金属小2 4个数量级 由以上可知 欲提高陶瓷材料的强度 应尽量减小其内部缺陷和裂纹 选用超细粉原料 采用热压或热辱静压工艺 可以降低陶瓷中的缺陷和裂纹的数量及大小 利用ZrO2相变增韧 微裂纹增韧 第二相或纤维增韧等手段 均可增加裂纹扩展阻力 这些都是提高陶瓷材料强度和韧性的有效措施 48 1 2 6陶瓷材料的疲劳强度在机械零部件上应用工程陶瓷时须了解其长期耐用性 对金属材料的蠕变 高周疲劳 低周疲劳 热疲劳等的研究已较为深入 而陶瓷材料在这些方面的研究尚属起步阶段 陶瓷材料的疲劳包括静态疲劳 动态疲劳 循环疲劳和热疲劳等 A静态疲劳这是在静载荷作用下 材料的承载能力随时间延长而下降产生的断裂 对应于金属材料中的应力腐蚀和高温蠕变断裂 当外加应力低于断裂应力时 陶瓷材料也可能出现亚临界裂纹扩展 这一过程与温度 应力和环境介质诸因素密切相关 49 陶瓷材料的亚临界裂纹扩展速率与应力强度因子之间的关系示于图1 14 图中包括了四个区域 KI Kth区 裂纹不发生亚临界扩展 Kth为应力强度因子门槛值 低速区 I区 裂纹扩展速率da dt随KT提高而增大 材料与环境介质之间的化学反应不是裂纹扩展速率的控制因素 中速区 区 裂纹扩展速率仅与环境有关而与KI无关 高速区 区 裂纹扩展速率如da dt随KT变化呈指数关系增长 与环境介质无关 这一阶段的速率取决于材料的组分 结构和显微组织 50 51 工程陶瓷零件的使用寿命 几乎完全由其裂纹慢速扩展区 I区 决定 对I区而言 裂纹扩展速率da dt与应力强度因子K1之间的关系为 陶瓷材料的静强度值分散性很大 所以其疲劳强度值的分散性更大 为此 在试验方法上应增大测量时间范围 在数据处理上 必须考虑试验数据的概率分布 图1 15为两种以MgO为稳定剂的部分稳定氧化锫陶瓷材料 Mg PSZ MS和TS的静态疲劳曲线 曲线图采用双对数坐标 弯曲强度与断裂时间呈直线关系 直线的斜率即为 l n 由此可以求得应力腐蚀指数n值 52 53 B动态疲劳这是以恒定载荷速率加载 研究陶瓷断裂对加载速率敏感性的试验验 类似于金属材料应力腐蚀研究中的慢应变速率拉伸 C循环疲劳循环疲劳是在循环载荷作用下 陶瓷材料的低应力断裂 金属疲劳以塑性变形为先导 在交变载荷作用下 材料在远低于静强度的低应力下发生断裂 陶瓷是脆性材料 其裂纹尖端塑性区很小 疲劳破坏以慢速龟裂扩展的方式发生 关于陶瓷材料是否存在真正的循环疲劳效应 目前的看法还不相同 54 D热疲劳热疲劳是陶瓷材料在温度周期性反复变化条件下产生的疲劳 其本质与循环应变产生的疲类似 图1 16是以MgO为稳定剂的部分稳定氧化锆 Mg PSZ 陶瓷材料的疲劳曲线 图中结果表明 材料的循环疲劳寿命与载荷的交变频率无关 需要注意的是 金属材料的疲劳寿命通常用循环周次表示 而陶瓷材料的疲劳寿命则用断裂时间表征 由图可见 高强韧性陶瓷材料的静态疲劳寿命高于循环疲劳寿命 此与陶瓷材料的非线性争E特性有关 陶瓷材料非线性出e关系是由于裂纹尖端的高应力区不可逆地吸收能量所致 相变增韧 微裂纹增韧 以及纤维增强增韧等均可导致陶瓷材料不可逆吸收能量过程 从而影响疲劳寿命 55 56 E陶瓷材料疲劳特性评价陶瓷材料的疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子幅之间的关系同样符合Paris公式 金属材料的n值一般在2 7之间 陶瓷的n值比金属大得多 一般在10以上 陶瓷的疲劳裂纹扩展门槛值 Kth与断裂韧度KIc 之比值较金属大 陶瓷一般为0 4