陶瓷材料的力学性能

陶瓷材料力学性能,陶瓷材料力学性能,前言,本章主要内容陶瓷材料的结构陶瓷材料的变形与断裂陶瓷材料的强度陶瓷材料的硬度与耐磨性陶瓷材料的断裂与增韧陶瓷材料的疲劳陶瓷材料的抗热震性,第一节、陶瓷材料的结构,一、陶瓷材料的组成与结合键陶瓷晶体是以离子键和共价键为主要结合键，一般为两种或两种以上不同结合的混和形式。离子键和共价键是强固的结合键，故陶瓷材料具有高熔点、高硬度、耐腐蚀和无塑性等特性二、陶瓷材料的显微结构其显微结构包括相及相分布、晶粒尺寸和形状、气孔大小和分布、杂志缺陷及晶界等。陶瓷材料有晶相、玻璃相和气相组成。它们分别可以起到决定其物理化学性能黏结晶相填充气体以及降低致密度等作用,三.通常，陶瓷材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性模量,第二节、陶瓷材料的变形与断裂,一、陶瓷材料的弹性变形绝大多数的陶瓷材料在室温下拉伸或弯曲，均不产生塑性变形，呈脆性断裂特性。陶瓷材料与金属材料相比，其塑性变形具有以下特点：1）弹性模量大，这表明由其共价键和离子键的结合结构所决定的。此外，陶瓷材料都是多元化合物，晶体结构交复杂，点阵常数交金属晶体大，因而陶瓷材料的弹性模量较高。,金属,陶瓷,陶瓷材料与金属材料的拉伸应力-应变应变曲线,2）陶瓷材料的弹性模量不仅与结合键有关，还与其组成相得种类、分布比例及气孔率有关,陶瓷材料的断裂,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，陶瓷材料断裂概率以最弱环节理论为基础，按韦伯分布函数考虑，韦伯分布函数表示材料断裂概率的一般公式为：,第三节、陶瓷材料的强度一、抗弯强度弯曲试验室评定工程陶瓷材料强度的主要试验方法，可以采用三点弯曲或者四点弯曲试验方法。,二、抗弯强度,设计陶瓷零件时常用其拉伸强度值作为判据。为了保证正确进行陶瓷材料的拉伸试验，可以在平行夹头中加橡胶垫固定薄片状式样，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。,三、抗压强度,陶瓷材料的压缩强度远大于其抗拉强度，二者相差10陪左右。陶瓷材料抗拉强度与抗弯强度显著不同时由于在两种受载条件下裂纹扩展行为不同所致。,第四节、陶瓷材料的硬度用户耐磨性,一、陶瓷材料的硬度,陶瓷材料的硬度高是优点之一，常用HRA、HR45N、维氏HV或努氏硬度HK表示二、陶瓷材料的耐磨性工程陶瓷硬度高，所以其耐磨性也比较高。,（一）陶瓷材料的表面接触特性,1、与金属材料相同，陶瓷材料表面也存在局部微凸起，其外侧常有水蒸气或碳-氢化合物形成的表面层，陶瓷材料表面加工还可以产生显裂纹或其他缺陷。,2.陶瓷材料摩擦副接触受载时，真实接触面积上的局部应力一般仅引起弹性形变。,（二）、陶瓷材料的摩擦磨损,陶瓷材料的摩擦学特性，与对磨件的材料种类和性能、摩擦条件、环境，以及陶瓷材料自身的性能和表面状态等诸多因素有关，需要系统地进行研究。,温度对陶瓷摩擦因数有重要的影响。如下图所示,陶瓷材料在滑动摩擦条件下的磨损过程不同于金属材料，其磨损机理主要是以微断裂方式导致的磨粒磨损。有上图可知横向裂纹的形成，并扩展至表面或与其他裂纹相交，即导致陶瓷材料碎裂、剥落和流失。由于陶瓷料对环境介质和气氛极为敏感，因此在特定条件下还可能形成摩擦化学磨损。这是由于陶瓷材料特有的磨损机理。这种磨损涉及表面、材料结构，热力学与化学共同作用的摩擦化学问题。,第五节、陶瓷材料的断裂韧度与增韧,一、陶瓷材料的断裂韧度工程陶瓷的断裂韧度值比金属低1-2个数量级。,1、单边切口梁法优点：(1)数据分散性好；(2)重现性好；(3)试样加工测定方法比较简单，是目前广泛采用的一种方法。缺点：测定的KIC值受切口宽度影响较大，切口宽度增加，KIC增大，误差随之增大。如果能将切口宽度控制在0.050.10mm以下，或在切口顶端预制一定长度的裂纹，可望提高KIC值的稳定性。,比金属低1-2个数量级。,2、山形切口法,山形切口法中切口剩余部分为三角形，其顶点处存在应力集中现象，易在较低载荷下产生裂纹，所以不需要预制裂纹。当试验参数合适时，这种方法能产生裂纹稳定扩展，直至断裂。切口宽度对KIC值影响较小，测定值误差也较小，也适用于高温和在各种介质中测定KIC值，但是测试试样加工较困难，且需要专用的夹具。,3、压痕法,用维氏或显微硬度压头，压入抛光的陶瓷试样表面，在压痕时对角线方向出现四条裂纹，测定裂纹长度，根据载荷与裂纹长度的关系，求出KIC值,二、陶瓷材料的增韧,工程陶瓷有一系列的优异性能，如优良的高温力学性能、耐磨、耐蚀、电绝缘性好等；但是这种材料在收到外力作用断裂过程中，只有单一的增加新的断裂表面的表面能，没有其他消耗能量的渠道，因此其脆性大，应受到限制。金属材料强度提高，塑性往往下降，断裂韧度也随之降低。陶瓷增韧的方法有多种。,1、改善陶瓷结构晶粒形状也影响陶瓷韧性。2、相变增韧这是ZrO2陶瓷的典型增韧机理，通过四方相转变成单斜相来实现。ZrO2陶瓷有三种晶型，从高温冷至室温时将发生如下转变：,3、裂纹增韧,陶瓷陶瓷材料中的微裂纹是相变体积膨胀是产生的；或者是由于温度变化基体相与分散相之间热膨胀性能不同产生的；还可能好似材料中原本已经存在的。,第六节、陶瓷材料的疲劳,一、陶瓷材料的疲劳类型陶瓷的疲劳包括循环疲劳、静态疲劳和动态疲劳。（一）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，包括四个区域KIKth区、低速区、中速区、高速区,二、循环疲劳这是陶瓷材料在循环载荷作用下产生的低应力断裂。,二、陶瓷材料疲劳特性评价,陶瓷材料的应力腐蚀开裂比疲劳更难产生。通常陶瓷材料在交变载荷作用下，随着K值增大开始产生疲劳裂纹扩展，随后产生应力腐蚀裂纹扩展，因此需要考虑疲劳和应力腐蚀对裂纹扩展的叠加效应。,第七节、陶瓷材料的抗热震性,热震破坏分为两种：由热震引起的瞬时断裂，称为热震断裂；在热冲击循环作用下，材料先出现开裂，随之裂纹扩展导致材料强度降低，最终整体破坏，称为热震损伤。陶瓷材料的抗热震性事其力学性能和热学性能的综合表现，不仅受几何因素、破坏介质的影响，同时也取决于材料的强度和断裂韧度。,二、抗热震损伤用热弹性应变能表示的抗热震损伤参数R为：,用热弹性应变能和断裂表面能表示的抗热震损伤参数R，为：,对于急剧加热或冷却的陶瓷材料，其抗热震参数R为：,对于缓慢加热或冷却的陶瓷材料，其抗热震参数R为：,有上述可知，欲提高陶瓷材料抗热震断裂能力，要求材料的强度高、弹性模量低，同时热导率要大，热膨胀系数要小；而要提高陶瓷材料抗热震损伤能力，对材料力学性能的要求恰好相反，这是由于二者破坏过程不同、判据不同所致。但是由于在