材料力学行为课件：第六章 陶瓷材料的力学行为

1、第六章 陶瓷材料的力学行为,一 陶瓷材料的物质结构和显微结构,1 陶瓷材料的结合键,离子键,共价键,（1）离子键：有正离子和负离子相互吸引形成的结合键。,如CaO,MgO,Al2O3,ZrO2,离子键构成的材料具有高熔点和高硬度，塑性差。,(2) 共价键：由原子之间共享价电子而形成的结合件。,例如Si，C（金刚石），SiC，Si3N4等,共价键的特点：具有明确的方向，共价键的键角为109.有共价键构成的材料具有高熔点和高硬度，塑性差。,2 陶瓷材料的组织结构（相组成）,晶相、玻璃相和气相,（1）晶相：陶瓷材料主要组成相，决定陶瓷材料的性能，如物理化学和力学性能。晶相的结合键为离子键和共价键。,

2、陶瓷晶相也有缺陷，点缺陷、线缺陷和面缺陷，比如位错和晶界、亚晶界等。,（2）玻璃相,非晶态固体，在陶瓷材料烧结过程中各组成相与杂质产生一系列化学反应，形成液相，冷却凝固时形成非晶态玻璃。,玻璃相的作用？,有利：将分散的晶相颗粒粘接在一起，降低烧结温度，抑制晶相的晶粒长大并填充气孔。,不利：玻璃相热稳定性差，在较低温度下开始软化，导致陶瓷在高温下发生蠕变。玻璃相中存在金属离子，降低陶瓷材料的绝缘性。,陶瓷材料控制玻璃相的数量，一般在20-40%。,（3）气相，即陶瓷中的气孔,气孔是陶瓷材料制备中不可避免地残留下来。陶瓷材料中的气孔数量：5-10%。,气孔对陶瓷材料的影响？,不利的影响：降低陶瓷材

3、料的强度，使介电损耗大，电击穿强度降低，绝缘性减低。,气孔可以加以利用吗？,降低陶瓷密度，吸收振动和隔绝噪音。,多孔陶瓷，气孔率大于20-30%,二 陶瓷材料的力学性能,概括地讲，陶瓷材料具有高硬度、耐高温和抗氧化、耐腐蚀和优良的物理化学性能。,1 力学性能,（1）强度,陶瓷材料的晶相由离子键和共价键组成，理论断裂强度很高。,实际上，陶瓷材料强度的测定值远远小于理论断裂强度。,原因是什么？,实测强度/理论强度：1/31/150,原因之一：陶瓷材料的气相，如同裂纹； 之二：固相组织结构复杂不均匀，导致内应力增加，增加了微裂纹形成的可能性 之三：陶瓷材料的微裂纹的尺寸比金属材料的大,（2）抗压强度

4、,陶瓷材料抗压不抗拉。,抗压强度远远大于抗压强度。,（3）弹性模量,陶瓷材料具有高的弹性模量，大于金属材料的弹性模量。,（4）陶瓷材料的脆性,陶瓷材料脆性大是其致命的弱点。,脆性的来源,陶瓷晶相本身的滑移系非常少,显微组织中存在裂纹,陶瓷材料的断裂能比金属的低几个数量级。,陶瓷材料：40-109J/m2,金属：103-5J/m2,2 陶瓷材料的物理化学性能,（1）陶瓷材料的熔点高（熔点一般高于2000C），耐高温，膨胀系数小，热导率低（与气孔数量有关）。,（2）陶瓷材料具有特殊的光学性能，用于制造固体激光材料和光线。,（3）有些陶瓷材料具有特性，用于磁芯、磁带和磁头的制造。,（4）陶瓷材料的化

5、学稳定性高，在1000 C下不氧化，对酸碱盐具有很好的耐腐蚀性，用于化工行业耐腐蚀零件。,三 陶瓷材料强度的影响因素和陶瓷材料的增韧,1 影响陶瓷材料强度的因素,（1）气孔,气孔的大小、数量和分布影响陶瓷材料的强度,气孔数量（气孔率）增加，弹性模量降低，陶瓷材料的强度降低。,陶瓷材料的断裂强度与弹性模量的平方根成正比,s是强度，p是气孔率，b是常数，s0是气孔率为零时的强度。,Al2O3-SiO2-MgO,（2）微裂纹和晶粒尺寸的影响,微裂纹的形成：陶瓷晶粒弹性和热膨胀的各向异性引起的残余应力导致裂纹形成的。,TiO2陶瓷,对于陶瓷材料，也建立了晶粒尺寸和强度的经验关系,D:晶粒平均直径，s0

6、、s1是常数,陶瓷中微裂纹真得这么一无是处吗？,有人提出微裂纹可以钝化裂纹尖端，松弛能量，提高强度。,2 陶瓷材料的增韧,克服致命弱点,常用的增加机制和方法如下,（1）ZrO2相变增韧,ZrO2晶体结构和相变,单斜相,四方相,立方相,1100C,2300C,马氏体相变,伴随体积膨胀,关键：如何将1100度以上的四方相保留到室温？,两个途径,途径一：将ZrO2颗粒弥散在陶瓷基体中，因为基体的强烈约束，抑制马氏体相变，四方ZrO2保留下来,途径二：加入稳定四方ZrO2的物质，如CaO，Y2O3，CeO等，将部分四方ZrO2颗粒保留到室温，称为部分稳定ZrO2 （PSZ)。,室温下四方ZrO2在热力

7、学上不稳定？有单斜相发生马氏体相变的趋势。,室温下：单斜相和四方相化学自由能差（相变驱动力不够），需要外力做功补偿驱动力的缺少值，使相变发生。宏观上表现为陶瓷材料断裂消耗了更多的能量，从而表现出好的韧性。,（2）韧性相增韧,思路：在陶瓷材料中分布韧性相（金属），在裂纹扩展中起着附加吸收能量的作用。,韧性相改善陶瓷材料韧性的机制?,1）在裂纹尖端，韧性相发生大范围屈服和塑性变形，以塑性变形功的形式吸收外力做功，增加裂纹扩展的阻力； 2）裂纹尖端韧性相屈服有助于钝化裂纹，缓解应力集中，在一定程度提高裂纹扩展阻力。,实际中金属相如何增加裂纹扩展阻力呢？,根据金属和陶瓷浸润程度而不同,金属很好的浸润陶

8、瓷形成金属网络,裂纹,裂纹尖端收到金属韧性相很好的屏蔽，裂纹面也会因为金属相塑性好而出现桥接现象，是裂纹有闭合趋势，增加裂纹扩展阻力，提高陶瓷材料的韧性。,金属不能很好的浸润陶瓷，以分散颗粒存在于陶瓷基体中。,金属粒子在裂纹前方和后方起到钉扎作用和桥接作用。增加了裂纹扩展阻力，提高陶瓷的韧性。,（3）纤维（晶须）增韧,在陶瓷材料中引入纤维或者晶须，一方面为陶瓷基体分担外加应力，另一方面裂纹为避开纤维，沿着纤维与基体界面扩展传播，增加裂纹扩展阻力。,裂纹尖端，基体和纤维之间脱开,纤维的桥接作用,显著增加裂纹扩展阻力，提高陶瓷材料的韧性,纤维与陶瓷基体结合力要控制适当,（4）控制显微组织增韧,1）

9、晶粒形状对增韧的影响,柱状晶粒中裂纹扩展路径,等轴晶粒中裂纹扩展路径,晶粒为长柱状陶瓷材料的断裂韧性比等轴状陶瓷材料的高。,（2）晶粒尺寸的影响,对于陶瓷材料，晶粒尺寸对韧性的影响规律复杂。,Al2O3陶瓷韧性随晶粒尺寸的增加而减小,SiN陶瓷随着晶粒尺寸的增加先增后减,四 陶瓷材料的弹性变形和塑性变形,1 弹性变形,陶瓷材料在室温静拉伸载荷下不出现塑性变形，弹性变形结束后发生断裂。,弹性变形行为取决于弹性模量。,气孔率对弹性模量的影响,工艺过程对陶瓷材料的弹性模量有重要影响。,陶瓷材料的弹性模量仅次于金刚石。,室温下陶瓷材料的主要变形方式是弹性变形,2 陶瓷材料的塑性,陶瓷材料在低温下没有塑

10、性，表现为脆性断裂。,原因是什么？,五 陶瓷材料的高温性能,1 陶瓷材料高温下的塑性变形,陶瓷材料在高温下可以发生明显的塑性变形,2 陶瓷材料在高温下的蠕变,（1）陶瓷材料高温下的蠕变曲线,具有三个阶段,I 减速蠕变,II 稳定蠕变,III 快速蠕变,（2）陶瓷材料蠕变行为的特点（影响陶瓷材料蠕变行为的因素）,1）受陶瓷晶体结构的影响,类似金属材料,2)显微结构对陶瓷蠕变行为的影响,气孔的影响,气孔率增加，陶瓷材料的蠕变率增加,玻璃相的影响,玻璃相降低陶瓷材料抗蠕变的能力,与玻璃相的分布有关,3）晶粒尺寸的影响,晶粒尺寸越小，蠕变率增加,（3） 陶瓷材料的蠕变断裂,陶瓷材料蠕变断裂的方式是沿晶

11、断裂。,应力集中理论,孔穴聚集理论,高温下晶界发生粘性流动，在晶界交界处产生应力集中。应力集中得不到缓解，就有可能产生裂纹。,在应力和温度的作用下，受拉晶界空位浓度大大增加，空位大量聚集，可以产生裂纹。,3 陶瓷材料的抗热震性能,（1）抗热震性能,材料经受温度剧烈变化而不发生破坏的能力。,2）热震破坏的分类,瞬时断裂：热冲击断裂,热震损伤：在热冲击循环作用下材料出现开裂、剥落直到最后断裂。,3）热震破坏的机制,热弹性理论：,断裂力学理论：,当热震温差引起的热应力超过材料的断裂应力时导致材料瞬时断裂。,热应力引起的弹性变形，体系中的弹性应变能足以支付裂纹扩展所需的新生表面能，裂纹扩展。,4）陶瓷

12、材料容忍的最大温差和变温速率,(陶瓷材料的抗热震参数）,陶瓷材料的最大热应力sHmax,m：力学行为参数；H：热处理条件；S：试样几何因子；T：温度有关的参数,材料的尺寸和热处理条件相同,发生热震破坏的条件：,临界温度函数r(Tc)：发生热震破坏时对应的温度函数称为临界温度函数。,陶瓷材料抗热震断裂的指标,如何求出临界温度函数r(Tc)？,第一种情况：极端情况：急剧加热或者冷却,临界温度函数就是温度差DTC,均匀试样从高温T1状态立即抛入低温T0的介质中。,表面收缩率 a（T0-T1）,心部未收缩，表层就受到心部的张力 Ea（T0-T1)/(1-),临界状态DTc（ DTc=T0-T1）,急冷

13、或者急热条件下临界热震参数,第二种情况：缓慢冷却或者加热过程,陶瓷材料的热震参数仍为临界温度差 DT，可表示为,k是是材料的热导率，A是试样几何形状和热处理有关的常数,第三种情况：以恒定的速率加热或者冷却,对于几何形状简单的构件，表面应力sH计算如下,在恒速受热或者冷却条件下，热震参数是临界变温速率,陶瓷材料能容忍的最大升温和冷却速率,4 陶瓷材料的疲劳行为,（1） 陶瓷材料的疲劳行为与金属材料疲劳行为的区别,陶瓷材料的疲劳,金属材料的疲劳,交变载荷长期作用下的破坏,交变载荷、恒定载荷、 恒定载荷速率,静态疲劳 循环疲劳 动态疲劳,循环疲劳,陶瓷材料疲劳含义更广,局部塑形变形，累积损伤,很难塑

14、形变形，是否有损伤累积？,载荷特征,疲劳种类,疲劳机理,（2 ）陶瓷材料的疲劳行为分类,1） 静态疲劳,在一定的载荷下材料的耐用应力随着时间的延长而下降的现象。,类似于金属的延迟断裂,施加的应力低于陶瓷断裂应力，陶瓷材料也出现裂纹亚稳态扩展阶段。,第一阶段：KIKth, 裂纹不发生扩展。,第二阶段（I区）：裂纹扩展速率da/dt随着KI的增加而增加。（与环境无关）,A 陶瓷材料中的裂纹扩展,裂纹不扩展,II区,I区,工程陶瓷零件的使用寿命由哪个区域决定的？,由I区决定的。,A,n是经验常数。,第三阶段（II区）：裂纹扩展速率与K无关，只与环境有关。,第四阶段（III区）：裂纹扩展速率与K呈指数

15、关系。扩展速率取决于材料组织成分和结构。,预测陶瓷材料的静疲劳强度，主要通过确定A,n的值来确定，主要是n值。,II区,I区,III区,裂纹不扩展,B 陶瓷材料的疲劳强度,陶瓷材料的疲劳强度分散性大。,类似于金属的疲劳强度,抗弯强度随时间的变化,2） 陶瓷材料的循环疲劳,在循环应力作用下的疲劳行为,两个问题,问题1：在陶瓷材料中，是否有裂纹尖端塑性区和应变损伤累计？,问题2：陶瓷材料是否发生疲劳破坏？,由静疲劳的da/dt-KI曲线的数据预测循环载荷的裂纹扩展数据。 预测值与试验值吻合！,陶瓷,玻璃,循环载荷作用下陶瓷的裂纹速率高于静载荷下的裂纹扩展速率！,循环载荷作用下疲劳裂纹扩展速率高于静载荷下的裂纹扩展速率。,有相变增韧陶瓷，循环载荷下的裂纹扩展速率高于静载荷下的裂纹扩展速率。,在非相变增韧的陶瓷材料中，循环载荷引起的附加损伤较小。,对于相变增韧陶瓷，循环应力引起的损伤明显，循环载荷下的疲劳裂纹扩展速率高于静载荷下的裂纹扩展速率。,循环损伤的形式：裂纹尖端微裂纹、马氏体相变、蠕变以