第十章 陶瓷材料的力学性能

1、10.1 陶瓷材料的概述 10.2 陶瓷材料的变形与断裂 10.3 陶瓷材料的强度 10.4 陶瓷材料的断裂韧度与增韧 10.5 陶瓷材料的其他性能 陶瓷材料陶瓷材料是与是与金属材料金属材料、高分子材料高分子材料并列的三大固体材料并列的三大固体材料 之一。其间的主要区别在于之一。其间的主要区别在于化学键化学键不同。不同。 一、陶瓷材料的特点一、陶瓷材料的特点 （1 1）陶瓷材料的相组成特点）陶瓷材料的相组成特点 晶相晶相-1 1 玻璃相玻璃相-2 2 气相气相-3 3 2 n晶相晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性 质的主要是晶相

2、。质的主要是晶相。 n玻璃相玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密度、的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密度、 降低烧结温度和抑制晶粒长大。降低烧结温度和抑制晶粒长大。 n气相气相是在工艺过程中形成并保留下来的。是在工艺过程中形成并保留下来的。 三部分组成示意图三部分组成示意图 3 （2 2）陶瓷材料的结合键特点）陶瓷材料的结合键特点 陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化 物等，因而其结合键以物等，因而其结合键以离子键离子键( (如如AlAl2 2O O3 3) )、共价键共价键( (如如Si Si3 3N N4

3、4) )及两及两 者的者的混合键混合键为主。为主。 共价键共价键离子键离子键 4 （3 3）陶瓷材料的性能特点）陶瓷材料的性能特点 -最显著的特点：硬而脆最显著的特点：硬而脆 陶瓷材料具有高熔点、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、陶瓷材料具有高熔点、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、 耐腐蚀等特性。耐腐蚀等特性。 陶瓷材料还具有密度小、弹性模量大、耐磨损、强度高陶瓷材料还具有密度小、弹性模量大、耐磨损、强度高 等特点。等特点。 功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能。功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能。 韧性陶瓷硬度压痕韧性陶瓷硬度压痕脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹 5 （4 4）陶

4、瓷材料的工艺特点）陶瓷材料的工艺特点 陶瓷具有硬度高、脆性大的特点，大部分陶瓷是通过粉体陶瓷具有硬度高、脆性大的特点，大部分陶瓷是通过粉体 成型和高温烧结来成形的，因此陶瓷是成型和高温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体烧结体。 烧结体也是固相反应形成晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，烧结体也是固相反应形成晶粒的聚集体，有晶粒和晶界， 所存在的问题是其存在一定的气孔率。所存在的问题是其存在一定的气孔率。 AlAl2 2O O3 3粉末的烧结组织粉末的烧结组织 ZrOZrO2 2陶瓷中的气孔陶瓷中的气孔 6 二、陶瓷材料的分类二、陶瓷材料的分类 （1 1）按化学成分分类）按化学成分分类 可将陶瓷材料分为氧化

5、物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶 瓷及其它化合物陶瓷。瓷及其它化合物陶瓷。 导电玻璃导电玻璃 玻璃幕墙玻璃幕墙 7 2、按使用的原材料分类、按使用的原材料分类 可将陶瓷材料分为可将陶瓷材料分为普通陶瓷普通陶瓷和和特种陶瓷特种陶瓷。 n普通陶瓷普通陶瓷以天然的岩石、矿石、以天然的岩石、矿石、 黏土等材料作原料。黏土等材料作原料。 n特种陶瓷特种陶瓷采用人工合成的材料采用人工合成的材料 作原料。作原料。 3、按性能和用途分类、按性能和用途分类 可将其分为可将其分为结构陶瓷结构陶瓷和和功能陶瓷功能陶瓷两类两类。 陶瓷零件陶瓷零件 8 三、常用的工程陶瓷三、

6、常用的工程陶瓷 工程陶瓷的生产过程工程陶瓷的生产过程：原料制备、坯料成形和制品烧成或烧结。：原料制备、坯料成形和制品烧成或烧结。 原料制备原料制备 将矿物原料经拣选、粉粹后配料、混合、磨细等得将矿物原料经拣选、粉粹后配料、混合、磨细等得 到坯料。到坯料。 坯料成形坯料成形 将坯料加工成一定形状和尺寸并有必要机械强度和将坯料加工成一定形状和尺寸并有必要机械强度和 致密度的半成品。包括可塑成形（如传统陶瓷），注浆成形致密度的半成品。包括可塑成形（如传统陶瓷），注浆成形 （如形状复杂、精度要求高的普通陶瓷）和压制成形（如特（如形状复杂、精度要求高的普通陶瓷）和压制成形（如特 种陶瓷和金属陶瓷）种陶瓷

7、和金属陶瓷） 干燥后的坯料加热到高温，进行一系列的物理、化学变化而干燥后的坯料加热到高温，进行一系列的物理、化学变化而 成瓷的过程成瓷的过程。烧成烧成是使坯件瓷化的工艺（是使坯件瓷化的工艺（1250125014501450）；）； 烧结烧结是指烧成的制品气孔率极低、而致密度很高的瓷化过程。是指烧成的制品气孔率极低、而致密度很高的瓷化过程。 9 1、普通陶瓷、普通陶瓷 n普通陶瓷是用粘土普通陶瓷是用粘土(Al(Al2 2O O3 32SiO2SiO2 22H2H2 2O)O)、长石、长石 (K(K2 2OAlOAl2 2O O3 36SiO6SiO2 2，NaNa2 2OAlOAl2 2O O3

8、 36SiO6SiO2 2) )和石英和石英(SiO(SiO2 2) )为原为原 料，经成型、烧结而成的陶瓷。料，经成型、烧结而成的陶瓷。 n其组织中主晶相为其组织中主晶相为莫来石莫来石(3Al(3Al2 2O O3 32SiO2SiO2 2) )，占，占2530%2530%，玻璃玻璃 相相占占3560%3560%，气相气相占占13%13%。 n普通陶瓷加工成型性好，成本低，产量大。普通陶瓷加工成型性好，成本低，产量大。 n除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、建筑、纺织等除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、建筑、纺织等 工业部门。工业部门。 绝缘子绝缘子景德镇陶瓷景德镇陶瓷 10 2、

9、新型结构陶瓷、新型结构陶瓷 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷以氧化铝陶瓷以AlAl2 2O O3 3为主要成分为主要成分, , 含有含有 少量少量SiOSiO2 2的陶瓷，又称的陶瓷，又称高铝陶瓷高铝陶瓷。 Al2O3化工、耐磨陶瓷配件化工、耐磨陶瓷配件Al2O3密封、气动陶瓷配件密封、气动陶瓷配件 11 l根据根据AlAl2 2O O3 3含量不同分为含量不同分为7575瓷瓷( (含含75%Al75%Al2 2O O3 3，又称刚玉，又称刚玉- -莫来莫来 石瓷石瓷) )、9595瓷和瓷和9999瓷，后两者又称刚玉瓷。瓷，后两者又称刚玉瓷。 l氧化铝陶瓷耐高温性能好，可使用到氧化铝陶瓷耐高温

10、性能好，可使用到19501950, ,。具有良好的。具有良好的 电绝缘性能及耐磨性。微晶刚玉的硬度极高电绝缘性能及耐磨性。微晶刚玉的硬度极高( (仅次于金刚石仅次于金刚石). ). 9595瓷纺织件瓷纺织件9999瓷纺织件瓷纺织件氧化铝耐高温喷嘴氧化铝耐高温喷嘴 12 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷被广泛用作被广泛用作耐火材料耐火材料， 如耐火砖、坩埚、如耐火砖、坩埚、热偶套管，淬热偶套管，淬 火钢的切削刀具、金属拔丝模，火钢的切削刀具、金属拔丝模， 内燃机的火花塞，火箭、导弹的内燃机的火花塞，火箭、导弹的 导流罩及轴承等。导流罩及轴承等。 氧化铝陶瓷转心球阀氧化铝陶瓷转心球阀 氧化铝陶瓷密封环氧化铝陶

11、瓷密封环 氧化铝陶瓷坩埚氧化铝陶瓷坩埚 13 氮化硅（氮化硅（Si Si3 3N N4 4）陶瓷）陶瓷 氮化硅是由氮化硅是由Si Si3 3N N4 4四面体组成的共四面体组成的共 价键固体。价键固体。 氮化硅的制备与烧结工艺氮化硅的制备与烧结工艺 工业硅直接氮化工业硅直接氮化：3Si+2N3Si+2N2 2SiSi3 3N N4 4 二氧化硅还原氮化二氧化硅还原氮化：3SiO3SiO2 2+6C+2N+6C+2N2 2SiSi3 3N N4 4+6CO+6CO 烧结工艺烧结工艺优点优点 缺点缺点 反应烧结反应烧结 烧结时几乎没有收缩，能烧结时几乎没有收缩，能 得到复杂的形状得到复杂的形状 密

12、度低，强度低，耐蚀密度低，强度低，耐蚀 性差性差 热压烧结热压烧结 用较少的助剂就能致密化，用较少的助剂就能致密化， 强度、耐蚀性最好强度、耐蚀性最好 只能制造简单形状，烧只能制造简单形状，烧 结助剂使高温强度降低结助剂使高温强度降低 14 性能特点及应用性能特点及应用 氮化硅的强度、比强度、比模量高；硬度仅次于金刚石、氮化硅的强度、比强度、比模量高；硬度仅次于金刚石、 碳化硼等；摩擦系数仅为碳化硼等；摩擦系数仅为0.10.20.10.2；热膨胀系数小；抗热震；热膨胀系数小；抗热震 性大大高于其他陶瓷材料；化学稳定性高。性大大高于其他陶瓷材料；化学稳定性高。 热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要

13、求不高的零件，热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高的零件， 如切削刀具、高温轴承等。如切削刀具、高温轴承等。 Si3N4轴承轴承 15 反应烧结氮化硅反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如 转子、机械密封环等。转子、机械密封环等。 汽轮机转子汽轮机转子 叶片气阀等零件叶片气阀等零件 16 （3 3）碳化硅（）碳化硅（SiCSiC）陶瓷）陶瓷 碳化硅是通过键能很高的共价键结合的晶体。碳化硅是通过键能很高的共价键结合的晶体。 碳化硅是用石英沙碳化硅是用石英沙(SiO(SiO2 2) )加焦碳直接加热至高温还原而成：加焦碳直接加热至高温还原而成

14、： SiO SiO2 2+3CSiC+2CO+3CSiC+2CO。 碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结 两种。由于碳化硅表面有一层薄两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜氧化膜， 因此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧因此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧 结，常加的助剂有结，常加的助剂有硼、碳、铝硼、碳、铝等。等。 常压烧结碳化硅常压烧结碳化硅 17 碳化硅的最大特点是碳化硅的最大特点是高温强度高高温强度高，有很好的耐磨损、耐腐蚀、，有很好的耐磨损、耐腐蚀、 抗蠕变性能，其抗蠕变性能，其热传导能力热传导能力很强，仅次于很强，仅次于氧化铍氧化铍陶瓷。陶瓷。 SiC密封件密

15、封件 SiC紧固件紧固件 18 碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管 炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。 19 氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷 氧化锆的晶型转变：立方相氧化锆的晶型转变：立方相 四方相四方相 单斜相。四方相单斜相。四方相 转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，易使制品开转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，易使制品开 裂。裂。 ZrO2 20 n在氧化锆中加入某些氧化物能形成稳定立方固溶体，不再发在氧化锆中加入某些氧化物能形成稳定立方固

16、溶体，不再发 生相变，具有这种结构的氧化锆称为生相变，具有这种结构的氧化锆称为完全稳定氧化锆完全稳定氧化锆(FSZ)(FSZ)， 其力学性能低，其力学性能低，抗热冲击性抗热冲击性差。差。 n减少加入的氧化物数量，使部分氧化物以四方相的形式存在。减少加入的氧化物数量，使部分氧化物以四方相的形式存在。 由于这种材料只使一部分氧化锆稳定，所以称由于这种材料只使一部分氧化锆稳定，所以称部分稳定氧化部分稳定氧化 锆锆( (PSZ)PSZ)。 n氧化锆中四方相向单斜相的转变可氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱发通过应力诱发产生。当受产生。当受 到外力作用时，这种相变将吸收能量而使裂纹尖端的应力场到外

17、力作用时，这种相变将吸收能量而使裂纹尖端的应力场 松弛，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提高陶瓷材料的松弛，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提高陶瓷材料的韧性韧性。 n部分稳定氧化锆的部分稳定氧化锆的导热率低，绝热性好导热率低，绝热性好；热膨胀系数大，接；热膨胀系数大，接 近于发动机中使用的金属，抗弯强度与断裂韧性高，除在常近于发动机中使用的金属，抗弯强度与断裂韧性高，除在常 温下使用外，已成为温下使用外，已成为绝热柴油机的主要侯选材料绝热柴油机的主要侯选材料，如发动机，如发动机 汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承等。汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承等。 21 氧化锆油泵氧化锆油泵氧化锆

18、柱塞氧化锆柱塞 氧化锆拉线轮氧化锆拉线轮 氧化锆球阀氧化锆球阀 部分稳定氧化锆喷涂层部分稳定氧化锆喷涂层 增韧氧化锆导轮芯轴增韧氧化锆导轮芯轴 22 一、弹性变形一、弹性变形 特点：特点：1 1）弹性模量大；）弹性模量大； 2 2）成型与烧结工艺对弹性模量影响大；）成型与烧结工艺对弹性模量影响大； 3 3）压缩弹性模量高于拉伸弹性模量。）压缩弹性模量高于拉伸弹性模量。 23 二、塑性变形二、塑性变形 n 室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。 n 1000 1000以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形（主滑移以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形（主滑移 系运动

19、）。系运动）。 n陶瓷的高温超塑性陶瓷的高温超塑性 是微晶超塑性是微晶超塑性-晶界滑动，晶界液相流动。晶界滑动，晶界液相流动。 存在条件：存在条件：超细等轴晶，第二相弥散分布，晶粒间存在超细等轴晶，第二相弥散分布，晶粒间存在 液相或无定形相。液相或无定形相。 如含化学共沉淀法制备的含如含化学共沉淀法制备的含Y Y2 2O O3 3的的ZrOZrO2 2粉体，在粉体，在12501250 烧结后，烧结后，3.53.51010-2 -2 S S-1 -1应变速率应变速率 =400%=400%。 利用陶瓷的超塑性，可以对陶瓷进行超塑加工。利用陶瓷的超塑性，可以对陶瓷进行超塑加工。 超塑加工扩散焊接：新

20、的复合加工方法。超塑加工扩散焊接：新的复合加工方法。 24 三、断裂三、断裂 陶瓷材料断裂过程都是以其陶瓷材料断裂过程都是以其内部或表面存在的缺陷内部或表面存在的缺陷为起为起 点而发生。点而发生。晶粒和气孔尺寸晶粒和气孔尺寸在决定陶瓷材料强度方面与在决定陶瓷材料强度方面与 裂纹尺寸裂纹尺寸有等效作用。有等效作用。 陶瓷材料断裂概率按韦伯分布函数考虑：陶瓷材料断裂概率按韦伯分布函数考虑： 用韦伯模数用韦伯模数m m度量强度均匀性。度量强度均匀性。m m值大，材料强度值大，材料强度 分布窄，分散性小。优质工程陶瓷分布窄，分散性小。优质工程陶瓷m m为为10 .10 . 主要断裂机理：主要断裂机理：

21、解理解理（穿晶解理穿晶解理沿晶断裂沿晶断裂）。）。 V m u dVF)(exp1)( 0 25 一、抗弯强度一、抗弯强度 采用三点弯曲或四点弯曲试验方法（实用）。采用三点弯曲或四点弯曲试验方法（实用）。 f,4 f,4 f,3 f,3 m m越小其差值愈大。 越小其差值愈大。 二、抗拉强度二、抗拉强度 常用抗弯强度代替，抗弯强度比抗拉强度高常用抗弯强度代替，抗弯强度比抗拉强度高20%20%40%40%。 三、抗压强度三、抗压强度 拉伸时，陶瓷材料中的缺陷作为裂纹源快速扩展导致断裂；拉伸时，陶瓷材料中的缺陷作为裂纹源快速扩展导致断裂； 压缩时，裂纹缓慢扩展并相互连接，最终导致压碎。压缩时，裂纹

22、缓慢扩展并相互连接，最终导致压碎。 26 材料材料 抗拉强度抗拉强度 / /MpaMpa 抗压强度抗压强度 / /MpaMpa 抗拉强度抗拉强度/ /抗压强抗压强 度度 铸铁铸铁FC10FC10100-150100-150400-600400-600 1/4 1/4 化工陶瓷化工陶瓷303040402502504004001/8.3-1/101/8.3-1/10 多铝红柱石多铝红柱石125125135013501/10.81/10.8 烧结烧结B B4 4C C300300300030001/101/10 27 一、陶瓷材料的断裂韧度一、陶瓷材料的断裂韧度 测定陶瓷材料断裂韧度的方法：单边切口

23、梁法，山形切口测定陶瓷材料断裂韧度的方法：单边切口梁法，山形切口 法，压痕法，双扭法，双悬臂梁法。法，压痕法，双扭法，双悬臂梁法。 名称名称优点优点缺点缺点适用条件适用条件 单边切口梁法单边切口梁法 数据分散性小，重现性数据分散性小，重现性 好，试样加工测定简单好，试样加工测定简单 所测所测K KIC IC值受切口宽 值受切口宽 度影响大度影响大 高温和各种介质条件高温和各种介质条件 山形切口法山形切口法 切口宽度对切口宽度对K KIC IC影响小， 影响小， 测定值误差小测定值误差小 试样加工困难，需专试样加工困难，需专 用夹具用夹具 高温和各种介质条件高温和各种介质条件 压痕法压痕法 测试

24、方便，可用很小试测试方便，可用很小试 样进行多点韧度测试样进行多点韧度测试 表面质量、加载速率、表面质量、加载速率、 载荷时间、卸载后测载荷时间、卸载后测 量时间对裂纹长度有量时间对裂纹长度有 影响，影响，K KIC IC误差大 误差大 用于对韧度相对评价，用于对韧度相对评价， 压头下部材料在加载压头下部材料在加载 过程中无相变或体积过程中无相变或体积 致密化；压痕表面无致密化；压痕表面无 碎裂碎裂 28 二、陶瓷材料的增韧二、陶瓷材料的增韧 陶瓷材料强度提高，断裂韧度值增大，因此陶瓷材料的增韧陶瓷材料强度提高，断裂韧度值增大，因此陶瓷材料的增韧 常与增强相联系。常与增强相联系。 陶瓷增韧途径

25、陶瓷增韧途径：（除纤维、纳米颗粒等制备陶瓷基复合材料（除纤维、纳米颗粒等制备陶瓷基复合材料 外）外） 1 1）改善陶瓷显微结构）改善陶瓷显微结构 a. a.使材料达到细、密、匀、纯使材料达到细、密、匀、纯 b. b.晶粒长宽比增大，晶粒长宽比增大，K KIC IC值增大。 值增大。 2 2）相变增韧：）相变增韧：受使用温度限制（应受使用温度限制（应800800) 3 3）微裂纹增韧）微裂纹增韧 主裂纹扩展遇到微裂纹发生分叉转向前进，增加扩展过程中主裂纹扩展遇到微裂纹发生分叉转向前进，增加扩展过程中 的表面能；主裂纹尖端应力集中被松弛，扩展减慢。的表面能；主裂纹尖端应力集中被松弛，扩展减慢。 2

26、9 一、硬度和耐磨性一、硬度和耐磨性 1 1、硬度、硬度 工程陶瓷材料硬度高，常用洛氏硬度、维氏硬度或努氏硬工程陶瓷材料硬度高，常用洛氏硬度、维氏硬度或努氏硬 度表示。测量维氏或努氏硬度时，表面须研抛至镜面，表度表示。测量维氏或努氏硬度时，表面须研抛至镜面，表 面粗糙度在面粗糙度在0.10.1 m m以下。以下。 2 2、耐磨性、耐磨性 工程陶瓷材料耐磨性较高，重要的耐磨陶瓷材料包括：工程陶瓷材料耐磨性较高，重要的耐磨陶瓷材料包括： AlAl2 2O O3 3、Si CSi C、ZrOZrO2 2、Si Si3 3N N4 4等。等。 弹性接触弹性接触 微小塑性区微小塑性区 微裂纹微裂纹 30 陶瓷