陶瓷力学性能

1、陶瓷材料概论陶瓷材料概论- -何贤昶何贤昶陶瓷材料基础陶瓷材料基础授课教师：李授课教师：李 飞飞联系电话：联系电话子邮件：电子邮件：2011年年11月月18日日n陶瓷制备陶瓷制备n工程结构陶瓷工程结构陶瓷n陶瓷陶瓷力学性能力学性能n陶瓷陶瓷热性能热性能n陶瓷光学性能陶瓷光学性能授课内容授课内容n陶瓷制备陶瓷制备n工程结构陶瓷工程结构陶瓷n陶瓷陶瓷力学性能力学性能n陶瓷陶瓷热性能热性能n陶瓷光学性能陶瓷光学性能授课内容授课内容参考书目参考书目n金志浩等，工程陶瓷材料金志浩等，工程陶瓷材料. 西交大出版社，西交大出版社，2000。n斯温著，郭景坤等译斯温著，郭景坤等译.

2、陶瓷的结构和性能陶瓷的结构和性能. 科学出版社，科学出版社， 1998。n王永龄王永龄. 功能陶瓷性能与应用功能陶瓷性能与应用. 北京：科学出版社，北京：科学出版社，2003 。n高瑞平等著高瑞平等著. 先进陶瓷物理与化学原理及技术先进陶瓷物理与化学原理及技术. 科学出版社，科学出版社，2001。n周玉周玉. 陶瓷材料学陶瓷材料学. 哈尔滨工业大学出版社，哈尔滨工业大学出版社，1995。nW.D.金格瑞，清华大学无机非金属材料教研室译金格瑞，清华大学无机非金属材料教研室译. 陶瓷导论陶瓷导论.中国中国建筑工业出版社，建筑工业出版社，1982。n刘维良、喻佑华刘维良、喻佑华.先进陶瓷工艺学先进陶

3、瓷工艺学.武汉理工大学出版社，武汉理工大学出版社，2004。nM.Barsoum著著. Fundamentals of Ceramics. The Mc Graw-Hill companies, Inc. 1997。概概 述述n材料力学性能材料力学性能研究材料在外力作用下发生研究材料在外力作用下发生弹性弹性或或塑性形变塑性形变、材料、材料抵抵 抗形变抗形变的能力和材料的能力和材料失效失效或或被破坏被破坏的规律。的规律。离子键离子键共价键共价键混合键混合键脆性大、塑性差、不易加工、热震差、强度分散硬度高、耐磨损、耐高温、耐腐蚀优点优点缺点缺点裂纹易扩展裂纹易扩展应力集中应力集中-陶瓷材料突然断裂

4、陶瓷材料突然断裂陶瓷材料力学性能主要致力于：陶瓷材料力学性能主要致力于：改善材料的韧性、强度（尤其是高温改善材料的韧性、强度（尤其是高温强度）。强度）。在很长一段时间，陶瓷材料的力学性能是人们在很长一段时间，陶瓷材料的力学性能是人们最为关注和研究最多的物理性能。最为关注和研究最多的物理性能。概概 述述第一第一节节 陶瓷弹性性能陶瓷弹性性能什么是弹性变形什么是弹性变形？材料受外力作用后原子偏离其平衡位置和产生很小变形材料受外力作用后原子偏离其平衡位置和产生很小变形的过程，当外力被撤除后，原子又能恢复原状，这种现的过程，当外力被撤除后，原子又能恢复原状，这种现象叫作弹性变形。象叫作弹性变形。=E胡

5、克定律胡克定律：E为材料常数，称为杨氏模量或弹性模量（拉伸变形）为材料常数，称为杨氏模量或弹性模量（拉伸变形）=GG为材料常数，称为剪切模量为材料常数，称为剪切模量 =K v压缩应力压缩应力与体积应变与体积应变v的关系系数的关系系数K为压缩模量为压缩模量n剪切模量、压缩模量与拉伸模量的关系剪切模量、压缩模量与拉伸模量的关系G=E/2（1+）K=E/3（1-）为泊松比为泊松比杨氏模量的大小依次是碳化物、氮化物和氧化物陶瓷的化学键决定了其杨氏模量高于金属材料，约陶瓷的化学键决定了其杨氏模量高于金属材料，约1010倍的差倍的差距，此外，陶瓷的压缩模量比拉升模量高。距，此外，陶瓷的压缩模量比拉升模量高

6、。n陶瓷与金属的比较陶瓷与金属的比较陶瓷的特性陶瓷的特性- -本征脆本征脆性性n陶瓷弹性变形的本质陶瓷弹性变形的本质实际上是在外力的作用下原子间距由平衡位产生很小位实际上是在外力的作用下原子间距由平衡位产生很小位移的结果。这个原子间微小的位移所允许的临界值很小，移的结果。这个原子间微小的位移所允许的临界值很小，超过此值，就会产生化学键的断裂（室温下的陶瓷）或超过此值，就会产生化学键的断裂（室温下的陶瓷）或产生原子面滑移塑性变形（高温下的陶瓷）。弹性模量产生原子面滑移塑性变形（高温下的陶瓷）。弹性模量反应的是原子间距的微小变化所需外力的大小。反应的是原子间距的微小变化所需外力的大小。固体中两原子

7、间的引力与斥力曲线固体中两原子间的引力与斥力曲线（Condon Moase 曲线）曲线）两原子间的平衡距离为d，弹性模量即是两原子间从d0离开或靠近时所需要的外力，即d0处曲线的斜率。尽管原子间所允许的弹性位移范围很小，但所需的外力却很大。即弹性模量对原子间距的弹性变化敏感，所以弹性模量要比塑性变形加工硬化指数高得多。物体的弹性变形对应于原子间距的均匀变化，因此弹性变形所需的外力与原子间结合能量有关，即影响弹性模量的重要因素是原子间结合力，即化学键。n陶瓷弹性模量数据陶瓷弹性模量数据氧化物氧化物 氮化物氮化物硼化物硼化物 E1V1 + E2V2+ 这里这里Vi代表各相占据的体积分数。代表各相占

8、据的体积分数。n陶瓷陶瓷影响陶瓷材料杨氏模量的几个因素影响陶瓷材料杨氏模量的几个因素 3）材料的组成相及显微结构：）材料的组成相及显微结构： 例如例如在陶瓷材料中通常都有一定比例的气孔相，当气孔的体积分数在陶瓷材料中通常都有一定比例的气孔相，当气孔的体积分数较小时，可以认为气孔相的较小时，可以认为气孔相的E=0，材料的杨氏模量可以表为：，材料的杨氏模量可以表为： E = E0(1- kp） 这里这里，E0为材料中不存在有气孔时的杨氏模量值，为材料中不存在有气孔时的杨氏模量值，k为与气孔形状为与气孔形状有关的常数，有关的常数，p为气孔的体积分数，即气孔率。为气孔的体积分数，即气孔率。 陶瓷材料杨

9、氏模量值与气孔率的关系也有不同的表达形式，如陶瓷材料杨氏模量值与气孔率的关系也有不同的表达形式，如 E = E0(1- k1p + k2p2) 或者或者， E = E0 exp(- k p） 式式中的中的k1、k2、k均为常数。总之，存在有气孔时，陶瓷材料的杨氏均为常数。总之，存在有气孔时，陶瓷材料的杨氏模量值会有所下降，材料的泊松比也随材料中所含气孔率的增加而有所模量值会有所下降，材料的泊松比也随材料中所含气孔率的增加而有所降低。降低。总之，随着气孔率的增加，陶瓷的弹性模量急剧下降。总之，随着气孔率的增加，陶瓷的弹性模量急剧下降。n陶瓷陶瓷影响陶瓷材料杨氏模量的几个因素影响陶瓷材料杨氏模量的

10、几个因素4）杨氏模量的数值与温度关系：）杨氏模量的数值与温度关系： 可以可以表为：表为： E = E0 BT exp(-TC/ T） 这里这里E0为温度在为温度在0时材料的杨氏模量值，时材料的杨氏模量值，B与与TC均均为由物质本身决定的常数。从式中可知，为由物质本身决定的常数。从式中可知，随温度的升高，随温度的升高，陶瓷材料的杨氏模量值降低，陶瓷材料的杨氏模量值降低，但对某些材料也有例外，但对某些材料也有例外，石英等材料随温度升高，杨氏模量值也随之增加。石英等材料随温度升高，杨氏模量值也随之增加。n陶瓷陶瓷影响陶瓷材料杨氏模量的几个因素影响陶瓷材料杨氏模量的几个因素5）杨氏模量与物质熔点关系：

11、）杨氏模量与物质熔点关系： 物质物质熔点高低与物质中原子的结合力大小有关，杨氏熔点高低与物质中原子的结合力大小有关，杨氏模量值与熔点一般有线性关系，在温度低于模量值与熔点一般有线性关系，在温度低于300K时，时， 其中，其中，k为常数，为常数，Tm为熔点，为熔点，Va为原子或者分子的体积。为原子或者分子的体积。因此，因此，熔点高的材料，其杨氏模量值也大熔点高的材料，其杨氏模量值也大。amVkTE100n陶瓷陶瓷影响陶瓷材料杨氏模量的几个因素影响陶瓷材料杨氏模量的几个因素 总体来说，陶瓷材料的弹性模量与组总体来说，陶瓷材料的弹性模量与组成相的种类和分布、气孔率及温度等的关成相的种类和分布、气孔率

12、及温度等的关系密切，而与材料中各相的晶粒大小及表系密切，而与材料中各相的晶粒大小及表面状态的关系不大，结构敏感性较小。面状态的关系不大，结构敏感性较小。n小结小结第第二二节节 陶瓷的硬度陶瓷的硬度硬度硬度是是材料的重要力学性能参数之一，它是材料抵抗材料的重要力学性能参数之一，它是材料抵抗外外力引起形变的量度。力引起形变的量度。 n陶瓷的硬度陶瓷的硬度n金属与陶瓷材料的区别金属与陶瓷材料的区别金属材料的硬度测定时测表面的塑性变形程度，因此金金属材料的硬度测定时测表面的塑性变形程度，因此金属材料的硬度与强度之间有直接的对应关系。而陶瓷材料属材料的硬度与强度之间有直接的对应关系。而陶瓷材料属于脆性材

13、料，硬度测定时，在压头压入区域会发生包括属于脆性材料，硬度测定时，在压头压入区域会发生包括压缩剪断等复合破坏的伪塑性变形。因此陶瓷材料的硬度压缩剪断等复合破坏的伪塑性变形。因此陶瓷材料的硬度很难与强度直接对应起来。很难与强度直接对应起来。n陶瓷材料硬度测试方法陶瓷材料硬度测试方法-金刚石压头加载压入法金刚石压头加载压入法可沿用金属材料硬度测试方法可沿用金属材料硬度测试方法试验方法及设备渐变，试样小而经济试验方法及设备渐变，试样小而经济硬度作为材料的本身物性参数，可获得稳定的数值硬度作为材料的本身物性参数，可获得稳定的数值维氏硬度测定的同时，可以测得断裂韧性维氏硬度测定的同时，可以测得断裂韧性n

14、陶瓷材料硬度测试的特点陶瓷材料硬度测试的特点维氏硬度维氏硬度显微硬度显微硬度劳克维尔硬度劳克维尔硬度莫氏硬度莫氏硬度维氏硬度维氏硬度 维氏硬度试验是用对角面为维氏硬度试验是用对角面为136o的金刚石四棱锥体的金刚石四棱锥体作压头，在作压头，在9.807490.3(150kgf)的载荷作用下，压入陶瓷表的载荷作用下，压入陶瓷表面，保持一定时间后卸除载荷，材料表面便留下一个压痕。面，保持一定时间后卸除载荷，材料表面便留下一个压痕。测量压痕对角线的长度并计算压痕面积，求出单位面积上承测量压痕对角线的长度并计算压痕面积，求出单位面积上承受的载荷应力，即维氏硬度值受的载荷应力，即维氏硬度值HV： P为载

15、荷（N），S为压痕表面积（mm2），为金刚石压头对角面，d为压痕对角线平均长度（mm）.硬度量纲与应力相同。一般为GPa或Mpa。(a)(b)(c)(d)(a)(b)每组照片：左为每组照片：左为纳米涂层压痕，纳米涂层压痕，右为微米涂层压右为微米涂层压痕（维氏痕（维氏）100g300g500g显微硬度显微硬度显微硬度使用的载荷为显微硬度使用的载荷为0.4903-9.807N，由于使用载荷小，由于使用载荷小，压痕尺寸也笑，因此用显微硬度试验方法可以对微观组织压痕尺寸也笑，因此用显微硬度试验方法可以对微观组织中不同的相，或不同的晶粒的硬度分别进行测试。中不同的相，或不同的晶粒的硬度分别进行测试。在显

16、微硬度使用的载荷范围内，当用小的载荷测定高硬在显微硬度使用的载荷范围内，当用小的载荷测定高硬度时，硬度值与载荷有一定的依赖性，因此测定时应尽量度时，硬度值与载荷有一定的依赖性，因此测定时应尽量使用大载荷。使用大载荷。劳克维尔硬度劳克维尔硬度劳氏硬度试验方法与前面两种硬度不同，它不是通过测劳氏硬度试验方法与前面两种硬度不同，它不是通过测定压痕对角线长度来计算硬度，而是首先加上基准载荷，定压痕对角线长度来计算硬度，而是首先加上基准载荷，再加上试验载荷，然后再回到基准载荷，测试二次载荷下再加上试验载荷，然后再回到基准载荷，测试二次载荷下压头压入深度差压头压入深度差h (微米），再根据定义求出硬度值。

17、金微米），再根据定义求出硬度值。金刚石压头为圆锥形，尖端曲率半径为刚石压头为圆锥形，尖端曲率半径为0.2mm，圆锥角为，圆锥角为120o。莫氏硬度莫氏硬度莫氏硬度是表示矿物硬度的一种标准。应用划痕法将棱莫氏硬度是表示矿物硬度的一种标准。应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试矿物的表面而发生划痕锥形金刚钻针刻划所试矿物的表面而发生划痕, ,习惯上矿习惯上矿物学或宝石学上都是用莫氏硬度。用测得的划痕的深度分物学或宝石学上都是用莫氏硬度。用测得的划痕的深度分十级来表示硬度。十级来表示硬度。滑石滑石(talc)1（硬度最小），石膏（硬度最小），石膏(gypsum)2，方解石，方解石(calcite)3，萤

18、石，萤石( f l u o r i t e ) 4 ， 磷 灰 石， 磷 灰 石 ( a p a t i t e ) 5 ， 正 长 石， 正 长 石(feldspar;orthoclase;periclase)6，石英，石英(quartz)7，黄玉，黄玉(topaz)8，刚，刚玉玉(corundum)9，金刚石，金刚石(diamond)10。莫氏硬度也用于表示其他固。莫氏硬度也用于表示其他固体物料的硬度。体物料的硬度。 钻石即金刚石，莫氏硬度为钻石即金刚石，莫氏硬度为10n决定材料硬度的因素决定材料硬度的因素晶体结构晶体结构：例如金刚石和石墨，例如金刚石和石墨， 金刚石的金刚石的spsp3

19、3四面体键四面体键结构使其成为自然界中最硬的材料，石墨为结构使其成为自然界中最硬的材料，石墨为spsp2 2层状结构，层状结构，软到可以做润滑剂和铅笔芯。软到可以做润滑剂和铅笔芯。晶体取向：晶体取向：单晶体的硬度与晶体取向有关，例如金刚石单晶体的硬度与晶体取向有关，例如金刚石单晶的（单晶的（111111）密排面是硬度最大的晶面。）密排面是硬度最大的晶面。晶粒大小：晶粒大小：材料材料的硬度与晶粒大小有关，纳米晶材料的的硬度与晶粒大小有关，纳米晶材料的硬度比大晶粒材料的硬度大。一般的，纳米硬度比大晶粒材料的硬度大。一般的，纳米/ /纳米多层膜纳米多层膜的硬度可以有大幅度提高，例如纳米复合膜的硬度可

20、以有大幅度提高，例如纳米复合膜Ti-Si-NTi-Si-N的硬的硬度甚至超过了金刚石的硬度。因此，设计和制造纳米复合度甚至超过了金刚石的硬度。因此，设计和制造纳米复合材料有可能得到超高硬度。材料有可能得到超高硬度。n决定材料硬度的因素决定材料硬度的因素晶体结构晶体结构：例如金刚石和石墨，例如金刚石和石墨， 金刚石的金刚石的spsp3 3四面体键四面体键结构使其成为自然界中最硬的材料，石墨为结构使其成为自然界中最硬的材料，石墨为spsp2 2层状结构，层状结构，软到可以做润滑剂和铅笔芯。软到可以做润滑剂和铅笔芯。晶体取向：晶体取向：单晶体的硬度与晶体取向有关，例如金刚石单晶体的硬度与晶体取向有关

21、，例如金刚石单晶的（单晶的（111111）密排面是硬度最大的晶面。）密排面是硬度最大的晶面。晶粒大小：晶粒大小：材料材料的硬度与晶粒大小有关，纳米晶材料的的硬度与晶粒大小有关，纳米晶材料的硬度比大晶粒材料的硬度大。一般的，纳米硬度比大晶粒材料的硬度大。一般的，纳米/ /纳米多层膜纳米多层膜的硬度可以有大幅度提高，例如纳米复合膜的硬度可以有大幅度提高，例如纳米复合膜Ti-Si-NTi-Si-N的硬的硬度甚至超过了金刚石的硬度。因此，设计和制造纳米复合度甚至超过了金刚石的硬度。因此，设计和制造纳米复合材料有可能得到超高硬度。材料有可能得到超高硬度。n决定材料硬度的因素决定材料硬度的因素 气氛影响：

22、气氛影响：陶瓷材料的硬度在大气中比在真空中的陶瓷材料的硬度在大气中比在真空中的值小，而金属材料两者几乎没有区别，这是因为硬值小，而金属材料两者几乎没有区别，这是因为硬度与气氛的关系取决于压头和材料的磨损。在摩擦度与气氛的关系取决于压头和材料的磨损。在摩擦系数大的真空中的压痕，其周围的损伤波及到较远系数大的真空中的压痕，其周围的损伤波及到较远处，蚀坑扩展得大。在大气环境下硬度降低是因为处，蚀坑扩展得大。在大气环境下硬度降低是因为气氛的作用，这个软化的范围大约在表面以下气氛的作用，这个软化的范围大约在表面以下2-32-3微微米处。米处。第第三三节节 陶瓷的强度陶瓷的强度n陶瓷强度陶瓷强度 陶瓷材料

23、的强度，特别是用作高温结构材料的强度陶瓷材料的强度，特别是用作高温结构材料的强度是材料力学性能的重要表征。是材料力学性能的重要表征。n陶瓷强度的特点陶瓷强度的特点陶瓷材料主要由共价和离子键以及混合键结合的，因此晶体中原子陶瓷材料主要由共价和离子键以及混合键结合的，因此晶体中原子或离子的任何移动都会破坏这种键结构或离子的任何移动都会破坏这种键结构。陶瓷材料中一般包含的原子数目较多，晶格较大，位错矢量较大，陶瓷材料中一般包含的原子数目较多，晶格较大，位错矢量较大，使位错较难生成，也不易滑移和增殖，因此陶瓷材料的范性形变很使位错较难生成，也不易滑移和增殖，因此陶瓷材料的范性形变很小，脆性大、易断裂。

24、小，脆性大、易断裂。陶瓷材料的强度时高度结构敏感性的，不仅取决于材料本身，还与陶瓷材料的强度时高度结构敏感性的，不仅取决于材料本身，还与材料的应力状态、制备方法、测量方法，以及晶体结构、微结构和材料的应力状态、制备方法、测量方法，以及晶体结构、微结构和晶体缺陷等密切相关。晶体缺陷等密切相关。n陶瓷与金属的应力陶瓷与金属的应力-应变曲线模型应变曲线模型金金属属陶陶瓷瓷陶瓷的室温强度是弹性变形抗力，即当弹性变形达到极限程度而发生陶瓷的室温强度是弹性变形抗力，即当弹性变形达到极限程度而发生断裂的应力。强度与弹性模量一样，是材料本身的物理参数，它决定断裂的应力。强度与弹性模量一样，是材料本身的物理参数

25、，它决定于材料的成分、组织结构，同时也随外界条件变化而变化。于材料的成分、组织结构，同时也随外界条件变化而变化。n理论断裂强度理论断裂强度 理想晶体的断裂强度相当于将构成晶体的原理想晶体的断裂强度相当于将构成晶体的原子之间的化学键拉开所需要的力。子之间的化学键拉开所需要的力。 aEYSth1 Y为无量纲因子，与裂纹在材料中的位置和几何形状，外加应力的作用方式以及试样本身的尺寸和形状有关，一般可取为；E为材料的弹性模量；S为拉开单位面积原子所需要的表面能；a为原子间距。 理论断裂强度理论断裂强度 理论断裂强度与杨氏模量值有以下的简单关系：理论断裂强度与杨氏模量值有以下的简单关系： thE/10。

26、 陶瓷材料杨氏模量的平均值较金属大陶瓷材料杨氏模量的平均值较金属大10倍，因此从理倍，因此从理论上预计，陶瓷材料的强度应该比金属高。论上预计，陶瓷材料的强度应该比金属高。但是实验表明，但是实验表明，陶瓷材料的强度总体上比金属要低，陶瓷材料的强度总体上比金属要低，原因主要是陶瓷中存原因主要是陶瓷中存在有大量的缺陷和微裂纹，因此大大降低了材料的强度。在有大量的缺陷和微裂纹，因此大大降低了材料的强度。 n理论断裂强度理论断裂强度理论计算氧化铝的强度值约为理论计算氧化铝的强度值约为50GPa，几乎没有缺陷的氧化，几乎没有缺陷的氧化铝晶须的强度为铝晶须的强度为14GPa，表面经研磨的氧化铝单晶棒的强度，

27、表面经研磨的氧化铝单晶棒的强度为为7GPa，而烧结制备的氧化铝的抗张强度只有，而烧结制备的氧化铝的抗张强度只有0.20.27GPa。n理论断裂强度理论断裂强度- Griffith理论实际材料的断裂，并非是像理想晶体那样的原子键的实际材料的断裂，并非是像理想晶体那样的原子键的破坏，而是比原子键容易破坏的多，即材料内部存在破坏，而是比原子键容易破坏的多，即材料内部存在微小裂纹的扩展连接而导致材料整体的断裂。微小裂纹的扩展连接而导致材料整体的断裂。断裂定义：裂纹失稳扩展导致试样或构件破坏断裂定义：裂纹失稳扩展导致试样或构件破坏2/12critSfcE2/12cES 当外力满足 发生断裂，此时f为断裂

28、强度。 他根据能量准则导出应力与裂纹关系表达式（平面应力状态）： 为表面能，c为裂纹长度。S 裂纹长度只有达到一定值后，才能发生材料的断裂.n应力强度因子与断裂韧性应力强度因子与断裂韧性应力强度因子：应力强度因子： 2/1)( cK当应力强度因子达到某一临界值时，则裂纹失稳扩展当应力强度因子达到某一临界值时，则裂纹失稳扩展而导致断裂，此时的临界应力强度因子称为断裂韧性。而导致断裂，此时的临界应力强度因子称为断裂韧性。对于对于型裂纹，失稳扩展条件为：型裂纹，失稳扩展条件为：2/1)(cKKfIC2/1)2(EKSIC断裂韧性与表面能和杨氏模量的关系：断裂韧性与表面能和杨氏模量的关系：金属材料的断

29、裂韧性大于陶瓷材料金属材料的断裂韧性大于陶瓷材料n应力强度因子与断裂韧性应力强度因子与断裂韧性 陶瓷的断裂过程都是以其内部或表面存在缺陷为起陶瓷的断裂过程都是以其内部或表面存在缺陷为起点而发生的。点而发生的。 说明：说明：晶粒晶粒和和气孔尺寸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。当内部缺陷成为裂纹断裂原因有等效作用。当内部缺陷成为裂纹断裂原因时，随试样体积的增加，缺陷存在的概率增加，材料时，随试样体积的增加，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，随表面积增加，强度下降；表面缺陷成为断裂源时，随表面积增加，缺陷存在概率也增加，材料强

30、度也下降。缺陷存在概率也增加，材料强度也下降。n强度测定方法强度测定方法强度的测量可以通过多种途径。由于陶瓷材料脆性大，强度的测量可以通过多种途径。由于陶瓷材料脆性大，因此很少测量其拉伸强度因此很少测量其拉伸强度(tensile strength)，通常多测，通常多测量其弯曲强度量其弯曲强度(flexure strength)、压缩强度、压缩强度(compress strength)、扭转强度、扭转强度(torsion strength)和冲击强度和冲击强度(impact strength)n影响陶瓷材料强度的因素影响陶瓷材料强度的因素1 1）气孔）气孔 气孔的存在会降低材料的弹性模量，从而降

31、低强度。气孔的存在会降低材料的弹性模量，从而降低强度。气孔明显的降低了载荷作用的横截面积，气孔附近也是材气孔明显的降低了载荷作用的横截面积，气孔附近也是材料中料中应力集中应力集中的区域。同时，气孔又可能的区域。同时，气孔又可能诱发微裂纹诱发微裂纹，由，由于气孔周边微裂纹的尺寸与晶粒尺寸大小相近，因此细晶于气孔周边微裂纹的尺寸与晶粒尺寸大小相近，因此细晶样品中由于气孔而引发的微裂纹，以及因此导致样品断裂样品中由于气孔而引发的微裂纹，以及因此导致样品断裂的危害要比粗晶体样品小得多。气孔周围晶体的微缺陷比的危害要比粗晶体样品小得多。气孔周围晶体的微缺陷比较复杂，较复杂，一般来说，随材料中气孔率的增加

32、，强度明显下一般来说，随材料中气孔率的增加，强度明显下降。降。 n影响陶瓷材料强度的因素影响陶瓷材料强度的因素1 1）气孔）气孔 陶瓷材料强度与气孔率的关系： 式中，0为气孔率p为零时材料的强度，b为常数，其值在4-7之间。 由上式，陶瓷材料的强度随气孔率的增加而呈指数下降。因此，如果希望陶瓷材料的强度高，在制备过程中应该采用一些特殊的方法，如加压或提高烧结温度等办法，以降低材料中的气孔率。)exp(0bpn影响陶瓷材料强度的因素影响陶瓷材料强度的因素2 2）晶粒尺寸）晶粒尺寸 细化颗粒也是提高陶瓷材料强度的有效手段，但两者细化颗粒也是提高陶瓷材料强度的有效手段，但两者的强化机制并不相同。金属

33、材料中颗粒细小形成了大量的的强化机制并不相同。金属材料中颗粒细小形成了大量的晶界，这些晶界会阻碍位错的运动，使得材料的强度有所晶界，这些晶界会阻碍位错的运动，使得材料的强度有所提高。而在陶瓷中晶粒细化后，材料中的晶粒数目大大增提高。而在陶瓷中晶粒细化后，材料中的晶粒数目大大增加，由于在晶界两侧的晶粒取向并不相同，裂纹移动至此加，由于在晶界两侧的晶粒取向并不相同，裂纹移动至此往往受阻，不容易得到扩展，因此提高了材料的强度。往往受阻，不容易得到扩展，因此提高了材料的强度。 晶粒尺寸对陶瓷材料强度的影响可以用Hall-Petch关系式来描述 ： 为无限大单晶体的强度，c为系数，与材料的结构和显微结构

34、有关，d为晶粒尺寸。由Hall-Petch关系，材料的晶粒尺寸越小，其屈服应力越大，陶瓷材料的强度随晶粒尺寸变小而有所增加。 2/1cdn影响陶瓷材料强度的因素影响陶瓷材料强度的因素2 2）晶粒尺寸）晶粒尺寸举例：晶粒尺寸对材料强度的影响举例：晶粒尺寸对材料强度的影响TiOTiO2 2的晶粒尺寸与弯曲强度之间的关系的晶粒尺寸与弯曲强度之间的关系 晶粒内或晶粒间界上发生的裂纹都局限在一个晶粒的尺寸内，因此，晶粒尺寸越大，材料的强度越低。 n影响陶瓷材料强度的因素影响陶瓷材料强度的因素3 3）温度与材料强度的相关性）温度与材料强度的相关性 陶瓷陶瓷材料的强度当温材料的强度当温度度T22微米微米4-

35、4.54-4.5含含25vol%25vol%片状单晶片状单晶7-87-8（2）复合强化增韧 如采用延性金属-陶瓷复合材料，制备纤维、晶须或颗粒增强的金属/陶瓷基及陶瓷/陶瓷基复合材料。（3）相变增韧和复相增韧 氧化锆相变增韧（Garvie，1975年）以及其它的第二相增韧。（4）耦合增韧 将几种增韧的方法结合起来，例如从显微结构和晶须增韧两方面同时进行增韧，将晶须增韧和相变增韧结合起来等。 n陶瓷增韧的方法陶瓷增韧的方法相变增韧举例：相变增韧举例： 氧化锆增韧氧化铝氧化锆增韧氧化铝热压多晶氧化铝热压多晶氧化铝氧化锆增韧氧化锆增韧氧化铝氧化铝（白色的颗粒为氧化锆）白色的颗粒为氧化锆）粒子增韧举例

36、：粒子增韧举例：碳化硅增强氧化铝碳化硅增强氧化铝 自补强氮化硅陶瓷的显微结构自补强氮化硅陶瓷的显微结构碳化硅板状粒子增强碳化硅板状粒子增强氧化铝的显微结构氧化铝的显微结构自补强氮化硅陶瓷的显微结构自补强氮化硅陶瓷的显微结构n陶瓷的超塑性陶瓷的超塑性 和金属材料一样，陶瓷材料在合适的应变和温度下和金属材料一样，陶瓷材料在合适的应变和温度下也会呈现有超塑性（也会呈现有超塑性（superplasticity）。）。 超塑性的发生及程度与材料的晶粒大小和形态、晶超塑性的发生及程度与材料的晶粒大小和形态、晶粒转动、长大和重组、晶界和相界迁移、滑动等微观形粒转动、长大和重组、晶界和相界迁移、滑动等微观形态

37、有关。态有关。 超塑性通常分为：相变超塑性和组织超塑性一般认为：组织超塑性需要具备三个条件：一般认为：组织超塑性需要具备三个条件：（1）小于）小于10m的等轴晶粒，一般为两相组织；（的等轴晶粒，一般为两相组织；（2）温）温度大于度大于Tm/2；（；（3）应变速率在）应变速率在10-610-2/s间。间。相变超塑性：陶瓷在承载时的温度循环产生相变 导致材料得到超塑性。组织超塑性：依靠特定的组织在恒定应变速率下 得到超塑性。n陶瓷的超塑性陶瓷的超塑性n陶瓷的超塑性陶瓷的超塑性 1986年年Wakai等人报导在等人报导在0.3微米细晶粒微米细晶粒Y-TZP上得到大于上得到大于100%的延伸率，之后又

38、发现其它的延伸率，之后又发现其它陶瓷材料，如氧化铝、羟基磷灰石、陶瓷材料，如氧化铝、羟基磷灰石、Si3N4以及以及ZrO2/Al2O3、ZrO2/莫来石、莫来石、Si3N4/SiC等在单轴或等在单轴或双轴拉伸下也有超塑性。十余年来，细晶粒陶瓷双轴拉伸下也有超塑性。十余年来，细晶粒陶瓷材料超塑性的研究非常活跃，这种组织超塑性也材料超塑性的研究非常活跃，这种组织超塑性也称为细称为细晶粒超塑性晶粒超塑性或或微晶超塑性微晶超塑性。n陶瓷的超塑性存在机制陶瓷的超塑性存在机制n界面扩散蠕变和扩散范性机制界面扩散蠕变和扩散范性机制 ： 认为超塑性主要来源于晶界原子的扩散流变。认为超塑性主要来源于晶界原子的扩

39、散流变。n晶界迁移和粘滞流变机制晶界迁移和粘滞流变机制 ： 着重研究正离子掺杂在界面偏聚和对界面的钉扎作用，着重研究正离子掺杂在界面偏聚和对界面的钉扎作用，以减少界面的流动性和防止在形变过程中晶粒的动态长大，以减少界面的流动性和防止在形变过程中晶粒的动态长大，有利于提高陶瓷材料的超塑性。有利于提高陶瓷材料的超塑性。 n陶瓷的超塑性存在条件陶瓷的超塑性存在条件 材料中的界面数量要达到一个临界值，气孔材料中的界面数量要达到一个临界值，气孔含量足够低，以保证材料具有一定的强度。一般含量足够低，以保证材料具有一定的强度。一般认为，陶瓷材料能够表现超塑性的晶粒尺寸大小认为，陶瓷材料能够表现超塑性的晶粒尺寸大小在在0.2