无机非金属材料工艺学：第二章-无机非金属材料的物化性能-2-2陶瓷的物理性能

1、2.2 陶瓷的性能2. 2. 1 陶瓷材料的硬度2. 2. 2 陶瓷材料的脆性断裂与强度2. 2. 3 陶瓷材料的透光性221 陶瓷材料的硬度 硬度是材料的一种重要的力学性能，但在实际应用中由于测量方法不同，测得的硬度所代表的材料性能也各异。 常用的测量方法：划痕硬度和静载压入硬度 划痕硬度叫做莫氏硬度，用于陶瓷及矿物材料硬度测试。它只表示硬度由小到大的顺序，不代表硬度的程度，后面的矿物可以划破前面的矿物表面。 一般莫氏硬度分为10级，后来因为有一些工人合成的硬度较大的材料出现，又将莫氏硬度分为15级以便比较，表3-3莫氏硬度两种分级的顺序。 表3-3 莫氏硬度顺序 顺序 材料 顺序 材料 顺

2、序 材料 顺序材料 1滑石 8黄玉 5磷灰石 12刚玉 2石膏 9刚玉 6正长石 13碳化硅 3方解石 10金刚石 7SiO2玻璃 14碳化硼 4萤石 1滑石 8石英 15金刚石 5磷灰石 2石膏 9黄玉 6正长石 3方解石 10石榴石 7石英 4萤石 11熔融氧化锆 常用用静载压入的硬度实验-布氏硬度、维氏硬度及洛氏硬度。 原理都是将一硬的物体在静载下压入被测物体表面，表面上被压入一凹面，以凹面单位面积上的载荷表示被测物体的硬度。 布氏硬度法主要用来测定金属材料、较软及中等硬度的材料，很少用于陶瓷； 维氏硬度法及洛氏硬度法都适于较硬的材料，也用于测量陶瓷的硬度； 硬度决定于矿物、晶体和陶瓷材

3、料的硬度的因素-组成和结构。 离子半径较小，离子电价越高，配位数越大，结合能就越大，抵抗外力摩擦、刻划和压入的能力也就越强，所以硬度就较大。 陶瓷材料的纤维组织、裂纹、杂质等都对硬度有影响。当温度升高时，硬度将下降。2. 2. 2 陶瓷材料的脆性断裂与强度 脆性断裂：一般认为脆性断裂就是材料在受力后，将在低于其本身结合强度的情况下作应力再分配，当外加应力的速率超过应力再分配的速率时，就发生断裂。这种断裂没有先兆，是突然发生的，而且是灾难性的。 影响因素：材料呈现出脆性或延性并不是绝对的，而是和材料的组分、结构、受力条件和环境等因素有关。 强度- 材料的强度是抵抗外加负荷的能力。 对材料的强度进

4、行大量研究的两个角度。 以应用力学为基础，从宏观现象研究材料应力应变状况，进行力学分析，总结出经验规律，作为设计、使用材料的依据，这是力学工作者的任务。 从材料的微观结构来研究材料的力学性质，也就是研究材料宏观力学性能的微观机理，从而找出改善材料性能的途径，为工程设计提供理论依据。 以材料脆性断裂的主要根源-微裂纹缺陷为研究对象发展出一门新的学科断裂力学。 一、裂纹的起源与扩展 二、静态疲劳 三、蠕变断裂 四、显微组织对材料脆性断裂的影响 一、裂纹的起源与扩展 1裂纹的起源 2裂纹的快速扩展 3影响裂纹扩展的因素1 裂纹的起源（）由于晶体微观结构中存在缺陷，当受到外力作用时，在这些缺陷处就引起

5、应力集中，导致裂纹成核，位错在材料中运动会受到各种阻碍：. 由于晶粒取向不同，位错运动会受到晶界的障碍，而在晶界产生位错塞积； . 材料中的杂质原子引起应力集中而成为位错运动的障碍。 . 热缺陷，交叉（指位错组合、位错线与位错或位错线与其它缺陷相互交叉）都能使位错运动受到阻碍。 当位错运动受到各种障碍时，就会在障碍前塞积起来，导致微裂纹形成。图2-2-1就是位错形成微裂纹示意图图2-2-1 位错形成微裂纹示意图（a）位错组合形成的微裂纹；（b）位错在晶界前塞积形成的微裂纹；（c）位错交截形成的微裂纹（）材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹，这种表面裂纹最危险，裂纹的扩展常常由表面裂纹开始。

6、 （）由于热应力而形成裂纹。此外，温度变化时有晶型转变的材料也会因体积变化而引起裂纹。图2-2-2 由于热应力形成的裂纹 2裂纹的快速扩展格里菲斯裂纹理论：材料的断裂强度不是取决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小，即是由最危险的裂纹尺寸（临界裂纹尺寸）决定材料的断裂强度，一旦裂纹超过临界尺寸，裂纹就迅速扩展而断裂。对于脆性材料，裂纹的起始扩展就是破坏过程的临界阶段，因为脆性材料基本上没有吸收大量能量的塑性形变。3、影响裂纹扩展的因素 外界作用应力； 材料中吸收能量的机构。例如金属陶瓷和复合材料、此外人为地在材料中造成大量极微细的裂纹（小于临界尺寸）也能吸收能量，阻止裂纹扩展。 二、静态疲劳 静

7、态疲劳：裂纹在使用应力下，随着时间的推移而缓慢扩展，这种缓慢扩展也叫亚临界扩展，或称为静态疲劳。 材料在循环应力作用下的破坏叫做动态疲劳。 裂纹缓慢扩展的结果是裂逐渐加大，一旦达到临界尺寸就会失稳扩展而破坏。 材料的断裂强度取决于时间，即构件的寿命问题。就是在使用应力下，构件能用多少时间将要破坏。 如果能事先知道构件能用多少时间将要破坏，就可以限制使用应力延长寿命，或用到一定时间就进行检修，撤换构件。裂纹缓慢扩展本质的几种观点： 1应力腐蚀理论该理论认为环境对裂纹端部应力集中区域的腐蚀比对裂纹侧面的腐蚀要严重得多，这种腐蚀使裂纹端部原子间的化学键受到破坏，导致裂纹缓慢扩展，一旦达到临界尺寸就失

8、稳而断裂。因此，环境对疲劳寿命影响很大，环境愈恶劣（如水蒸汽分压高），裂纹扩展速度愈快，温度愈高、化学反应愈烈，裂纹扩展速度也愈快。应力腐蚀理论的局限性：这一理论能解释许多实验数据，但有人在真空中实验，也发现了疲劳现象，说明单纯用应力腐蚀来说明疲劳现象是不够的。自由表面能降低环境中的表面活性物质吸附在裂纹表面上使裂纹表面的自由表面能降低，这就降低了断裂表面能。自由表面能降低的局限性：自由表面能仅为断裂表面能的一小部分，即使像硅酸盐玻璃这样的脆性材料，自由表面能也大约只有断裂表面能的30%，所以只从自由表面能的降低来说明疲劳现象也是不够满意的。能量分布状态变化裂纹附近由于应力集中，晶格结点能量分

9、布状态发生变化，这些地方的原子处于高能量状态，这就加速了空位运动和原子扩散传质。同时，环境影响断裂表面能，从而影响空位的运动和原子传质。 大多数氧化物陶瓷由于含有大量碱性硅酸盐玻璃相，通常也有疲劳现象。疲劳过程还受加载速率的影响，加载速率愈慢，裂纹缓慢扩展的时间愈长，在较低的应力下就能达到临界尺寸。 三、蠕变断裂 多晶材料在高温时，在恒定应力作用下由于形变不断增加而导致断裂称为蠕变断裂。 高温下形变的主要部分是晶界滑动，因此蠕弯断裂的主要形式是沿晶界断裂。蠕变断裂的两种理论：粘性流动理论和空位聚积理论粘性流动理论：高温下晶界要发生粘性流动，在晶界交界处产生应力集中，如果应力集中使得相邻晶粒发生

10、塑性形变而滑移，则将使应力弛豫，如果不能使邻近晶粒塑性形变，则应力集中将使晶界交界处产生裂纹。这种裂纹逐步扩展导致断裂。 空位聚积理论：在应力及热波动的作用下，受拉的晶界上空位浓度大大增加（回忆扩散蠕变理论），这些空位大量聚积，可形成可观的的裂纹，这种裂纹逐步扩展就导致断裂。综上：蠕变断裂明显地取决于温度和外加应力。温度愈低，应力愈小，则蠕变断裂所需的时间愈长。蠕变断裂过程中裂纹的扩展属于亚临界扩展。四、显微组织对材料脆性断裂的影响1晶粒尺寸对多晶材料，晶粒愈小，强度愈高。 由于晶界比晶粒内部弱，所以多晶材料破坏多是沿晶界断裂。细晶材料晶界比例大，裂纹的扩展要走迂回曲折的道路，晶粒愈细，此路程

11、愈长。此外，多晶材料中初始裂纹尺寸与晶粒度相当，晶粒愈细，初始裂纹尺寸就愈小，这样就提高了临界应力。2气孔的影响大多数陶瓷材料的强度和弹性模量都随气孔率的增加而降低。气孔不仅减小了负荷面积，而且在气孔领近区域产生应力集中，减弱材料的负荷能力。一般情况下，气孔率越高，强度越低。 气孔有利的一面，就是当存在高的应力梯度时（例如由热震引起的应力）气孔能起到阻止裂纹扩展的作用。除晶粒尺寸、气孔对强度有重要影响外，其它如杂质的存在，也会由于应力集中而降低强度；当存在弹性模量较低的第二相时也会使强度降低。 2. 2. 3 陶瓷材料的透光性研究近年来迅速发展起来的以高纯物质为原料、基本上为单一晶相的多晶材料“透明陶瓷”。这类材料1毫米厚的试片其透光率可以达到80%以上。 一、透明瓷具有良好透光性的主要原因 透明陶瓷为要获得高度透光性的必要条件主要是： 1. 高密度，尽可能接近理论密度；