材料科学与工程基础-第3章陶瓷力学性能

第三章无机非金属材料的力学性能主要内容概述弹性性能硬度强度韧性和增韧方法蠕变和疲劳概述材料力学性能研究材料在外力作用下发生弹性或塑性形变、材料抵

抗形变的能力和材料失效或被破坏的规律。变形和外力不呈线性关系，而且外力撤销后，变形不会完全消失。材料变形的大小和作用力大小成正比，且去掉外力，能恢复原状。外力继续增大至大于材料的断裂强度时将会发生断裂。弹性变形塑性变形断裂概述离子键共价键混合键脆性大、塑性差、不易加工、热震差、强度分散硬度高、耐磨损、耐高温、耐腐蚀优点缺点裂纹易扩展—应力集中----大多数无机非金属材料塑性变形范围很小或几乎没有，通常表现为脆性。陶瓷材料力学性能主要致力于：改善材料的韧性、强度（尤其是高温强度）。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性能。概述材料力学性能第一节弹性性能什么是弹性变形？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。陶瓷材料为脆性材料，而在弹性变形范围内就产生断裂破坏。因此，其弹性性质就显得尤为重要。第一节陶瓷弹性性能应力与应变：胡克定律：σ=Eε弹性模量E：衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，为材料常数第一节陶瓷弹性性能τ=GγG为材料常数，称为剪切模量σ=Kεv压缩应力σ与体积应变εv的关系系数K为压缩模量剪切变形时的应力与应变：压缩变形时的应力与应变：剪切模量、压缩模量与拉伸模量的关系G=E/2（1+ν）K=E/3（1-ν）ν为泊松比陶瓷的化学键决定了其杨氏模量高于金属材料，约10倍的差距，此外，陶瓷的压缩模量比拉升模量高。陶瓷与金属的比较陶瓷的特性-本征脆性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。固体中两原子间的引力与斥力曲线（CondonMoase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。陶瓷弹性模量数据氧化物<氮化物≈硼化物<碳化物实际值远小于理论值，为什么？1）多晶材料：

结晶相、玻璃态相和气孔相。对于多相材料，其杨氏模量与这几种材料各自的杨氏模量值以及每个材料所占的体积分数有关，可以表为：

E=E1V1+E2V2+

这里Vi代表各相占据的体积分数。

2）复合材料：

通常有

E>E1V1+E2V2+

这里Vi代表各相占据的体积分数。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：

例如在陶瓷材料中通常都有一定比例的气孔相，当气孔的体积分数较小时，可以认为气孔相的E=0，材料的杨氏模量可以表为：

E=E0(1-kp）

这里，E0为材料中不存在有气孔时的杨氏模量值，k为与气孔形状有关的常数，p为气孔的体积分数，即气孔率。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，E=E0exp(-kp）式中的k1、k2、k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降低。总之，随着气孔率的增加，陶瓷的弹性模量急剧下降。陶瓷影响陶瓷材料杨氏模量的几个因素4）杨氏模量的数值与温度关系：

可以表为：

E=E0–BTexp(-TC/T）

这里E0为温度在0℃时材料的杨氏模量值，B与TC均为由物质本身决定的常数。从式中可知，随温度的升高，陶瓷材料的杨氏模量值降低，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。陶瓷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：

物质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300K时，

其中，k为常数，Tm为熔点，Va为原子或者分子的体积。因此，熔点高的材料，其杨氏模量值也大。陶瓷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成相的种类和分布、气孔率及温度等的关系密切，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。小结第二节陶瓷的硬度硬度是材料的重要力学性能参数之一，它是材料抵抗外力引起形变的量度。

陶瓷的硬度陶瓷材料硬度测试方法-金刚石压头加载压入法可沿用金属材料硬度测试方法试验方法及设备简便，试样小而经济硬度作为材料的本身物性参数，可获得稳定的数值维氏硬度测定的同时，可以测得断裂韧性陶瓷材料硬度测试的特点维氏硬度显微硬度劳克维尔硬度莫氏硬度(a)(b)(c)(d)(a)(b)不如金属材料那样规则边缘产生破碎100g300g500g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很难与强度直接对应起来。决定材料硬度的因素晶体结构：例如金刚石和石墨，金刚石的sp3四面体键结构使其成为自然界中最硬的材料，石墨为sp2层状结构，软到可以做润滑剂和铅笔芯。晶体取向：单晶体的硬度与晶体取向有关，例如金刚石单晶的（111）密排面是硬度最大的晶面。晶粒大小：材料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/纳米多层膜的硬度可以有大幅度提高，例如纳米复合膜Ti-Si-N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材料有可能得到超高硬度。决定材料硬度的因素气氛影响：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2-3微米处。第三节陶瓷的强度陶瓷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。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，使位错较难生成，也不易滑移和增殖，因此陶瓷材料的弹性形变很小，脆性大、易断裂。陶瓷材料的强度是高度结构敏感性的，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、微结构和晶体缺陷等密切相关。陶瓷与金属的应力-应变曲线模型金属陶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，它决定于材料的成分、组织结构，同时也随外界条件变化而变化。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，因此很少测量其拉伸强度(tensilestrength)，通常多测量其弯曲强度(flexurestrength)、压缩强度(compressstrength)、扭转强度(torsionstrength)和冲击强度(impactstrength)不同于金属，为什么陶瓷多测抗弯强度？式中：F—破坏载荷L—跨距b—宽度h—厚度三点弯曲计算公式：影响陶瓷材料强度的因素1）气孔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，气孔附近也是材料中应力集中的区域。同时，气孔又可能诱发微裂纹，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较复杂，一般来说，随材料中气孔率的增加，强度明显下降。

影响陶瓷材料强度的因素

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。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：影响陶瓷材料强度的因素2）晶粒尺寸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提高。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，裂纹移动至此往往受阻，不容易得到扩展，因此提高了材料的强度。举例：晶粒尺寸对材料强度的影响TiO2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。影响陶瓷材料强度的因素3）温度与材料强度的相关性陶瓷材料的强度当温度T<0.5Tm时，基本保持不变，当温度高于0.5Tm时才出现明显的降低。低温区A区，无明显塑性变形。中间温度B区，断裂受塑性变形控制，断裂应力受位错塞积机制控制。更高温C区，交滑移产生。在此区域内，断裂应力有随温度的升高而上升的趋势。陶瓷材料的一个最大的特点就是高温强度比金属高得多。影响陶瓷材料强度的因素4）其它因素

第二相引入和沉淀对基体强化，晶间相强化等。指材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。第四节陶瓷断裂韧性和增韧方法绝大多数陶瓷材料在室温下甚至在高的温度范围很难产生塑性变形，因供断裂方式为脆性断裂．所以陶瓷材料的裂纹敏感性很强。断裂力学性能是评价陶瓷材料力学性能的重要指标，最普遍用来评价陶瓷材料韧性的断裂力学参数就是断裂韧性(KIC)。数值上等于应力强度因子的临界值断裂韧性应力强度因子对于Ι型裂纹，失稳扩展条件为：反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量称为应力强度因子。它和裂纹尺寸、构件几何特征以及载荷有关。三点弯曲法测断裂韧性压痕法测断裂韧性式中：P—载荷E—弹性模量a—裂纹宽度H—维氏硬度χ-修正值2a金属材料的断裂韧性大于陶瓷材料陶瓷增韧的方法

陶瓷增韧可以通过控制材料显微结构和使裂纹钉扎、偏转、弯曲、弥散相颗粒及第二相桥联、应力诱导微裂纹、相变等方式来达到。一类是自增韧陶瓷，它是烧结或热处理等工艺使其微观组织内部自生出增韧相（组分），如：ZrO2相变增韧陶瓷及α＋β－Sialon自增韧陶瓷；另一类是在试样制备时，用机械混合方法加入引起增韧作用的第二相（组元），如纤维增韧，晶须增韧及颗粒增韧。陶瓷增韧的方法（1）控制显微结构：制备微晶、高密度、高纯度的陶瓷；控制陶瓷材料的显微结构，如晶粒形状和尺寸、晶界特性、气孔率及气孔尺寸和分布等。

晶粒尺寸或形状断裂韧度（MPam1/2）等轴，1-2微米3等轴，>2微米4-4.5含25vol%片状单晶7-8粒子增韧举例：碳化硅增强氧化铝自补强氮化硅陶瓷的显微结构碳化硅板状粒子增强氧化铝的显微结构自补强氮化硅陶瓷的显微结构（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。陶瓷增韧的方法陶瓷的超塑性

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、晶粒转动、长大和重组、晶界和相界迁移、滑动等微观形态有关。

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：（1）小于10μm的等轴晶粒，一般为两相组织；（2）温度大于Tm/2；（3）应变速率在10-6－10-2/s间。陶瓷的超塑性1986年Wakai等人报导在0.3微米细晶粒Y-TZP上得到大于100%的延伸率，之后又发现其它陶瓷材料，如氧化铝、羟基磷灰石、Si3N4以及ZrO2/Al2O3、ZrO2/莫来石、Si3N4/SiC等在单轴或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，这种组织超塑性也称为细晶粒超塑性或微晶超塑性。第五节陶瓷蠕变与疲劳陶瓷的蠕变蠕变(creep)：是指在恒定应力的作用下，材料随时间的变化表现出缓慢和持续的形变过程。陶瓷蠕变的特点：材料的应变一般