第3章 结构陶瓷08级.ppt

1、,特种陶瓷材料,北方民族大学材料学院陆有军,07:47,材料学院,2,第3章结构陶瓷,1、结构陶瓷的力学性能2、结构陶瓷的热学性能3、各种增韧方法4、典型结构陶瓷及其性能,应掌握的内容：,教学目的和要求,07:47,材料学院,3,第3章结构陶瓷,1、复合增强增韧2、相变增强增韧,应熟悉的内容：,教学目的和要求,07:47,材料学院,4,第3章结构陶瓷,1、结构陶瓷的概述2、新的增强增韧方法,应了解的内容：,教学目的和要求,07:47,材料学院,5,结构陶瓷的致命缺点：脆性、可靠性低、重复性差。,3.1引言,第3章结构陶瓷,发展趋势：,结构陶瓷主要是利用陶瓷材料的力学性能、耐高温、耐磨损、耐腐蚀

2、和化学性质稳定等特性，用于制备各种结构部件，如发动机零部件、切削工具、磨料磨具、轴承、阀门、喷嘴、窑具材料、催化剂载体等。,纳米陶瓷,多相复合陶瓷,材料设计,07:47,材料学院,6,结构陶瓷的分类,第3章结构陶瓷,（1）按应用领域分,（2）按化学成分分,3.1引言,机械陶瓷；热陶瓷；生物陶瓷；核陶瓷及其他。,氧化物陶瓷；氮化物陶瓷；碳化物陶瓷；硼化物陶瓷；其他结构陶瓷。,07:47,材料学院,7,3.2.1弹性模量,在工程意义上，弹性模量是表征材料对弹性变形的抵抗能力。,在应力应变关系意义上，弹性模量代表着单位应力作用下原子间距的变化率。,定义,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,硬、脆，

3、变形仅为弹性，塑性变形很小，无屈服强度。,07:47,材料学院,8,结合键强度弹性模量是键强反映，熔点高，模量高。,晶相种类按照氧、硼、氮、碳化物的顺序依次增大。,影响因素,晶相分布,气孔率小于50时，与弹性模量有直接的数学关系。,温度一般随温度升高降低，高温时越明显。,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,3.2.1弹性模量,特点,比金属大得多（脆性）；压缩时比拉伸时大（金属相等）。,07:47,材料学院,9,静态法,长度大于40mm，宽度大于5mm，厚度大于1mm的长方条在支承架上，用2001000Hz使之振动，测出一次谐振来计算弹性模量。,测试方法,超声波法,透射法,反射法,第3章结构陶

4、瓷,3.2陶瓷的力学性能,3.2.1弹性模量,动态法,弯曲共振法,长度3080mm，宽度大于4mm，厚度大于1mm的抗弯强度测定试条，加以三点或四点弯曲载荷，测定变形后，计算弹性模量。,07:47,材料学院,10,脆性材料断裂时，形成的新表面与最大张应力的方向垂直。断裂所需的应力与原子间的引力有关。断裂所需应力强度？表征材料抵抗外力能力的指标？。,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,特点,抗压强度抗拉强度大得多（10倍以上，金属34倍）陶瓷中的缺陷对拉应力敏感而对压应力不敏感。断裂前无宏观塑性变形，是脆性断裂微裂纹所致。,定义,3.2.2强度和断裂,07:47,材料学院,11,分离两个相邻单

5、位面积的功为：,假定曲线近似于正弦曲线，则：,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,3.2.2强度和断裂,理论计算公式,当原子间距很小时，xR，并服从胡克定律：,07:47,材料学院,12,从材料的表面能、弹性模量和原子间距即可计算出理论断裂强度值，但实际测定的陶瓷的强度要比理论强度低12个数量级以上：理论值MPa测定值MPaAl2O3（晶须）5000015400Si3N4(热压)385001000Si3N4(反应烧结)38500295原因：脆性断裂、结构缺陷所致。,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,3.2.2强度和断裂,实测值低的原因,07:47,材料学院,13,1抗弯强度,第3章结构陶

6、瓷,3.2陶瓷的力学性能,3.2.2强度和断裂,定义,07:47,材料学院,14,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,3.2.2强度和断裂,1抗弯强度,三点弯曲,四点弯曲,测试方法,第3章结构陶瓷,三点弯曲,四点弯曲,07:47,材料学院,16,2圆环压缩强度,为应力集中值，由i/0关系式计算而得。,实际是拉伸强度,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,3.2.2强度和断裂,07:47,材料学院,17,各种材料的断裂都是内部裂纹扩展的结果。,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,3.2.2强度和断裂,裂纹的产生和扩展都要产生新的表面，要吸收能量。由外加应力导致的内储弹性能就是驱动裂纹扩张的动

7、力。,每种材料抵抗裂纹扩展的能力的高低，表示了它们韧性的好坏。,内部缺陷，如夹杂物、空穴、微裂纹、划痕等;由于外力作用或环境因素引发的新生裂痕。,裂纹源,07:47,材料学院,18,3断裂韧性KIC的测定方法,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,3.2.2强度和断裂,断裂韧性:表征材料抵抗其内部裂纹扩展能力的性能指标KIC裂纹尖端的临界应力强度因子.,影响因素裂纹存在的概率与材料的几何形状和尺寸有关。截面越小，裂纹存在的概率就越小，故纤维和晶须的裂纹缺陷最少。,07:47,材料学院,19,3断裂韧性KIC的测定方法,大裂纹法,KIC测试方法,微裂纹法,锯口梁弯曲试验法、双悬臂法双扭法,可控微

8、裂纹法微小压痕法,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,3.2.2强度和断裂,07:47,材料学院,20,大裂纹法,在试样上刻出尺寸准确的大型切口，再用弯曲、拉伸等方法测出断裂应力或裂纹长度(锯口梁弯曲试验法、双悬臂法、双扭法等多种方法)。,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,3.2.2强度和断裂,3KIC的测定方法,锯口梁弯曲试验法,P断裂载荷；a缺口长度；W试件宽度；B试件厚度,07:47,材料学院,21,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,3.2.2强度和断裂,3KIC的测定方法,07:47,材料学院,22,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,3.2.2强度和断裂,3KIC的测定方

9、法,07:47,材料学院,23,在试样外侧中央部位的开裂处加以拉伸应力，测定拉力和裂纹生长速度，求出K-v曲线，从而测得K1c。玻璃试样直接求得，陶瓷表面需抛光成镜面，以反射光测裂纹长度。,双悬臂法,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,3.2.2强度和断裂,3KIC的测定方法,07:47,材料学院,24,是在试样试样宽度中央刻有细槽，在细槽一端带有裂口，通过四点弯曲的夹具施以荷重，以使裂纹扩展，测出K-v曲线。,双扭法,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,3.2.2强度和断裂,3KIC的测定方法,07:47,材料学院,25,显微裂纹法,用测量硬度的方法，在试样表面以一定载荷的金刚石压头压入

10、，使试样产生裂纹，从而求出KIC的方法(可控微裂纹法、微小压痕法)。,可控微裂纹法补图?,在抗折试样的拉应力作用面上，用维氏或努氏硬度压头压入材料，在表面形成纵向半椭圆形裂痕，然后将试样压断，求出四点弯曲强度，并测出临界裂纹长度c，计算出KIc。,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,3.2.2强度和断裂,3KIC的测定方法,07:47,材料学院,26,微小压痕法,在维氏压头压入材料时，由于荷重而在试样上产生的压痕对角线延长方向出现四条裂纹，根据荷重P与裂纹长度c的关系计算出KIc。,此函数关系与硬度、弹性模量有关。,不便：试样表面须抛光(镜面状态)。优点：试样小、不必进行断裂实验、压痕小仅约

11、100m。,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,3.2.2强度和断裂,3KIC的测定方法,07:47,材料学院,27,问题：陶瓷材料的强度对材料很敏感，强度值离散性大，用平均强度来评价结构陶瓷的性能不够可靠。,解决：表征强度分布的一个量韦伯Weibull分布系数。,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,3.2.2强度和断裂,4陶瓷材料强度的统计性P34-35,陶瓷内部的裂纹分布和大小具有统计性；试样的大小、表面积、粗糙度、加工缺陷等影响。,原因：,07:47,材料学院,28,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,3.2.2强度和断裂,P()断裂概率；拉应力；a拉断应力；m韦伯系数,4陶瓷强度

12、统计性,大量试样的重现性和可靠性用下式中的m表征：,m越高，强度分布的离散性越小，材料可靠性越高，用于高温热机的陶瓷m值应在20以上。,m的影响因素：试样数量、材料组分、烧结工艺、测试条件等。如：常压烧结的Si3N4的m1015，高温时的m值高于常温,lgln1P()=mlg(/0),07:47,材料学院,29,刻痕硬度：莫氏硬度洛氏硬度压痕硬度：显微硬度,3.2.3硬度P35-36,表面原子或离子填充密度；弹性模量、强度、裂纹的方向、塑性变形程度等。,测定方法,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,维氏Vickers硬度努普Knop硬度,硬度是材料抵抗外来异物压入时产生永久变形的能力。,概念

13、,影响因素,硬度高，材料的耐磨性好,07:47,材料学院,31,3.2.4高温蠕变,在高温下长时间保持一定应力时，随着时间的延长，材料发生变形的过程。由于蠕变与载荷作用时间有关，所以用应变-时间曲线取代应力-应变曲线来表征高温条件下材料受力的行为。,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,概念,07:47,材料学院,32,b:二次蠕变,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,3.2.4高温蠕变,a:一次蠕变,c:三次蠕变,应力时间曲线的a、b、c各段：,低温低负载时，只有ab段，不断裂；中（高）温中（高）负载时出现c段，最终导致断裂.,07:47,材料学院,33,3.2.5疲劳,在交变负荷产生的交

14、变应力作用下，材料内部显微组织发生变化，最后导致的断裂。这样的变化过程称为材料的疲劳（或交变应力损伤）。,一般用一定频率（50周/s）的拉压、弯曲或扭转的周期性负载作疲劳试验来表征。应力断裂时的循环周数曲线韦勒曲线。,第3章结构陶瓷,3.2陶瓷的力学性能,疲劳断裂,测定方法,疲劳断裂总源于粗糙或裂纹部位，可针对性的减轻之。,07:47,材料学院,34,热容量、热导率的概念；影响热导率的因素有那些？,第3章结构陶瓷,复习思考题6,07:47,材料学院,35,3.3.1热容量,概念：热容量是衡量材料的容热能力。,CpJ/(Kmol)；mmol；QJ,第3章结构陶瓷,3.3陶瓷的热学性能,热容量随温

15、度升高而增加（图3.18），200100变化很快，但以后变化很缓。与材料组分及密度有关。,07:47,材料学院,36,3.3.2热导率,Qx通过断面A流向X方向的热流速度；k热导率；X方向的温度梯度。,概念：在一定的温度梯度下，热量通过材料的传递速率。,第3章结构陶瓷,3.3陶瓷的热学性能,与材料的组分、结构、密度有关。,07:47,材料学院,37,AlN是良好的导热体陶瓷，当添加少量的氧化物烧结助剂后，烧结坯体的密度虽然提高了，但热导率确有很大的降低。在精制的SiC粉末中加入BeO作为烧结助剂，得到的陶瓷，其热导率为不加助剂的数倍，导热性比金属铜还好。,非金属材料的导热主要是靠晶格振动来完成

16、，一般导热能力差。,影响陶瓷热导率的因素有气孔和杂质（组分）：,第3章结构陶瓷,3.3陶瓷的热学性能,3.3.2热导率,07:47,材料学院,38,3.3.3热膨胀系数,概念：热膨胀是指材料体积或长度随着温度升高而增大的现象。,影响热膨胀的因素：材料质点间的结合力材料的熔点，当材料结构一定时与其成反比晶体内部原子或离子的堆积密度，成正比温度,第3章结构陶瓷,3.3陶瓷的热学性能,07:47,材料学院,39,3.3.4耐热冲击性,概念：耐热冲击性指材料受温度急变时抵抗破坏的能力，,材料可承受的温度变化条件Ft（温差、温度变化速率等）,Fp材料物性；Fh热传导程度；Fs与材料形状有关的项,第3章结

17、构陶瓷,3.3陶瓷的热学性能,当试样形状、热冲击条件不变时，Ft仅与cFp有关。cFp抗热震性破坏指数，表示材料对热冲击破坏的抵抗。,07:47,材料学院,40,第3章结构陶瓷,复习思考题,为什么要给陶瓷增强增韧？气孔率增加或密度降低可使陶瓷强度下降的原因有那些？高密度陶瓷可以通过哪些途径提高强度？细晶强化增韧、晶界增强增韧、相变增强增韧原理？为什么说原料的粉末细，烧结致密化速度就快？烧结体细晶导致强度增加的原因是什么？弥散增强增韧最重要的工艺条件是什么？纤维（或晶须）增强增韧，什么情况下增韧效果好？什么情况增韧效果差？,3.4陶瓷的增强和增韧,07:47,材料学院,41,第3章结构陶瓷,3.

18、4陶瓷的增强和增韧,3.4.1细晶强化增韧,3.4.2晶界增强增韧,3.4.3相变增强增韧,3.4.4复合增强增韧,07:47,材料学院,42,脆性强度分散性,陶瓷作为结构材料的两个致命弱点,提高KIC的途径：,提高强度c（或提高断裂功i）和增加临界裂纹长度c。,第3章结构陶瓷,3.4陶瓷的增强和增韧,07:47,材料学院,43,气孔率与陶瓷强度的关系（经验）,c气孔率为P的强度P气孔率，0P为0时的强度，b常数,第3章结构陶瓷,3.4陶瓷的增强和增韧,气孔率P或密度可使陶瓷强度c。,07:47,材料学院,44,（2）晶界处的气孔会引起应力集中，在外力作用下形成微裂纹，降低强度。,（3）气孔率

19、增加，晶粒间接触面积减小，有利于微裂纹的形成与扩展，增大陶瓷的脆性。,（4）气孔若呈不规则状，则在多相交界处，气孔本身就相当于裂纹。,（1）弹性模量的影响:陶瓷弹性模量随气孔率P增大而减小，因断裂强度与弹性模量E的平方根成正比，故P,密度下降使强度下降的原因,第3章结构陶瓷,3.4陶瓷的增强和增韧,07:47,材料学院,45,结构陶瓷材料科学的任务,使陶瓷材料的强度和断裂韧性提高到可以与金属相媲美,方法：细晶强化、晶界强化、相变强化、复合强化、表面涂层或处理强化等。,增韧效果最明显的是,复合增韧,相变增韧,第3章结构陶瓷,3.4陶瓷的增强和增韧,07:47,材料学院,46,通过采取各种补强增韧

20、的方法，70年后陶瓷的抗弯强度迅速提高。,第3章结构陶瓷,3.4陶瓷的增强和增韧,90年后ZrO2超过了高硬质合金,70年后超过1000/MPa,07:47,材料学院,47,第3章结构陶瓷,3.4陶瓷的增强和增韧,3.4.1细晶强化增韧,3.4.2晶界增强增韧,3.4.3相变增强增韧,3.4.4复合增强增韧,07:47,材料学院,48,3.4.1细晶强化增韧,晶粒大小,合适的添加剂,无压烧结,致密高强陶瓷,晶粒大小,烧结推动力,热压烧结,细晶高强烧结体,第3章结构陶瓷,3.4陶瓷的增强和增韧,第3章结构陶瓷,3.4陶瓷的增强和增韧,3.4.1细晶强化增韧,陶瓷的强度和韧性与微裂纹的数量、分布、

21、尺寸有关，微裂纹的最大尺寸与晶粒大小、空隙大小有关。晶粒大小直接影响材料的强度和韧性。（P43图3.24）,晶界增强增韧原理,07:47,材料学院,50,第3章结构陶瓷,3.4陶瓷的增强和增韧,3.4.1细晶强化增韧,氮化硅原料粉末细化前后陶瓷的抗弯强度,780MPa,480MPa,07:47,材料学院,51,第3章结构陶瓷,3.4陶瓷的增强和增韧,原料粉末细可使烧结致密化速度加快的原因P43烧结体细晶导致强度增加的原因P44,07:47,材料学院,52,第3章结构陶瓷,3.4陶瓷的增强和增韧,3.4.1细晶强化增韧,3.4.2晶界增强增韧,3.4.3相变增强增韧,3.4.4复合增强增韧,07

22、:47,材料学院,53,3.4.2晶界增强增韧,晶界分隔沉积层：沿晶界两侧形成的厚度约为2nm1m杂质离子层。,第3章结构陶瓷,3.4陶瓷的增强和增韧,晶界增强增韧原理,通过改变晶相组成和烧结后的热处理，使晶界玻璃相结晶成高强度的晶界相来提高强度。,液相烧结晶界液相冷却为玻璃相。,07:47,材料学院,54,3.4.2晶界增强增韧,P44氮化硅氧化钇氧化铝热压；烧结后再在1300热处理Sialon,第3章结构陶瓷,3.4陶瓷的增强和增韧,通过改变晶相组成和烧结后的热处理，使晶界玻璃相结晶成高强度的晶界相来提高强度之例:,晶界增强晶界液相结晶化,第3章结构陶瓷,3.4陶瓷的增强和增韧,3.4.2

23、晶界增强增韧,烧结后热处理前后材料的强度例,23,07:47,材料学院,56,第3章结构陶瓷,3.4陶瓷的增强和增韧,3.4.1细晶强化增韧,3.4.2晶界增强增韧,3.4.3相变增强增韧,3.4.4复合增强增韧,07:47,材料学院,57,3.4.3相变增强增韧,目前陶瓷增韧方法中最有效,第3章结构陶瓷,3.4陶瓷的增强和增韧,氧化铝15体积分数的氧化锆，在裂纹扩展经过区域和裂纹尖端附近的四方相ZrO2变成了单斜相。,TEM,四方氧化锆,单斜氧化锆,ZrO2相变增强增韧,07:47,材料学院,58,相变增强增韧原理,晶型发生转变时产生体积变化使材料内部形成应力场。利用此内部应力场，当材料在外

24、力作用下断裂时，使应力释放阻止裂纹的扩张。该应力场会在材料未受力情况下产生均匀分布的微裂纹。当材料受力时主裂纹扩展过程中碰到原有的微裂纹会分叉和改变方向而吸收一部分能量，从而减缓和阻止裂纹扩展。,第3章结构陶瓷,3.4陶瓷的增强和增韧,3.4.3相变增强增韧,07:47,材料学院,59,氧化锆三种变体例,单斜相ZrO2,四方相ZrO2,立方相ZrO2,1150,2370,950,5.56g/cm3,6.09g/cm3,6.27g/cm3,第3章结构陶瓷,3.4陶瓷的增强和增韧,3.4.3相变增强增韧,收缩,7膨胀,马氏相变P47,加入添加剂烧结使ZrO2形成稳定的四方相，并保持到室温,一旦机体

25、出现裂纹，四方相周围的压应力消失，马氏相变立即发生，晶体体积增大，压迫着裂纹使之闭合而扩展困难。,07:47,材料学院,60,相变增韧晶形转变要求,高温相低温相的体积膨胀要大；改变粒度、加入稳定剂及加压等使相变不在室温下发生；相变一旦发生，速度要很快；晶体本身要有高强度。,氧化锆相变增韧要求尽量多的四方相被保持到室温，它们在应力诱发下，尽量多地迅速转变成单斜相，达到最大的相变增韧效果。,第3章结构陶瓷,3.4陶瓷的增强和增韧,3.4.3相变增强增韧,ZrO体积分数,1掺入稳定剂的量,第3章结构陶瓷,3.4陶瓷的增强和增韧,3.4.3相变增强增韧,给ZrO2加入8的CaO、MgO、TiO2、Y2

26、O3等，烧结后可使四方相保持到室温。,100单斜相,8,立方,只有20%单斜,99%、相多（长柱状晶多）原料粉末中应有70体积的相？关键在于加入什么烧结助剂,07:47,材料学院,106,1氮化物陶瓷,3.5.2非氧化物陶瓷,第3章结构陶瓷,3.5典型的结构陶瓷韧,烧结体中柱状晶的纵横比（长径比）取决于原料粉末中的与两相的体积比：R=1/,烧结体,原料粉末,07:47,材料学院,107,1氮化物陶瓷,3.5.2非氧化物陶瓷,第3章结构陶瓷,3.5典型的结构陶瓷韧,常压烧结氮化硅强度与相对密度的关系：P60图3.47原料粉末中相氮化硅与制品断裂韧性的关系：P60图3.48,07:47,材料学院,108,07:47,材料学院,109,第3章结构陶瓷,1氮化物陶瓷,3.5.2非氧化物陶瓷,3.5典型的结构陶瓷韧,07:47,材料学院,110,第3章结构陶瓷,1氮化物陶瓷,3.5.2非氧化物陶瓷,3.5典型的结构陶瓷韧,07:47,材料学院,111,第3章结构陶瓷,氮化硅陶瓷塞龙sialon陶瓷氮化铝陶瓷（自学）氮化硼陶瓷（自学）,1氮化物陶瓷,3.5.2非氧化物陶瓷,3.5典型的结构陶瓷韧,07:47,材料学院,112,第3章结构陶瓷,塞龙sialon陶瓷Si3N4与Al2O3可形成一系列固溶体：Si-Al-O-Nsialonsialon最重要的固溶区，Si3N4中的Si3被Al