第十三章-陶瓷材料的力学行为

1、第13章陶瓷材料的力学行为第13.1章前言陶瓷材料大多是脆性材料，对缺陷非常敏感，因此强度试验的结果高度分散。为了将陶瓷材料作为结构材料应用于工程，有必要对其力学性能进行更多的研究，并对其力学性能的测试结果进行统计分析。此外，玻璃、光纤、电瓷和红外窗口材料也是陶瓷材料，对这些材料力学性能的研究报道越来越多。除了少数简单的晶体结构，如氧化镁、KCl、KBr等。普通陶瓷在室温下具有轻微的塑性，但由于其复杂的晶体结构和在室温下没有塑性，所以是脆性材料。脆性材料的拉伸试验只能确定其弹性模量和断裂强度。13.2陶瓷材料的弹性模量比金属大得多，通常高一至几倍。陶瓷材料的弹性模量列于表13-1。陶瓷材料的原

2、子键主要包括离子键和共价键，它们大多具有双重性。共价键晶体结构的主要特征是键的方向性。它使晶体具有更高的抗晶格畸变和阻碍位错运动的能力，并使共价键陶瓷具有比金属高得多的硬度和弹性模量。离子键晶体结构的键方向性不明显，但滑移系不仅受密排面和密排方向的限制，还受静电力的限制，因此实际可移动滑移系较少，弹性模量较高。(1)陶瓷材料的弹性模量，表13-1典型陶瓷材料的弹性模量165，(2)孔隙率对陶瓷材料弹性模量的影响，(13-1)，其中E0为无孔陶瓷材料的弹性模量，p为孔隙率。孔隙度对弹性模量Eeff的影响如图13-1所示；图中的曲线是根据公式(13-1)绘制的。图13-1孔隙率对陶瓷材料弹性模量E

3、eff的影响167，(3)拉伸和压缩应力下的弹性模量。众所周知，无论是拉伸还是压缩，金属的弹性模量都是相等的，即拉伸和压缩的两条曲线是一条直线，如图13-2(a)所示。陶瓷材料的压缩弹性模量一般高于拉伸弹性模量，即压缩-e曲线的斜率大于拉伸-e曲线的斜率，如图13-2(b)所示。这与陶瓷材料微观结构的复杂性和异质性有关。图13-2金属和陶瓷材料-e曲线的弹性部分。13.3陶瓷材料的强度13.3.1陶瓷材料的断裂强度、强度和塑性是材料的基本力学性能。陶瓷材料在室温下几乎不发生塑性变形，也很少发生塑性变形，因此其塑性指数、延伸率和面积收缩率都接近于零。可以认为陶瓷材料的抗拉强度b、断裂强度f和屈服

4、强度在数值上是相等的。此外，陶瓷材料是脆性断裂，与拉伸、弯曲、扭转或轴向压缩应力无关。因此，陶瓷材料可以被认为是固有的脆性材料。此外，陶瓷材料的轴向抗压强度远大于抗拉强度。这是脆性材料的特点或优点。与金属材料相比，陶瓷材料在高温下具有良好的抗蠕变性，在高温下也具有一定的塑性。如果陶瓷材料的理论强度是根据E/10(见第6.2节)6估算的，则理论强度和实际断裂强度之间的差值为1-3个数量级。这是因为在实际的陶瓷结构中存在工艺缺陷。如果缺陷是裂纹，真实的断裂强度应由格里菲斯公式(6-11)估算。如果缺陷是微孔，真实断裂强度可根据下式168，(13-2)估算，其中0为无微孔材料的断裂强度。图13-3显

5、示了孔隙率对陶瓷材料断裂强度的影响，图中曲线根据公式(13-2)绘制。从公式(13-1)和(13-2)可以看出，应该降低结构陶瓷的孔隙率，以提高材料的弹性模量和强度。图13-3孔隙率对陶瓷材料断裂强度的影响168，样品的表面粗糙度很大此外，试样的加工方向也对弯曲强度有影响，特别是当磨削方向垂直于拉应力方向时，强度会因加工疤痕而大大降低；当沿平行于拉伸轴的方向研磨时，影响很小。图13-4由加工引起的表面伤痕与氮化铝AlN的强度之间的关系39，以及陶瓷材料的强度的概率分布，很难测量陶瓷材料的抗拉强度，主要是因为陶瓷材料硬而脆，很难加工高精度的抗拉样品，并且要求试验机具有高的同心度。因此，目前弯曲强

6、度的测量主要是作为评价陶瓷强度性能的指标。为了获得可靠的测试结果，最好从同质的空白中切取尽可能多的小样本，进行大的子样本测试，然后对测试结果进行统计分析。陶瓷材料的强度试验结果不仅服从威布尔分布，而且服从正态分布和对数正态分布。13.4陶瓷材料的缺口强度和缺口敏感性，以及13.4.1陶瓷材料的缺口强度表达式。当陶瓷材料的弯曲断裂强度和缺口强度服从正态分布时，它们的平均值和标准偏差可以用下列公式表示：(13-3)、(13-4)，其中。弯曲强度和缺口强度的平均值分别为、Sf和SbN、13.4.2加载速率对陶瓷材料强度和缺口强度的影响，加载速率对陶瓷材料弯曲强度和缺口强度的影响如图13-7所示。图1

7、3-7显示了加载速率对陶瓷材料弯曲强度和缺口强度的影响。可以看出，当加载速率较低时，加载速率对陶瓷材料的弯曲强度和缺口强度影响不大；当加载速率高于一定值时，随着加载速率的增加，陶瓷材料的弯曲强度和缺口强度急剧下降。这与加载速率对金属抗拉强度的影响正好相反。这是研究和应用陶瓷材料时应该考虑的另一个重要特征。这也可能是限制使用陶瓷材料作为高速移动机械结构部件的另一个因素。在高温下，增加加载速率也会降低陶瓷材料的强度和缺口强度。13.4陶瓷材料的疲劳概念不同于金属材料。陶瓷材料的疲劳可分为静态疲劳、动态疲劳和循环疲劳。陶瓷材料的静态疲劳是在持续载荷作用下的失效断裂，相当于金属材料的应力腐蚀和高温蠕变

8、。陶瓷材料的动态疲劳以恒定的速率加载。研究了材料失效和断裂对加载速率的敏感性，类似于金属材料应力腐蚀研究中的慢应变速率拉伸。陶瓷材料的循环疲劳是在循环应力下的失效断裂，相当于金属的疲劳。以下是循环疲劳和静态疲劳的简要介绍。13.4.1陶瓷材料的循环疲劳寿命，陶瓷材料循环疲劳的主要特征之一是疲劳寿命的试验结果非常分散，最长和最短疲劳寿命之间的差异为5-6个数量级172。因此，必须对陶瓷材料的循环疲劳寿命试验结果进行统计分析。统计分析表明，陶瓷材料循环疲劳寿命的测试结果也服从对数正态分布，如图13-8所示。图13-8具有给定存活率的Al2O3陶瓷的循环疲劳寿命曲线，13.4.2陶瓷材料的疲劳裂纹扩

9、展速率，图13-10陶瓷材料的裂纹扩展速率曲线a)循环疲劳b)静态疲劳174，13.5陶瓷材料的韧性，13.5.1陶瓷材料的静态韧性，即每单位体积材料断裂之前。可由下式计算，W=f2/2E，(13-6)，虽然陶瓷材料的断裂强度不高于钢的屈服强度，但其弹性模量高于钢，如表13-1所示。因此，陶瓷材料的静态韧性非常低。13.5.2陶瓷材料的断裂韧性，因为陶瓷材料是脆性材料，陶瓷试件或有裂纹的零件的裂纹扩展阻力，即如果表面能的值已知，陶瓷材料的断裂韧性KIC可根据以下公式估算(见公式(5-11)和(7-17)，KIC=2e/(1- 2) 1/2，(13-7)，金属材料断裂时应吸收大量的塑性变形能，塑性变形能高于表面能，最大值为12-15兆帕，最小值仅为2-3兆帕176。陶瓷材料的抗热震性大多数陶瓷在生产和使用过程中都处于高温状