陶瓷材料力学性能和测试方法

1、高性能结构陶瓷是具有高强度、韧性、高硬度、耐高温、耐磨、耐蚀性、化学稳定性等优秀性能的高级结构陶瓷，已成为航空航天、新能源、电子信息、汽车、冶金、化工等产业技术领域不可缺少的核心材料。根据材料的化学组成，高性能结构陶瓷包括：氧化物陶瓷(如Al2O3、ZrO2)、氮化物陶瓷(如Si3N4、AlN)、碳化物陶瓷(如SiC、TiC)和硼化物陶瓷(如陶瓷的力学性能(1)弹性和弹性变形金属材料在室温静态拉伸载荷下断裂之前，通常要经历两个阶段：弹性变形和塑性变形。陶瓷材料一般不会出现塑性变形阶段，极微变形的弹性变形后立即脆性断裂、延伸率和截面收缩几乎为零。两种类型材料的应力应变曲线对如下图所示。陶瓷材料的

2、弹性变形服从胡克定律：E (1-1) E是弹性系数，是材料原子间结合力的反映。如上所述，陶瓷材料的弹性系数比金属大得多。陶瓷材料变形的另一个特征是压缩时的弹性系数远高于拉伸时的弹性系数，即E压力E拉力。压缩陶瓷材料时，也可以产生少量的压缩塑性变形。金属材料，即使是脆的铸铁，拉伸强度也有压缩强度的1/31/4。但是陶瓷材料的抗拉强度通常小于压缩强度的1/10。弹性变形具有以下特性：弹性系数较大，这由孔刘耦合和耦合结构决定。共价键具有方向性，使晶体具有高抗晶格畸变和阻碍位错运动的阻力。离子键晶体结构的键方向尚不明确，但滑移系统受原子密半面和原子推力方向的限制，受静电作用力的限制，实际可移动滑移系统

3、较少。此外，陶瓷材料是多元化合物，晶体结构更复杂，晶格常数比金属晶体大，因此陶瓷材料的位错运动很困难。陶瓷材料的弹性模量大小不仅与键有关，还与构成阶段的种类、分布比和空气空置率有关。温升陶瓷材料的弹性系数降低，熔点增加陶瓷材料的弹性系数，空气空置率低时增加。弹性系数还随着气孔率的增加而线性降低。一般来说，陶瓷材料的压缩弹性系数高于拉伸弹性系数，图1-2所示的陶瓷在压缩时的曲线斜率大于拉伸。这与陶瓷材料的复杂显微结构和非均匀性有关。影响弹性系数的因素：温度、材料熔点、密度等温度是原子间距和结合力随温度变化的，因此弹性系数对温度变化很敏感。温度越高，原子之间的距离就越大，弹性系数就越低。一般来说，

4、热膨胀系数小的物质往往有很高的弹性系数。熔点物质熔点的高低反映了原子间结合力的大小，熔点与弹性系数成正比。在300K以下，弹性系数E和熔点Tm之间的关系如下：E1000K Tm /Va (1-2)格式的Va是原子体积或分子体积，K是体积弹性系数。密度弹性系数会随材料密度的增加而快速增加，以满足E Eo (1 F1 PF 2) (1-3)表示式中Eo为空气空率0时的弹性系数。F1和F2是由气孔形状决定的常数，P是气孔比例。陶瓷材料的塑性变形塑性变形是消除外部应力后仍保持的零件变形。材料断裂前可接受的形状变量越大，塑性变形越大，越多的陶瓷达到高温，表现出不同程度的塑性。但是在室温下，大多数陶瓷材料

5、不会发生塑性变形。单晶MgO陶瓷以离子键为主，在室温下能承受高弯曲，是不破裂的特殊情况。最近的研究表明，陶瓷材料存在以下条件时，会显示超塑性：晶粒大小(大小为1um)；小于)。决定是等轴测决定。第二相分散分布在高温下抑制气体粒子的生长。晶粒之间有液体或玻璃相。具有典型超塑性的陶瓷材料是用化学共沉淀法制作的含有Al2O3的ZrO2粉末，成型后在1250oC左右烧结，可以得到相对密度为98左右的烧结体。该陶瓷在1250oC、3.510-2s-1应变速率下的最大应变率达400。陶瓷材料的超塑性与晶系滑动或晶系液体流动有关，金属等陶瓷材料的超塑性流动也是扩散控制过程。研究结果表明，陶瓷超塑性和金属超塑

6、性的区别在于(1)超塑性陶瓷的应变率和应力之间没有金属超塑性等依赖性，也没有单个N值。(2)有晶间玻璃相时，陶瓷的N值随着玻璃的增加几乎减少。超塑性金属的N值几乎随初始晶粒大小的增加而减少。(2)硬度是材料的重要力学性能之一，是材料抵抗局部压力产生变形能力的表征。由于键的差异，陶瓷和金属的硬度有很大的差异。常用的经度指标包括布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)、维氏硬度(HV)和莫尔斯经度。表1-1是典型陶瓷材料的熔点和硬度。目前测试陶瓷材料硬度的方法主要有金刚石压头杆压法，测试内容主要是罗氏硬度和维氏硬度(显微镜图)。表1 -1一般结构陶瓷材料点和硬度，表1-1一般结构陶瓷材料的熔点和硬度，(

7、3)强度是材料的固有物理参数，与弹性系数和硬度一样。陶瓷材料的化学键在室温下很少发生滑动或电位运动，因此很难产生塑料变形，室温下的强度测量只能得到一个断裂强度(fracture strength f)。固体材料断裂强度的理论值在th 2E ro/(1.4)表达式中为E是弹性系数，ro是原子间结合力最大时原子间距的增加量。常识是假设理想晶体完全弹性体脆断时的计算值。实际陶瓷材料的强度至少比理论强度小两个等级。当Al2O3的th为46 GPa时，几乎没有瑕疵的Al2O3晶须的强度约为14 GPa，表面经过精密抛光的Al2O3的细棒强度约为7 GPa，而块状多晶Al2O3材质的强度只有0.1-1 G

8、Pa。理论计算和实际数值之间有这么大的差异，主要是因为实际材料有小裂缝。陶瓷材料的强度主要包括弯曲强度、抗拉强度、抗压强度等。空气空置率强度与空气空置率的关系大致满足了Ryskewitch经验公式。o exp(aP) (1.5)表达式中的A表示孔隙比，O表示孔隙比为0时的强度，P表示常数，其值介于4 7之间。由此可见，为了获得高强度，必须准备接近理论密度的无公害材料。影响陶瓷材料强度的因素主要是晶粒大小和形状、晶界的特性与厚度强度和晶粒大小的关系符合Hall-Petch关系。在b o kd-1/2 (1-6)表达式中，O是无限单晶的强度，K是系数，D是晶粒直径。从常识可以看出，微观组织对提高材

9、料室温强度没有危害，但晶体入帐的性质和厚度、晶粒形状对强度的影响比较复杂。温度陶瓷材料的一个突出特征是高温强度比金属高得多。温度T0.5Tm时，默认情况下保持不变。温度超过0.5Tm就会明显降低。(4)破裂韧性断裂韧性是材料抵抗裂纹扩展的能力，是本征属性，与裂纹的大小、形状和外力的大小无关。陶瓷材料对裂纹的敏感性很强，断裂韧性是评价陶瓷材料力学性能的重要指标，一般使用线弹性力学研究裂纹扩展和断裂问题。下面用于评估材料的断裂韧性。KICY f a1/2 (1-7)式的KIC是破坏韧性。f是临界应力，即材料的破坏强度。y是裂纹的几何元素。a是半裂的长度。陶瓷和金属材料的拉伸和弯曲强度没有太大差别，

10、但反映材料裂纹扩展阻力的断裂韧性值有很大差别。一般低12个左右。陶瓷材料断裂韧性的测试方法主要有单边的开孔梁法和压痕法，具体操作可以参考相关测试技术。陶瓷材料的脆性是制约相关特性发挥和实际应用的重要因素。为此，人们继续探索增强相变、增强粒子、晶须或纤维、纳米结构磷化、仿生结构人性化等多种方法。具体可以参考相关文献。1.2.2结构陶瓷的热性能和抗热冲击陶瓷材料的热性能(如熔点、热容量、导热系数、热膨胀系数等)不仅对陶瓷的制造有重要意义，而且对其在工程中的应用也有直接影响。与金属材料相比，熔点是陶瓷材料的良好特性之一。材料的耐热性一般根据高温强度、抗氧化性、耐蚀性等因素来判断。但是，要成为耐热材料

11、，首先要高熔点。熔点是维持晶体结构的原子间结合力强弱的参数，结合力越强，原子的热振动越稳定，晶体结构保持在更高的温度下，熔点越高。图1.2比较了各种材料的熔点。可见，单质材料中碳材料的熔点最高。陶瓷材料中碳化物的熔点最高。图1-2各种材料的熔点，摩尔热容量晶体材料的摩尔热容量对结构不敏感，但体积热容量取决于空气空置率。热膨胀绝大多数晶体材料的体积或长度随着温度的升高而增大的现象称为热膨胀。陶瓷材料的线膨胀系数通常不大，约为10-5 10-6/K。热膨胀系数实际上取决于温度，而不是常量值。一般陶瓷材料的线膨胀系数通常表示20 1000的平均值。不同热导率的陶瓷材料在热导率性能上可能会有很大差异。

12、有些材料是很好的隔热材料，有些材料是热的好导体。一般来说，低温下有导热系数高的材料，温度越高导热系数就越低，导热系数低的材料具有相反的变化特征。表1-2部分材料的平均线膨胀系数、抗热冲击陶瓷材料的热应力大小取决于材料的热和力学性能，并受零部件几何图元和环境介质的影响。因此，陶瓷材料抵抗温度变化的能力的大小标志抗热冲击性，必须是机械性能和热性能对应于多种加热条件的综合表现。陶瓷材料的抗热震性评价理论在临界应力破坏理论、热冲击损伤理论、裂纹形成和扩展理论等诸多方面都有局限性。影响陶瓷抗热冲击性的主要因素是热膨胀系数众所周知的，固体材料的热膨胀是由原子热振动引起的，晶体的平衡间距是由原子间的势能决定

13、的，温度升高会加剧原子的振动，间距的相应扩大表示宏观的热膨胀。热膨胀系数低，抗热冲击性好，表1-2部分材料的平均线膨胀系数见表1-2，Al2O3等密集的离子耦合氧化物在热膨胀系数高，温度高的情况下增加。大多数硅酸盐晶体，如堇青石(MgO2Al2O35SiO2)和锂霞石(Li2OAl2O32SiO2)，在晶体中原子积累松，因此热膨胀系数低，抗热冲击性好。像SiC这样的共价键晶体在晶体中原子紧密堆积，但由于高键方向和高键强度，晶格振动需要更多的能量，因此热膨胀系数较小。共价晶体热膨胀系数低于离子晶体。要提高陶瓷材料的抗热冲击性，必须选择热膨胀系数较小的组。导热系数抗热冲击性好的陶瓷材料，导热系数一

14、般较高。陶瓷中的热传导主要取决于晶格振动，因此硬度高的SiC陶瓷具有较高的晶格振动速度，因此导热系数高。MgO、Al2O3、BeO等纯氧化物陶瓷的热导率高于结构复杂的硅酸盐。弹性模量的热应力是弹性模量的增值函数，陶瓷材料的弹性模量较高，产生的热应力也较高。一般弹性系数随着原子的增加和原子半径的减少而增加，因此选择合适的化学成分是控制陶瓷材料弹性系数的重要方法之一。前面讨论了陶瓷材料的弹性系数。f随着气孔增加而减少，因此为了提高陶瓷的抗热冲击性，必须提高气孔率，降低弹性系数。绝热能量绝热表面能量是决定材料强度和绝热韧性的重要因素，无论是热冲击绝热冲击损伤，都是绝热能量的增值函数。因此，所有能提高

15、材料断裂能量的组和显微结构都可以提高陶瓷材料的抗热冲击性。l.2.3陶瓷材料的破坏过程陶瓷材料的破坏过程都是从内部或表面存在的缺陷开始的。晶粒和孔径在决定陶瓷材料强度方面与裂纹尺寸等效。缺陷的存在是概率性的。内部缺陷成为破裂的原因时，样品体积增加，缺陷的概率增加，材料强度下降。表面缺陷成为破裂源后，表面积增加，缺陷存在的概率也增加，材料强度也下降。陶瓷材料破裂概率可以基于最弱的链接理论，根据韦伯分布函数，可以认为是同一组材料，韦伯模块是固定值。陶瓷材料在考虑平均强度时，用韦伯模块M测量强度均匀性。如果两种陶瓷材料的平均强度相同，则在特定断裂应力下，M值较大的材料比M值较小的材料破坏的可能性较小

16、。陶瓷材料的破裂以各种缺陷为裂源，在一定拉伸应力作用下最弱部分的小裂纹扩展，当裂纹大小达到阈值时，陶瓷材料瞬间断裂。L.2.4陶瓷材料强度测量与金属材料一样，强度是陶瓷最基本的性能。大量实验表明，陶瓷的实际强度比理论值小12个左右，只有胡须和纤维的实际强度更接近理论值。格里菲斯裂纹强度理论成功地解释了这一差异。a弯曲强度弯曲强度是衡量陶瓷材料强度的主要实验方法，分为三点弯曲强度和四点弯曲强度。范例大小：长度LT 36mm、宽度b、厚度h、跨距L=300.5mm、l=100。5mm，压力负载rl=2常用范例剖面大小为BH=4mm 3mm。在折弯实验中，以0.5mm/min的位移速度载入，取得最大

17、中断负载，然后按以下方式计算折弯强度：四点弯曲实验的最大弯矩范围很大，应力状态接近实际零部件的服务状态，因此更有用。由于四点弯曲试样工作部分的缺陷可能性很大，因此相同材料的四点弯曲强度低于三点弯曲强度。材料的韦伯系数越小，B3和B4的差异就越大。室温条件下，陶瓷材料不屈服，往往在形状变量较小的状态(0.0l)下发生脆裂。温度提高到一定水平(约1000oC)时，大部分陶瓷材料会从脆转变为半脆，在断裂之前发生不同程度的塑性变形，优秀的高温结构陶瓷材料的强度可以保持在较高的温度(1000-1200)下，而不会下降。b拉伸强度通常在设计陶瓷零部件时用作拉伸强度值的基础。陶瓷材料脆性大，因此在拉伸实验中，在夹紧部位容易折断，夹具和样品轴不匹配，产生附加弯矩，因此，陶瓷材料的实际拉伸强度往往无法测量。为了正确执行陶瓷材料的拉伸测试，需要在样品和夹具