陶瓷力学性能ppt课件.ppt

1、陶瓷材料导论-何贤昌，陶瓷材料基础，讲师：李飞电话子邮件：2011年11月18日1。陶瓷制备工程结构陶瓷机械性能陶瓷热学性能陶瓷光学性能教学内容2。陶瓷制备工程结构陶瓷机械性能陶瓷热学性能陶瓷光学性能教学内容3。参考书目。司文，郭竞坤等。陶瓷的结构与性能。科学出版社，1998。王永玲。功能陶瓷的性能及应用。北京：科学出版社，2003。高瑞平。高级陶瓷物理和化学原理和技术。科学出版社，2001。周瑜。陶瓷材料科学。哈尔滨工业大学出版社，1995。景瑞，清华大学无机非金属材料教研室翻译。陶瓷介绍。中国建筑工业出版社，1982。刘、先进陶瓷技术。武汉理工大学出版社，2004

2、。M.Barsoum，陶瓷基础。麦格劳-希尔公司，1997。4、材料的一般力学性质，研究材料在外力作用下的弹性或塑性变形，抵抗变形的能力以及材料的破坏或破坏规律。离子键、共价键、混合键、高脆性、塑性差、加工困难、热震差、强度分散、硬度高、耐磨、耐高温、耐腐蚀、优缺点、易裂纹扩展、应力集中陶瓷材料的突然断裂。陶瓷材料的力学性能主要集中在提高材料的韧性和强度(尤其是高温强度)。长期以来，陶瓷材料的力学性能一直是人们最关心和研究的物理性能。概述，6，第1节陶瓷的弹性，什么是弹性变形？材料受到外力后，原子偏离平衡位置并产生微小变形的过程。当外力消除后，原子可以恢复到原来的状态。这种现象被称为弹性变形。

3、=E，胡克定律：E是材料常数，称为杨氏模量或弹性模量(拉伸变形)，G=G，G是材料常数，称为剪切模量，K=V，压应力和体积应变之间的关系系数，V是压缩模量，7，剪切模量，压缩模量和拉伸模量之间的关系，g=e/2 (1)，k=e/。陶瓷和金属的比较，陶瓷的特性-内在脆性，8。陶瓷弹性变形的本质实际上是外力作用下原子间距从平衡位置微小位移的结果。原子间微小位移的允许临界值非常小。如果超过该值，将导致化学键断裂(室温下的陶瓷)或原子平面滑移塑性变形(高温下的陶瓷)。弹性模量反映了原子间距微小变化所需的外力大小。固体中两个原子之间的吸引和排斥曲线(Condon Moase曲线)，两个原子之间的平衡距离

4、是d，而弹性模量是两个原子离开或接近d0时所需的外力，即曲线在d0处的斜率。虽然原子间允许的弹性位移范围很小，但所需的外力很大。也就是说，弹性模量对原子间距的弹性变化很敏感，所以弹性模量远高于塑性变形的加工硬化指数。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的结合能有关，即影响弹性模量的重要因素是原子间的结合力，即化学键。陶瓷、氧化物氮化物硼化物碳化物、10，1)多晶材料的弹性模量数据：晶相、玻璃相和孔隙相。对于多相材料，它们的杨氏模量与其各自的杨氏模量值和每种材料所占的体积分数有关，可以表示为：E=E1V1 E2V2，其中Vi代表每种相所占的体积分数。2)复合材料

5、：通常有E E1V1 E2V2，其中Vi代表各相所占的体积分数。陶瓷影响陶瓷材料杨氏模量的几个因素，11，3)材料的组成相和微观结构：例如，陶瓷材料中通常有一定比例的孔隙相。当孔隙的体积分数较小时，可以认为孔隙相E=0，材料的杨氏模量可以表示为：E=E0(1- kp)这里，E0是材料中没有孔隙时的杨氏模量，K与孔隙有关，陶瓷材料的杨氏模量与孔隙率之间的关系有不同的表达式，如e=E0 (1-k1p2p2)或E=E0 exp(- k p)，其中k1、k2和K都是常数。总之，当存在孔隙时，陶瓷材料的杨氏模量会降低，陶瓷材料的泊松比也会随着孔隙率的增加而降低。总之，随着孔隙率的增加，陶瓷的弹性模量急剧

6、下降。陶瓷影响陶瓷材料杨氏模量的几个因素，12，4)杨氏模量与温度之间的关系可以表示为：E=E0 BT exp(-TC/T)，其中E0是材料在0时的杨氏模量，B和TC是由物质本身决定的常数。从公式中可以看出，陶瓷材料的杨氏模量随温度的升高而降低，但有些材料例外，如应时，它随温度的升高而增加。陶瓷影响陶瓷材料杨氏模量的一些因素，13，5)杨氏模量与物质熔点的关系：物质的熔点与物质中原子的结合力有关，当温度低于300K时，杨氏模量与熔点呈线性关系，其中K为常数，Tm为熔点，Va为原子或分子的体积。因此，具有高熔点的材料具有大的杨氏模量值。总的来说，陶瓷材料的弹性模量与组分相的类型和分布、孔隙率和温

7、度密切相关，但与材料中各相的晶粒尺寸和表面状态关系不大，其结构敏感性较小。第二节陶瓷硬度是材料的重要力学性能参数之一，是衡量材料抵抗外力变形的能力。陶瓷的硬度，金属和陶瓷材料的区别，以及测量金属材料硬度时表面的塑性变形程度，所以金属材料的硬度和强度之间有直接的对应关系。然而，陶瓷材料是脆性材料，在硬度测量过程中，压头的挤压区域会发生伪塑性变形，包括压缩和剪切等复合破坏。因此，陶瓷材料的硬度很难与强度直接对应。16、陶瓷材料硬度测试方法金刚石压头加载压痕法，它可以随着金属材料硬度测试方法和设备的逐渐变化而变化。样品的小而经济的硬度作为材料的物理参数，可以获得稳定的数值维氏硬度测量，以及断裂韧性、

8、陶瓷材料硬度测试特性、维氏硬度、洛氏硬度、莫氏硬度、17维氏硬度。在维氏硬度测试中，使用一个对角线面为136o的金刚石棱锥作为压头，在9.807490.3(150千焦)的载荷下压入陶瓷表面，并在一定时间后去除载荷，留下压痕测量压痕对角线长度，计算压痕面积，得到单位面积的载荷应力，即维氏硬度值HV:P为载荷(n)，S为压痕表面积(mm2)，D为金刚石压头对角线面，D为压痕对角线平均长度(mm)。硬度尺寸与应力相同。一般为GPa或Mpa。18，(a)、(b)、(c)，每组照片：左边是纳米涂层压痕，右边是微涂层压痕(维氏硬度)，100克，300克，500克，19，显微硬度，施加载荷的显微硬度为0.4

9、903-9.807牛顿，由于施加载荷很小，压痕尺寸也在笑，因此，在用于显微硬度的载荷范围内，当用小载荷测量高硬度时，硬度值在一定程度上取决于载荷，所以有必要使用20、洛氏硬度，洛氏硬度试验方法不同于前面的两种硬度，它不是通过测量压痕的对角线长度来计算硬度，而是先加上参考载荷，然后加上试验载荷，再回到参考载荷，测试二次载荷下的压痕深度差h(微米),然后根据定义计算硬度值。金刚石压头是圆锥形的，顶端的曲率半径为0.2毫米，锥角为120，21，莫氏硬度，莫氏硬度是矿物硬度的标准。金字塔形的金刚钻针用于刮擦被测矿物的表面，通常在矿物学或宝石学中使用莫氏硬度。硬度用十个等级的测量划痕深度来表示。滑石(1

10、)(最低硬度)、石膏(2)、方解石(3)、萤石(4)、磷灰石(5)、正长石(长石；正长石；橄榄石6、应时7、黄玉8、刚玉9和钻石10。莫氏硬度也用来表示其他固体材料的硬度。DIA是莫氏硬度为10和22的金刚石，它决定了材料的硬度。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坚硬的材料，而石墨具有sp2层状结构，这种结构足够柔软，可以用作润滑剂和铅笔芯。晶体取向：单晶的硬度与晶体取向有关。例如，金刚石单晶的(111)密排表面是硬度最高的晶面。晶粒度：材料的硬度与晶粒度有关，纳米晶材料的硬度大于大晶粒材料。一般来说，纳米/纳米多层膜的硬度可以大大提高，例如纳米复合膜的

11、硬度甚至超过金刚石的硬度。因此，有可能设计和制造具有超高硬度的纳米复合材料。23，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坚硬的材料，而石墨是sp2层状结构，它足够柔软，可以用作润滑剂和铅笔芯。晶体取向：单晶的硬度与晶体取向有关。例如，金刚石单晶的(111)密排表面是硬度最高的晶面。晶粒度：材料的硬度与晶粒度有关，纳米晶材料的硬度大于大晶粒材料。一般来说，纳米/纳米多层膜的硬度可以大大提高，例如纳米复合膜的硬度甚至超过金刚石的硬度。因此，有可能设计和制造具有超高硬度的纳米复合材料。24，决定材料硬度的因素，大气的影响：大气中陶瓷材料的硬度比

12、真空中的小，而金属材料之间几乎没有差别，因为硬度和大气之间的关系取决于压头和材料的磨损。在摩擦系数较大的真空中，压痕周围的损伤向远处扩展，凹坑扩大。由于大气的影响，硬度在大气环境中降低，软化范围在表面以下约2-3微米。第三节陶瓷的强度、陶瓷的强度、陶瓷材料的强度，特别是用作高温结构材料的强度是材料机械性能的重要表征。陶瓷材料主要通过共价键、离子键和混合键结合，因此晶体中原子或离子的任何移动都会破坏这种结合结构。通常，陶瓷材料包含大量原子、大晶格和位错矢量，这使得位错难以形成、滑移和传播。因此，陶瓷材料变形小，脆性高，容易断裂。陶瓷材料的强度对结构高度敏感，这不仅取决于材料本身，还取决于应力状态

13、、制备方法、测量方法、晶体结构、微观结构和晶体缺陷。26，陶瓷和金属的应力-应变曲线模型，金属、陶瓷和陶瓷的室温强度是弹性变形抗力，即弹性变形达到极限时断裂的应力。强度和弹性模量一样，是材料的一个物理参数，它取决于材料的组成和组织结构，也随着外界条件的变化而变化。27，理论断裂强度，断裂sty是一个无量纲因子，它与材料中裂纹的位置和几何形状、施加应力的作用方式以及样品本身的尺寸和形状有关，一般可视为：e是材料的弹性模量；s是单位面积拉开原子所需的表面能；a是原子距离。理论断裂强度，28，理论断裂强度与杨氏模量有以下简单关系：thE/10。陶瓷材料的平均杨氏模量是金属的10倍，因此理论上预测陶瓷

14、材料的强度应该高于金属。然而，实验表明，陶瓷材料的强度普遍低于金属，这主要是由于陶瓷中存在大量的缺陷和微裂纹，从而大大降低了材料的强度。氧化铝的理论断裂强度约为50GPa，几乎没有缺陷的氧化铝晶须的强度为14GPa，具有研磨表面的氧化铝单晶棒的强度为7GPa，烧结制备的氧化铝的拉伸强度仅为0.20.27GPa，29，理论断裂强度-格里菲斯理论，实际材料的断裂不是像理想晶体那样破坏原子键，而是比原子键更容易破坏，即材料内部有微裂纹延伸和连接，导致整个材料的断裂。断裂的定义：试样或部件由于裂纹的不稳定扩展而损坏。当外力满足时，发生断裂，f为断裂强度。根据能量准则，他导出了应力和裂纹(平面应力状态)

15、之间关系的表达式：是表面能，c是裂纹长度。只有当裂纹长度达到一定值时，材料才能断裂。31岁。应力强度因子和断裂韧性，应力强度因子：当应力强度因子达到某一临界值时，裂纹会不稳定地扩展并导致断裂，此时的临界应力强度因子称为断裂韧性。对于裂纹类型，失稳扩展条件如下：1、断裂韧性与表面能和杨氏模量的关系；2、金属材料的断裂韧性大于陶瓷材料的断裂韧性；3、应力强度因子和断裂韧性，陶瓷的断裂过程始于其内部或表面的缺陷。注：在确定陶瓷材料的强度时，晶粒尺寸和孔径相当于裂纹尺寸。当内部缺陷成为裂纹断裂的原因时，随着试样体积的增加，缺陷的概率增加，材料的强度降低。当表面缺陷成为断裂源时，随着表面积的增加，缺陷存

16、在的概率增加，材料的强度降低。34、强度测量方法，强度测量可以通过多种方式完成。由于陶瓷材料的脆性，拉伸强度很少测量，但弯曲强度、压缩强度、扭转强度和冲击强度却经常测量。35.影响陶瓷材料强度的因素：1)孔隙的存在会降低材料的弹性模量，从而降低强度。孔隙明显减小了载荷作用下的截面积，材料中的应力集中区也在孔隙附近。同时，孔隙可能诱发微裂纹。由于孔隙周围微裂纹的尺寸与颗粒尺寸相似，因此细颗粒样品中由孔隙引起的微裂纹以及由此导致的样品破裂比粗颗粒样品中的危害小得多。孔隙周围晶体的微观缺陷是复杂的。一般来说，随着材料孔隙率的增加，强度明显降低。36，影响陶瓷材料强度的因素，1)孔隙率，陶瓷材料强度和孔隙率之间的关系：其中0是孔隙率p为零时的材料强度，b是常数，其值在4和7之间。根据上述公式，陶瓷材料的强度随着孔隙率的增加呈指数下降。因此，要想获得高强度的陶瓷材