材料与材料性能第九章.ppt

n 概述概述第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能陶瓷广泛应用于我们的日常生活，如建筑材料、饮食陶瓷广泛应用于我们的日常生活，如建筑材料、饮食餐具等以及国家战略战备设施，如武器装备、航天领餐具等以及国家战略战备设施，如武器装备、航天领域上。域上。传统的陶瓷制品以天然粘土为原料，通过混料、成型、传统的陶瓷制品以天然粘土为原料，通过混料、成型、烧结而成，性能特点是强度低、脆性高。烧结而成，性能特点是强度低、脆性高。目前研究的陶瓷可以分为目前研究的陶瓷可以分为结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷和功能陶瓷。耐高温、硬度高、弹性模量高、耐磨、耐蚀、抗高温蠕变 结构陶瓷结构陶瓷主要利用的是材料的耐高温、强度、硬度、韧性、耐磨性等结构性能，主要包括氧化物、非氧化物以及其两者的复合系统，如氧化铝、氧化锆、碳化物、氮化物等材料。应用：磨料、磨具、刀具，纺织瓷件、轴承、喷嘴、人工关节以及航天材料（宇宙飞船的外保护装置）等各个领域。第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能功能陶瓷功能陶瓷指具有优异的物理性能、化学性能及生物学性能，如电、光、磁、热、声、化学、生物医学，且各种功能之间可以相互转换的陶瓷材料，应用主要取决于电绝缘性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性及生物适应性、化学吸附性等。第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能一、陶瓷材料的组成与结合键一、陶瓷材料的组成与结合键陶瓷晶体是以离子键和共价键为主要结合键，一般为两种或两种以上不同结合的混和形式。离子键和共价键是强固的结合键，故陶瓷材料具有高熔点、高硬度、耐腐蚀和无塑性等特性。二、陶瓷材料的显微结构二、陶瓷材料的显微结构陶瓷材料有晶相、玻璃相和气相组成。第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的弹性变形陶瓷材料的弹性变形第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能弹性模量弹性模量弹性模量的本质弹性模量的本质 弹性模量的大小反映材料原子间结合力的大小，越大，材料的结合强度越高。陶瓷材料高弹性模量的原因陶瓷材料高弹性模量的原因 1)由于陶瓷材料具有离子键或共价键的键合结构，因此陶瓷材料表现出高的熔点，也表现出高的弹性模量。第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能2）显微结构对弹性模量的影响）显微结构对弹性模量的影响 弹性模量不仅与结合键有关，还与组成相的种类、分布比例及气孔率有关。陶瓷的弹性模量E与气孔率p的关系可表示为 E0是气孔率为零时的弹性模量 b为与制备工艺有关的参数 弹性模量随孔隙率的升高而降低弹性模量随孔隙率的升高而降低3）温度对弹性模量的影响）温度对弹性模量的影响由于原子间距及结合力随温度的变化而变化，所以弹性模量对温度变化很敏感，当温度升高时，原子间距增大，即弹性模量变低。因此，固体的弹性模量一般随温度的升高而降低。一般陶瓷材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性模量。第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能n 陶瓷材料的塑性变形陶瓷材料的塑性变形一、陶瓷材料塑性变形的特点一、陶瓷材料塑性变形的特点1、陶瓷材料在常温下基本不出现或极少出现塑性变形，它的脆性比较大主要原因在于陶瓷材料具有非常少的滑移系统2、陶瓷材料中只有为数极少的具有简单晶体结构的材料在室温下具有塑性第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能n多晶体陶瓷的塑性多晶体陶瓷的塑性1、多晶体陶瓷的塑性、多晶体陶瓷的塑性在室温或较低温度下，由于陶瓷结合键的特性，使陶瓷不易发生塑性变形，通常呈现典型的脆性断裂。在较高的工作温度晶内和晶界均可出现塑性变形现象T0.5Tm Tm为材料熔点的绝对温度第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能n 室温下陶瓷难发生塑性变形的原因室温下陶瓷难发生塑性变形的原因陶瓷的塑性来源于晶内滑移或孪生、晶界的滑动或流变陶瓷材料中，若为离子键，则正负离子相邻，位错在其中若要运动，会引起同号离子相遇，斥力大，位能急剧升高陶瓷中，位错很难运动，几乎不发生塑性变形。因此，塑韧性差成了陶瓷材料的致命弱点，也是影响陶瓷材料工程应用的主要障碍第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能n 陶瓷材料的断裂陶瓷材料的断裂 陶瓷材料无塑性变形，因此陶瓷强度指断裂强度。陶瓷断裂强度的特点陶瓷材料的实际断裂强度比理论断裂强度低得多，往往低于金属陶瓷材料的抗压强度比抗拉强度大得多，其差别的程度大大超过金属气孔和材料密度对陶瓷断裂强度有重大影响第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能解理是陶瓷材料的主要断裂机理，且很容易从穿晶解理转变成沿晶断裂。陶瓷材料的断裂以各种缺陷为裂纹源，在一定拉伸应力作用下，从最薄弱环节处的微小裂纹扩展，当裂纹尺寸达到临界值时陶瓷瞬间断裂。陶瓷材料的断裂过程都是以材料内部或表面存在的缺陷为起点发生的，晶粒和气孔尺寸在决定陶瓷材料强度与裂纹尺寸方面具有等效作用。第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能图 因加工产生的表面伤痕与氮化铝AlN强度的关系第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能n强度强度第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能n 抗弯强度抗弯强度第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能n 抗拉强度抗拉强度设计陶瓷零件时有时用抗拉强度值作为判据；陶瓷材料由于脆性大，在拉伸试验时易在夹持部位断裂，另外，夹具与试样轴心不一致产生附加弯矩，所以往往测不出陶瓷材料真正的抗拉强度。为保证陶瓷材料拉伸试验的精确性，需要在试样和夹头设计方向做一些工作，例如：在平行夹头中加橡胶垫固定薄片状试样，可以防止试样在夹持部位断裂，并利用试样的弹性变形减少附加弯矩。第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能n 抗压强度抗压强度第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能n陶瓷材料的硬度陶瓷材料的硬度第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能n陶瓷材料的断裂韧度陶瓷材料的断裂韧度陶瓷材料在室温下，甚至T/Tm0.5的温度范围很难产生塑性变形，其断裂方式为脆性断裂，所以陶瓷材料的裂纹敏感性很强，因此，断裂力学性能是评价陶瓷材料力学性能的重要指标。I型是陶瓷材料最常遇到的情况：断裂韧性：金属材料要吸收大量的塑性变性能，而塑性变性能要比表面能大几个数量级，所以陶瓷材料的断裂韧性比金属材料的药低12数量级，最高达到1215MPa.m1/2第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能n 单边切口梁法单边切口梁法优点：(1)数据分散性好；(2)重现性好；(3)试样加工测定方法比较简单，是目前广泛采用的一种方法。缺点：测定的KIC值受切口宽度影响较大，切口宽度增加，KIC增大，误差随之增大。如果能将切口宽度控制在0.050.10mm以下，可望提高KIC值的稳定性。第九章第九章 陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能 压痕长度测量示意图式中l=L1+L2+L3+L4(L1、L2、L3、L4见图，单位为um)。第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度n 压痕法压痕法名称名称优点优点缺点缺点适用条件适用条件单边切口梁法数据分散性小，重现性好，试样加工测定简单所测KIC值受切口宽度影响大高温和各种介质条件压痕法测试方便，可用很小试样进行多点韧度测试表面质量、加载速率、载荷时间、卸载后测量时间对裂纹长度有影响，KIC误差大用于对韧度相对评价，压头下部材料在加载过程中无相变和致密化；压痕表面无碎裂第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度n 陶瓷材料的增韧陶瓷材料的增韧工程陶瓷材料的脆性大，应用受到限制，所以陶瓷材料的增韧一直是材料学界研究的热点之一。通常金属材料的强度提高，塑性往往下降，断裂韧度也随之降低。而陶瓷材料的强度与断裂韧度的变化关系与金属材料的相反，随着陶瓷材料强度的提高，KIC值也随之增大，所以陶瓷材料的增韧常常与增强联系在一起。第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度(1)改善陶瓷显微结构改善陶瓷显微结构n 陶瓷材料的增韧途径陶瓷材料的增韧途径第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度 裂纹桥联是一种裂纹尾部效应。它发生在裂纹尖端，靠桥联元（剂）连接裂纹的两个表面并提供一个使裂纹面相互靠近的应力，即闭合应力。裂纹偏转机理 第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度n 相变增韧 当将氧化锆颗粒加入其它陶瓷基体中时，氧化锆的相变使陶瓷的韧性增加。单斜相(m)ZrO2，1170C 四方相(t)ZrO2；2370C 立方相ZrO2。t-m转变具有马氏体的特征，伴随有3-5%的体积膨胀。这一相变温度正处在室温与烧结温度之间，对材料的韧性和强度有很大影响。ZrO2发生t-m相变时体积膨胀，使基体产生微裂纹，增加了材料的韧性，但使强度有所下降。第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度 如在ZTA（ZrO2/Al2O3）中加入某些稳定氧化物（如Y2O3等），则会抑制ZrO2的t-m相变。当从制备温度冷却下来时，通过控制晶粒尺寸，可以制备出全部为四方相(t)ZrO2组成的氧化锆多晶陶瓷（Y-TZP）。此时四方ZrO2处于亚稳态，当材料受外力作用时，在应力的诱导下，发生t-m相变。相变吸收能量而阻碍裂纹的继续扩展，因而不但提高了材料的强度而且提高了韧性。n 相变增韧 第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度图 相变增韧示意图 图 ZTA中应力诱变韧化导致性能随ZrO2体积含量的变化 n 相变增韧 第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度n 微裂纹增韧微裂纹增韧引起微裂纹的原因：引起微裂纹的原因：相变体积膨胀产生微裂纹；相变体积膨胀产生微裂纹；由于温度变化基体相与分散相之间热膨胀系数不同引发由于温度变化基体相与分散相之间热膨胀系数不同引发微裂纹；微裂纹；可能是材料原来已经存在的微裂纹。可能是材料原来已经存在的微裂纹。第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度n 纤维、晶须增韧纤维、晶须增韧-裂纹弯曲图 裂纹弯曲韧化机理 在扩展裂纹尖端应力场中的增强体会导致裂纹发生弯曲，从而干扰应力场，导致基体的应力强度降低，起到阻碍裂纹扩展的作用。随着增强体长径比和体积比增加，裂纹弯曲增韧效果增加。第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度 由于纤维周围的应力场，基体中的裂纹一般难以穿过纤维，而仍按原来的扩展方向继续扩展。相当来讲，它更易绕过纤维并尽量贴近纤维表面扩展，即裂纹偏转。裂纹偏转可绕着增强体倾斜发生偏转或扭转偏转。偏转后裂纹受的拉应力往往低于偏转前的裂纹，而且裂纹的扩展路径增长，裂纹扩展中需消耗更多的能量因而起到增韧作用。n 纤维、晶须增韧纤维、晶须增韧-裂纹偏转第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度图 裂纹偏转示意图复合材料在纤维脱粘后产生了新的表面，因此需要能量。尽管单位面积的表面能很小，但所有脱粘纤维总的表面能则很大。因此，通过纤维脱粘达到的增韧效果。图 纤维脱粘 n 纤维、晶须增韧纤维、晶须增韧-脱粘第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度 纤维拔出是指靠近裂纹尖端的纤维在外应力作用下沿着它和基体的界面滑出的现象。纤维首先脱粘才能拔出。纤维拔出会使裂纹尖端应力松弛，从而减缓了裂纹的扩展。纤维拔出需外力做功，因此起到增韧作用n 纤维、晶须增韧纤维、晶须增韧-拔出第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度图 晶须拔出示意图 对于特定位向和分布的纤维，裂纹很难偏转，只能沿着原来的扩展方向继续扩展。这时紧靠裂纹尖端处的纤维并未断裂，而是在裂纹两岸搭起小桥，使两岸连在一起。这会在裂纹表面产生一个压应力，以抵消外加应力的作用，从而使裂纹难以进一步扩展，起到增韧作用。n 纤维、晶须增韧纤维、晶须增韧-桥接第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度图 晶须桥接裂纹示意图n 陶瓷材料的抗热震性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态。而陶瓷材料的导热性差，因此，温度变化引起的热应力，会导致陶瓷构件的失效。材料承受温度骤变而不破坏的能力称之为抗热震性。材料热震失效可分为两大类：一类是瞬时断裂，称之为热震断裂；另一类是在热冲击循环作用下，材料先出现开裂、剥落，然后碎裂和变质，终至整体破坏，称之为热震损伤。第四章第四章 金属的断裂韧度金属的断裂韧度