陶瓷材料的结构与强化.pptx
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1、一、一、陶瓷材料强度的影响因素 1.温度的影响:温度对陶瓷材料的影响其实是很复杂的,会牵涉到热膨胀失配,相变,位错激活,晶界软化,塑性流动,晶界滑移,氧化,腐蚀等许多问题。一般温度提高,塑性形变增大。高温环境下会产生可观的塑性形变。强度对温度的依赖取决于化学组成键能,晶体结构,相组成,晶粒大小,气孔,环境介质等多个方面。ZTA第1页/共41页 一般规律:Tsf第2页/共41页2.显微结构的影响:材料性能决定于组成和结构。对于一定组成的多晶材料来说,就是决定于材料的结构,包括晶体结构和显微结构。晶体结构的影响主要体现在两个方面:(1)结合键的强度:决定了E和sth (2)各向异性:产生内应力,在
2、大多数情况下对性能不利。第3页/共41页 对于具体的材料来说,材料的强度在很大程度上取决于显微结构。实际上,所有显微结构因素都会对材料强度产生影响,如:晶粒大小、形状、取向,气孔的大小、形状、含量和分布,晶相、晶界、杂质,缺陷(表面、内部、裂纹)等等。下面主要讨论晶粒大小和形状、气孔的影响以及多相材料中不同相的影响。第4页/共41页(1)晶粒大小及其分布对强度的影响:一般来说,多晶的断裂能比单晶大许多,最主要的原因是裂纹在多晶体内扩展是曲折不平的。因此,实际断裂表面积要比单晶大许多。晶粒大小对强度的影响比较复杂的,因此无法在理 论上建立一个明确的关系式,只能是从实验中总结出一条经验公式:第5页
3、/共41页多晶材料断裂方式:由于晶界比晶粒内部弱,所以多晶材料破坏多是沿晶界断裂。如多晶氧化铝的晶粒断裂表面能微46J/m2,而晶界的为18 J/m2。穿晶断裂沿晶断裂第6页/共41页 晶粒大小大多是指平均晶粒尺寸。但实际上,对强度的影响只有最大的晶粒尺寸才是重要的。因此,即使平均晶粒尺寸一样,如果晶粒尺寸的分布不同,则强度是有差异的,分布宽的材料性能要低于分布窄的。多晶材料中初始裂纹尺寸与晶粒度相当,晶粒越细,初始裂纹尺寸越小,临界应力越高。细晶材料晶界比例大,沿晶界破坏时,裂纹的扩展要走迂回曲折的道路。晶粒越细,路程越长。第7页/共41页(2)气孔对强度的影响:材料的强度随气孔率的提高而下
4、降,这主要是由于:气孔的 存在减小了承受应力的有效截面积,结果导致实际应力大于外加应力。气孔的存在使E下降。气孔的存在使 减小。强度与气孔率之间的经验关系式为:p气孔率;n常数第8页/共41页 事实上除了气孔率外,气孔的大小也有影响的。对于相同的气孔率,气孔越大,产生应力集中就越大,而且最大的结构特征尺寸就越大,出现危险裂纹的机会就越大,强度就越低。气孔形状的影响:球状气孔产生应力集中最小,对强度的影响最小;气孔越尖就影响越大。气孔分布的影响:如果气孔分布不均匀,局部聚集则会对强度造成显著的影响。例外:当存在高应力梯度时(例如由热震引起的应力),气孔能起到容纳变形,阻止裂纹扩展的作用。第9页/
5、共41页(3)多相材料中物相的影响:物相的影响主要使来自于不同物相之间热膨胀系数和弹性模量的差异会产生内应力。因此,影响的程度取决于各物相的a和E。还有它们的晶粒大小。(4)杂质的影响 杂质的存在会由于应力集中而降低强度。第10页/共41页二、二、提高无机材料强度改进材料韧性的途径 陶瓷材料虽然具有较高的弹性模量、较低的密度、耐高温、耐腐蚀和耐磨损等一系列优良的性能,但由于其致命的弱点脆性,而大大限制了它的应用范围。陶瓷材料的强韧化一直是世界各国材料学者的热门研究课题,经过数十年的努力,已经取得了不少成果。第11页/共41页 陶瓷材料和金属材料的抗拉或抗弯屈服强度并不存在很大差异。陶瓷材料的屈
6、服强度虽比高强度与超高强度钢低,但一般高于或相当于中低强度钢;但是反映材料裂纹扩展阻力的断裂韧性值却差别甚大。其断裂韧性与金属材料相比,低12个数量级。第12页/共41页 克服陶瓷材料的脆性,可以从两个方面加以考虑:一是在裂纹扩展过程中使之产生有其他能量消耗机构,从而使外加负载的一部分或大部分能量消耗掉,而不致集中于裂纹的扩展上,其次是在陶瓷体中设置能阻碍裂纹扩展的物质场合,使裂纹不能再进一步扩展。材料增强和增韧的基本原理第13页/共41页根据断裂力学,抗弯强度和断裂韧性可由下式表示:式中 为抗弯强度,E为弹性模量,为断裂能,c为裂纹尺寸,KIC 为断裂韧性。从上式可以看出:要达到提高陶瓷材料
7、强度的目的,必须提高断裂能和弹性模量以及减小裂纹尺寸;要达到提高陶瓷材料韧性的目的,必须提高断裂能和弹性模量;因此可见,对于相同的裂纹尺寸,增大则 也相应增大,增韧的同时也达到增强的目的。第14页/共41页 减小裂纹尺寸可以采取以下措施:(1)晶粒细化;(2)避免晶粒异常长大;(3)排除气孔,实现全致密;(4)减少和避免工艺缺陷;(5)减少和避免表面损伤;(6)选择适当的组成,避免因热膨胀系数相差过大或发生不需要的相变而产生危险裂纹。第15页/共41页 提高弹性模量的措施有:(1)排除气孔,提高致密度;(2)加入高弹性模量的第二相组成复合材料。断裂能是裂纹扩展的阻力,是陶瓷材料强韧化的主攻方向
8、,在裂纹扩展过程中,任何为断裂能的提高做出贡献的能量损耗机制都有助于克服材料的脆性。第16页/共41页断裂能是由材料断裂过程中所消耗的各项能量所组成:式中:g f为断裂能,g s为热力学表面能,g p为塑性形变能,g T为微裂纹形成能。断裂能对材料的组成和显微结构敏感,可以通过材料的组成和结构设计,增加断裂过程中的能量消耗项数以及增大各项的大小来提高断裂能。第17页/共41页2 材料增强与增韧的途径 材料增强与增韧的途径主要有:热韧化、化学强化、相变增韧、第二相颗粒弥散强化、纤维(或晶须)增强增等。第18页/共41页热韧化 热韧化:通过加热、冷却,在表面层人为地引入残余压应力。应力分布形状接近
9、抛物线,且最大的表面压应力接近内部拉应力的两倍。实例:钢化玻璃 将氧化铝在1700下于硅油中淬冷,强度就会增加,淬冷不仅在表面造成压应力,而且还可细化晶粒。利用表面层与内部的热膨胀系数同,也可以达到预加压应力的效果。(例子:坏釉热膨胀系数的选择)第19页/共41页化学强化 通过改变表面化学组成,使表面的摩尔体积比内部的大,由于表面体积膨大受到内部材料的限制,就产生压应力,比热韧化产生的压应力高。通常是用一种大的离子置换小的离子,由于受扩散限制及受带电离子的影响,压力层的厚度在数百微米内,但产生的压应力可达内部拉应力的数百倍。如果内部的拉应力分小,化学强化玻璃可以切割和钻孔。MgO构件的表面用高
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