讲座-11-陶瓷材料的力学行为.pdf

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1、1孙朝阳机械工程学院孙朝阳机械工程学院mbm_(123456789)陶瓷材料的力学行为陶瓷材料的力学行为工程材料的力学行为系列讲座之十一工程材料的力学行为系列讲座之十一2北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！3北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！?陶瓷材料陶瓷材料?陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能?陶瓷材料的断裂韧度陶瓷材料的断裂韧度?陶瓷材料的疲劳强度陶瓷材料的疲劳强度?陶瓷材料的其他性能陶瓷材料的其他性能讲座内容讲座内容4北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程

2、学院版权所有，请勿传播！陶瓷材料陶瓷材料陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料。之间的主要区别在于化学键不同。金属：金属键 高分子：共价键（主价键）+范德瓦尔键（次价键）陶瓷：离子键和共价键。普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。如氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼、氧化锆增韧陶瓷（ZTC）等。工程陶瓷的性能：耐高温、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好；硬度高，弹性模量高，塑性韧性比金属差得多；对缺 陷很敏感；强度可靠性差。5北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！陶瓷材料的结

3、构和显微组织1、结构特点 陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以离子键和共价键为主要结合键。可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。如“六方氮化硼为松散的绝缘材料；立方结构是超硬材料”2、显微组织 晶体相，玻璃相，气相。夹杂（种类、数量、尺寸、形态、分布）、晶界、晶 粒结构均匀性对其力学性能有重要影响。（可通过对陶瓷烧结体进行热处理，来改善材料的力 学性能）陶瓷材料陶瓷材料6北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！?陶瓷材料陶瓷材料?陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能?陶瓷材料的断裂韧度陶瓷材料的断裂韧度?陶瓷材料的疲劳强度陶瓷材料的

4、疲劳强度?陶瓷材料的其他性能陶瓷材料的其他性能讲座内容讲座内容7北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能一、陶瓷材料的弹性变形、塑性变形与断裂1、弹性（1）弹性模量大 E值大，是金属材料的2倍以上。共价键结构有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。晶体结构复杂，滑移系很少，位错运动困难。（2）弹性模量呈方向性；压缩模量高于拉伸弹性模量。结构不均匀性；缺陷。（3）气孔率，弹性模量8北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！2、塑性变形（1）室温下，绝大多数陶瓷材料塑性

5、变形极小。（2）1000以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形（主滑 移系运动）。（3）陶瓷的超塑性 是微晶超塑性。晶界滑动，晶界液相流动。存在条件：超细等轴晶，第二相弥散分布，晶粒间存在液相 或无定形相。如含化学共沉淀法制备的含Y2 O3 的ZrO2 粉体，在1250烧 结后，3.510-2 S-1应变速率=400%。利用陶瓷的超塑性，可以对陶瓷进行超塑加工。超塑加工扩散焊接：新的复合加工方法。陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能9北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！3、断裂以各种缺陷（表面或内部）为裂纹源，从最薄弱处裂纹扩 展，瞬时脆断。缺陷

6、的存在是概率性的。用韦伯分布函数表示材料断裂的概率F()断裂概率；m韦伯模数 0 特征应力，该应力下断裂概率为0.632、试样内部的应力及它们的最大值若两种陶瓷材料的平均强度相同，在一定的断裂应力下，m 值大的材料比m值小的材料发生断裂的几率小。陶瓷的主要断裂机制：解理。且容易从穿晶变为沿晶断裂。dvFmvm)()(exp1)(0=陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能10北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！二、陶瓷材料强度和硬度陶瓷的实际强度比其理论值小12个数量级。只有晶 须、纤维的实际强度才比较接近理论值（1）弯曲强度 可采用三点弯曲、四

7、点弯曲方法测出。四点弯曲试样工作部分缺陷存在的几率较大。强度比三点弯曲的低。（2）抗拉强度 测试时，夹持部位易断裂（可采用加橡胶垫）常用弯曲强度代之，高20%40%。（3）抗压强度 比抗拉强度高得多，10倍左右。（4）硬度高HRA，AT45N小负荷的维氏硬度或努氏硬度。返回返回陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能11北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！?陶瓷材料陶瓷材料?陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能?陶瓷材料的断裂韧度陶瓷材料的断裂韧度?陶瓷材料的疲劳强度陶瓷材料的疲劳强度?陶瓷材料的其他性能陶瓷材料的其他性能讲座内容讲座内容12北京

8、科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！工程陶瓷的KIC 比金属的低12个数量级。测定方法（参见下页图）单边切口法、山形切 口法、压痕法、双扭法、双悬臂梁法。KIC 值受切口宽度的影响。金属材料：、KIC；陶瓷材料：尖端塑性区很小。、KIC。陶瓷材料的断裂韧度陶瓷材料的断裂韧度13北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！陶瓷材料的断裂韧度陶瓷材料的断裂韧度14北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！陶瓷材料的增韧：（1）改善组织（细密、纯、匀，减少应力集

9、中）；（2）相变增韧(外力作用诱发相变，并伴有体 积膨胀，消耗外加能量，使材料增韧).但相变增韧 受温度限制（800以下）；（3）微裂纹增韧（当主裂纹遇到微裂纹时，发 生分叉转向前进，增加扩展过程中的表面能；并松 弛主裂纹尖端的应力集中，减慢裂纹扩展速度）。陶瓷材料的断裂韧度陶瓷材料的断裂韧度15北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！?陶瓷材料陶瓷材料?陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能?陶瓷材料的断裂韧度陶瓷材料的断裂韧度?陶瓷材料的疲劳强度陶瓷材料的疲劳强度?陶瓷材料的其他性能陶瓷材料的其他性能讲座内容讲座内容16北京科技大学机械工程学院

10、版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！陶瓷材料的疲劳强度陶瓷材料的疲劳强度陶瓷不仅在循环载荷作用下存在机械疲 劳，其含义也比金属要广（一是静载，随时间，承载能力；二是恒载，断裂 对应于加 载速率敏感性）。研究陶瓷疲劳对扩大其应用具有重要意 义。一、疲劳类型（静态疲劳，动态疲劳，循环疲劳）17北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！（1）静态疲劳 静载下，随时间延长，材料承载能力下降所产生的断裂。对应于金属材料的应力腐蚀和高温蠕变断裂。“温度、应力、环境介质”分成的四个区（图10-11）孕育区（低于应力强度因子门槛值）低速

11、区da/dt随K而 中速区da/dt仅与环境介质有关，与K无关。高速区da/dt随K而呈指数关系。陶瓷材料的疲劳强度陶瓷材料的疲劳强度18北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！（2）动态疲劳 类似于金属材料应力腐蚀研究中的慢应变速率拉伸。（3）循环疲劳 疲劳破坏以慢速龟裂扩展的方式发生。研究表明，循环载荷同样可对陶瓷材料造成损伤，这 种损伤是由裂纹尖端的微裂纹、马氏体相变、蠕变、以 及沿晶和界面滑动等因素所引起的。（4）热疲劳（属低周疲劳）金属的疲劳寿命通常用循环周次表示；陶瓷材料的疲劳寿命则用断裂时间表示。陶瓷材料的疲劳强度陶瓷材料的疲劳强度

12、19北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！二、疲劳特性评价疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子之间的 关系同样符合Paris公式：da/dN=C(K)n nc、n材料试验常数金属：n为24；陶瓷：一般n10。陶瓷材料的疲劳强度陶瓷材料的疲劳强度20北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！?陶瓷材料陶瓷材料?陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的力学性能?陶瓷材料的断裂韧度陶瓷材料的断裂韧度?陶瓷材料的疲劳强度陶瓷材料的疲劳强度?陶瓷材料的其他性能陶瓷材料的其他性能讲座内容讲座内容21北京科技大学机械工程学院版权所

13、有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！陶瓷材料的其他性能陶瓷材料的其他性能1、耐磨性(陶瓷是耐磨材料的一个发展方向)其耐磨性也远高于金属，而且在高温、腐蚀环境下更 显示出其独特的优越性。最重要的耐磨陶瓷材料是氧化铝、氧化锆和氮化硅陶 瓷等。（1）减摩性与耐磨性（2）抗磨性22北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！2、抗热震性（热冲击）材料承受温度骤变而不破坏的能力。在各种热环境下引起的热应力，以及与之相应的应力 强度因子是热震破坏的原因。由热震引起的瞬时断裂，即热振断裂热振断裂。（1）抗热震断裂参数R急剧加热和冷却缓慢加热和

14、冷却均与热导率、热膨胀系数有关。f 断裂强度（热震断裂的临界热应力，通过弯曲试验测定）。fcEtR=1RERf=)1(陶瓷材料的其他性能陶瓷材料的其他性能23北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！北京科技大学机械工程学院版权所有，请勿传播！（2）抗热震损伤 热冲击循环下，材料经开裂、裂纹扩展，终致材料强度 降低而破坏热振损伤热振损伤。气孔可钝化裂纹尖端；减小应力集中；降低热导率。抗 热震损伤：多孔陶瓷优于致密性高的陶瓷。反复加热冷却加热冷却产生的弹性应变能弹性应变能是陶瓷材料热震损伤的 动力热震损伤的 动力（裂纹扩展的动力）。提高抗热震断裂抗力：要求 高，E低，大，小。因为在热震断裂情况下，低的材料裂纹易于扩展。提高热震损伤抗力：要求E高，低，断裂表面能低的 材料。在热震损伤情况下，高的材料裂纹易于扩展。反复的加热、冷却，裂纹扩展，强度急剧下降，机件局 部有可能发生剥落或崩裂，这就是热震损伤过程。反复的加热、冷却，裂纹扩展，强度急剧下降，机件局 部有可能发生剥落或崩裂，这就是热震损伤过程。陶瓷材料的其他性能陶瓷材料的其他性能