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1、 第十章陶瓷材料的力学性能陶瓷在人类生活和社会建设中是不可缺少的材料，它和金属材料、高分子材料并列为当代三大固体材料。它们之间的主要区别在于化学键不同，因而在性能上存在很大差异。传统陶瓷和新型工程结构陶瓷（简称工程陶瓷）的区别：传统的陶瓷制品是以天然粘土为原料，通过混料、成形、烧结而成，其 性能特点是强度低而脆。工程陶瓷是采用高纯、超细的人工合成材料，精确控制其化学组成，经过 特殊工艺加工，得到结构精细、力学性能和热学性质优良的陶瓷材料，其力 学性能特点是耐高温、硬度高、弹性模量高、耐磨、耐蚀、抗蠕变性能好。在金属和聚合物因腐蚀和软化而不能使用的服役条件下，工程陶瓷材料充分显示出其性能的优越性
2、： 核电站：能耐2000高温耐温能力：900 热效率：30%重量 耗油量由此可见，工程陶瓷材料较好地适应了近代科学技术发展的需要，具有广阔的应用前景。目前在机械、冶金、化工、纺织等行业中，用工程陶瓷材料制作耐高温、耐磨损、耐腐蚀的零部件越来越多。50%1200130020% 30%发动机工程陶瓷材料的塑性、韧性值比金属材料低得多，对缺陷十分敏感，因而其力学性能数据的分散性大，强度可靠性较差，常用韦伯模数表征其强度均匀性。工程陶瓷材料的制备技术、气孔、夹杂物、晶界、晶粒结构均匀性等因素对其力学性能有显著影响，因此，在讨论工程陶瓷的力学性能前，应首先了解这种材料的组成和结构特点。第一节 陶瓷材料的
3、结构第二节 陶瓷材料的变形与断裂第三节 陶瓷材料的强度第四节 陶瓷材料的硬度与耐磨性第五节 陶瓷材料的断裂韧度与增韧第六节 陶瓷材料的疲劳第七节 陶瓷材料的抗热震性第一节节 陶瓷材料的结构一、陶瓷材料的组成与结合键陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物。当含有一个以上的化合物时，其晶体结构可能变得很复杂。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键合的混合形式(表10-1)。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。陶瓷材料可以通过晶体结构的晶型变化改变其性 能，例如氮化硼陶瓷，其六方结构为软而松散的绝缘材料，但呈立方结构 肘却
4、是著名的超硬材料。表10-1 陶瓷材料离子键与共价键的混合。化合物LiFMg0Al2O3SiO2Si3N4SiCSi负电性差3.02.32.01.71.20.70离子键(%)8973635130110共价键112737497089100二、陶瓷材料的显微结构 陶瓷材料一般为多晶体，其显微结构包括相分布、晶粒尺寸和形状、 气孔大小和分布、杂质缺陷及晶界等。陶瓷材料由晶相、玻璃相和气相组 成晶相是陶瓷的主要组成相，决定陶瓷材料的物理、化学性能。玻璃相是非晶态低熔点固体相，起粘接晶相、填充气孔、降低烧成温度等作用 。气相或气孔是陶瓷在制备过程中不可避免地残存下来的。气孔率增大，陶瓷材料的致密度降低，
5、强度及硬度下降。若玻璃相分布于主晶相界面，在高温下陶瓷材料的强度下降，且易于产生塑性变形。对陶瓷烧结 体进行热处理，使晶界玻璃相重结晶或进入晶相成为固溶体材料，可显著提高 陶瓷材料的高温强度。因此，晶界的组成、形态和结构对工程陶瓷材料的性能有显著影响。第二节节 陶瓷材料的变形与断裂一、陶瓷材料的弹性变形 绝大多数陶瓷材料在室温下拉伸或弯曲，均不产生塑性变形，呈脆性断裂特征(图10-1)。图 10-1 陶瓷材料与金属材料的拉伸应力-应变曲线(1) 弹性模量大这是由其共价键和离子键的键合结构所决定的。共价键具有方向性，使晶体具有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。离子键晶体结构的键方向性虽不明显
6、，但滑移系受原子密排面与原子密排 方向的限制，还受静电作用力的限制，其实际可动滑移系较少。此外，陶瓷 材料都是多元化合物，晶体结构较复杂，点阵常数较金属晶体大，因而陶瓷 材料中位错运动很困难。 (见表10-2)(2) 陶瓷材料的弹性模量不仅与结合键有关，还与其组成相的种类、分布比例及 气孔率有关。因此，陶瓷的成型与烧结工艺对其弹性模量有重大影响，气孔 率较小时， 弹性模量随气孔率增加呈线性降低。(3) 通常，陶瓷材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性模量，大多数工程陶瓷材料的 弹性模量呈各向同性。陶瓷材料与金属材料相比，其弹性变形具有如下特点：测定陶瓷材料弹性模量的方法有 静态法和动态法两种，两者可以
7、 并用，但是静态弹性模量试验方 法是基本的方法，具体测定方法 参见国家标准。 如图10-2所示，陶瓷在压缩加载时，其-曲线斜率比拉伸时的 大，此与陶瓷材料复杂的显微结 构和不均匀性有关。从该图中还 可看出，陶瓷材料的抗压强度值 比其抗拉强度值大得多。这是由 于材料中的缺陷对拉应力十分敏 感所致。在工程应用中，选用陶 瓷材料时要充分注意这一特点。图 10-2 金属材料与陶瓷材料的 曲线弹性部分a) 金属 b) 陶瓷室温下，绝大多数陶瓷材料均不产生塑性变形。单晶MgO陶瓷因以离子键为主(表10-1)，在室温下可经受高度弯曲而不断裂，这是极个别的特例。在1000以上高温条件下，大多数陶瓷材料会出现主
8、滑移系运动引起的塑性变形。近年的研究表明，当陶瓷材料具有下述条件时，在高温下还可显示超塑性，这些条件是: 二、陶瓷材料的塑性变形晶粒细小(尺寸小于1m)；晶粒是等轴的;第二相弥散分布，能抑制高温下基体晶粒生长；晶粒间存在液相或无定形相。研究结果表明，陶瓷超塑性与金属超塑性的不同点有:1.超塑性陶瓷的应变速率和应力之间既没有金属超塑性那样的依赖关系，也无单一的n值。2.当存在晶间玻璃相时，陶瓷的n值几乎随玻璃相增加而减小；而超塑性金属的n值几乎随初始晶粒尺寸增大而减小。利用陶瓷超塑性：可以对陶瓷材料进行超塑性加工； 提高烧结体的尺寸精度和表面质量； 甚至可以对Y-TZP陶瓷反挤压成型，制造中空的
9、活塞环和阀门； 超塑性加工还可用于扩散焊接，超塑性成型与焊接结合（是一种新的复合加工方法）。三、陶瓷材料的断裂陶瓷材料的断裂过程都是以其内部或表面存在的缺陷为起点而发生的。晶粒和气孔尺寸在决定陶瓷材料强度方面与裂纹尺寸有等效作用。缺陷的存在是概率性的。当内部缺陷成为断裂原因时，随试样体积增加，缺陷存在的概率增加，材料强度下降；表面缺陷成为断裂源时，随表面积增加，缺陷存在概率也增加，材料强度也下降。陶瓷材料断裂概率可以最弱环节理论为基础，按韦伯分布函数考虑。韦伯分布函数表示材料断裂的一般公式为 （10-1）式中 F()断裂概率，体积V的函数；m韦伯模数；V体积；o常数。u相当于最小断裂强度，当施
10、加应力小 于该值时，断率概率为零。对陶瓷材 料，常令u0于是，式（10-1）变为下式（10-2）可以认为同一组材料，韦伯模数是固定值。陶瓷材料在考虑其平均强度同时，用韦伯模数m度量其强度均匀性。若两种陶瓷材料平均强度相同，则在一定的破坏应力下，m值大的材料比m值小的材料发生破坏的可能性要小。陶瓷材料的断裂是以各种缺陷为裂纹源，在一定拉伸应力作用下，其最薄弱环节处的微小裂纹扩展，当裂纹尺寸达到临界值时，陶瓷瞬时脆断。第三节 陶瓷材料的强度如同金属材料一样，强度是工程陶瓷最基本的性能。大量试验结果表明，陶瓷的实际强度比其理论值小12个数量级，只有晶须和纤维的实际强度才较接近理论值(表10-3)。一
11、、弯曲强度弯曲试验是评定工程陶瓷材料强度的主要试验方法。国家标准规定，可以采用三点弯曲或四点弯曲试验方法。试样尺寸见图10-3，长度LT36mm，宽度为b，高度为h，跨距L30mm0.5，l10mm0.5，加载压头R12.05.0mm，R2=2.03.0mm。常用的试样截面尺寸为bh4mm3mm。材料理论值c/MPa测定值c/MPac/ cAL2O3 晶须50000154003.3铁晶须30000130002.3奥氏体型钢2048032006.4高碳钢琴丝1400025005.6硼34800240014.5玻璃693010566.0Al2O3（蓝宝石）5000064477.6BeO357002
12、38150.0MgO2450030181.4Si3N4（热压）38500100038.5SiC （热压）4900095051.5Si3N4（反应烧结）38500295130.5AlN（热压）28000600100046.728.0表10-3 陶瓷材料的断裂强度弯曲试验时，以0.5mm/min的位移速率加 载，求出最大断裂载荷，再按下式计算抗弯强 度：三点弯曲（10-3）四点弯曲（10-4 ）式中 bb,3三点抗弯强度；bb,4四点抗弯强度；图 10-3 工程陶瓷弯曲试样a) 三点弯曲 b) 四点弯曲F试样断裂时的最大载荷；L试样支座间距离；l 压头间距离；b试样宽度；h试样高度。四点弯曲试验的
13、最大弯矩范围较宽，其应力状态接近实际零件的服役状态，故较为实用。由于四点弯曲试样工作部分缺陷存在的概率较大，因而同一材料的四点抗弯强度比三点抗弯强度低。材料的韦伯模数越小时，bb,3与bb,4的差值越大。二、拉伸强度设计陶瓷零部件时常用其拉伸强度值作为判据。陶瓷材料由于脆性大，在拉伸试验时易在夹持部位断裂，加之夹具与试样轴心不一致产生附加弯矩，因而往往测不出陶瓷材料真正的抗拉强度。为保证正确进行陶瓷材料的拉伸试验，需要在试样及夹头设计方面做许多工作，如在平行夹头中加橡胶垫固定薄片状试样，可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。由于测定陶瓷材料拉伸强度在技术上有一定难度，所以
14、常用弯曲强度代之，弯曲强度比拉伸强度高20%40%。实际上，两者之差随试样尺寸、韦伯模数和断裂源位置等不同而异。图10-4为Si3N4陶瓷在不同温度下的弯曲强度与拉伸强度值。由表10-4可见，陶瓷材料的抗压强度远大于其抗拉强度，两者相差10倍 左右，因而陶瓷材料特别适于制造受压缩载荷作用的零件。压缩试样尺寸为 直径9.00.05mm，长度180.10mm，两端面研磨成平面并互相平行。材料抗拉强度/MPa抗压强度/MPa抗拉强度/抗压强度铸铁FC101001504006001/4 铸铁FC2525030085010001/3.31/3.4化工陶瓷30402504001/8.31/10 透明石英玻
15、璃502001/40 多铝红柱石12513501/10.8 烧结尖晶石13419001/14 99烧结氧化铝26529901/11.3烧结B4C30030001/10表10-4 某些材料的拉伸强度和压缩强度铸铁FC10、FC25为日本牌号，分别相当于我国的HT100和HT250第四节节 陶瓷材料的硬度与耐磨性一、陶瓷材料的硬度陶瓷材料硬度高是其优点之一，常用洛氏硬度HRA、HT45N、小负荷的维氏硬度或努氏硬度HK表示。表10-5为常用工程陶瓷的硬度值。在测量陶瓷材料的维氏或努氏硬度时试样表面必须研抛至镜面，粗糙度在0.1m以下。材料硬度S-Al2O3RB-Si3N4S-Si3N4HP-Si3
16、N4RB-SiCHP-SiCHRA HR45N92 8786 7491 85929296 92HV(0.5) HV(1)1040 9301460 13901690 16502300 19802960 2610HK(0.5) HK(1)970 8901360 12101610 14601930 16302020 1880表10-5 工程陶瓷材料的硬度值注：S常压烧结；RB反应烧结；HP热压烧结。二、陶瓷材料的耐磨性工程陶瓷硬度高，所以其耐磨也比较高。陶瓷材料用于耐磨材料还是20世 纪80年代中期的事。陶瓷材料的耐磨性不仅远优于金属，而且在高温、腐蚀 环境条件下更显示出其独特的优越性。最重要的耐磨陶瓷材料是Al2O3、SiC、 ZrO2、Si3N4、Sialon（赛隆陶瓷）等。（一）、陶瓷材料的表面接触
