陶瓷物理力学性能

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1、陶瓷材料 物理、力学性能,一、陶瓷基本物理性能,二、陶瓷力学性能及表征,1.陶瓷基本物理性能,1.1 陶瓷的密度及测试,密度是指单位体积的质量，常用g/cm3表示。陶瓷材料密度有如下几种表示： 1）结晶学密度：是指原子组成的没有缺陷的连续晶格计算出来的理想密度。 2）理论密度：与结晶学密度同义，但考虑了固溶体和多相。 3）体积密度：陶瓷体实际测出的密度，包括陶瓷内部所有的晶格缺陷，各种相组成和制造中形成的气孔。 4）相对密度：指陶瓷实测体积密度与其理论密度比值的相对百分数。 前两种密度是指陶瓷内没有缺陷的理想情况，意味着制造过程形成的气孔为零，所以在结构内的原子之间只有间隙。在含有制造过程中形

2、成的缺陷和气孔的情况下，通常使用体积密度或相对密度。,在陶瓷、金属、有机高分子这三类材料中，有机材料的密度最低，这是因为有机材料主要有C和H及其他相对原子质量小的元素如Cl和F构成的。材料的密度由什么决定呢？,金属密度相对较高,密度相对较小,密度的影响因素,1）陶瓷材料的密度主要取决于元素的尺寸、元素的质量和结构堆积的紧密程度。 原子序数和相对原子质量小的元素（如H、Be、C、Si等）使材料具有低的结晶学密度或理论密度； 原子序数和相对原子质量大的元素（如W、Zr、Th钍、U等）使材料具有高的结晶学密度或理论密度。 2）原子堆积情况也产生一定影响，但影响较小。 金属键合陶瓷中的原子形成紧密堆积

3、，会使其密度比共价键键合陶瓷（较开放的结构）的密度更高一些，例如锆英石(ZrSiO3)和氧化锆(ZrO2)，若单从相对原子质量看会以为锆英石的密度 更高一些，然而，锆英石结构由于Si-O共价键合，形成开放式内部结构，因而ZrSiO3密度（4.65 g/cm3 ）比ZrO2（5.8 g/cm3 ）低很多。,密度的计算与测量,1）结晶学密度或理论密度可以从晶体结构数据（晶胞参数）和所含元素的相对原子质量通过计算得到。 2）陶瓷体（烧结后）的体积密度的测量通常采用排水法，按阿基米德原理计算出来。 测量步骤： 在空气中先称出陶瓷试样的质量D； 将试样放在沸水中煮沸2-5h，然后冷却至室温，静放24h;

4、 将陶瓷试样悬挂在水中称其质量S； 将试样在水中取出，并用干净棉纸或纱布轻轻将试样表面的水擦去，在空气中称其质量W； 体积密度： 显气孔率：,密度的计算与测量,3）此外，还有一种较为简单，但精度稍低的方法，即在含联通气孔的陶瓷试样表面涂上一层密封性好的石蜡层，此时可按无联通气孔，即不吸水的陶瓷材料直接用排水法测定。 体积密度： 吸水率： 4）如果陶瓷具有简单的均匀对称的几何形状，则可通过测量外形尺寸计算出体积，在称量试样在空气中干重，进而求出体积密度。 5）对于陶瓷素坯（烧结前）的体积密度测定，则不能采用“水煮法”（因易吸附水，进而与水反应，造成性能的改变）。,规则形状：测体积和干重计算,复杂

5、形状：表面涂石蜡，排水法,排汞法：原理和排水法相同，液态汞在常压下不润湿陶瓷,1.2 陶瓷硬度及表征,硬度：材料抵抗硬的物体压陷表面或破坏的能力。,由于测量方法不同，测得的硬度所代表的材料性能也各异。,所以，硬度没有统一的定义，各种硬度的单位也不同，彼此间没有固定的换算关系。,陶瓷材料硬度测试必须要用金刚石压头，陶瓷材料硬度较高，其他材料的压头可能被扭曲，即使是金刚石压头也存在被压裂的危险，所以压头要定期检查。,几种硬度测试方法,（1）莫氏硬度 定义：陶瓷及矿物材料所用的划痕硬度叫莫氏硬度。 是一系列矿物互相对比而成的一个序列。,（2）维氏硬度 维氏硬度符号为Hv,维氏硬度测量的压头是一相对两

6、面夹角为136的金刚石正四棱锥型压头，在一定载荷P的作用下压入试样表面，在规定保压时间后卸除载荷。 在试样测试面上压出一个正方形的压痕，在读数显微镜下测量该正方形压痕两对角线d1和d2的长度，算出平均值d=(d1+d2)/2,并算出压痕凹面的面积F，即可计算出维氏硬度P/F,单位MPa.,维氏硬度实测中需要注意三点： 测试中载荷P大小应根据试样大小、厚薄及材料性质决定。对于陶瓷从9.807-294.21N中选择； 被测试样的上下表面必须平行，测试表面不能有油污或脏点，需抛光成镜面，且试样的厚度至少大于压痕对角线的2倍； 为了避免材料局部不均匀性引起大的误差，同一试样上至少测定不同位置的3-5个

7、点，求其平均值。试样在常温下进行的保压时间为10-20s。,（3）洛氏硬度HRC 洛氏硬度测试一般采用120的圆锥形金刚石压头，测量压痕深度值的大小来表示材料的硬度值。 洛氏硬度的测试是在先后两次施加载荷（初始载荷P0及总载荷P)的作用下，将标准型压头（金刚石圆锥）压入试样表面，总载荷P为P0及主载荷P1之和，即P=P0+P1. 在加总负荷P并卸除主负荷P1后，在初始负荷P0继续作用下，由主负荷P1所引起的残余压入深度e来计算洛氏硬度，树脂e以规定单位0.002mm表示。,（4）努普硬度HK 这种方法最初是为了避免维氏硬度测试中产生的裂纹，用来测量玻璃的显微硬度。也被广泛应用于陶瓷。 努普硬度

8、所用压头很长，是一般维氏法中同样载荷下压痕的2.5倍，所以压痕更易于测量。 努普金刚石压头主轴方向的压痕是副轴方向的7倍，硬度计算和维氏相似，但用的是压痕的投影面积而不是实际表面积。,不同测试方法的差别：,陶瓷硬度测试的最好方法是哪一种？首先取决于做硬度测试的目的。 为了测量高载荷下材料抵抗压入的性能，最好测试维氏硬度，但这种测量方法存在个人操作带来的读书差异，高载荷可能会使试样粉碎； 洛氏硬度操作简单，数据重复性好，不存在个人操作带来的读数差异，； 对于努氏硬度， 1、由于使用压头的特殊形状，试验时能产生长短对角线为7:1的棱形压痕。原理规定只测量长对角线长度，具有较高的测量精度。 2、努氏

9、硬度试验的压痕压入深度只有长对角线长度的1 /30，维氏硬度试验的压痕压入深度为对角线长度的1/7，所以努氏硬度试验适用于表层硬度和薄件的硬度测试。 3、同一试样在同一负荷下，努氏硬度压痕对角线长度约为维氏硬度压痕对角线长度的3倍，大大优于维氏测量法。,陶瓷硬度的影响因素,1） 陶瓷、晶体、矿物材料的硬度主要取决于结合键类型、晶体结构和化学组成。 离子半径越小、离子电价越高、配位数越大、结合能越大，抵抗外力摩擦、刻划及压入的能力也就越强，硬度就越大； 2） 陶瓷材料的微观结构、裂纹、杂质等都对硬度有影响； 3） 温度对陶瓷硬度的影响。 温度升高，硬度降低。因为所有材料的屈服应力都会随着温度升高

10、（至某一显著温度）而降低，所以随着压头深入变得越来越容易，而材料的其他性能（如强度或杨氏模量）都没有迅速降低时，硬度值便开始下降了。,1.3 陶瓷的熔融及蒸发,陶瓷的熔点：许多氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷都具有高的熔点。,固体材料的熔点取决于内部质点间结合力的大小，即晶体中化学键的类型和它的强弱程度。,陶瓷的融化是一个很复杂的过程，影响材料熔点的因素还有结构的类型、配位情况、离子半径的大小、极化作用等许多因素。 ZrO2,HfO2,ThO2较MgO,CaO,SrO的熔点高，是因为前者是+4价的阳离子，较后者+2价阳离子与-2价O离子之间有更强的吸引力。 陶瓷的蒸发： 大多数陶瓷的蒸气压都很小，特别

11、是离子键为主的氧化物陶瓷。例如，Al2O3在接近熔点时蒸气压只有 Pa，因此在常压下是稳定的，不会发生气化分解； 在大多数晶体材料的平衡状态图中，三相点的饱和蒸汽压都低于常压，因此常压下加热先融化再气化分解；,但有一些晶体材料，三相点的饱和蒸汽压高于常压，因此在常压下没有熔点，只有从固态直接到气态的升华与分解温度。 共价键氮化物或碳化物陶瓷，自扩散系数很小，高温时易于分解蒸发。如氮化硅陶瓷，温度在1800以上时，分解蒸发已经比较剧烈； 石墨在常压下约3050 时汽化，只有在100个大气压下才能使石墨融化成液态。,二、陶瓷力学性能及表征,2.1 弹性变形与弹性模量,1. 弹性变形,与金属和有机材

12、料不同，陶瓷材料具有弹性模量高、抗压强度和高温强度高、高温蠕变小等优异的力学性能；同时，其断裂韧性低，表现出脆性断裂。,材料在外力的作用下都会发生相应的形变。形变的大小和类型取决于材料的化学键、应力和温度。对于每种材料，在一定的应力极限范围内应变是可逆的，即在应力取消时，应变便消失，这就叫弹性形变。如果外力较大，当它的作用停止时，所引起的形变并不完全消失，而有剩余形变，外力去除后不能恢复的那部分变形称为塑性形变。,弹性形变,塑性形变,在微观领域，宏观上的弹性形变对应于微观的粒子偏离平衡位置的偏离量，宏观的应力则对应于由于偏离平衡位置而引起的原子间引力的变化量。如果外力太大，分子间的距离被拉开得

13、太多，分子就会滑进另一个稳定的位置，即使外力除去后，也不能再回到复原位，就会保留永久的变形。,金属,陶瓷,基于上述原因，位错在金属中运动的阻力远小于陶瓷，极易产生滑移运动和塑性变形。陶瓷中位错极难运动，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。 由于陶瓷材料无塑性，陶瓷强度主要指它的断裂强度f。,金属键没有方向性，而离子键与共价键都具有明显的方向性；,金属晶体的原子排列取最密排、最简单、对称性高的结构，而陶瓷材料晶体结构复杂，对称性低；,金属中相邻原子(或离子)电性质相同或相近，价电子组成公有电子云，不属于个别原子或离子，属于整个晶体。陶瓷材料

14、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。,陶瓷材料与金属相比室温下不出现塑性变形或很难发生塑性变形原因：,对于拉伸应力，应力和应变之间存在简单的比例关系，比例常数E叫做弹性模量或杨氏模量。,对于剪切载荷，剪切应力和应变Y之间的比例关系可以用比例常数G表示，G叫做剪切模量或刚性模量。,并非陶瓷在任何条件下都呈脆性状态，也并非所有金属都是塑形状态。大多数陶瓷在高温下具有塑形变形。这是由于高温下陶瓷可发生位错运动、晶界滑移、晶界玻璃相软化等。,2. 弹性模量,弹性模量在工程上反映材料刚度的大小，在微观上反映原子的键和强度。键和越强，则使原子间隙加

15、大所需的应力越大，弹性模量就越高。,模量对应于图中的应力位移曲线的斜率,从图中可以看到，原子间的作用力越强则其引力位移曲线的斜率越大，共价键离子键结合的固体其结合力大，故模量也较高。从图中也可以看出，改变原子间距离也可以改变弹性模量，压应力使原子间距离缩小，导致弹性模量升高，拉应力使原子间距增大，E下降。 温度升高，间距增大，E降低。,弹性模量的意义： 材料产生单位应变所需的应力，大小反映了材料原子间结合力的大小。熔点和弹性模量均反映了原子间结合力的大小，因此一般情况下两者保持正比关系。,原子或者分子体积,波尔茨曼常数,EE1V1E2V2,EE1E2 / (E1V2E2V1),陶瓷材料弹性模量

16、位于E 与E之间。,由于陶瓷中存在一定气孔，因此气孔 被认为是陶瓷中不可忽视的组成相。此时弹性模量为：,E0是气孔率为零时的弹性模量，b为与制备工艺有关的常数，P为气孔的体积百分含量。,多相结构的弹性模量,3. 弹性变形的测定,弹性模量的测试通常有两种方法：静态法和动态法。 静态法是直接测试应力和应变，在通过测量应力应变曲线的斜率得到弹性模量。其中应变的测量分两种：,动态法是给试样一个激励使之发生振动，测定试样的共振频率，通过下式计算：,C为常数，取决于试样大小和形状以及泊松比，m为试样质量，f为振动频率。,2.2 陶瓷材料的强度及表征,陶瓷材料塑性很低，因此其强度主要指断裂强度f。 理想晶体的断裂强度：,材料比表面能,原子间距离,理论强度：根据原子键断裂来计算得到的强度； 实际强度：若将材料内部和表面的各种缺陷，如裂纹、气孔或夹杂物都考虑，则所测强度为实际强度。 根据测试方法不同，可将陶瓷强度分为拉伸强度、弯曲强度和压缩强度。,材料刚度越大，表面能越大，原子间距越小，即结合越紧密，理论强度越大。,