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1、1,第十章,陶瓷材料的力学性能,2,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。,3,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。,4,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
2、显示出其性能的优越性： 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%,12001300,20%, 30%,发动机,5,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
3、这种材料的组成和结构特点。,6,10.1 陶瓷材料的结构 10.2 陶瓷材料的变形与断裂 10.3 陶瓷材料的强度 10.4 陶瓷材料的硬度与耐磨性 10.5 陶瓷材料的断裂韧度与增韧性 10.6 陶瓷材料的疲劳 10.7 陶瓷材料的抗热震性,7,10.1 陶瓷材料的结构,10.1.1 陶瓷材料的组成与结合 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
4、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，但呈立方结构肘却是著名的超硬材料。,8,表10-1 陶瓷材料离子键与共价键的混合 。,9,10.1.2 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,10,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，强度及硬度下降。若玻璃相分布于主晶相界面，在高温
5、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。,11,10.2 陶瓷材料的变形与断裂,10.2.1 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)。陶瓷材料与金属材料相比，其弹性变形具有如下特点。,12,(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，但滑移系受原子密排面与
6、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),13,(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。,14,(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。 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。,
7、15,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。,16,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:,10.2.2 陶瓷材料的塑性变形,1
8、7,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。,18,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）。,19,1
9、0.2.3 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 （101）,20,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、101）变为下式 （102）,21,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。,22,10.3 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)。格雷菲斯裂纹强度理论成功地解释了这一差异。 抗弯
11、强度 、抗拉强度、抗压强度,23,10.3.1 抗弯强度,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103，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。,24,表103 陶瓷材料的断裂强度,25,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,（103）,四点弯曲,（104）,式中 bb,3三点抗弯强度；,bb,4四点抗弯强度；,26,F试样断裂时的最大
12、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。,27,10.3.2 抗拉强度,设计陶瓷零部件时常用其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，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，如在乎形夹头中加橡胶垫固定薄片状试样，
13、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。 由于测定陶瓷材料抗拉强度在技术上有一定难度，所以常用弯曲强度代之，弯曲强度比抗拉强度高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抗拉强度值。,28,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。,表104 某些材料的抗拉强度和抗压强度,铸铁FC10、FC25为日本牌号，分别相当于我国的HT10
14、0和HT250,29,10.4 陶瓷材料的硬度与耐磨性,10.4.1 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。,30,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。,31,10.4.2 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,32,蚀环境条件下更显示出其独特的优越性。最重
15、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特性 与金属材料相同，陶瓷材料表面也存在局部微凸起，其外侧常有水蒸气或碳-氢化合物形成的表面层，而在内侧则可能有变形层，它是陶瓷材料加工时形成的。陶瓷材料表面加工还可能产生显微裂纹或其他缺陷。陶瓷材料的表面状况影响其摩擦磨损行为。,33,陶瓷材料摩擦副接触受载时，真实接触面积上的局部应力一般仅引起弹性变形。这是由于陶瓷材料的硬度高，其E/H比值在1020以下，如Si3N4 陶瓷，E=350GPa，H=19GPa，E/H=16。而大多数金属（如Al、Ni、Cu等）E/H通常为20030
16、0，退火碳钢在100左右，所以陶瓷摩擦副主要是弹性接触。但是当陶瓷摩擦副相对滑动时，可以看到陶瓷摩擦表面有塑性流动的迹象，在接触点下方有微小塑性变形区；,34,另外，由于陶瓷材料的高脆性，在接触载荷不大时（还未产生较大塑性变形），表面上及亚表面就可能产生微裂纹（图10-5） 图10-5为陶瓷试样的截面图，图中示出了两类亚表面的裂纹。这些微裂纹的形成和扩展对陶瓷材料磨损时材料流失有重要作用。,35,二、陶瓷材料的摩擦磨损 陶瓷材料的摩擦学特性，与对摩件的材料种类和性能、摩擦条件、环境，以及陶瓷材料自身的性能和表面状态等诸多因素有关，需要系统地进行研究。,36,陶瓷材料在滑动摩擦条件下的磨损过程不同于金属材料，其磨损机理主要是以微断裂方式导致的磨粒磨损。由图105中横向裂纹的形成，并扩展至表面或与其它裂纹相交，即导致陶瓷材料碎裂、剥落和流失。 陶瓷与陶瓷材料配对的摩擦副，其粘着
