陶瓷材料的力學行為教學.ppt

第十三章 陶瓷材料的力學行為,13.1 前言 陶瓷材料大都是脆性材料，對缺陷十分敏感，故其強度試驗結果的分散性大。要使陶瓷材料作為結構材料在工程中獲得應用，需要對其力學性能做更多的研究，并對其力學性能的試驗結果做統(tǒng)計分析。此外，玻璃、光導纖維、電瓷、紅外窗口材料等也屬于陶瓷材料，對這些材料力學性能的研究報導也日益增多。,除少數幾個具有簡單的晶體結構，如MgO，KCl， KBr等，在室溫下稍具塑性以外，一般陶瓷的晶體結構復雜，室溫下沒有塑性，因而是脆性材料。脆性材料的拉伸試驗只能測定其彈性模量和斷裂強度。,13.2 陶瓷材料的彈性模量,陶瓷材料的彈性模量比金屬的大得多，常高出一倍至幾倍。陶瓷材料彈性模量列于表13-1。陶瓷材料的原子鍵主要有離子鍵和共價鍵兩大類，且多數具有雙重性。共價鍵晶體結構的主要特點是鍵具有方向性。它使晶體擁有較高的抗晶格畸變和阻礙位錯運動的能力，使共價鍵陶瓷具有比金屬高得多的硬度和彈性模量。離子鍵晶體結構的鍵方向性不明顯，但滑移系不僅要受到密排面與密排方向的限期，而且要受到靜電作用力的限制，因此實際可動滑移系較少，彈性模量較高。,（1）陶瓷材料的彈性模量,表13-1 典型陶瓷材料的彈性模量 165,(2) 氣孔率對陶瓷材料彈性模量的影響,(13-1),式中E0為無孔隙時陶瓷材料的彈性模量，p為孔隙率。孔隙率對彈性模量Eeff的影響示于圖13-1；圖中曲線按式（13-1）畫出。,圖13-1 孔隙率對陶瓷材料彈性模量Eeff的影響167,(3) 拉、壓應力狀態(tài)下的彈性模量,眾所周知，金屬不論是在拉伸還是在壓縮狀態(tài)下，其彈性模量相等，即拉伸與壓縮兩部分曲線為一條直線，如圖13-2(a)所示。而陶瓷材料壓縮時彈性模量一般高于拉伸時彈性模量，即壓縮時-e 曲線斜率比拉伸時的大，如圖13-2(b)所示。這與陶瓷材料顯微結構的復雜性和不均性有關。,圖13-2 金屬與陶瓷材料-e曲線的彈性部分。,13.3 陶瓷材料的強度,13.3.1 陶瓷材料的斷裂強度,強度與塑性是材料的基本力學性能。陶瓷材料在常溫下基本上不出現和極少出現塑性變形，因而其塑性指標：延伸率和斷面收縮率均近似為零?？梢哉J為，陶瓷材料的抗拉強度b,斷裂強度f和屈服強度在數值上是相等的。而且，陶瓷材料不論在拉伸、彎曲、扭轉，或軸向壓縮應力狀態(tài)下均發(fā)生脆性斷裂。因此，陶瓷材料可認為是本征脆性材料。此外,陶瓷材料的軸向壓縮強度比抗拉強度大得多。這是脆性材料的一個特點或優(yōu)點。和金屬材料相比，陶瓷材料在高溫下具有良好的抗蠕變性能，而且在高溫下也具有一定的塑性。,若按E/10估算陶瓷材料的理論強度（見6.2節(jié)）6，則理論強度和實際斷裂強度差別達1-3個數量級。這是因為實際的陶瓷組織結構中存在工藝缺陷，若其中的缺陷是裂紋，則其真實斷裂強度應采用Griffith公式，即式（6-11）估算；若其中的缺陷是微孔洞，則其真實斷裂強度可按下式估算168,(13-2),式中0為無微孔洞材料的斷裂強度。,圖13-3為孔隙率對陶瓷材料斷裂強度的影響，圖中曲線按式（13-2）畫出。由式（13-1）和式（13-2）可見，應減小結構陶瓷中的孔隙率，以提高材料的彈性模量和強度。,圖13-3 孔隙率對陶瓷材料斷裂強度的影響168,試樣的表面粗糙度對陶瓷材料的彎曲斷裂強度有很大的影響，如圖13-4所示39。而且，試樣加工方向對抗彎強度也有影響，尤其是磨削方向與拉伸應力方向垂直時，會因加工傷痕而使強度降低很多；在平行于拉伸軸的方向磨削時，影響較小。,圖13-4 因加工產生的表面?zhèn)叟c氮化鋁AlN強度的關系39,13.3.2 陶瓷材料強度的概率分布,測定陶瓷材料的抗拉強度比較困難，主要是因為陶瓷材料硬而脆，難以加工出高精度的拉伸試樣，而且要求試驗機具有高的同心度。故目前主要以測定彎曲強度作為評價陶瓷強度性能指標 。為得到可靠的試驗結果，最好能從同質坯料上切出盡可能多的小試樣，進行大子樣試驗，然后對試驗結果進行統(tǒng)計分析。 陶瓷材料的強度試驗結果不僅遵循威布爾（Weibull）分布，也遵循正態(tài)分布和對數正態(tài)分布 。,13.4 陶瓷材料的切口強度與切口敏感性,13.4.1 陶瓷材料的切口強度表達式,在陶瓷材料彎曲斷裂強度和切口強度遵循正態(tài)分布的情況下，其平均值和標準差可分別用下式表示,(13-3),(13-4),式中 . 分別為彎曲強度和切口強度的平均值,Sf、SbN分別為彎曲強度和切口強度的標準差。,13.4.2 加載速率對陶瓷材料強度和切口強度的影響,加載速率對陶瓷材料彎曲強度和切口強度的影響，如圖13-7所示。,圖13-7 加載速率對陶瓷材料彎曲強度和切口強度的影響,由此可見，當加載速率較低時，加載速率對陶瓷材料彎曲強度和切口強度的影響不大；當加載速率高于某一數值時，陶瓷材料彎曲強度和切口強度隨加載速率的升高而急劇下降。這與加載速率對金屬拉伸強度的影響剛好相反。這是研究和應用陶瓷材料時，應予以考慮的另一個重要特點；也可能是制約陶瓷材料用作高速運動機械結構件的另一個因素。在高溫下，提高加載速率也降低陶瓷材料的強度和切口強度。,13.4 陶瓷材料的疲勞,陶瓷材料疲勞的概念，與金屬材料的疲勞有所不同。陶瓷材料的疲勞分為靜態(tài)疲勞、動態(tài)疲勞和循環(huán)疲勞。陶瓷材料的靜態(tài)疲勞是在持久載荷的作用下發(fā)生的失效斷裂，對應于金屬材料中的應力腐蝕和高溫蠕變。陶瓷材料的動態(tài)疲勞，是以恒定的速率加載，研究材料的失效斷裂對加載速率的敏感性，類似于金屬材料應力腐蝕研究中的慢應變速率拉伸。陶瓷材料的循環(huán)疲勞，是在循環(huán)應力作用下發(fā)生的失效斷裂，對應于金屬中的疲勞。下面簡要介紹循環(huán)疲勞與靜態(tài)疲勞。,13.4.1 陶瓷材料的循環(huán)疲勞壽命,陶瓷材料循環(huán)疲勞的一個主要特點，是疲勞壽命的試驗結果非常分散，最長與最短的疲勞壽命相差達5-6個數量級172。因此，陶瓷材料循環(huán)疲勞壽命的試驗結果，必須進行統(tǒng)計分析。統(tǒng)計分析表明，陶瓷材料循環(huán)疲勞壽命的試驗結果也遵循對數正態(tài)分布，如圖13-8所示。,圖13-8 Al2O3陶瓷具有給定存活率的循環(huán)疲勞壽命曲線,13.4.2 陶瓷材料的疲勞裂紋擴展速率,圖13-10 陶瓷材料的裂紋擴展速率曲線 a) 循環(huán)疲勞 b) 靜疲勞174,13.5 陶瓷材料的韌性,13.5.1 陶瓷材料的靜態(tài)韌性,陶瓷材料的靜態(tài)韌性，即單位體積材料斷裂前所吸收的功，可按下式計算，,W=f2/2E,(13-6),而陶瓷材料的斷裂強度并不比鋼的屈服強度高，但其彈性模量卻比鋼的高，見表13-1。因此，陶瓷材料的靜態(tài)韌性很低。,13.5.2 陶瓷材料的斷裂韌性,因為陶瓷材料是脆性材料，故含裂紋的陶瓷試件或零件的裂紋擴展阻力，即斷裂抗力，即為形成新表面所需的表面能2。若已知表面能之值，則陶瓷材料斷裂韌性KIC值可按下式估算（見式（5-11）和（7-17）,KIC= 2E/（1-2）1/2,（13-7）,金屬材料斷裂要吸收大量的塑性變形能，而塑性變形能要比表面能大幾個量級，所以陶瓷材料的斷裂韌性比金屬材料的要低1-2個數量級；最高達到12-15 MPa 低者僅有2-3 MPa 176。,13.6 陶瓷材料的抗熱震性,大多數陶瓷在生產和使用過程