陶瓷的力學性能

1、陶瓷的力學性能陶瓷材料的化學健大都為離子鍵和共價健，健合牢固并有明顯的方向性，同一般的金屬相比，其晶體結(jié)構(gòu)復雜而表面能小。因此，它的強度、硬度、彈性模量、耐磨性、耐蝕性和耐熱性比金屬優(yōu)越，但塑性、韌性、可加工性、抗熱震性及使用可靠性卻不如金屬。因此搞清陶瓷的性能特點及其控制因素，不論是對研究開發(fā)還是使用設(shè)計都具有十分重要的意義。本節(jié)主要討論彈性、硬度、強度、韌性及其組織結(jié)構(gòu)因素、環(huán)境因素的影響。一彈性性能1.彈性和彈性模量陶瓷材料為脆性材料，在室溫下承載時幾乎不能產(chǎn)生塑性變形，而在彈性變形范圍內(nèi)就產(chǎn)生斷裂破壞。因此，其彈性性質(zhì)就顯得尤為重要。與其他固體材料一樣。陶瓷的彈性變形可用虎克定律來描述

2、。陶瓷的彈性變形實際上是在外力的作用下原子間里由平衡位置產(chǎn)生了很小位移的結(jié)果。彈性模量反映的是原子間距的微小變化所需外力的大小。表11.3給出一些陶瓷在室溫下的彈性模量。2.溫度對彈性模量的影響由于原子間距和結(jié)合力隨溫度的變化而變化，所以彈性核量對溫度變化很敏感、當溫度升高時。原子間距增大，由成j變?yōu)閐，(見圖11.2)而該處曲線的斜率變緩，即彈性模量降低。因此，固體的彈性模量一般均隨溫度的升高而降低。圖11.3給出一些陶瓷的彈性模量隨溫度的變化情況。一般來說，熱膨脹系數(shù)小的物質(zhì)，往往具有較高的彈性模量。3.彈性模量與熔點的關(guān)系物質(zhì)熔點的高低反映其原子間結(jié)合力的大小。一般來說，彈性模量與熔點成

3、正比例關(guān)系。不同種類的陶瓷材料樣性模量之間大體上有如下關(guān)系氧化物氯化物硼化挪碳化物。泊松比也是描述陶瓷材料彈性變形的重要參數(shù)。表11.4給出一些陶瓷材料和金屬的泊松比?？梢钥闯龀鼴eO與MgO外大多數(shù)陶瓷材料的泊松比都小于金屬材制的泊松比。4.彈性模量與材料致密度的關(guān)系陶瓷材料的致密度對其彈性模量影響很大。圖11.5給出AL2O3陶瓷的彈性模量隨氣孔率的變化及某些理論計算值的比較。Fros指出彈性模量與氣孔率之間將會指數(shù)關(guān)系E=E0exp(-BP)式中B-常數(shù)?？傊?，隨著氣孔率的增加，陶瓷的彈性模量量急劇下降。5.復合材料的彈性模量由于彈性模量決定于原子間結(jié)合力即與原子種類和化學鍵類型有關(guān)，所

4、以彈性模量對顯微組織并不敏感一旦材料種類確定，則通過熱處理等工藝來改變彈性模量是極為有限的-但對由不同組元構(gòu)成的復合材料的彈性模量來說，由于各組元的彈性模量不同，因而復合材料的彈性模量隨各組元的含量不同而改變。實際上混合定律不能準確地描述復合材料的彈性模量，只能粗略地估算。當需要復合材料準確的彈性模量值時，可進行實際測量。圖11.6和圖11.7給出Al2O3 SiCw、ZrO2(Y2O3) SiCw、及Al2O3ZrO2(Y2O3)SiCw等復合材料的彈性模最隨第M相含量的變化情況?？梢钥闯鲈谄渌阅茉试S的情況下，可以通過在一定范圍內(nèi)調(diào)整兩相比例來獲得所需的彈性模量值。二、硬度硬度是材料的重要

5、力學性能參數(shù)之一，金屬材料的硬度與強度之間有直接的對應關(guān)系。而陶瓷材料屬脆性材料。測定硬度時，在壓頭壓入?yún)^(qū)域會發(fā)生包括壓縮剪斷等復合破壞的偽塑性變形。因此，陶瓷材料的硬度很難與其強度直接對應起來。但硬度高、耐磨性好是陶瓷材料的主要優(yōu)良特性之一。硬度與耐磨性有密切關(guān)系，加之在陶瓷材料的力學性能評價中，硬度測定是使用最普遍且數(shù)據(jù)獲得比較容易的評價方法之一，因而占有重要的地位。目前，用于測定陶瓷材料硬度的方法最常用的是維氏硬度。由于陶瓷為脆硬材料因而多數(shù)情況下底痕的邊緣產(chǎn)生破碎，同時在任痕角上沿對角線延長方向上產(chǎn)生裂紋、而壓痕形狀不如金屬材料那樣規(guī)則，給對角線的測量帶來困難，所以在試樣制備時，其測試

6、表面最后應用金剛石研磨拋光成鏡面。維氏硬度測定的同時根據(jù)區(qū)痕角部產(chǎn)生裂紋的長度通過計算可以估算出斷裂韌性。因此，維氏硬度測試是一種簡單經(jīng)濟、一舉多得的方法。表11.5給出一些常用陶瓷的維氏硬度值。有時陶瓷材料也測量洛氏硬度值HR，洛氏硬度又分為HRA、HRC和HRD。 1.高溫硬度高溫硬度測定大都是采用維氏硬度法和顯微硬度法。陶瓷材料的高溫硬度測定。同其它高溫性能測試相比，所用試樣量少，且測定方法簡便；另外，高溫硬度與高溫強度有一定對應性，同時通過長時間保持載荷可以顯示其蠕變特性，所以高溫使區(qū)是陶瓷材料使用較普遍的高溫性能測試方法。通過高溫維氏硬度雖然可以測試陶瓷的高溫斷裂韌性，但高溫硬度對溫

7、度的敏感性比強度對溫度的敏感性大，即隨溫度的提高硬度值比強度值下降得快，致使用此法測得的韌性與其他方法測得的結(jié)果有較大的差異，因此，用壓痕法測高溫裂韌性時要對其計算公式加以修正。圖11.8給出硬度隨溫度的變化曲線。2.硬度與其他性能之間的關(guān)系對于結(jié)構(gòu)陶瓷材料，維氏硬度HV與彈性模量E之間的關(guān)系如圖11.9所示，大體上呈直線關(guān)系，其定量關(guān)系式為E/20HV。但此關(guān)系只是在常溫下成立。隨著溫度的升高，硬度的下降比彈性模量的下降明顯，所以EHV值隨溫度的升高而增加。wu等人試圖用維氏硬度法測得的HVKIC比值作為衡量陶瓷材料的脆性指標。上述比值并非無量綱也難以賦予確切的物理意義。但硬度在某種意義上表

8、征的是變形抗力斷裂動性表征的是裂紋擴展阻力，因此二者比值在某種程度上可以表示材料的脆性斷裂程度。三、強度陶瓷材料由其他學鍵所決定、在室溫下幾乎不能產(chǎn)生滑移或位錯運動，因而很難產(chǎn)生塑性變形，所以其破壞方式為脆性斷裂。一般陶瓷材料在室溫下的應力應變曲線如圖11.10中1所示，即在斷裂前幾乎沒有塑性變形。因此陶瓷材料室溫強度測定只能獲得一個斷裂強度f值。而金屬材料則可獲得屈服強度s。由此可知，陶瓷材料的室溫強度是彈性變形抗力即當彈性變形達到極限程度而發(fā)生斷裂時的應力。強度與彈性模量和硬度一樣，是材料本身的物理參數(shù)，它決定于材料的成分組織結(jié)構(gòu)，同時也隨外界條件(如溫度、應力狀態(tài)等)的變化而變化。由于陶

9、瓷材料的脆性，在絕大多數(shù)情況下都是測定其彎曲強度，而很少測定拉伸強度，表11.6給出了一些常見陶瓷材料強度的數(shù)據(jù)。1.影響強度的組織因素陶瓷材料本身的脆性來自于其化學健的種類。實際陶瓷晶體中大都以方向性較強的離子鏈和共價健為主。多數(shù)晶體的結(jié)構(gòu)復雜，平均原子間距大，因而表面能小。因此，同金屬材料相比在室溫下發(fā)生的滑移幾乎沒有，位錯的滑移很難發(fā)生。因此很容易由表面或內(nèi)部存在的缺陷引起應力集中而產(chǎn)生脆性破壞。這是陶瓷材料脆性的原因所在、也是其強度值分散性較大的原因所在。通常陶瓷材料都是用燒結(jié)的方法制造的，在晶界上大都存在著氣孔、裂紋和玻璃相即非晶相等。而且有時在晶內(nèi)也存在有氣孔、層錯、位借等缺陷。陶

10、瓷的強度除決定于本身材料外，上述微觀組織因素對強度也有顯著的影響(即微觀組織敏感性)，其中氣孔率與晶粒尺寸是兩個最重要的影響因素。(1)氣孔率對強度的影響。氣孔是絕大多數(shù)陶瓷的主要組織缺陷之一，氣孔明顯地降低了載荷作用橫截面積。同時氣孔也是引起應力集中的地方。實驗發(fā)現(xiàn)，多孔陶瓷的強度隨氣孔束的增加近似按指數(shù)規(guī)律下降。有關(guān)氣孔率與溫度的關(guān)系式有多種提案，其中最常用的經(jīng)驗公式：=0exp(-P)式中P氣孔率；0P0時的強度；a常數(shù)，其值在47之間許多試驗數(shù)據(jù)與此式接近。圖11.11示出AL203陶瓷的彎曲強度和氣孔率之間的關(guān)系?？梢钥闯鲈囼炛蹬c理論值符合較好。由上述可知，為了獲得高強度，應制備接近

11、理論密度的無氣孔陶瓷材料。(2)晶粒尺寸對強度的影響。陶瓷材料的強度和晶粒尺寸的關(guān)系與金屬有類似的規(guī)律。圖11.12給出TiO2陶瓷強度與晶粒尺寸的關(guān)系；多晶AL203、MgO和結(jié)晶玻璃的粒徑與強度之間關(guān)系也符合Hall-petch關(guān)系式。從定性的角度上講，實驗研究已得到了f與d-1/2關(guān)系趨勢相一致的結(jié)果。但對燒結(jié)體陶瓷來講，要做出只有晶粒尺寸大小不同而其他組織參量都相同的試樣是非常困難的，因此，往往其它因素與晶粒尺寸同時對強度起影響作用。所以，陶瓷中的f與d-1/2的關(guān)系并非那么容易搞清，還有待于進一步研究。但無論如何，室溫斷裂強度無疑地隨晶粒尺寸的減小而增高。所以對于結(jié)構(gòu)陶瓷材料來說，努

12、力獲得細晶粒組織，對提高室溫強度是有利而無害的。(3)晶界相的性質(zhì)與厚度、晶粒形狀對強度的影響。陶瓷材料的燒結(jié)大都要加入助偏劑，因此形成一定量的低熔點晶界相面促進致密化。晶界相的成分、性質(zhì)及數(shù)量(厚度)對強度有顯著影響。晶界相最好能起阻止裂紋過界擴展并松弛裂紋尖端應力場的作用。晶界玻璃相的存在對強度是不利的，所以應盡量減少晶界玻璃相的數(shù)量，并通過熱處理使其晶化。對單相多晶陶瓷材料，晶粒形狀最好為均勻的等軸晶粒，這樣承載時變形均勻而不易引起應力集中，從而使強度得到充分發(fā)揮。綜上所述，高強度單相多晶陶瓷的顯微組織應符合如下要求晶粒尺寸小，晶體缺陷少，晶粒尺寸均勻、等軸，不易在晶界處引起應力集中；晶

13、界相含量適當，并盡量減少脆性玻璃柜含量，應能阻止晶內(nèi)型紋過界擴展，并能松弛裂紋尖端應力集中；減少氣孔率，使其盡量接近理論密度。(4)陶瓷的復合強化。為了提高陶瓷材料的強度，除了要控制上述組織因素外更常見的是通過復合的辦法提高強度例如自生復相陶瓷棒晶強化，加入第二相的顆粒彌散強化纖維強化、晶須強化等。在陶瓷的韌化一節(jié)中，除微裂紋韌化外其它的強化方法均有強化效果，這里不再贅述。2.溫度對強度的影響陶瓷材料的一個最大的特點就是高溫強度比金屬高得多。未來汽車用燃氣發(fā)動機的附溫度為1370t這樣的工作溫度，N、CI、Ch系的超耐熱合金已無法承受，但Si3N4陶瓷卻大有希望。陶瓷材料的強度當溫度TDSTm

14、(T為熔點)時基本保持不變，當溫度高于05h時才出現(xiàn)明顯的降低13Ix一等人提出圖11.13所示的強度隨溫度的變化曲線，可惜出，整個曲線可分為三個區(qū)域。在低溫A區(qū)，斷裂前無塑性變形陶房的斷裂主要決吁試樣內(nèi)部既存缺陷(裂紋、氣孔等周起的裂紋擴展。為脆性斷裂，其斷裂應力隨溫度犒變化不大；在中間溫度B區(qū)，由于斷裂前產(chǎn)生塑性變形，因而強度對既存缺陷的敏感t降低，斷裂受塑性變形控制，勾隨溫度的L升而有明顯的降低。當溫度進一步升高時(C區(qū))二維滑移系開動，位錯塞積群中的一部分位借產(chǎn)主文B移而沿另外的滑移而繼續(xù)滑移松弛了應力集中因而抑制了裂紋的萌生。由于位借的z又滑移隨溫度的升高而變得活躍，由此而產(chǎn)生的對位

15、錯塞積群前端應力的松弛作用就區(qū)發(fā)明顯。所以在此區(qū)域內(nèi)，斷裂應力有隨溫度的升高而上升的趨勢。圖11.13給出的E陶瓷材料的強度隨溫度變化關(guān)系的一般趨勢，并非對所有的陶瓷材料都符和很好也并附有陶瓷材料的A、B、C三個區(qū)都出現(xiàn)。陶瓷材料的強度隨材料的純度、微觀組織結(jié)構(gòu)因素和表面狀態(tài)(粗糙度)的變化而變化因此即使是同一種材料由于制備工藝不同。隨溫度的變化關(guān)系也有差異。圖11.14給出一些陶瓷的強度隨溫度的變化曲線。根據(jù)這些曲線我們可以確定相立陶瓷材料的最高使用溫度。陶瓷的高溫強度受加載速率的影響顯著隨加我速率的提高而提高這同金屬的高溫變形抗力與加載速率的關(guān)系是類似的。四、斷裂韌性絕大多數(shù)陶瓷材料在室溫下甚至在高的溫度范圍很難產(chǎn)生塑性變形，因供斷裂方式為脆性斷裂所以陶瓷材料的裂紋敏感性很強?；谔沾傻倪@種特性可知斷裂力學性能是評價陶瓷材料力學性能朝重要指標，同時也是由于這種特性其斷裂行為非常適合于用線彈性斷裂力學來描述。最普遍用來評價陶瓷材料韌性的斷裂力學參數(shù)就是斷裂韌性(KIC)。表11.7給出一些陶瓷材料的J斷裂韌性值，并附幾種常用金屬村料的斷裂韌性以作對比可見