陶瓷物理力學(xué)性能

1、NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPUNORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU陶瓷的密度及測試陶瓷的硬度及表征陶瓷的熔點(diǎn)與蒸發(fā)一、陶瓷基本物理性能一、陶瓷基本物理性能二、陶瓷力學(xué)性能及表征二、陶瓷力學(xué)性能及表征NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU1.1.陶瓷基本物理性能陶瓷基本物理性能1.1 陶瓷的密度及測試陶瓷的密度及測試 密度是指單位體積的質(zhì)量，常用g/cm3表示。陶瓷材料密度有如下幾種表示：1. 1）結(jié)晶學(xué)密度：是指原子組成的沒有缺陷的連續(xù)晶格計算出來的理想密度。

2、u2）理論密度：與結(jié)晶學(xué)密度同義，但考慮了固溶體和多相。u3）體積密度：陶瓷體實(shí)際測出的密度，包括陶瓷內(nèi)部所有的晶格缺陷，各種相組成和制造中形成的氣孔。u4）相對密度：指陶瓷實(shí)測體積密度與其理論密度比值的相對百分?jǐn)?shù)。u 前兩種密度是指陶瓷內(nèi)沒有缺陷的理想情況，意味著制造過程形成的氣孔為零，所以在結(jié)構(gòu)內(nèi)的原子之間只有間隙。在含有制造過程中形成的缺陷和氣孔的情況下，通常使用體積密度或相對密度。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPUNORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU 在陶瓷、金屬、有機(jī)高分子這三類材料中，有機(jī)材料

3、的密度最低，這是因為有機(jī)材料主要有C和H及其他相對原子質(zhì)量小的元素如Cl和F構(gòu)成的。材料的密度由什么決定呢？金屬密度相對較高金屬密度相對較高密度相對密度相對較小較小NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU密度的影響因素密度的影響因素 1）陶瓷材料的密度主要取決于元素的尺寸、元素的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)堆積的緊密程度。原子序數(shù)和相對原子質(zhì)量小的元素（如H、Be、C、Si等）使材料具有低的結(jié)晶學(xué)密度或理論密度；原子序數(shù)和相對原子質(zhì)量大的元素（如W、Zr、Th釷、U等）使材料具有高的結(jié)晶學(xué)密度或理論密度。 2）原子堆積情況也產(chǎn)生一定影響，但影響較小。金屬鍵合陶瓷中的原子形

4、成緊密堆積，會使其密度比共價鍵鍵合陶瓷（較開放的結(jié)構(gòu)）的密度更高一些，例如鋯英石(ZrSiO3)和氧化鋯(ZrO2)，若單從相對原子質(zhì)量看會以為鋯英石的密度 更高一些，然而，鋯英石結(jié)構(gòu)由于Si-O共價鍵合，形成開放式內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因而ZrSiO3密度（4.65 g/cm3 ）比ZrO2（5.8 g/cm3 ）低很多。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU密度的計算與測量密度的計算與測量1）結(jié)晶學(xué)密度或理論密度可以從晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（晶胞參數(shù)）和所含元素的相對原子質(zhì)量通過計算得到。2）陶瓷體（燒結(jié)后）的體積密度的測量通常采用排水法，按阿基米德原理計算出來。測量步

5、驟： 在空氣中先稱出陶瓷試樣的質(zhì)量D； 將試樣放在沸水中煮沸2-5h，然后冷卻至室溫，靜放24h; 將陶瓷試樣懸掛在水中稱其質(zhì)量S； 將試樣在水中取出，并用干凈棉紙或紗布輕輕將試樣表面的水擦去，在空氣中稱其質(zhì)量W；體積密度： 顯氣孔率： SWD%100SWDWPNORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU密度的計算與測量密度的計算與測量3）此外，還有一種較為簡單，但精度稍低的方法，即在含聯(lián)通氣孔的陶瓷試樣表面涂上一層密封性好的石蠟層，此時可按無聯(lián)通氣孔，即不吸水的陶瓷材料直接用排水法測定。 體積密度： 吸水率：4）如果陶瓷具有簡單的均勻?qū)ΨQ的幾何形狀，則可通

6、過測量外形尺寸計算出體積，在稱量試樣在空氣中干重，進(jìn)而求出體積密度。5）對于陶瓷素坯（燒結(jié)前）的體積密度測定，則不能采用“水煮法”（因易吸附水，進(jìn)而與水反應(yīng)，造成性能的改變）。 SDDDDWA規(guī)則形狀：測體積和干重計算規(guī)則形狀：測體積和干重計算復(fù)雜形狀：表面涂石蠟，排水法復(fù)雜形狀：表面涂石蠟，排水法排汞法：原理和排水法相同，液態(tài)汞在常壓下不潤濕陶瓷排汞法：原理和排水法相同，液態(tài)汞在常壓下不潤濕陶瓷NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU1.2 陶瓷硬度及表征陶瓷硬度及表征硬度：材料抵抗硬的物體壓陷表面或破壞的能力。常見硬度表常見硬度表示法示法莫氏硬度莫氏

7、硬度用于陶瓷和礦物的硬度測試，為劃痕測試布氏硬度布氏硬度H HB B主要用于測定金屬材料中較軟及中等硬度的材料洛氏硬度洛氏硬度H HV V用于硬質(zhì)金屬和陶瓷材料維氏硬度維氏硬度用于較硬材料，如陶瓷努普硬度努普硬度H HK K用于較脆而薄材料，如玻璃顯微鏡度顯微鏡度用于陶瓷材料薄膜，在顯微觀察時評定某一組織或某一相的硬度NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU由于測量方法不同，測得的硬度所代表的材料性能也各異。金屬材料：常用的硬度測量方法是在靜載荷下將一種硬的物體壓入材料，這樣測得的硬度主要反映材料抵抗塑性形變的能力。陶瓷、礦物材料：常用劃痕法測試硬度，反

8、映材料抵抗破壞的能力。 所以，硬度沒有統(tǒng)一的定義，各種硬度的單位也不同，彼此間沒有固定的換算關(guān)系。 陶瓷材料硬度測試必須要用金剛石壓頭，陶瓷材料硬度較高，其他材料的壓頭可能被扭曲，即使是金剛石壓頭也存在被壓裂的危險，所以壓頭要定期檢查。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU幾種硬度測試方法幾種硬度測試方法（1）莫氏硬度 定義：陶瓷及礦物材料所用的劃痕硬度叫莫氏硬度。 是一系列礦物互相對比而成的一個序列。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU（2）維氏硬度 維氏硬度符號為Hv,維氏硬度測量的壓頭是一相對兩面夾角為

9、136的金剛石正四棱錐型壓頭，在一定載荷P的作用下壓入試樣表面，在規(guī)定保壓時間后卸除載荷。 在試樣測試面上壓出一個正方形的壓痕，在讀數(shù)顯微鏡下測量該正方形壓痕兩對角線d1和d2的長度，算出平均值d=(d1+d2)/2,并算出壓痕凹面的面積F，即可計算出維氏硬度P/F,單位MPa.28544. 1dPFPHvNORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU維氏硬度實(shí)測中需要注意三點(diǎn)：a) 測試中載荷P大小應(yīng)根據(jù)試樣大小、厚薄及材料性質(zhì)決定。對于陶瓷從9.807-294.21N中選擇；b) 被測試樣的上下表面必須平行，測試表面不能有油污或臟點(diǎn)，需拋光成鏡面，且試樣的

10、厚度至少大于壓痕對角線的2倍；c) 為了避免材料局部不均勻性引起大的誤差，同一試樣上至少測定不同位置的3-5個點(diǎn)，求其平均值。試樣在常溫下進(jìn)行的保壓時間為10-20s。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU（3）洛氏硬度HRC 洛氏硬度測試一般采用120的圓錐形金剛石壓頭，測量壓痕深度值的大小來表示材料的硬度值。 洛氏硬度的測試是在先后兩次施加載荷（初始載荷P0及總載荷P)的作用下，將標(biāo)準(zhǔn)型壓頭（金剛石圓錐）壓入試樣表面，總載荷P為P0及主載荷P1之和，即P=P0+P1. 在加總負(fù)荷P并卸除主負(fù)荷P1后，在初始負(fù)荷P0繼續(xù)作用下，由主負(fù)荷P1所引起的殘

11、余壓入深度e來計算洛氏硬度，樹脂e以規(guī)定單位0.002mm表示。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU（4）努普硬度HK 這種方法最初是為了避免維氏硬度測試中產(chǎn)生的裂紋，用來測量玻璃的顯微硬度。也被廣泛應(yīng)用于陶瓷。 努普硬度所用壓頭很長，是一般維氏法中同樣載荷下壓痕的2.5倍，所以壓痕更易于測量。 努普金剛石壓頭主軸方向的壓痕是副軸方向的7倍，硬度計算和維氏相似，但用的是壓痕的投影面積而不是實(shí)際表面積。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU不同測試方法的差別：不同測試方法的差別：陶瓷硬度測試的最好方法是哪一種？

12、首先取決于做硬度測試的目的。u為了測量高載荷下材料抵抗壓入的性能，最好測試維氏硬度，但這種測量方法存在個人操作帶來的讀書差異，高載荷可能會使試樣粉碎；u洛氏硬度操作簡單，數(shù)據(jù)重復(fù)性好，不存在個人操作帶來的讀數(shù)差異，；u對于努氏硬度， 1、由于使用壓頭的特殊形狀，試驗時能產(chǎn)生長短對角線為7:1的棱形壓痕。原理規(guī)定只測量長對角線長度，具有較高的測量精度。 2、努氏硬度試驗的壓痕壓入深度只有長對角線長度的1 /30，維氏硬度試驗的壓痕壓入深度為對角線長度的1/7，所以努氏硬度試驗適用于表層硬度和薄件的硬度測試。 3、同一試樣在同一負(fù)荷下，努氏硬度壓痕對角線長度約為維氏硬度壓痕對角線長度的3倍，大大優(yōu)

13、于維氏測量法。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU陶瓷硬度的影響因素陶瓷硬度的影響因素1） 陶瓷、晶體、礦物材料的硬度主要取決于結(jié)合鍵類型、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。 離子半徑越小、離子電價越高、配位數(shù)越大、結(jié)合能越大，抵抗外力摩擦、刻劃及壓入的能力也就越強(qiáng)，硬度就越大；2） 陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)、裂紋、雜質(zhì)等都對硬度有影響；3） 溫度對陶瓷硬度的影響。 溫度升高，硬度降低。因為所有材料的屈服應(yīng)力都會隨著溫度升高（至某一顯著溫度）而降低，所以隨著壓頭深入變得越來越容易，而材料的其他性能（如強(qiáng)度或楊氏模量）都沒有迅速降低時，硬度值便開始下降了。NORTHWES

14、TERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU1.3 陶瓷的熔融及蒸發(fā)陶瓷的熔融及蒸發(fā)陶瓷的熔點(diǎn)：許多氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷都具有高的熔點(diǎn)。 固體材料的熔點(diǎn)取決于內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力的大小，即晶體中化學(xué)鍵的類型和它的強(qiáng)弱程度。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU 陶瓷的融化是一個很復(fù)雜的過程，影響材料熔點(diǎn)的因素還有結(jié)構(gòu)的類型、配位情況、離子半徑的大小、極化作用等許多因素。 ZrO2,HfO2,ThO2較MgO,CaO,SrO的熔點(diǎn)高，是因為前者是+4價的陽離子，較后者+2價陽離子與-2價O離子之間有更強(qiáng)的吸引力。陶瓷的蒸發(fā)： 大多數(shù)陶

15、瓷的蒸氣壓都很小，特別是離子鍵為主的氧化物陶瓷。例如，Al2O3在接近熔點(diǎn)時蒸氣壓只有 Pa，因此在常壓下是穩(wěn)定的，不會發(fā)生氣化分解； 在大多數(shù)晶體材料的平衡狀態(tài)圖中，三相點(diǎn)的飽和蒸汽壓都低于常壓，因此常壓下加熱先融化再氣化分解；210NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU 但有一些晶體材料，三相點(diǎn)的飽和蒸汽壓高于常壓，因此在常壓下沒有熔點(diǎn)，只有從固態(tài)直接到氣態(tài)的升華與分解溫度。p 共價鍵氮化物或碳化物陶瓷，自擴(kuò)散系數(shù)很小，高溫時易于分解蒸發(fā)。如氮化硅陶瓷，溫度在1800以上時，分解蒸發(fā)已經(jīng)比較劇烈；p 石墨在常壓下約3050 時汽化，只有在100個大

16、氣壓下才能使石墨融化成液態(tài)。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU二、陶瓷力學(xué)性能及表征二、陶瓷力學(xué)性能及表征彈性變形與彈性模量陶瓷強(qiáng)度及表征陶瓷的斷裂韌性及表征NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU2.1 彈性變形與彈性模量彈性變形與彈性模量1. 彈性變形彈性變形 與金屬和有機(jī)材料不同，陶瓷材料具有彈性模量高、抗壓強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度高、高溫蠕變小等優(yōu)異的力學(xué)性能；同時，其斷裂韌性低，表現(xiàn)出脆性斷裂。 材料在外力的作用下都會發(fā)生相應(yīng)的形變。形變的大小和類型取決于材料的化學(xué)鍵、應(yīng)力和溫度。對于每種材料，在一定的應(yīng)力極

17、限范圍內(nèi)應(yīng)變是可逆的，即在應(yīng)力取消時，應(yīng)變便消失，這就叫彈性形變。如果外力較大，當(dāng)它的作用停止時，所引起的形變并不完全消失，而有剩余形變，外力去除后不能恢復(fù)的那部分變形稱為塑性形變。彈性形變塑性形變NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU原子間距離原子間距離應(yīng)應(yīng)力力d0在微觀領(lǐng)域，宏觀上的彈性形變對應(yīng)于微觀的粒子偏離平衡位置的偏離量，宏觀的應(yīng)力則對應(yīng)于由于偏離平衡位置而引起的原子間引力的變化量。如如果外力太大，分子間的距離被拉開得果外力太大，分子間的距離被拉開得太多，分子就會滑進(jìn)另一個穩(wěn)定的位太多，分子就會滑進(jìn)另一個穩(wěn)定的位置，即使外力除去后，也不能再回

18、到置，即使外力除去后，也不能再回到復(fù)原位，就會保留永久的變形。復(fù)原位，就會保留永久的變形。金屬金屬陶瓷陶瓷NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU 基于上述原因，位錯在金屬中運(yùn)動的阻力遠(yuǎn)小于陶瓷，極易產(chǎn)生滑移運(yùn)動和塑性變形。陶瓷中位錯極難運(yùn)動，幾乎不發(fā)生塑性變形。因此塑韌性差成了陶瓷材料的致命弱點(diǎn)，也是影響陶瓷材料工程應(yīng)用的主要障礙。 由于陶瓷材料無塑性，陶瓷強(qiáng)度主要指它的斷裂強(qiáng)度f。金屬鍵沒有方向性，而離子鍵與共價鍵都具有明顯的方向性；金屬晶體的原子排列取最密排、最簡單、對稱性高的結(jié)構(gòu)，而陶瓷材料晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對稱性低；金屬中相鄰原子(或離子)電性質(zhì)相

19、同或相近，價電子組成公有電子云，不屬于個別原子或離子，屬于整個晶體。陶瓷材料中，若為離子鍵，則正負(fù)離子相鄰，位錯在其中若要運(yùn)動，會引起同號離子相遇，斥力大，位能急劇升高。陶瓷材料與金屬相比室溫下不出現(xiàn)塑性變形或很難發(fā)生塑性變形原因：NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU 對于拉伸應(yīng)力，應(yīng)力和應(yīng)變之間存在簡單的比例關(guān)系，比例常數(shù)E叫做彈性模量或楊氏模量。E 對于剪切載荷，剪切應(yīng)力和應(yīng)變Y之間的比例關(guān)系可以用比例常數(shù)G表示，G叫做剪切模量或剛性模量。GY 并非陶瓷在任何條件下都呈脆性狀態(tài)，也并非所有金屬都是塑形狀態(tài)。大多數(shù)陶瓷在高溫下具有塑形變形。這是由于

20、高溫下陶瓷可發(fā)生位錯運(yùn)動、晶界滑移、晶界玻璃相軟化等。2. 彈性模量彈性模量NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU 彈性模量在工程上反映材料剛度的大小，在微觀上反映原子的鍵和強(qiáng)度。鍵和越強(qiáng)，則使原子間隙加大所需的應(yīng)力越大，彈性模量就越高。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU原子間距離應(yīng)應(yīng)力力d0模量對應(yīng)于圖中的應(yīng)力位移曲線的斜率從圖中可以看到，原子間的作用力越強(qiáng)則其引力位移曲線的斜率越大，共價鍵離子鍵結(jié)合的固體其結(jié)合力大，故模量也較高。從圖中也可以看出，改變原子間距離也可以改變彈性模量，壓應(yīng)力使原子間距離縮小

21、，導(dǎo)致彈性模量升高，拉應(yīng)力使原子間距增大，E下降。溫度升高，間距增大，E降低。彈性模量的意義： 材料產(chǎn)生單位應(yīng)變所需的應(yīng)力，大小反映了材料原子間結(jié)合力的大小。熔點(diǎn)和彈性模量均反映了原子間結(jié)合力的大小，因此一般情況下兩者保持正比關(guān)系。amVkTE100原子或者分子體積原子或者分子體積波爾茨曼常數(shù)波爾茨曼常數(shù)NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPUE E1V1E2V2E E1E2 / (E1V2E2V1)陶瓷材料彈性模量位于陶瓷材料彈性模量位于E 與與E 之間。之間。 由于陶瓷中存在一定氣孔，因此氣孔由于陶瓷中存在一定氣孔，因此氣孔被認(rèn)為是陶瓷中不可忽視的組

22、成相。此時被認(rèn)為是陶瓷中不可忽視的組成相。此時彈性模量為：彈性模量為：bpeEE0E0是氣孔率為零時的彈性模量，是氣孔率為零時的彈性模量，b為與制備工藝有關(guān)的常數(shù)，為與制備工藝有關(guān)的常數(shù)，P為氣孔的體積百分含量。為氣孔的體積百分含量。多相結(jié)構(gòu)的彈性模量 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU3. 彈性變形的測定彈性變形的測定彈性模量的測試通常有兩種方法：靜態(tài)法和動態(tài)法。 靜態(tài)法是直接測試應(yīng)力和應(yīng)變，在通過測量應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率得到彈性模量。其中應(yīng)變的測量分兩種：應(yīng)變的測量貼應(yīng)變片來記錄應(yīng)變由彎曲試樣的撓度來計算應(yīng)變?nèi)c(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲的加載方式 動態(tài)法是

23、給試樣一個激勵使之發(fā)生振動，測定試樣的共振頻率，通過下式計算：2cmfE C為常數(shù)，取決于試樣大小和形狀以及泊松比，m為試樣質(zhì)量，f為振動頻率。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU2.2 2.2 陶瓷材料的強(qiáng)度及表征陶瓷材料的強(qiáng)度及表征陶瓷材料塑性很低，因此其強(qiáng)度主要指斷裂強(qiáng)度f。理想晶體的斷裂強(qiáng)度：2/10)(Ec材料比表面能材料比表面能原子間距離原子間距離p 理論強(qiáng)度：根據(jù)原子鍵斷裂來計算得到的強(qiáng)度；p 實(shí)際強(qiáng)度：若將材料內(nèi)部和表面的各種缺陷，如裂紋、氣孔或夾雜物都考慮，則所測強(qiáng)度為實(shí)際強(qiáng)度。p 根據(jù)測試方法不同，可將陶瓷強(qiáng)度分為拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)

24、度和壓縮強(qiáng)度。 材料剛度越大，表面能越大，原子間距越小，即結(jié)合越材料剛度越大，表面能越大，原子間距越小，即結(jié)合越緊密，理論強(qiáng)度越大。緊密，理論強(qiáng)度越大。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU材料中存在的缺陷使得實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度。（2）氣孔的影響 bpfe01. 缺陷對強(qiáng)度的影響（1）裂紋的影響21)(cEAf f為斷裂應(yīng)力，為斷裂能量，C為缺陷尺寸，A為常數(shù)，取決于試樣和缺陷的幾何形狀。E0是氣孔率為零時的彈性模量，是氣孔率為零時的彈性模量，b為與制備為與制備工藝有關(guān)的常數(shù)，工藝有關(guān)的常數(shù)，P為氣孔的體積百分含量。為氣孔的體積百分含量。氣孔的存在

25、，一方面會減小與強(qiáng)度直接相關(guān)的彈性模量；另一方面氣孔往往是陶瓷材料內(nèi)部裂紋形成的發(fā)源地，因此氣孔會顯著降低陶瓷的強(qiáng)度。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU（3)夾雜物的影響夾雜物通常是指陶瓷制備工藝過程中引入的外來雜質(zhì)。夾雜物夾雜物有機(jī)有機(jī)經(jīng)過高溫處理后，會發(fā)生變經(jīng)過高溫處理后，會發(fā)生變化課程成為缺陷化課程成為缺陷無機(jī)無機(jī)保留在陶瓷保留在陶瓷內(nèi)內(nèi)和基體熱膨脹系數(shù)差別大，和基體熱膨脹系數(shù)差別大，燒結(jié)冷卻過程中在夾雜物附燒結(jié)冷卻過程中在夾雜物附近形成裂紋近形成裂紋和基體彈性模量差別大，施和基體彈性模量差別大，施加壓力時形成裂紋加壓力時形成裂紋 當(dāng)夾雜物比

26、集體具有低的熱膨脹系數(shù)和低的彈性模量時，陶瓷的強(qiáng)度降低很多，這時材料內(nèi)部會產(chǎn)生張應(yīng)力；當(dāng)夾雜物的熱膨脹系數(shù)或彈性模量高于基體材料時，對陶瓷材料的強(qiáng)度影響較小。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU2. 拉伸和彎曲強(qiáng)度（1）拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度也叫抗拉強(qiáng)度，是指材料在單向均勻拉應(yīng)力作用下斷裂時的應(yīng)力值，其計算可用斷裂時的載荷P除以試樣的橫截面積A。APt 拉伸強(qiáng)度測試在萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，一般用于具有塑形特征的金屬，通過測量可確定材料的屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度和伸長值。陶瓷較少測試?yán)煨阅?，因為?.拉伸試樣制作困難、成本高；2.拉伸試樣要求試件內(nèi)應(yīng)力均勻分布，陶瓷

27、等脆性材料很難達(dá)到。 拉伸試樣要求非常光滑和對稱，試驗機(jī)尖頭絕對垂直隊中，這就 使得拉伸費(fèi)用高而且精度難于保證。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU（2）彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度也叫抗彎強(qiáng)度，是指材料在彎曲應(yīng)力作用下，受拉面斷裂時的最大應(yīng)力。試件橫截面通常為矩形，制作成本遠(yuǎn)低于拉伸強(qiáng)度試件?？箯潖?qiáng)度依據(jù)加載方式不同可分為三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲。上支點(diǎn)跨度。上支點(diǎn)跨度。試樣尺寸：36mmx4mmx3mmNORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU力學(xué)性能測試中應(yīng)力分布： 因暴露于高應(yīng)力下大的缺陷的幾率較大，四點(diǎn)彎曲得出的強(qiáng)度值比

28、三點(diǎn)彎曲值要低一些。 對于彎曲強(qiáng)度，測量斷面的整個體積內(nèi)都處于高應(yīng)力狀態(tài)，因此，其值低于彎曲強(qiáng)度值。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPUNORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU（3）壓縮強(qiáng)度）壓縮強(qiáng)度 又叫抗壓強(qiáng)度，是指一定尺寸和形狀的陶瓷試樣在規(guī)定的試驗機(jī)上受軸向應(yīng)力作用時，單位面積上所承受的載荷。APc試樣要求，高度：直徑=2：1 陶瓷材料的壓縮強(qiáng)度較拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度高很多，因而陶瓷部件處于受壓狀態(tài)有利于發(fā)揮陶瓷材料的力學(xué)性能。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNP

29、U3.強(qiáng)度測量的影響因素（1）尺寸效應(yīng)陶瓷材料的強(qiáng)度測試值隨試樣尺寸的增大而減小，這種現(xiàn)象叫尺寸效應(yīng)。 工程陶瓷材料的強(qiáng)度指標(biāo)通常是指彎曲強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度尺寸效應(yīng)包括長度效應(yīng)、寬度效應(yīng)和厚度效應(yīng)，其中厚度效應(yīng)最顯著。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU（2）加載速率陶瓷的強(qiáng)度隨加載速率的增加而增加。可以認(rèn)為，加載速率越大，缺陷對強(qiáng)度的影響越小。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU1. 概念陶瓷內(nèi)裂紋尖端存在應(yīng)力集中。應(yīng)力集中用應(yīng)力強(qiáng)度因子K表示。根據(jù)所加載荷相對裂紋位置的方向，可將裂紋劃分為三種：2.3 陶瓷

30、的斷裂韌性及表征陶瓷的斷裂韌性及表征 型是陶瓷材料常見的情況，當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到某一臨界值時，裂紋會擴(kuò)展并導(dǎo)致斷裂，這一臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子稱為材料的斷裂韌性，用KIC表示。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPUaKfIC 陶瓷與金屬的拉伸強(qiáng)度或彎曲強(qiáng)度并不存在很大差異，但反應(yīng)材料裂紋擴(kuò)展阻力的斷裂韌性卻差別較大，通常低1-2個數(shù)量級。斷裂韌性：斷裂強(qiáng)度無量綱因子裂紋長度NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU2. 斷裂韌性的測試（1）單邊切口梁法 在矩形截面的長柱狀陶瓷試件中部開一個很小的切口作為預(yù)制裂紋，

31、切口寬度最好不要大于0.25mm，切口深度約為試件高度的0.4-0.5倍，采用三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲實(shí)驗直至斷裂。abWPLYKIC223和試樣有關(guān)的和試樣有關(guān)的常數(shù)常數(shù)梁的寬度梁的寬度梁的高度梁的高度切口深度切口深度斷裂載荷斷裂載荷NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU（2）壓痕法NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU高溫下晶界第二相，特別是低熔點(diǎn)物質(zhì)的軟化，使晶界產(chǎn)生滑移，從而使高溫下晶界第二相，特別是低熔點(diǎn)物質(zhì)的軟化，使晶界產(chǎn)生滑移，從而使陶瓷表現(xiàn)出一定程度的塑性，同時晶界強(qiáng)度大幅度下降，使宏觀承載能力陶瓷表

32、現(xiàn)出一定程度的塑性，同時晶界強(qiáng)度大幅度下降，使宏觀承載能力下降、因此高溫下大多數(shù)陶瓷材料是沿晶斷裂。如果要提高陶瓷材料的高下降、因此高溫下大多數(shù)陶瓷材料是沿晶斷裂。如果要提高陶瓷材料的高溫強(qiáng)度，應(yīng)盡量減少玻璃相和雜質(zhì)成分。溫強(qiáng)度，應(yīng)盡量減少玻璃相和雜質(zhì)成分。1000120013001400載載荷荷位移位移 室溫室溫Si3N4ZrO2ZTASiCAl2O3莫來石莫來石200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 200 400 600 800 1000 強(qiáng)度強(qiáng)度 / MPa溫度溫度 / 熱壓熱壓Si3N4溫度溫度-載荷載荷-撓度曲線撓度曲線 幾種陶瓷材料的強(qiáng)度與溫度關(guān)系

33、曲線幾種陶瓷材料的強(qiáng)度與溫度關(guān)系曲線 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU型型型型型型陶瓷斷裂韌性與陶瓷增韌陶瓷斷裂韌性與陶瓷增韌 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU 格里菲斯理論：格里菲斯理論： 裂紋擴(kuò)展的能量前提：斷裂破壞后產(chǎn)生的能量小于等于裂紋尖端應(yīng)變能量裂紋擴(kuò)展的能量前提：斷裂破壞后產(chǎn)生的能量小于等于裂紋尖端應(yīng)變能量的釋放。的釋放。 02dAdU在平面應(yīng)力條件下：在平面應(yīng)力條件下：022EadAdU2/10)/2(aE裂紋擴(kuò)展所需臨界應(yīng)力為：裂紋擴(kuò)展所需臨界應(yīng)力為： 1、斷裂韌性的表征、斷裂韌性的

34、表征NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子K1c ： 對于實(shí)際材料格里菲斯理論可修正為：對于實(shí)際材料格里菲斯理論可修正為： 210212常數(shù)/)(Ea其中，等式的右邊全是材料的力學(xué)性質(zhì)項，即對于給定的材料必須符合上式才發(fā)其中，等式的右邊全是材料的力學(xué)性質(zhì)項，即對于給定的材料必須符合上式才發(fā)生裂紋擴(kuò)展，將臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子定義為：生裂紋擴(kuò)展，將臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子定義為： 2/11aYKfc對于給定的裂紋長度，對于給定的裂紋長度，K1c越高說明裂紋擴(kuò)展時需要的臨界應(yīng)力越高。越高說明裂紋擴(kuò)展時需要的臨界應(yīng)力越高。 對于給定的臨界應(yīng)

35、力，如果對于給定的臨界應(yīng)力，如果K1c越高說明裂紋擴(kuò)展時需要的臨界裂紋長度越長。越高說明裂紋擴(kuò)展時需要的臨界裂紋長度越長。 2/10)/2(aENORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU2 2、異相彌散強(qiáng)化增韌、異相彌散強(qiáng)化增韌 基體中引入第二相顆粒，利用基體和第二相之間熱膨脹系數(shù)和彈性模量的差基體中引入第二相顆粒，利用基體和第二相之間熱膨脹系數(shù)和彈性模量的差異，在試祥制備的冷卻過程中，在顆粒和基體周圍產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。設(shè)由靜態(tài)應(yīng)異，在試祥制備的冷卻過程中，在顆粒和基體周圍產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。設(shè)由靜態(tài)應(yīng)力力 h分解的殘余應(yīng)力為周向張應(yīng)力分解的殘余應(yīng)力為周向張應(yīng)力

36、 mr和徑向壓應(yīng)力和徑向壓應(yīng)力 m ，則有下列關(guān)系：則有下列關(guān)系： 當(dāng)當(dāng) p m，顆粒和基體之間的應(yīng)顆粒和基體之間的應(yīng)力使裂紋在前進(jìn)過程中偏轉(zhuǎn)，如圖力使裂紋在前進(jìn)過程中偏轉(zhuǎn)，如圖525所示。所示。 裂紋擴(kuò)展至顆粒表面首先偏轉(zhuǎn)，裂紋擴(kuò)展至顆粒表面首先偏轉(zhuǎn)，基體中壓縮環(huán)形應(yīng)力軸垂直于裂紋基體中壓縮環(huán)形應(yīng)力軸垂直于裂紋面；當(dāng)裂紋移至顆粒周圍，則將被面；當(dāng)裂紋移至顆粒周圍，則將被吸收到顆粒交界面處。吸收到顆粒交界面處。ppmmmphmrEET2121)(裂紋走向裂紋走向 mr張應(yīng)力張應(yīng)力 m 壓應(yīng)力壓應(yīng)力 第二相顆粒加入后，裂紋偏轉(zhuǎn)及應(yīng)力分第二相顆粒加入后，裂紋偏轉(zhuǎn)及應(yīng)力分布示意圖布示意圖NORTHW

37、ESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU顯微結(jié)構(gòu)增韌顯微結(jié)構(gòu)增韌 超細(xì)化和納米化是減小陶瓷饒結(jié)超細(xì)化和納米化是減小陶瓷饒結(jié)體中氣孔、裂紋和尺寸、數(shù)量和體中氣孔、裂紋和尺寸、數(shù)量和不均勻性的最有效的途徑。不均勻性的最有效的途徑。顯微結(jié)構(gòu)增韌顯微結(jié)構(gòu)增韌NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU 利用控制工藝因素，使陶瓷晶粒在利用控制工藝因素，使陶瓷晶粒在原位形成有較大長徑比的形貌，起到類原位形成有較大長徑比的形貌，起到類似于晶須補(bǔ)強(qiáng)的作用，如控制似于晶須補(bǔ)強(qiáng)的作用，如控制Si3N4制制備過程中的氮?dú)鈮?，就可得到長徑比不備過程中的氮

38、氣壓，就可得到長徑比不同的條狀、針狀晶粒，這種晶粒形狀對同的條狀、針狀晶粒，這種晶粒形狀對斷裂韌性有較大影響。斷裂韌性有較大影響。顯微結(jié)構(gòu)增韌顯微結(jié)構(gòu)增韌NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU (1) 表面微氧化技術(shù)表面微氧化技術(shù) 對對Si3N4SiC等非氧化物陶瓷，通過控制表面氧化技術(shù)，可消除表面缺等非氧化物陶瓷，通過控制表面氧化技術(shù)，可消除表面缺陷，達(dá)到強(qiáng)化目的。陷，達(dá)到強(qiáng)化目的。 (2) 表面退火處理表面退火處理 陶瓷材料在低于燒結(jié)溫度下長時間退火，一方面可消除因燒結(jié)快冷產(chǎn)生的陶瓷材料在低于燒結(jié)溫度下長時間退火，一方面可消除因燒結(jié)快冷產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力

39、，另一方面可以消除加工引起的表面應(yīng)力，同時可以彌合表面和次內(nèi)應(yīng)力，另一方面可以消除加工引起的表面應(yīng)力，同時可以彌合表面和次表面的裂紋。表面的裂紋。 (3) 離子注入表面改性離子注入表面改性 離子注入使表面引入壓應(yīng)力，從而使強(qiáng)度明顯增加。離子注入使表面引入壓應(yīng)力，從而使強(qiáng)度明顯增加。 (4) 其它方法其它方法 激光表面處理、機(jī)械化學(xué)拋光等也是消除表面缺陷、改善表面狀態(tài)、提激光表面處理、機(jī)械化學(xué)拋光等也是消除表面缺陷、改善表面狀態(tài)、提高韌性的重要手段。高韌性的重要手段。 表面強(qiáng)化和增韌表面強(qiáng)化和增韌 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU采用一相對兩面夾角

40、為采用一相對兩面夾角為136的金剛石正四棱錐形壓頭，在一定負(fù)荷的金剛石正四棱錐形壓頭，在一定負(fù)荷P作用下壓作用下壓入試樣表面，保壓入試樣表面，保壓1020s，卸除負(fù)荷，則在試樣測試面上壓出一個正方形的壓，卸除負(fù)荷，則在試樣測試面上壓出一個正方形的壓痕，在顯微鏡下測量壓痕兩對角線的長度，分別為痕，在顯微鏡下測量壓痕兩對角線的長度，分別為d1和和d2，算出平均值，算出平均值d，根據(jù)，根據(jù)下式，可求出維氏硬度值。下式，可求出維氏硬度值。 式中：式中：P為負(fù)荷，為負(fù)荷，N；F為壓痕凹面面積，為壓痕凹面面積，mm2；d為壓痕兩對角線長度，為壓痕兩對角線長度，mm；Hv為維氏硬度值，為維氏硬度值，MPa。

41、 負(fù)荷負(fù)荷P的大小，可以根據(jù)試樣的厚薄、大小、材料的性質(zhì)來確定。日本采用的大小，可以根據(jù)試樣的厚薄、大小、材料的性質(zhì)來確定。日本采用維氏硬度測定精細(xì)陶瓷材料的硬度，壓痕負(fù)荷一般為維氏硬度測定精細(xì)陶瓷材料的硬度，壓痕負(fù)荷一般為10N和和100N。但需注。但需注意試樣的厚度至少大于壓痕對角線長度的意試樣的厚度至少大于壓痕對角線長度的2倍。作硬度實(shí)驗時試樣上下表面倍。作硬度實(shí)驗時試樣上下表面必須平行，一般要拋光成鏡面。在同一個試樣上至少在不同位置必須平行，一般要拋光成鏡面。在同一個試樣上至少在不同位置5個點(diǎn)的維氏個點(diǎn)的維氏硬度值，求出其平均值作為該試樣的硬度值。硬度值，求出其平均值作為該試樣的硬度值

42、。 測定陶瓷薄膜和微珠的硬度時，可采用顯微硬度，其原理與維氏硬度的測測定陶瓷薄膜和微珠的硬度時，可采用顯微硬度，其原理與維氏硬度的測試一樣。試一樣。 28541dPFPHv.11.4.1 11.4.1 陶瓷材料的硬度測量陶瓷材料的硬度測量 維氏硬度實(shí)驗維氏硬度實(shí)驗 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU熱震斷裂熱震斷裂 熱震斷裂是指當(dāng)材料固有強(qiáng)度不足以抵抗熱沖擊溫差熱震斷裂是指當(dāng)材料固有強(qiáng)度不足以抵抗熱沖擊溫差 T引起的熱應(yīng)引起的熱應(yīng)力而產(chǎn)生的材料瞬時斷裂。力而產(chǎn)生的材料瞬時斷裂。 熱震斷裂理論基于熱彈性理論，以熱應(yīng)力熱震斷裂理論基于熱彈性理論，以熱應(yīng)

43、力 H和材料固有強(qiáng)度和材料固有強(qiáng)度 f之間的之間的平衡條件作為熱震斷裂的判據(jù)，即：平衡條件作為熱震斷裂的判據(jù)，即： H f 當(dāng)溫度急變當(dāng)溫度急變( T)引起的熱沖擊應(yīng)力引起的熱沖擊應(yīng)力 H超過了材料的固有強(qiáng)度，則發(fā)生超過了材料的固有強(qiáng)度，則發(fā)生瞬時斷裂，即熱震斷裂。瞬時斷裂，即熱震斷裂。 當(dāng)試件受到一個急冷溫差當(dāng)試件受到一個急冷溫差 T時，在初始瞬間，表面收縮率正比時，在初始瞬間，表面收縮率正比 T ，而，而內(nèi)層還未冷卻收縮，于是表面層受到一個來自里層的拉內(nèi)層還未冷卻收縮，于是表面層受到一個來自里層的拉(張張)力，而內(nèi)層受到力，而內(nèi)層受到來自表面的壓應(yīng)力，這個由于急劇冷卻而產(chǎn)生于材料表面的拉應(yīng)

44、力表示為：來自表面的壓應(yīng)力，這個由于急劇冷卻而產(chǎn)生于材料表面的拉應(yīng)力表示為：臨界抗熱震系數(shù)：臨界抗熱震系數(shù)：高強(qiáng)度低模量低高強(qiáng)度低模量低CTE才有高熱震抗力才有高熱震抗力材料泊松比材料泊松比材料膨脹系數(shù)材料膨脹系數(shù)TEt1ETRfc)( 111.5 11.5 陶瓷材料的熱沖擊陶瓷材料的熱沖擊 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU熱震損傷：熱震損傷：對于裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的損傷破壞，可以基于斷裂力學(xué)的損傷理論分析：以熱彈性應(yīng)對于裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的損傷破壞，可以基于斷裂力學(xué)的損傷理論分析：以熱彈性應(yīng)變能變能W和材料的斷裂能和材料的斷裂能U之間的平衡為臨界條件：之間

45、的平衡為臨界條件： WU當(dāng)熱應(yīng)力導(dǎo)致的儲存于材料中的應(yīng)變能足以支付裂紋形成和擴(kuò)展所需能量時，發(fā)當(dāng)熱應(yīng)力導(dǎo)致的儲存于材料中的應(yīng)變能足以支付裂紋形成和擴(kuò)展所需能量時，發(fā)生破壞，設(shè)一個半徑為生破壞，設(shè)一個半徑為r的受熱球體，沿徑向溫度分布為拋物線，當(dāng)球心熱應(yīng)力相的受熱球體，沿徑向溫度分布為拋物線，當(dāng)球心熱應(yīng)力相當(dāng)于材料的斷裂強(qiáng)度當(dāng)于材料的斷裂強(qiáng)度f 時，球體蘊(yùn)涵的彈性應(yīng)變能為：時，球體蘊(yùn)涵的彈性應(yīng)變能為： nErWf3)1 (423n為幾何因子為幾何因子 若產(chǎn)生了若產(chǎn)生了N個裂紋面積為個裂紋面積為2A的裂紋而耗盡，則新生裂紋總表面能為的裂紋而耗盡，則新生裂紋總表面能為 fANU2f為新生裂紋表面能為

46、新生裂紋表面能 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU臨界條件臨界條件W=U，則解得，則解得ffnENrA3)1 (223)(3)1 (222NrnENrAff則單側(cè)裂紋表面積與球體截面積之比為則單側(cè)裂紋表面積與球體截面積之比為相對裂紋面積相對裂紋面積球體半徑越大則相對裂紋面積越大。熱應(yīng)力裂紋數(shù)量越多則相對裂紋面積越小。因球體半徑越大則相對裂紋面積越大。熱應(yīng)力裂紋數(shù)量越多則相對裂紋面積越小。因此相對裂紋面積可以作為損傷的一種量度，相對裂紋面積越小則材料抗熱震損傷能此相對裂紋面積可以作為損傷的一種量度，相對裂紋面積越小則材料抗熱震損傷能力越強(qiáng)，若把幾何因

47、素除外，則可以將相對裂紋面積作為抗熱震損傷參數(shù)。力越強(qiáng)，若把幾何因素除外，則可以將相對裂紋面積作為抗熱震損傷參數(shù)。 )1 (2ffER21)()1 (1fcKRNORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU 可以看出，提高抗熱震損傷能力需要降低強(qiáng)度、提高彈可以看出，提高抗熱震損傷能力需要降低強(qiáng)度、提高彈性模量和斷裂表面能。這與抗熱震斷裂要求相反。即：性模量和斷裂表面能。這與抗熱震斷裂要求相反。即：要提高抗熱震損傷能力需要提高斷裂韌性降低強(qiáng)度。要提高抗熱震損傷能力需要提高斷裂韌性降低強(qiáng)度。 在實(shí)際應(yīng)用中，如果熱震失效主要是熱震斷裂（如對于在實(shí)際應(yīng)用中，如果熱震失

48、效主要是熱震斷裂（如對于高強(qiáng)、致密的精細(xì)陶瓷），則裂紋產(chǎn)生后擴(kuò)展迅速，高強(qiáng)、致密的精細(xì)陶瓷），則裂紋產(chǎn)生后擴(kuò)展迅速，裂裂紋的產(chǎn)生紋的產(chǎn)生起主導(dǎo)作用，應(yīng)該以抗熱震斷裂為主，提高強(qiáng)起主導(dǎo)作用，應(yīng)該以抗熱震斷裂為主，提高強(qiáng)度降低模量。度降低模量。 若材料本身易產(chǎn)生裂紋，或本來存在大量裂紋，熱震失若材料本身易產(chǎn)生裂紋，或本來存在大量裂紋，熱震失效主要是以熱震損傷、效主要是以熱震損傷、裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展為主，則使用抗熱震損為主，則使用抗熱震損傷。應(yīng)提高斷裂韌性，降低強(qiáng)度。傷。應(yīng)提高斷裂韌性，降低強(qiáng)度。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU1. 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)

49、CTE越低，抗熱震性能越好。越低，抗熱震性能越好。2. 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率越高，抗熱震性能越好。熱導(dǎo)率越高，抗熱震性能越好。3. 彈性模量彈性模量彈性模量越低，抗熱震性能越好。彈性模量越低，抗熱震性能越好。增加氣孔率有助于降低彈性模量，因增加氣孔率有助于降低彈性模量，因此多孔材料抗熱震性能優(yōu)良。（注意此多孔材料抗熱震性能優(yōu)良。（注意孔隙多會降低熱導(dǎo)率）孔隙多會降低熱導(dǎo)率）4. 斷裂能斷裂能能提高斷裂能的材料組份顯微結(jié)構(gòu)能提高斷裂能的材料組份顯微結(jié)構(gòu)均能提高陶瓷材料的抗熱震性能。均能提高陶瓷材料的抗熱震性能。11.5.2 11.5.2 影響熱震性能的主要因素影響熱震性能的主要因素 材料材料熱膨脹

50、系數(shù)熱膨脹系數(shù)/10-6-1（0-1000）Al2O38.0BeO9.5MgO13.53Al2O3SiO25.5MgOAl2O39.0ZrO2SiO24.5ZrO211.0Li2OAl2O32SiO2-6.4Li2OAl2O34SiO21.0MgOAl2O35SiO22.5Al2O3TiO21.5SiC4.7Si3N43.2NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU 蠕變規(guī)律蠕變規(guī)律 蠕變是指材料在恒應(yīng)力作用下，隨時間的增長而持續(xù)發(fā)展的變形過程。在常蠕變是指材料在恒應(yīng)力作用下，隨時間的增長而持續(xù)發(fā)展的變形過程。在常溫條件下，陶瓷材料的斷裂應(yīng)變很小，幾乎不存

51、在蠕變問題。在高溫下，由于溫條件下，陶瓷材料的斷裂應(yīng)變很小，幾乎不存在蠕變問題。在高溫下，由于外力和熱激活的作用，使陶瓷轉(zhuǎn)化為半塑性材料，出現(xiàn)了高溫蠕變現(xiàn)象。外力和熱激活的作用，使陶瓷轉(zhuǎn)化為半塑性材料，出現(xiàn)了高溫蠕變現(xiàn)象。 金屬高溫蠕變的機(jī)理基本適用于陶金屬高溫蠕變的機(jī)理基本適用于陶瓷材料。金屬蠕變一般分為三個階段，瓷材料。金屬蠕變一般分為三個階段，典型的蠕變曲線如圖典型的蠕變曲線如圖5-28所示。所示。 策策階段是階段是減速蠕變減速蠕變階段。階段。 第第階段是階段是恒速蠕變恒速蠕變階段，蠕變速階段，蠕變速度幾乎不變。度幾乎不變。 第第階段是階段是加速蠕變加速蠕變階段，隨時間階段，隨時間延長，

52、蠕變速度逐漸增大直至最后發(fā)延長，蠕變速度逐漸增大直至最后發(fā)生蠕變斷裂。生蠕變斷裂。蠕變一般可以用經(jīng)驗公式表示為：蠕變一般可以用經(jīng)驗公式表示為：nt)(常數(shù)iniitA其中其中Ai、ni是依賴是依賴于應(yīng)力和溫度的常于應(yīng)力和溫度的常數(shù)數(shù)NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU在低應(yīng)力和低溫時，蠕變曲線可由上式中在低應(yīng)力和低溫時，蠕變曲線可由上式中ni1來表示來表示1 t利用邊界條件利用邊界條件t0，0來解上面的微分方程得：來解上面的微分方程得：) 1ln(0t其中，其中， 0為瞬時彈性形變，為瞬時彈性形變，、為依賴于溫度和應(yīng)力的兩個常為依賴于溫度和應(yīng)力的兩個

53、常數(shù)。上式表示一種對數(shù)時間律，因此又稱為對數(shù)蠕變或者數(shù)。上式表示一種對數(shù)時間律，因此又稱為對數(shù)蠕變或者蠕蠕變。變。對于高溫和大應(yīng)力下，蠕變曲線一般分為三個階段，對于高溫和大應(yīng)力下，蠕變曲線一般分為三個階段，第一階段第一階段的減速蠕變可表示為：的減速蠕變可表示為：3/2t積分：積分：3/10t是與溫度及應(yīng)是與溫度及應(yīng)力有關(guān)的常數(shù)力有關(guān)的常數(shù)Andrade蠕變或者蠕變或者蠕變?nèi)渥僋ORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU第二階段的蠕變（穩(wěn)態(tài)蠕變）是線性關(guān)系：第二階段的蠕變（穩(wěn)態(tài)蠕變）是線性關(guān)系： 積分得到積分得到 t0蠕變?nèi)渥?第三階段尚沒有固定的解析式。第三

54、階段尚沒有固定的解析式。 當(dāng)外力和溫度不同時，蠕變曲線當(dāng)外力和溫度不同時，蠕變曲線的幾個階段特點(diǎn)仍然能夠保持，的幾個階段特點(diǎn)仍然能夠保持，但是各階段的時間將發(fā)生變化，但是各階段的時間將發(fā)生變化，當(dāng)溫度或應(yīng)力低時穩(wěn)態(tài)蠕變階段當(dāng)溫度或應(yīng)力低時穩(wěn)態(tài)蠕變階段延長，而應(yīng)力或溫度增加時，穩(wěn)延長，而應(yīng)力或溫度增加時，穩(wěn)態(tài)蠕變縮短或不出現(xiàn)，外力對蠕態(tài)蠕變縮短或不出現(xiàn)，外力對蠕變率影響很大，可表示為：變率影響很大，可表示為： nK伸長率伸長率 時間時間 應(yīng)力（溫度）增高應(yīng)力（溫度）增高 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU在不完整晶體中，塑性變形不是簡單的由位錯的滑動

55、來進(jìn)行，為在不完整晶體中，塑性變形不是簡單的由位錯的滑動來進(jìn)行，為了使滑動發(fā)生，必須克服位錯運(yùn)動的多種多樣的障礙：了使滑動發(fā)生，必須克服位錯運(yùn)動的多種多樣的障礙：具有長程應(yīng)力場的具有長程應(yīng)力場的非熱障礙非熱障礙，因為太大，熱起伏不足以提供克服障，因為太大，熱起伏不足以提供克服障礙的力，如大的淀析物和位錯。礙的力，如大的淀析物和位錯。具有短程應(yīng)力場的障礙，稱為具有短程應(yīng)力場的障礙，稱為熱障礙熱障礙，可以通過熱能克服，如：固，可以通過熱能克服，如：固溶體和點(diǎn)缺陷。通常蠕變的表達(dá)式為：溶體和點(diǎn)缺陷。通常蠕變的表達(dá)式為：)exp(RTHAn其中，其中，A為常數(shù)，為常數(shù)，H表示克服一個障礙的熱激活焓。表

56、示克服一個障礙的熱激活焓。隨著溫度的升高，除了能夠加速位錯滑移之外，還能夠使隨著溫度的升高，除了能夠加速位錯滑移之外，還能夠使位錯產(chǎn)生攀移。位錯產(chǎn)生攀移。NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU位錯攀移位錯攀移 位錯運(yùn)動導(dǎo)滑移面以外，位錯線以上的原子跳入位錯，這等價于位錯運(yùn)動導(dǎo)滑移面以外，位錯線以上的原子跳入位錯，這等價于位錯移入相鄰平面。位錯移入相鄰平面。 滑移是位錯沿著滑移面運(yùn)動，而攀移則是位錯沿著垂直于滑移滑移是位錯沿著滑移面運(yùn)動，而攀移則是位錯沿著垂直于滑移面運(yùn)動，使得位錯從障礙的束縛中釋放出來。面運(yùn)動，使得位錯從障礙的束縛中釋放出來。 位錯機(jī)理

57、位錯機(jī)理 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU擴(kuò)散蠕變理論擴(kuò)散蠕變理論 高溫下的蠕變現(xiàn)象是和晶體中的擴(kuò)散類似的，并且把蠕變高溫下的蠕變現(xiàn)象是和晶體中的擴(kuò)散類似的，并且把蠕變過程看作是外力作用下的沿應(yīng)力場方向擴(kuò)散的一種形式。當(dāng)試過程看作是外力作用下的沿應(yīng)力場方向擴(kuò)散的一種形式。當(dāng)試件受拉時，受拉晶界的空位濃度件受拉時，受拉晶界的空位濃度C拉拉將增加。將增加。 )/exp(0kTCC拉空位體積空位體積 平衡空位濃度平衡空位濃度 在受壓晶界上，空位濃度將減?。涸谑軌壕Ы缟希瘴粷舛葘p?。?)/exp(0kTCC壓NORTHWESTERN POLYTECH

58、NICAL UNIVERSITYNPU這樣，受拉與受壓晶界產(chǎn)生了空位濃度差，受這樣，受拉與受壓晶界產(chǎn)生了空位濃度差，受拉晶界上的空位就要向受壓晶界遷移，而原子拉晶界上的空位就要向受壓晶界遷移，而原子就朝相反方向擴(kuò)散。結(jié)果導(dǎo)致沿受拉方向伸長，就朝相反方向擴(kuò)散。結(jié)果導(dǎo)致沿受拉方向伸長，這種擴(kuò)散可以是體擴(kuò)散，沿著晶粒內(nèi)部進(jìn)行，這種擴(kuò)散可以是體擴(kuò)散，沿著晶粒內(nèi)部進(jìn)行，也可以是晶界擴(kuò)散，沿著晶粒間界面進(jìn)行。那也可以是晶界擴(kuò)散，沿著晶粒間界面進(jìn)行。那保羅等計算出沿晶粒內(nèi)部擴(kuò)散導(dǎo)致的穩(wěn)定蠕變保羅等計算出沿晶粒內(nèi)部擴(kuò)散導(dǎo)致的穩(wěn)定蠕變率為：率為：21kTdDBV如果擴(kuò)散沿著晶界進(jìn)行則蠕變符合柯柏公式：如果擴(kuò)散沿

59、著晶界進(jìn)行則蠕變符合柯柏公式： 32kTdDBb一般一般B113.3取決于晶粒形狀和應(yīng)力取決于晶粒形狀和應(yīng)力狀態(tài)，一般狀態(tài)，一般B247擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散空位或者原子離子的體積擴(kuò)散空位或者原子離子的體積晶粒直徑晶粒直徑晶界寬度晶界寬度晶界擴(kuò)散系數(shù)晶界擴(kuò)散系數(shù)NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU 總的應(yīng)變速率是上面兩種機(jī)理導(dǎo)致的應(yīng)變速率之和?？偟膽?yīng)變速率是上面兩種機(jī)理導(dǎo)致的應(yīng)變速率之和。 晶界滑移晶界滑移 多晶陶瓷晶界是晶格點(diǎn)陣的畸變區(qū)，起著缺陷和能壘的作用，也是化學(xué)組成多晶陶瓷晶界是晶格點(diǎn)陣的畸變區(qū)，起著缺陷和能壘的作用，也是化學(xué)組成微不均勻帶，易

60、于富集雜質(zhì)，形成玻璃相或者微晶相。同時，晶界是應(yīng)力集微不均勻帶，易于富集雜質(zhì)，形成玻璃相或者微晶相。同時，晶界是應(yīng)力集中區(qū)，所以相鄰晶粒間的滑移是陶瓷高溫蠕變的一種重要微觀過程。中區(qū)，所以相鄰晶粒間的滑移是陶瓷高溫蠕變的一種重要微觀過程。 NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITYNPU10.3.1 影響陶瓷材料高溫蠕變的因素影響陶瓷材料高溫蠕變的因素 1 氣孔率氣孔率：氣孔率越高，蠕變速率越快。：氣孔率越高，蠕變速率越快。 13/2)1 (P2 晶粒尺寸晶粒尺寸：晶粒尺寸越大，位錯運(yùn)動引起變形，蠕變速：晶粒尺寸越大，位錯運(yùn)動引起變形，蠕變速率小。晶粒尺寸小，晶