先進陶瓷材料第四講 結構陶瓷材料(III)-陶瓷材料物理性能

1、先進陶瓷材料中國海洋大學材料科學與工程研究院 第四講 結構陶瓷材料(III)陶瓷材料物理性能陶瓷材料物理性能陶瓷材料物理性能陶瓷材料力學性能陶瓷材料的塑性變形及蠕變陶瓷材料的熱學性質陶瓷材料力學性能 彈性性能 硬度 強度 斷裂韌性陶瓷材料的力學性能陶瓷材料的彈性性能彈性及彈性模量材料變形 線應變（正應變） FFllbb縱向應變橫向應變泊松比正應力單位截面積上的力陶瓷材料的力學性能切應變 體積應變 虎克定律正應力與正應變成正比E: 彈性模量（GPa）(楊氏模量)切應力與切應變成正比G: 剪切模量（GPa）陶瓷材料的力學性能壓縮應力與體積應變成正比K:體積彈性模量其中：E、G、K、均稱為材料的彈性

2、參數金屬材料低的彈性模量 高韌性、可塑性、可加工性、抗熱震性陶瓷材料高彈性模量 高強度、高硬度、耐磨性、耐蝕性陶瓷材料的力學性能金屬材料彈性模量(GPa)陶瓷材料彈性模量(GPa)Fe211金剛石1000Al70Al2O3390Cu129Si3N4220320Zn100SiC450一些材料的彈性模量對比(E)陶瓷材料的力學性能 影響彈性模量的微觀機制 d0d0rF彈性區(qū)域彈性模量：原子間距的微小變化所需外力兩原子間距從d0離開或靠近時所需外力 d0處曲線的斜率陶瓷材料的力學性能彈性模量的影響因素溫度對彈性模量的影響溫度升高 d0dt曲線斜率減小彈性模量降低陶瓷材料 高溫下表現(xiàn)出塑性d0rFdt

3、陶瓷材料的力學性能彈性模量與熔點 熔點原子間結合力 熔點高結合力大彈性模量大 300K時彈性模量與熔點的關系： 物質的熔點原子或分子體積氧化物氮化物硼化物碳化物陶瓷材料的力學性能彈性模量與材料的密度 材料的密度是影響彈性模量的重要因素 材料密度氣孔率 彈性模量與氣孔率關系氣孔率為0時的彈性模量 f1、f2決定于氣孔形狀的常數 圓形氣孔： f1=1.9 f2=0.9氣孔率隨著氣孔率的增加，彈性模量急劇下降陶瓷材料的力學性能復合材料的彈性模量 彈性模量原子間結合力（原子種類、鍵型） 彈性模量對顯微結構不敏感 材料的組元作用顯著對于三明治型復合材料：E/E陶瓷材料的力學性能 兩相或多相復合材料 彈性

4、模量隨組分而變化兩相或多相復合材料可通過組分改變調節(jié) 彈性模量單晶體彈性模量各向異性陶瓷材料的力學性能陶瓷材料的硬度莫氏硬度（劃痕硬度）順序材料順序材料1滑石1滑石2石膏2石膏3方解石3方解石4螢石4螢石5磷灰石5磷灰石6正長石6正長石7石英7SiO2玻璃8黃玉8石英9剛玉9黃玉10金剛石10石榴石11熔融氧化鋯12剛玉13碳化硅14碳化硼15金剛石陶瓷材料的力學性能布氏硬度 F=303000kgFDd 布氏硬度單位： N/m2 一般用于較軟的金屬材料陶瓷材料的力學性能洛氏硬度(勞氏硬度) 硬度測試規(guī)程F120h規(guī)程基準載荷試驗載荷硬度表達式HRNKgACD90.07N(10kg)588.41

5、471980.760150100HR=100-h/215N30N45N29.42N(3kg)147.1294.2411.3153045HR=100-h陶瓷材料： HRA、HRC、HR45陶瓷材料的力學性能維氏硬度（常用方法） d136F HV：維氏硬度（MPa、GPa） F：載荷（N） d：壓痕對角線長度（mm）試驗中一般載荷為： 150kg 陶瓷材料的力學性能努普硬度 d HK：努普硬度（MPa、GPa） F：載荷（N） d：壓痕對角線長度（mm）試驗中一般載荷為： 0.24kg 陶瓷材料的力學性能顯微硬度 在微觀下測量材料的硬度 維氏顯微硬度 努普顯微硬度 原理和公式同上 試驗在專門的顯微

6、硬度計上進行 載荷50100g 可用于用于材料組織中的不同相及不同晶粒的硬度測定陶瓷材料的力學性能高溫硬度 高溫下測量 維氏硬度、顯微硬度應該注意的幾個問題 硬度是表征材料變形抗力的一個參數 用不同方法測量的硬度值彼此沒確定的換算關系 材料研究中，不同形式的硬度無可比性陶瓷材料的力學性能陶瓷材料的強度材料的強度f ：斷裂強度b ：強度極限s 、 0.2 ：屈服強度塑性材料： b ：強度極限 s ：屈服強度陶瓷材料(脆性材料)： 只有一個斷裂強度fb0.2bs0.2陶瓷材料的力學性能理論斷裂強度與Griffith理論理論強度 理論強度取決于原子間的結合力a0aa0+r0 tha0：原子間距； r

7、0 ：原子間距增加量r0 0.14a0 th （0.10.2）E材料E/GPa th /GPaSiO27316Al2O346046Si18832金剛石1210205陶瓷材料的力學性能Grifiith理論 實際材料的強度理論強度（兩個數量級） 認為：微裂紋的擴展材料整體斷裂 應力做功裂紋擴展 應力的功=新生表面的表面能 同時考慮裂紋幾何形狀的影響得到：2c幾何形狀因子泊松比表面能陶瓷材料的力學性能彎曲強度試樣： 尺寸 LTbh=(3640) 43mm3 b=40.1mm h=30.1mm 受拉面：粗糙度 0.8 倒角：r=0.10.3mm c=0.10.3mm強度測試試驗方法LTbhrc45陶瓷

8、材料的力學性能測試試驗 三點彎曲： L=300.5mm R1=23mm 加載速率 （夾頭位移速度）： 0.5mm/min 強度計算：FL/2L/2R1R1F：NL、b、h：mmf：MPa陶瓷材料的力學性能四點彎曲： L=300.5mm l =100.5mm a=100.5mm R1=23mm R2=0.53m 加載速率：0.5mm/min強度計算：FaalLR1R1陶瓷材料的力學性能影響強度的因素影響強度的組織因素氣孔率 p：氣孔率 0：p = 0 時的強度 ：常數（47）晶粒尺寸 fd -1/2 (目前沒有確切的關系式、有待研究） 細晶有利于強度的提高陶瓷材料的力學性能晶界相的性質和厚度、晶

9、粒形狀 晶界玻璃相不利于強度提高 單相多晶體陶瓷： 均勻等軸晶粒強度提高 等軸晶粒與棒晶適當配比強度提高溫度對強度的影響 多數陶瓷材料的強度隨溫度升高而降低 AlN、SiC等極少數陶瓷材料強度隨溫度的升高略有升高陶瓷材料的力學性能陶瓷材料的斷裂韌性 陶瓷材料室溫下幾乎無塑性變形 斷裂方式脆性斷裂 對裂紋敏感的材料 斷裂行為線彈性斷裂力學描述 陶瓷材料韌性評價參數斷裂韌性陶瓷材料的力學性能裂紋擴展方式 三種類型：掰開型（I型）錯開型（II型）撕開型（III型）掰開型擴展低應力斷裂的主要原因也是主要研究對象陶瓷材料的力學性能對與脆性材料斷裂強度與裂紋尺寸有關如圖實驗結果ccc 其中K為與材料、試件

10、尺寸、形狀和受力狀態(tài)等有關 的常數上式說明： 當 =c 或 K=cc 1/2時，斷裂立即發(fā)生 斷裂應力受現(xiàn)有裂紋長度制約陶瓷材料的力學性能裂紋尖端的應力場分析 I 型裂紋尖端應力yxzryyxxxyKI:與外加應力、裂紋長度c、裂紋種類和受力狀態(tài)有關的系數，稱為應力場強度因子應力場裂紋2c陶瓷材料的力學性能裂紋尖端附近的任一點：當r c， = 0時可得到：應力場裂紋2cryy y是裂紋擴展的主要動力陶瓷材料的力學性能應力場強度因子及幾何形狀因子 由Griffith理論yy KI：反映裂紋尖端應力場強度的強度因子 Y：幾何形狀因子，與裂紋型式、試件幾何形狀有關陶瓷材料的力學性能幾種情況下的Y值2

11、cccwSt無限大薄板中心穿透裂紋半無限大薄板邊緣穿透裂紋三點彎曲W/S=1/4陶瓷材料的力學性能臨界應力場強度因子及斷裂韌性 經典強度理論： 經典強度理論沒有考慮到裂紋的影響 建立一個新的表征材料特征的臨界值： 臨界應力場強度因子斷裂韌性KIc：反映材料斷裂性能的參數斷裂韌性陶瓷材料的力學性能斷裂韌性的測試方法單邊切口梁法(SENB-single edge notched beam) 試樣： 3064mm3 c/w = 0.40.6 w/s = 1/4 B1/2W 加載速率：0.05mm/min cwSBP陶瓷材料的力學性能雙扭法試樣：22430 22440(mm3)加載速率：0.05mm/

12、minWdPWmdn陶瓷材料的力學性能努普壓痕三點彎曲梁法a2cMe與Q取決于a和c;可由相關的數據表查得KI一定時 a直線關系多組試樣數據，擬合直線由其斜率求得KIC 陶瓷材料的力學性能山形切口梁法=601a0W=1.5BBS=4WP陶瓷材料塑性變形及蠕變陶瓷材料的塑性變形及蠕變陶瓷材料的塑性變形塑性變形理論 塑性變形一般規(guī)律 多數陶瓷材料常溫下遵從圖示的變形特點 20世紀50年代 AgCl晶體冷軋變薄 MgO、KCl、KBr彎而不斷 LiF晶體，應力-應變類似 金屬fb0.2bs0.2陶瓷材料的塑性變形及蠕變 MgO、KCl、KBr的變形特點 陶瓷材料延性材料？ ZrO2塑性變形 四方向單

13、斜相 (相變塑性) 為什么陶瓷材料室溫下無塑性變形 塑性變形的機理陶瓷材料的塑性變形及蠕變 塑性變形機理晶格滑移塑性變形的方式滑移、攣晶滑移機制常見主要討論滑移陶瓷材料的塑性變形及蠕變晶體的滑移系統(tǒng) 主要滑移晶面和晶向特點 晶向指數小 原子密度大 柏氏矢量小主要滑移晶面和晶向構成晶體的滑移系統(tǒng)陶瓷材料滑移受力分析 陶瓷材料的塑性變形及蠕變在滑移方向上的分量(切應力) 當與在同一平面內時最小 在外力F作用下，在與N、F處于同一平面內的滑移方向上，切應力達到最大值，其它方向較小FNA陶瓷材料的塑性變形及蠕變滑移系統(tǒng)越多，達到臨界切應力的機會就越多金屬材料： 金屬鍵，滑移系統(tǒng)多表現(xiàn)出塑性 體心立方4

14、8種滑移系統(tǒng)單晶陶瓷材料： 離子鍵、共價鍵，滑移系統(tǒng)極少無塑性 結構越復雜，滑移系統(tǒng)少 所以，只有少數晶體（NaCl型）表現(xiàn)出塑性多晶陶瓷材料 受晶粒取向影響，更難滑移 當 0 （臨界切應力）時，將發(fā)生滑移 FNA陶瓷材料的塑性變形及蠕變塑性變形的位錯運動理論 在切應力作用下，韌位錯容易向右移動 H()位錯運動激活能 位錯運動速度： v0：與原子熱振動固有頻率有關的常數 k：波爾茲曼常數 T：絕對溫度hhH()勢能空位C2滑移面勢能勢能勢能有空位點陣正常點陣受切應力的有空位點陣陶瓷材料的塑性變形及蠕變 公式分析：（1）室溫下，無外力 kT=0.026eV h：eV；無機材料，1eV 室溫下無機

15、材料位錯運動非常困難（2）位錯運動只能沿滑移面 切應力分量減小h H() 無機材料的滑移系統(tǒng)只有幾個，往往 很?。?）溫度升高位錯運動速度加快 所以高溫下陶瓷材料表現(xiàn)出塑性變形位錯運動理論說明：陶瓷材料中產生位錯運動是困難的，當滑移面上的切應力分量尚未使位錯以足夠的速度運動時，材料中的應力已超過微裂紋擴展所需的臨界應力而使材料發(fā)生脆斷陶瓷材料的塑性變形及蠕變 陶瓷超塑性 超塑性 具有細晶粒組織的金屬或合金，在適當的溫度和應變速率（慢速）下，呈現(xiàn)出異常高的塑性性變形率超塑性 在適當的組織及變形條件下，陶瓷材料也可以獲得超塑性陶瓷材料的塑性變形及蠕變 超塑性陶瓷 相變超塑性： 靠陶瓷在承載時溫度循

16、環(huán)產生的相變使材 料獲得超塑性 組織超塑性： 靠特定的組織在恒定應變速率下獲得超塑性 典型的組織超塑性 晶粒細化超塑性 （ 陶瓷細晶超塑性） 陶瓷細晶超塑性機制： 晶界滑移（變形時晶粒的形狀幾乎不變） 陶瓷材料的塑性變形及蠕變 在恒定的應變速率下所需的應力流變應力金屬超塑性與陶瓷細晶粒超塑性對比應變速率晶粒尺寸晶粒尺寸指數流變應力和應力指數超塑性能金屬陶瓷最大延伸率5500%（Al-Bronze, 1985）1038%(TZP with glass)臨界晶粒尺寸10mE當Td時，Cv3Nk杜隆-珀蒂定律低溫，當T573K） 多相復合材料 元素i 的重量百分數元素i 的比熱容陶瓷材料的熱學性質陶

17、瓷材料的熱膨脹膨脹系數 陶瓷材料的熱膨脹通常用線膨脹系數和體膨脹系數描述 在有限的溫度范圍內常采用平均值 陶瓷材料的熱學性質常用材料的膨脹系數材料膨脹系數(0-1000C)(10-6/ C)材料膨脹系數(0-1000C)(10-6/ C)Al2O38.8Si3N4(熱壓燒結)2.6MgO13.5-Sialon3莫來石5.3AlN4.5尖晶石7.6BN2.7TiC7.4ZrO210.8SiC(常壓燒結)4.8熔融SiO2玻璃0.5Si3N4(反應燒結)3.2普通玻璃9.0Si3N4(常壓燒結)3.4堇青石2.5陶瓷材料的熱學性質熱膨脹系數的影響因素熱膨脹系數與熔點的關系 膨脹系數結合能鍵能 熔點

18、結合強度的表征 熔點高膨脹系數小金屬：離子晶體：陶瓷材料的熱學性質熱膨脹系數與摩爾熱容的關系 熱膨脹 點陣振動引起的體積變化熱容 材料所含內能的增加熱膨脹系數熱容 溫度影響的等效性（低溫：T3，Td：常數）實際上： Td時，膨脹系數持續(xù)上升。弗侖科爾、肖特基缺陷所致陶瓷材料的熱學性質熱膨脹系數與鍵型、晶體結構的關系 熱膨脹系數原子的熱振動 金屬、離子鍵陶瓷 緊密堆積 原子振動累積 膨脹系數大 共價鍵陶瓷 空隙，鍵角 吸收振動 膨脹系數小陶瓷材料的熱學性質玻璃的熱膨脹 玻璃的膨脹性質 網絡結構 添加劑種類 熱歷史 玻璃過冷液體 結構亞穩(wěn)態(tài) 升溫結構重排陶瓷材料的熱學性質陶瓷材料的熱導率陶瓷（固體）材料的熱傳導 傅立葉定律：t1t2q 熱導率 單位溫度梯度下，單位時間內通過單位垂直面積的熱量（W/m2.K）陶瓷材料的熱學性質陶瓷材料熱傳導的微觀機制 熱量傳遞 對流傳熱 流體的對流 輻射轉熱 熱射線（波） 熱傳導 固體熱傳導：晶格振動格波（陶瓷材料） 自由電子運動 （金屬材料）氣體、液體 分子運動、碰撞固體 ？陶瓷材料的熱學性質陶瓷材料的熱學性質 格波聲頻支光頻支聲子和聲子導熱（低溫下）