第十章 陶瓷材料的力學性能

1/11/20231第十章陶瓷材料的力學性能1/11/20232陶瓷廣泛應用于我們的日常生活，如建筑材料、飲食餐具等以及國家戰(zhàn)略戰(zhàn)備設施，如武器裝備、航天領域上。傳統(tǒng)的陶瓷制品以天然粘土為原料，通過混料、成型、燒結而成，性能特點是強度低、脆性高。目前研究的陶瓷可以分為結構陶瓷和功能陶瓷。1/11/20233結構陶瓷主要利用的是材料的耐高溫、強度、硬度、韌性、耐磨性等結構性能，主要包括氧化物、非氧化物以及其兩者的復合系統(tǒng)，如氧化鋁、氧化鋯、碳化物、氮化物等材料。應用：磨料、磨具、刀具，紡織瓷件、軸承、噴嘴、人工關節(jié)以及航天材料（宇宙飛船的外保護裝置）等各個領域。1/11/20234功能陶瓷指具有優(yōu)異的物理性能、化學性能及生物學性能，如電、光、磁、熱、聲、化學、生物醫(yī)學，且各種功能之間可以相互轉換的陶瓷材料，應用主要取決于電絕緣性、半導體性、導電性、壓電性、鐵電性、磁性及生物適應性、化學吸附性等。1/11/20235工程陶瓷的定義：采用高純、超細的人工合成材料，精確控制化學組成，經(jīng)過特殊工藝加工而得到的結構精細、力學性能和熱學性質優(yōu)良的陶瓷材料。1/11/20236在金屬、聚合物因腐蝕和軟化而不能使用的服役條件下，工程陶瓷就顯示出了其性能的優(yōu)越性。航天飛機頂部、高溫燃燒室內壁溫度均大于1500℃，近年來美國已經(jīng)研制出可以承受2760℃的耐超高溫陶瓷材料，可用于新一代宇宙飛船及導彈上。核電站需要耐2000℃高溫的耐熱材料，但目前高溫耐熱合金的極限溫度僅為1100℃，能勝任上述服役條件的就只有高溫結構陶瓷。1/11/20237在發(fā)動機上使用高性能結構工程陶瓷材料，除具有優(yōu)良的耐磨損、耐腐蝕性能外，還可將發(fā)動機的耐溫能力從900℃提高到1200-1300℃，且無需冷卻系統(tǒng)，可使熱效率從30%提高到50%，發(fā)動機重量減輕20%，耗油量降低30%以上。國內天津新技術產(chǎn)業(yè)園合潤公司研制出了高性能碳化硅陶瓷密封件，其使用壽命比一般密封件長5到20倍，這對于替代進口、節(jié)約資源和保護環(huán)境等意義重大，具有較大的經(jīng)濟價值與社會效益。1/11/20238工程陶瓷的局限：塑性、韌性值比金屬低得多，對缺陷很敏感，強度可靠性較差，常用韋伯模數(shù)來表征其強度的均勻性。韋伯模數(shù)：韋伯，德數(shù)學家統(tǒng)計斷裂力學中Weibull概率分布的一個參數(shù)。在工程陶瓷上，韋伯模數(shù)多用于反映強度的離散性，用字母m表示。m值越高，離散性越小，但在壽命統(tǒng)計分析中也可用韋伯分布，這時m反映壽命的離散性，與強度分析中的韋伯的模數(shù)不完全一致。韋伯模數(shù)的確定，一般來說須做一組至少16條以上試樣的相同試驗才具有可信度。1/11/20239第一節(jié)陶瓷材料的結構一、陶瓷材料的組成與結合鍵負電性所體現(xiàn)的是一個原于吸住電子的能力，元素的負電性與其在周期表中的位置有關，大約當負電性差?X<0.4～0.5時，對形成固溶體有利，當?X增大時，則形成化合物的傾向增大。1/11/202310二、陶瓷材料的顯微結構如果玻璃相分布于主晶相界面，在高溫下陶瓷材料的強度下降，易于產(chǎn)生塑性變形。對陶瓷燒結體進行熱處理，使晶界玻璃相重結晶或進入晶相固溶體，可顯著提高陶瓷材料的高溫強度。1/11/202311腐蝕后微晶陶瓷的SEM圖像.(a)850℃、1h+900℃、1h，w(CaF2)=9%,(b)1h+900℃、1h，w(CaF2)=9%(a)(b)1/11/202312第二節(jié)陶瓷材料的變形與斷裂一、陶瓷材料的彈性變形1/11/202313陶瓷與金屬相比，其彈性變形具有如下特點：1）彈性模量大共價鍵具有方向性，使晶體具有較高的抗晶格畸變、阻礙位錯運動的能力。離子鍵晶體結構的鍵方向不明顯，但滑移系受原子密排方向的限制，還受靜電作用力的限制，其實際可動滑移系較少。另外，陶瓷為多元化合物，晶體結構復雜，點陣常數(shù)較金屬晶體大，所以彈性模量較高。1/11/2023142）彈性模量不僅與結合鍵有關，還與組成相的種類、分布比例及氣孔率有關。3）一般陶瓷材料的壓縮彈性模量高于拉伸彈性模量。1/11/202315二、陶瓷材料的塑性變形近年的研究表明陶瓷材料在高溫下可顯示出超塑性：（1）晶粒細?。ǔ叽缧∮谝晃⒚祝?）晶粒為等軸結構（3）第二相彌散分布，能有效抑制高溫下基體晶粒生長（4）晶粒間存在液相或無定形相1/11/202316典型的超塑性陶瓷材料：是用化學沉淀方法制備出來的含有Y2O3的ZrO2粉體，成型后于1250℃左右燒結，可獲得理論密度98%左右的燒結體。這種陶瓷在1250℃、3.5×10-2s-1應變速率下，最大應變量可達400%。陶瓷的超塑性是微晶超塑性，與晶界滑動或晶界液相流動有關，屬于擴散控制過程。1/11/202317三、陶瓷材料的斷裂陶瓷材料的斷裂過程都是以材料內部或表面存在的缺陷為起點發(fā)生的，晶粒和氣孔尺寸在決定陶瓷材料強度與裂紋尺寸方面具有等效作用。陶瓷材料斷裂概率以最弱環(huán)節(jié)理論為基礎，按韋伯分布函數(shù)考慮，韋伯分布函數(shù)表示材料斷裂概率的一般公式為：1/11/202318解理是陶瓷材料的主要斷裂機理，且很容易從穿晶解理轉變成沿晶斷裂。陶瓷材料的斷裂以各種缺陷為裂紋源，在一定拉伸應力作用下，從最薄弱環(huán)節(jié)處的微小裂紋擴展，當裂紋尺寸達到臨界值時陶瓷瞬間斷裂。1/11/202319第三節(jié)陶瓷材料的抗拉強度1/11/202320一、抗彎強度1/11/202321四點彎曲試驗的最大彎矩范圍較寬，其應力狀態(tài)接近實際零件的服役狀態(tài)，所以較為實用。由于四點彎曲試樣工作部分缺陷存在的概率較大，所以同一材料的四點抗彎強度比三點抗彎強度低。材料的韋伯常數(shù)越小，三點抗彎強度和四點抗彎強度的差值就越大。1/11/202322二、抗拉強度設計陶瓷零件時常用抗拉強度值作為判據(jù)；陶瓷材料由于脆性大，在拉伸試驗時易在夾持部位斷裂，另外，夾具與試樣軸心不一致產(chǎn)生附加彎矩，所以往往測不出陶瓷材料真正的抗拉強度。為保證陶瓷材料拉伸試驗的精確性，需要在試樣和夾頭設計方向做一些工作，例如：在平行夾頭中加橡膠墊固定薄片狀試樣，可以防止試樣在夾持部位斷裂，并利用試樣的彈性變形減少附加彎矩。1/11/2023231/11/202324三、抗壓強度1/11/202325第四節(jié)陶瓷材料的硬度與耐磨性一、陶瓷材料的硬度1/11/202326二、陶瓷材料的耐磨性（一）陶瓷材料的表面接觸特性與金屬相同，陶瓷表面也存在局部微凸起，其外側常有水蒸氣或碳氫化合物形成的表面層，而在內側則可能有變形層，這是陶瓷加工時形成的，陶瓷表面加工時還可能產(chǎn)生微裂紋或其它缺陷，所以陶瓷的表面狀況影響其摩擦磨損行為。陶瓷材料的摩擦副接觸受載時，真實接觸面積上的局部應力一般引起彈性變形。1/11/202327但是當陶瓷摩擦副相對滑動時，可以看到陶瓷摩擦表面有塑性流動跡象，在接觸點下方有微小塑性變形區(qū)。另外，由于陶瓷的高脆性，在接觸載荷不大時，即還未產(chǎn)生較大塑性變形，表面及亞表面就可能產(chǎn)生微裂紋。1/11/202328（二）陶瓷材料的摩擦磨損陶瓷材料的摩擦磨損學特性，與對摩件的種類和性能、摩擦條件、環(huán)境以及陶瓷材料自身的性能和表面狀態(tài)等因素有關。1/11/202329陶瓷與陶瓷材料配對的摩擦副，其粘著傾向很小；金屬與陶瓷的摩擦副比金屬配對的摩擦副粘著作用也小。陶瓷材料的這種優(yōu)良的耐磨性能，使其在要求極小磨損率的機件上得到了廣泛應用。由于陶瓷對環(huán)境介質和氣氛敏感，所以在特定條件下還可能形成摩擦化學磨損，這是陶瓷特有的磨損機理。這種磨損涉及表面、材料結構、熱力學與化學共同作用的摩擦化學問題。1/11/202330第五節(jié)陶瓷材料的斷裂韌度與增韌一、陶瓷材料的斷裂韌度1/11/2023311.單邊切口梁法（SingleEdgeNotchedBeam，又稱SENB法）1/11/202332優(yōu)點：(1)數(shù)據(jù)分散性好；(2)重現(xiàn)性好；(3)試樣加工和測定方法比較簡單，是目前廣泛采用的一種方法。SENB法適用于在高溫和各種介質條件下測定KIC缺點：測定的KIC值受切口寬度影響較大，切口寬度增加，KIC增大，誤差隨之增大。如果能將切口寬度控制在0.05~0.10mm以下，或在切口頂端預制一定長度的裂紋，可望提高KIC值的穩(wěn)定性。1/11/2023332.山形切口法（chevronNotch，又稱CN法）1/11/202334陶瓷是脆性材料，彎曲或拉伸加載時，裂紋一旦出現(xiàn)，極易產(chǎn)生失穩(wěn)斷裂。山形切口法中切口剩余部分為三角形，其頂點處存在應力集中現(xiàn)象，易在較低載荷下產(chǎn)生裂紋，所以不需要預制裂紋。當試驗參數(shù)合適時，這種方法能產(chǎn)生裂紋穩(wěn)定擴展，直至斷裂。山形切口法切口寬度對KIC值影響較小，測定值誤差也較小，也適用于高溫和在各種介質中測定KIC值，但是測試試樣加工較困難，且需要專用的夾具。1/11/2023353.壓痕法測試過程：用維氏或顯微硬度壓頭，壓入拋光的陶瓷試樣表面，在壓痕時對角線方向出現(xiàn)四條裂紋，測定裂紋長度，根據(jù)載荷與裂紋長度的關系，求出KIC值。1/11/202336壓痕法的優(yōu)點：測試方便，可以用很小的試樣進行多點韌度測試，但此法只對能產(chǎn)生良好壓痕裂紋的材料有效。壓痕法的缺點：由于裂紋的產(chǎn)生主要是殘余應力的作用，而殘余應力又是因為壓痕周圍塑性區(qū)與彈性基體不匹配引起的。因此，這種方法不允許壓頭下部材料在加載過程中產(chǎn)生相變或體積致密化現(xiàn)象，同時壓痕表面也不能有碎裂現(xiàn)象。1/11/202337二、陶瓷材料的增韌工程陶瓷材料的脆性大，應用受到限制，所以陶瓷材料的增韌一直是材料學界研究的熱點之一。通常金屬材料的強度提高，塑性往往下降，斷裂韌度也隨之降低。而陶瓷材料的強度與斷裂韌度的變化關系與金屬材料的相反，隨著陶瓷材料強度的提高，KIC值也隨之增大，所以陶瓷材料的增韌常常與增強聯(lián)系在一起。1/11/202338(1)改善陶瓷顯微結構陶瓷材料的增韌途徑：1/11/202339(2)相變增韌這是ZrO2陶瓷的典型增韌機理，通過四方相轉變成單斜相來實現(xiàn)。ZrO2陶瓷有三種晶型，從高溫冷至室溫時將發(fā)生如下轉變：1/11/202340例如：熱壓燒結含釔的四方氧化鋯多晶體，KIC值可達15.3MPa·m1/2；氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷，KIC值可達15MPa·m1/2；熱壓燒結Si3N4，其中ZrO2的含量為20-25vol%時，KIC值可提高到8.5MPa·m1/2。相變增韌受使用溫度的限制，當溫度超過800時，四方t-ZrO2由亞穩(wěn)態(tài)變成穩(wěn)定態(tài)，t-ZrO2

→m-ZrO2相變不再發(fā)生，所以相變增韌失去作用。1/11/202341(3)微裂紋增韌引起微裂紋的原因：①相變體積膨脹產(chǎn)生微裂紋；②由于溫度變化基體相與分散相之間熱膨脹系數(shù)不同引發(fā)微裂紋；③還可能是材料原來已經(jīng)存在的微裂紋。1/11/202342第六節(jié)陶瓷材料的疲勞一、陶瓷材料的疲勞類型陶瓷材料的疲勞，除在循環(huán)載荷作用下存在機械疲勞效應外，其含義要比金屬材料的要廣。靜態(tài)疲勞：在靜載荷作用下，陶瓷承載能力隨著時間延長而下降的斷裂現(xiàn)象；動態(tài)疲勞：恒加載速率下，陶瓷承載能力隨著時間延長而下降的斷裂現(xiàn)象。1/11/202343（一）靜態(tài)疲勞應力腐蝕定義：材料在拉應力和特定的化學介質共同作用下，經(jīng)過一段時間后所產(chǎn)生的低應力斷裂現(xiàn)象。產(chǎn)生的應力腐蝕后都會在沒有明顯預兆的情況下發(fā)生脆斷，會造成嚴重事故。1/11/202344（二）循環(huán)疲勞1987年，研究發(fā)現(xiàn)單相陶瓷、相變增韌陶瓷以及陶瓷基復合材料缺口試樣，在室溫循環(huán)壓縮載荷作用下也有疲勞裂紋萌生和擴展現(xiàn)象。圖10-13是多晶氧化鋁（晶粒尺寸10微米）在室溫空氣環(huán)境對稱循環(huán)加載（f=5Hz）及在靜載下的裂紋擴展特征。1/11/202345二、陶瓷材料的疲勞特性評價一般來講，金屬隨著屈服強度增大，△Kth下降不多，但KIC值顯著降低，所以△Kth/KIC值增大。這表明隨材料屈服強度增加，其疲勞裂紋難以萌生，陶瓷材料的△Kth/KIC值比金屬大得多，說明陶瓷更難產(chǎn)生疲勞裂紋。陶瓷材料在室溫及大氣中也會產(chǎn)生應力腐蝕斷裂，其應力腐蝕門檻值KISCC與KIC的比值較鋼低，陶瓷材料的KISCC/KIC值比△Kth/KIC值大，所以陶瓷材料的應力腐蝕開裂比疲勞更難產(chǎn)生。KISCC：應力腐蝕門檻值，應力腐蝕臨界應力場強度因子，是指試樣在特定化學介質中不發(fā)生應力腐蝕斷裂的最大應力場強度因子。1/11/202346第七節(jié)陶瓷材料的抗熱震性熱震破壞分為兩類：1.熱震斷裂：熱震引起的突然斷裂；2.熱震損傷：熱沖擊循環(huán)作用下，材料先出現(xiàn)列裂，隨后裂紋擴展，導致材料強度降低，最終整體破壞。1/11/202347在各種熱環(huán)境下引起的熱應力，以及與之相應的應力強度因子是熱震破壞的原因，當材料固有的強度不足以抵抗熱震溫差引起的熱應力時，將導致材料瞬時熱震斷裂。