第十章 陶瓷材料的力學(xué)性能

第十章陶瓷材料的力學(xué)性能§10.1陶瓷材料的概述§10.2陶瓷材料的變形與斷裂§10.3陶瓷材料的強(qiáng)度§10.4陶瓷材料的斷裂韌度與增韌§10.5陶瓷材料的其他性能§10.1陶瓷材料的概述陶瓷材料是與金屬材料、高分子材料并列的三大固體材料之一。其間的主要區(qū)別在于化學(xué)鍵不同。一、陶瓷材料的特點(diǎn)

（1）陶瓷材料的相組成特點(diǎn)晶相--------1玻璃相----2氣相-------32晶相是陶瓷材料中主要的組成相，決定陶瓷材料物理化學(xué)性質(zhì)的主要是晶相。玻璃相的作用是充填晶粒間隙、粘結(jié)晶粒、提高材料致密度、降低燒結(jié)溫度和抑制晶粒長(zhǎng)大。氣相是在工藝過程中形成并保留下來的。三部分組成示意圖3（2）陶瓷材料的結(jié)合鍵特點(diǎn)陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其結(jié)合鍵以離子鍵(如Al2O3)、共價(jià)鍵(如Si3N4)及兩者的混合鍵為主。共價(jià)鍵離子鍵4（3）陶瓷材料的性能特點(diǎn)---最顯著的特點(diǎn)：硬而脆陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高化學(xué)穩(wěn)定性，耐高溫、耐氧化、耐腐蝕等特性。陶瓷材料還具有密度小、彈性模量大、耐磨損、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。功能陶瓷還具有電、光、磁等特殊性能。韌性陶瓷硬度壓痕脆性陶瓷硬度壓痕周圍的裂紋5（4）陶瓷材料的工藝特點(diǎn)陶瓷具有硬度高、脆性大的特點(diǎn)，大部分陶瓷是通過粉體成型和高溫?zé)Y(jié)來成形的，因此陶瓷是燒結(jié)體。燒結(jié)體也是固相反應(yīng)形成晶粒的聚集體，有晶粒和晶界，所存在的問題是其存在一定的氣孔率。Al2O3粉末的燒結(jié)組織ZrO2陶瓷中的氣孔6二、陶瓷材料的分類（1）按化學(xué)成分分類

可將陶瓷材料分為氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。導(dǎo)電玻璃玻璃幕墻72、按使用的原材料分類可將陶瓷材料分為普通陶瓷和特種陶瓷。普通陶瓷以天然的巖石、礦石、

黏土等材料作原料。特種陶瓷采用人工合成的材料

作原料。3、按性能和用途分類可將其分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩類。陶瓷零件8三、常用的工程陶瓷

工程陶瓷的生產(chǎn)過程：原料制備、坯料成形和制品燒成或燒結(jié)。①原料制備

將礦物原料經(jīng)揀選、粉粹后配料、混合、磨細(xì)等得到坯料。②坯料成形

將坯料加工成一定形狀和尺寸并有必要機(jī)械強(qiáng)度和致密度的半成品。包括可塑成形（如傳統(tǒng)陶瓷），注漿成形（如形狀復(fù)雜、精度要求高的普通陶瓷）和壓制成形（如特種陶瓷和金屬陶瓷）③干燥后的坯料加熱到高溫，進(jìn)行一系列的物理、化學(xué)變化而成瓷的過程。燒成是使坯件瓷化的工藝（1250℃～1450℃）；燒結(jié)是指燒成的制品氣孔率極低、而致密度很高的瓷化過程。

91、普通陶瓷

普通陶瓷是用粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、長(zhǎng)石(K2O·Al2O3·6SiO2，Na2O·Al2O3·6SiO2)和石英(SiO2)為原料，經(jīng)成型、燒結(jié)而成的陶瓷。其組織中主晶相為莫來石(3Al2O3·2SiO2)，占25~30%，玻璃相占35~60%，氣相占1~3%。普通陶瓷加工成型性好，成本低，產(chǎn)量大。除日用陶瓷、瓷器外，大量用于電器、化工、建筑、紡織等工業(yè)部門。絕緣子景德鎮(zhèn)陶瓷102、新型結(jié)構(gòu)陶瓷⑴

氧化鋁陶瓷

氧化鋁陶瓷以Al2O3為主要成分,含有少量SiO2的陶瓷，又稱高鋁陶瓷。單相Al2O3陶瓷組織Al2O3化工、耐磨陶瓷配件Al2O3密封、氣動(dòng)陶瓷配件11根據(jù)Al2O3含量不同分為75瓷(含75%Al2O3，又稱剛玉-莫來石瓷)、95瓷和99瓷，后兩者又稱剛玉瓷。氧化鋁陶瓷耐高溫性能好，可使用到1950℃,。具有良好的電絕緣性能及耐磨性。微晶剛玉的硬度極高(僅次于金剛石).95瓷紡織件99瓷紡織件氧化鋁耐高溫噴嘴12氧化鋁陶瓷被廣泛用作耐火材料，如耐火磚、坩堝、熱偶套管，淬火鋼的切削刀具、金屬拔絲模，內(nèi)燃機(jī)的火花塞，火箭、導(dǎo)彈的導(dǎo)流罩及軸承等。氧化鋁陶瓷轉(zhuǎn)心球閥氧化鋁陶瓷密封環(huán)氧化鋁陶瓷坩堝13⑵氮化硅（Si3N4）陶瓷氮化硅是由Si3N4四面體組成的共價(jià)鍵固體。①氮化硅的制備與燒結(jié)工藝工業(yè)硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4二氧化硅還原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO燒結(jié)工藝優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)反應(yīng)燒結(jié)燒結(jié)時(shí)幾乎沒有收縮，能得到復(fù)雜的形狀密度低，強(qiáng)度低，耐蝕性差熱壓燒結(jié)用較少的助劑就能致密化，強(qiáng)度、耐蝕性最好只能制造簡(jiǎn)單形狀，燒結(jié)助劑使高溫強(qiáng)度降低14②性能特點(diǎn)及應(yīng)用氮化硅的強(qiáng)度、比強(qiáng)度、比模量高；硬度僅次于金剛石、碳化硼等；摩擦系數(shù)僅為0.1~0.2；熱膨脹系數(shù)??；抗熱震性大大高于其他陶瓷材料；化學(xué)穩(wěn)定性高。熱壓燒結(jié)氮化硅用于形狀簡(jiǎn)單、精度要求不高的零件，如切削刀具、高溫軸承等。Si3N4軸承15

反應(yīng)燒結(jié)氮化硅用于形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的零件，如轉(zhuǎn)子、機(jī)械密封環(huán)等。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片氣閥等零件16（3）碳化硅（SiC）陶瓷碳化硅是通過鍵能很高的共價(jià)鍵結(jié)合的晶體。碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加熱至高溫還原而成：SiO2+3C→SiC+2CO。碳化硅的燒結(jié)工藝也有熱壓和反應(yīng)燒結(jié)兩種。由于碳化硅表面有一層薄氧化膜，因此很難燒結(jié)，需添加燒結(jié)助劑促進(jìn)燒結(jié)，常加的助劑有硼、碳、鋁等。常壓燒結(jié)碳化硅17碳化硅的最大特點(diǎn)是高溫強(qiáng)度高，有很好的耐磨損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳導(dǎo)能力很強(qiáng)，僅次于氧化鈹陶瓷。SiC密封件SiC緊固件18碳化硅陶瓷用于制造火箭噴嘴、澆注金屬的喉管、熱電偶套管爐管、燃?xì)廨啓C(jī)葉片及軸承，泵的密封圈、拉絲成型模具等。19⑷氧化鋯陶瓷氧化鋯的晶型轉(zhuǎn)變：立方相?四方相?單斜相。四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕喾浅Ｑ杆?，引起很大的體積變化，易使制品開裂。ZrO2氧化鋯單相陶瓷20在氧化鋯中加入某些氧化物能形成穩(wěn)定立方固溶體，不再發(fā)生相變，具有這種結(jié)構(gòu)的氧化鋯稱為完全穩(wěn)定氧化鋯(FSZ)，其力學(xué)性能低，抗熱沖擊性差。減少加入的氧化物數(shù)量，使部分氧化物以四方相的形式存在。由于這種材料只使一部分氧化鋯穩(wěn)定，所以稱部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)。

氧化鋯中四方相向單斜相的轉(zhuǎn)變可通過應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生。當(dāng)受到外力作用時(shí)，這種相變將吸收能量而使裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)松弛，增加裂紋擴(kuò)展阻力，從而大幅度提高陶瓷材料的韌性。部分穩(wěn)定氧化鋯的導(dǎo)熱率低，絕熱性好；熱膨脹系數(shù)大，接近于發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的金屬，抗彎強(qiáng)度與斷裂韌性高，除在常溫下使用外，已成為絕熱柴油機(jī)的主要侯選材料，如發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)襯、推桿、活塞帽、閥座、凸輪、軸承等。21氧化鋯油泵氧化鋯柱塞氧化鋯拉線輪氧化鋯球閥部分穩(wěn)定氧化鋯噴涂層增韌氧化鋯導(dǎo)輪芯軸氧化鋯制品實(shí)例22§10.2陶瓷材料的變形與斷裂一、彈性變形特點(diǎn)：1）彈性模量大；

2）成型與燒結(jié)工藝對(duì)彈性模量影響大；

3）壓縮彈性模量高于拉伸彈性模量。23二、塑性變形

室溫下，絕大多數(shù)陶瓷材料塑性變形極小。1000℃以上，大多數(shù)陶瓷材料可發(fā)生塑性變形（主滑移系運(yùn)動(dòng)）。陶瓷的高溫超塑性

是微晶超塑性------晶界滑動(dòng)，晶界液相流動(dòng)。

存在條件：超細(xì)等軸晶，第二相彌散分布，晶粒間存在液相或無定形相。

如含化學(xué)共沉淀法制備的含Y2O3的ZrO2粉體，在1250℃燒結(jié)后，3.5×10-2S-1應(yīng)變速率ε=400%。

利用陶瓷的超塑性，可以對(duì)陶瓷進(jìn)行超塑加工。超塑加工＋擴(kuò)散焊接：新的復(fù)合加工方法。24三、斷裂陶瓷材料斷裂過程都是以其內(nèi)部或表面存在的缺陷為起點(diǎn)而發(fā)生。晶粒和氣孔尺寸在決定陶瓷材料強(qiáng)度方面與裂紋尺寸有等效作用。陶瓷材料斷裂概率按韋伯分布函數(shù)考慮：用韋伯模數(shù)m度量強(qiáng)度均勻性。m值大，材料強(qiáng)度分布窄，分散性小。優(yōu)質(zhì)工程陶瓷m為10.主要斷裂機(jī)理：解理（穿晶解理→沿晶斷裂）。25§10.3陶瓷材料的強(qiáng)度一、抗彎強(qiáng)度采用三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法（實(shí)用）。

σf,4<σf,3m越小其差值愈大。二、抗拉強(qiáng)度常用抗彎強(qiáng)度代替，抗彎強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度高20%－40%。三、抗壓強(qiáng)度拉伸時(shí)，陶瓷材料中的缺陷作為裂紋源快速擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂；壓縮時(shí)，裂紋緩慢擴(kuò)展并相互連接，最終導(dǎo)致壓碎。26表10-4某些材料的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度材料抗拉強(qiáng)度/Mpa抗壓強(qiáng)度/Mpa抗拉強(qiáng)度/抗壓強(qiáng)度鑄鐵FC10100-150400-6001/4化工陶瓷30－40250－4001/8.3-1/10多鋁紅柱石12513501/10.8燒結(jié)B4C30030001/1027§10.4陶瓷材料的斷裂韌度與增韌一、陶瓷材料的斷裂韌度測(cè)定陶瓷材料斷裂韌度的方法：?jiǎn)芜吳锌诹悍?，山形切口法，壓痕法，雙扭法，雙懸臂梁法。名稱優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用條件單邊切口梁法數(shù)據(jù)分散性小，重現(xiàn)性好，試樣加工測(cè)定簡(jiǎn)單所測(cè)KIC值受切口寬度影響大高溫和各種介質(zhì)條件山形切口法切口寬度對(duì)KIC影響小，測(cè)定值誤差小試樣加工困難，需專用夾具高溫和各種介質(zhì)條件壓痕法測(cè)試方便，可用很小試樣進(jìn)行多點(diǎn)韌度測(cè)試表面質(zhì)量、加載速率、載荷時(shí)間、卸載后測(cè)量時(shí)間對(duì)裂紋長(zhǎng)度有影響，KIC誤差大用于對(duì)韌度相對(duì)評(píng)價(jià)，壓頭下部材料在加載過程中無相變或體積致密化；壓痕表面無碎裂28二、陶瓷材料的增韌陶瓷材料強(qiáng)度提高，斷裂韌度值增大，因此陶瓷材料的增韌常與增強(qiáng)相聯(lián)系。陶瓷增韌途徑：（除纖維、納米顆粒等制備陶瓷基復(fù)合材料外）1）改善陶瓷顯微結(jié)構(gòu)a.使材料達(dá)到細(xì)、密、勻、純b.晶粒長(zhǎng)寬比增大，KIC值增大。2）相變?cè)鲰g：受使用溫度限制（應(yīng)<800℃)3）微裂紋增韌主裂紋擴(kuò)展遇到微裂紋發(fā)生分叉轉(zhuǎn)向前進(jìn)，增加擴(kuò)展過程中的表面能；主裂紋尖端應(yīng)力集中被松弛，擴(kuò)展減慢。29一、硬度和耐磨性1、硬度工程陶瓷材料硬度高，常用洛氏硬度、維氏硬度或努氏硬度表示。測(cè)量維氏或努氏硬度時(shí)，表面須研拋至鏡面，表面粗糙度在0.1μm以下。2、耐磨性工程陶瓷材料耐磨性較高，重要的耐磨陶瓷材料包括：Al2O3、SiC、ZrO2、Si3N4等。

彈性接觸微小塑性區(qū)微裂紋§10.5陶瓷材料的其他性能30陶瓷材料的磨損機(jī)理：1）在滑動(dòng)摩擦條件下的磨損機(jī)理主要是以微斷裂方式導(dǎo)致的磨粒磨損。陶瓷與陶瓷材料配對(duì)的摩擦副粘著傾向?。?/p>

（金屬+陶瓷<金屬+金屬）2）在特定條件下可能形成摩擦化學(xué)磨損（特有磨損機(jī)理）。31二、疲勞陶瓷的疲勞包括靜態(tài)疲勞、動(dòng)態(tài)疲勞和循環(huán)疲勞。靜態(tài)疲勞是在靜載荷作用下，材料的承載能力隨時(shí)間延長(zhǎng)而下降產(chǎn)生的斷裂，對(duì)應(yīng)于金屬材料的應(yīng)力腐蝕和高溫蠕變斷裂。循環(huán)疲勞是陶瓷材料在循環(huán)載荷作用下所產(chǎn)生的低應(yīng)力斷裂。32當(dāng)外加應(yīng)力低于斷裂應(yīng)力時(shí)，陶瓷材料也可能出現(xiàn)亞臨界裂紋擴(kuò)展。其特點(diǎn)為：1）KI≤Kth區(qū)：裂紋不發(fā)生亞臨界擴(kuò)展；2）低速區(qū)（I區(qū)）

da/dt隨KI提高而增大3）中速區(qū)（Ⅱ區(qū)）

da/dt與KI無關(guān)4）高速區(qū)（Ⅲ區(qū)）

da/dt隨KI變化呈指數(shù)關(guān)系增大。工程陶瓷零件的使用壽命由裂紋低速擴(kuò)展區(qū)決定。33疲勞特性評(píng)價(jià)：1）陶瓷材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率和應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍符合Paris公式：

n值>10(金屬材料n在2~4）2）疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值ΔKth與斷裂韌度KIC之比較金屬大，一般為0.4－0.8，說明陶瓷更難產(chǎn)生疲勞裂紋。3）陶瓷材料在室溫及大氣中也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂，其應(yīng)力腐蝕門檻值KIscc與KIC之比較鋼低。4）陶瓷材料