陶瓷力學(xué)性能

1、陶瓷材料概論陶瓷材料概論- -何賢昶何賢昶 陶瓷材料基礎(chǔ)陶瓷材料基礎(chǔ) 授課教師：李授課教師：李 飛飛 聯(lián)系電話：聯(lián)系電話電子郵件：電子郵件： 2011年年11月月18日日 n陶瓷制備陶瓷制備 n工程結(jié)構(gòu)陶瓷工程結(jié)構(gòu)陶瓷 n陶瓷陶瓷力學(xué)性能力學(xué)性能 n陶瓷陶瓷熱性能熱性能 n陶瓷光學(xué)性能陶瓷光學(xué)性能 授課內(nèi)容授課內(nèi)容 n陶瓷制備陶瓷制備 n工程結(jié)構(gòu)陶瓷工程結(jié)構(gòu)陶瓷 n陶瓷陶瓷力學(xué)性能力學(xué)性能 n陶瓷陶瓷熱性能熱性能 n陶瓷光學(xué)性能陶瓷光學(xué)性能 授課內(nèi)容授課內(nèi)容 參考書目參考書目 n金志浩等，工程陶瓷材料金志浩等，工程陶瓷材料. 西交大出版社，西交大出版社，2000。 n

2、斯溫著，郭景坤等譯斯溫著，郭景坤等譯. 陶瓷的結(jié)構(gòu)和性能陶瓷的結(jié)構(gòu)和性能. 科學(xué)出版社，科學(xué)出版社， 1998。 n王永齡王永齡. 功能陶瓷性能與應(yīng)用功能陶瓷性能與應(yīng)用. 北京：科學(xué)出版社，北京：科學(xué)出版社，2003 。 n高瑞平等著高瑞平等著. 先進(jìn)陶瓷物理與化學(xué)原理及技術(shù)先進(jìn)陶瓷物理與化學(xué)原理及技術(shù). 科學(xué)出版社，科學(xué)出版社， 2001。 n周玉周玉. 陶瓷材料學(xué)陶瓷材料學(xué). 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1995。 nW.D.金格瑞，清華大學(xué)無機(jī)非金屬材料教研室譯金格瑞，清華大學(xué)無機(jī)非金屬材料教研室譯. 陶瓷導(dǎo)論陶瓷導(dǎo)論.中國中國 建筑工業(yè)出版社，建筑工業(yè)出版社，1982。

3、 n劉維良、喻佑華劉維良、喻佑華.先進(jìn)陶瓷工藝學(xué)先進(jìn)陶瓷工藝學(xué).武漢理工大學(xué)出版社，武漢理工大學(xué)出版社，2004。 nM.Barsoum著著. Fundamentals of Ceramics. The Mc Graw-Hill companies, Inc. 1997。 概概 述述 n材料力學(xué)性能材料力學(xué)性能 研究材料在外力作用下發(fā)生研究材料在外力作用下發(fā)生彈性彈性或或塑性形變塑性形變、材料、材料抵抵 抗形變抗形變的能力和材料的能力和材料失效失效或或被破壞被破壞的規(guī)律。的規(guī)律。 離子鍵離子鍵 共價鍵共價鍵 混合鍵混合鍵 脆性大、塑性差、不易加工、熱震 差、強(qiáng)度分散 硬度高、耐磨損、耐高溫、耐

4、腐蝕優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 裂紋易擴(kuò)展裂紋易擴(kuò)展應(yīng)力集中應(yīng)力集中-陶瓷材料突然斷裂陶瓷材料突然斷裂 陶瓷材料力學(xué)性能主要致力于：陶瓷材料力學(xué)性能主要致力于： 改善材料的韌性、強(qiáng)度（尤其是高溫改善材料的韌性、強(qiáng)度（尤其是高溫 強(qiáng)度）。強(qiáng)度）。 在很長一段時間，陶瓷材料的力學(xué)性能是人們在很長一段時間，陶瓷材料的力學(xué)性能是人們 最為關(guān)注和研究最多的物理性能。最為關(guān)注和研究最多的物理性能。 概概 述述 第一第一節(jié)節(jié) 陶瓷彈性性能陶瓷彈性性能 什么是彈性變形什么是彈性變形？ 材料受外力作用后原子偏離其平衡位置和產(chǎn)生很小變形材料受外力作用后原子偏離其平衡位置和產(chǎn)生很小變形 的過程，當(dāng)外力被撤除后，原子又能恢復(fù)

5、原狀，這種現(xiàn)的過程，當(dāng)外力被撤除后，原子又能恢復(fù)原狀，這種現(xiàn) 象叫作彈性變形。象叫作彈性變形。 =E胡克定律胡克定律： E為材料常數(shù)，稱為楊氏模量或彈性模量（拉伸變形）為材料常數(shù)，稱為楊氏模量或彈性模量（拉伸變形） =G G為材料常數(shù)，稱為剪切模量為材料常數(shù)，稱為剪切模量 =K v 壓縮應(yīng)力壓縮應(yīng)力與體積應(yīng)變與體積應(yīng)變v的關(guān)系系數(shù)的關(guān)系系數(shù)K為壓縮模量為壓縮模量 n剪切模量、壓縮模量與拉伸模量的關(guān)系剪切模量、壓縮模量與拉伸模量的關(guān)系 G=E/2（1+） K=E/3（1-） 為泊松比為泊松比 楊氏模量的大小依次是碳化物、氮化物和氧化物 陶瓷的化學(xué)鍵決定了其楊氏模量高于金屬材料，約陶瓷的化學(xué)鍵決定

6、了其楊氏模量高于金屬材料，約1010倍的差倍的差 距，此外，陶瓷的壓縮模量比拉升模量高。距，此外，陶瓷的壓縮模量比拉升模量高。 n陶瓷與金屬的比較陶瓷與金屬的比較 陶瓷的特性陶瓷的特性- -本征脆本征脆 性性 n陶瓷彈性變形的本質(zhì)陶瓷彈性變形的本質(zhì) 實(shí)際上是在外力的作用下原子間距由平衡位產(chǎn)生很小位實(shí)際上是在外力的作用下原子間距由平衡位產(chǎn)生很小位 移的結(jié)果。這個原子間微小的位移所允許的臨界值很小，移的結(jié)果。這個原子間微小的位移所允許的臨界值很小， 超過此值，就會產(chǎn)生化學(xué)鍵的斷裂（室溫下的陶瓷）或超過此值，就會產(chǎn)生化學(xué)鍵的斷裂（室溫下的陶瓷）或 產(chǎn)生原子面滑移塑性變形（高溫下的陶瓷）。彈性模量產(chǎn)生

7、原子面滑移塑性變形（高溫下的陶瓷）。彈性模量 反應(yīng)的是原子間距的微小變化所需外力的大小。反應(yīng)的是原子間距的微小變化所需外力的大小。 固體中兩原子間的引力與斥力曲線固體中兩原子間的引力與斥力曲線 （Condon Moase 曲線）曲線） 兩原子間的平衡距離為d，彈性模量即是兩原子間 從d0離開或靠近時所需要的外力，即d0處曲線的 斜率。盡管原子間所允許的彈性位移范圍很小，但 所需的外力卻很大。即彈性模量對原子間距的彈性 變化敏感，所以彈性模量要比塑性變形加工硬化指 數(shù)高得多。物體的彈性變形對應(yīng)于原子間距的均勻 變化，因此彈性變形所需的外力與原子間結(jié)合能量 有關(guān)，即影響彈性模量的重要因素是原子間結(jié)

8、合力， 即化學(xué)鍵。 n陶瓷彈性模量數(shù)據(jù)陶瓷彈性模量數(shù)據(jù) 氧化物氧化物 氮化物氮化物硼化物硼化物 E1V1 + E2V2+ 這里這里Vi代表各相占據(jù)的體積分?jǐn)?shù)。代表各相占據(jù)的體積分?jǐn)?shù)。 n陶瓷陶瓷影響陶瓷材料楊氏模量的幾個因素影響陶瓷材料楊氏模量的幾個因素 3）材料的組成相及顯微結(jié)構(gòu)：）材料的組成相及顯微結(jié)構(gòu)： 例如例如在陶瓷材料中通常都有一定比例的氣孔相，當(dāng)氣孔的體積分?jǐn)?shù)在陶瓷材料中通常都有一定比例的氣孔相，當(dāng)氣孔的體積分?jǐn)?shù) 較小時，可以認(rèn)為氣孔相的較小時，可以認(rèn)為氣孔相的E=0，材料的楊氏模量可以表為：，材料的楊氏模量可以表為： E = E0(1- kp） 這里這里，E0為材料中不存在有氣孔

9、時的楊氏模量值，為材料中不存在有氣孔時的楊氏模量值，k為與氣孔形狀為與氣孔形狀 有關(guān)的常數(shù)，有關(guān)的常數(shù)，p為氣孔的體積分?jǐn)?shù)，即氣孔率。為氣孔的體積分?jǐn)?shù)，即氣孔率。 陶瓷材料楊氏模量值與氣孔率的關(guān)系也有不同的表達(dá)形式，如陶瓷材料楊氏模量值與氣孔率的關(guān)系也有不同的表達(dá)形式，如 E = E0(1- k1p + k2p2) 或者或者， E = E0 exp(- k p） 式式中的中的k1、k2、k均為常數(shù)?？傊?，存在有氣孔時，陶瓷材料的楊氏均為常數(shù)?？傊?，存在有氣孔時，陶瓷材料的楊氏 模量值會有所下降，材料的泊松比也隨材料中所含氣孔率的增加而有所模量值會有所下降，材料的泊松比也隨材料中所含氣孔率的增加

10、而有所 降低。降低。 總之，隨著氣孔率的增加，陶瓷的彈性模量急劇下降。總之，隨著氣孔率的增加，陶瓷的彈性模量急劇下降。 n陶瓷陶瓷影響陶瓷材料楊氏模量的幾個因素影響陶瓷材料楊氏模量的幾個因素 4）楊氏模量的數(shù)值與溫度關(guān)系：）楊氏模量的數(shù)值與溫度關(guān)系： 可以可以表為：表為： E = E0 BT exp(-TC/ T） 這里這里E0為溫度在為溫度在0時材料的楊氏模量值，時材料的楊氏模量值，B與與TC均均 為由物質(zhì)本身決定的常數(shù)。從式中可知，為由物質(zhì)本身決定的常數(shù)。從式中可知，隨溫度的升高，隨溫度的升高， 陶瓷材料的楊氏模量值降低，陶瓷材料的楊氏模量值降低，但對某些材料也有例外，但對某些材料也有例外

11、， 石英等材料隨溫度升高，楊氏模量值也隨之增加。石英等材料隨溫度升高，楊氏模量值也隨之增加。 n陶瓷陶瓷影響陶瓷材料楊氏模量的幾個因素影響陶瓷材料楊氏模量的幾個因素 5）楊氏模量與物質(zhì)熔點(diǎn)關(guān)系：）楊氏模量與物質(zhì)熔點(diǎn)關(guān)系： 物質(zhì)物質(zhì)熔點(diǎn)高低與物質(zhì)中原子的結(jié)合力大小有關(guān)，楊氏熔點(diǎn)高低與物質(zhì)中原子的結(jié)合力大小有關(guān)，楊氏 模量值與熔點(diǎn)一般有線性關(guān)系，在溫度低于模量值與熔點(diǎn)一般有線性關(guān)系，在溫度低于300K時，時， 其中，其中，k為常數(shù)，為常數(shù)，Tm為熔點(diǎn)，為熔點(diǎn)，Va為原子或者分子的體積。為原子或者分子的體積。 因此，因此，熔點(diǎn)高的材料，其楊氏模量值也大熔點(diǎn)高的材料，其楊氏模量值也大。 a m V k

12、T E 100 n陶瓷陶瓷影響陶瓷材料楊氏模量的幾個因素影響陶瓷材料楊氏模量的幾個因素 總體來說，陶瓷材料的彈性模量與組總體來說，陶瓷材料的彈性模量與組 成相的種類和分布、氣孔率及溫度等的關(guān)成相的種類和分布、氣孔率及溫度等的關(guān) 系密切，而與材料中各相的晶粒大小及表系密切，而與材料中各相的晶粒大小及表 面狀態(tài)的關(guān)系不大，結(jié)構(gòu)敏感性較小。面狀態(tài)的關(guān)系不大，結(jié)構(gòu)敏感性較小。 n小結(jié)小結(jié) 第第二二節(jié)節(jié) 陶瓷的硬度陶瓷的硬度 硬度硬度是是材料的重要力學(xué)性能參數(shù)之一，它是材料抵抗材料的重要力學(xué)性能參數(shù)之一，它是材料抵抗外外 力引起形變的量度。力引起形變的量度。 n陶瓷的硬度陶瓷的硬度 n金屬與陶瓷材料的區(qū)

13、別金屬與陶瓷材料的區(qū)別 金屬材料的硬度測定時測表面的塑性變形程度，因此金金屬材料的硬度測定時測表面的塑性變形程度，因此金 屬材料的硬度與強(qiáng)度之間有直接的對應(yīng)關(guān)系。而陶瓷材料屬材料的硬度與強(qiáng)度之間有直接的對應(yīng)關(guān)系。而陶瓷材料 屬于脆性材料，硬度測定時，在壓頭壓入?yún)^(qū)域會發(fā)生包括屬于脆性材料，硬度測定時，在壓頭壓入?yún)^(qū)域會發(fā)生包括 壓縮剪斷等復(fù)合破壞的偽塑性變形。因此陶瓷材料的硬度壓縮剪斷等復(fù)合破壞的偽塑性變形。因此陶瓷材料的硬度 很難與強(qiáng)度直接對應(yīng)起來。很難與強(qiáng)度直接對應(yīng)起來。 n陶瓷材料硬度測試方法陶瓷材料硬度測試方法-金剛石壓頭加載壓入法金剛石壓頭加載壓入法 可沿用金屬材料硬度測試方法可沿用金屬

14、材料硬度測試方法 試驗方法及設(shè)備漸變，試樣小而經(jīng)濟(jì)試驗方法及設(shè)備漸變，試樣小而經(jīng)濟(jì) 硬度作為材料的本身物性參數(shù)，可獲得穩(wěn)定的數(shù)值硬度作為材料的本身物性參數(shù)，可獲得穩(wěn)定的數(shù)值 維氏硬度測定的同時，可以測得斷裂韌性維氏硬度測定的同時，可以測得斷裂韌性 n陶瓷材料硬度測試的特點(diǎn)陶瓷材料硬度測試的特點(diǎn) 維氏硬度維氏硬度 顯微硬度顯微硬度 勞克維爾硬度勞克維爾硬度 莫氏硬度莫氏硬度 維氏硬度維氏硬度 維氏硬度試驗是用對角面為維氏硬度試驗是用對角面為136o的金剛石四棱錐體的金剛石四棱錐體 作壓頭，在作壓頭，在9.807490.3(150kgf)的載荷作用下，壓入陶瓷表的載荷作用下，壓入陶瓷表 面，保持一

15、定時間后卸除載荷，材料表面便留下一個壓痕。面，保持一定時間后卸除載荷，材料表面便留下一個壓痕。 測量壓痕對角線的長度并計算壓痕面積，求出單位面積上承測量壓痕對角線的長度并計算壓痕面積，求出單位面積上承 受的載荷應(yīng)力，即維氏硬度值受的載荷應(yīng)力，即維氏硬度值HV： P為載荷（N），S為壓痕表面積（mm2），為金剛石壓 頭對角面，d為壓痕對角線平均長度（mm）.硬度量綱與應(yīng)力 相同。一般為GPa或Mpa。 (a)(b) (c)(d) (a)(b) 每組照片：左為每組照片：左為 納米涂層壓痕，納米涂層壓痕， 右為微米涂層壓右為微米涂層壓 痕（維氏痕（維氏） 100g 300g 500g 顯微硬度顯微硬

16、度 顯微硬度使用的載荷為顯微硬度使用的載荷為0.4903-9.807N，由于使用載荷小，由于使用載荷小， 壓痕尺寸也笑，因此用顯微硬度試驗方法可以對微觀組織壓痕尺寸也笑，因此用顯微硬度試驗方法可以對微觀組織 中不同的相，或不同的晶粒的硬度分別進(jìn)行測試。中不同的相，或不同的晶粒的硬度分別進(jìn)行測試。 在顯微硬度使用的載荷范圍內(nèi)，當(dāng)用小的載荷測定高硬在顯微硬度使用的載荷范圍內(nèi)，當(dāng)用小的載荷測定高硬 度時，硬度值與載荷有一定的依賴性，因此測定時應(yīng)盡量度時，硬度值與載荷有一定的依賴性，因此測定時應(yīng)盡量 使用大載荷。使用大載荷。 勞克維爾硬度勞克維爾硬度 勞氏硬度試驗方法與前面兩種硬度不同，它不是通過測勞

17、氏硬度試驗方法與前面兩種硬度不同，它不是通過測 定壓痕對角線長度來計算硬度，而是首先加上基準(zhǔn)載荷，定壓痕對角線長度來計算硬度，而是首先加上基準(zhǔn)載荷， 再加上試驗載荷，然后再回到基準(zhǔn)載荷，測試二次載荷下再加上試驗載荷，然后再回到基準(zhǔn)載荷，測試二次載荷下 壓頭壓入深度差壓頭壓入深度差h (微米），再根據(jù)定義求出硬度值。金微米），再根據(jù)定義求出硬度值。金 剛石壓頭為圓錐形，尖端曲率半徑為剛石壓頭為圓錐形，尖端曲率半徑為0.2mm，圓錐角為，圓錐角為 120o。 莫氏硬度莫氏硬度 莫氏硬度是表示礦物硬度的一種標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用劃痕法將棱莫氏硬度是表示礦物硬度的一種標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用劃痕法將棱 錐形金剛鉆針刻劃所試礦物

18、的表面而發(fā)生劃痕錐形金剛鉆針刻劃所試礦物的表面而發(fā)生劃痕, ,習(xí)慣上礦習(xí)慣上礦 物學(xué)或?qū)毷瘜W(xué)上都是用莫氏硬度。用測得的劃痕的深度分物學(xué)或?qū)毷瘜W(xué)上都是用莫氏硬度。用測得的劃痕的深度分 十級來表示硬度。十級來表示硬度。 滑石滑石(talc)1（硬度最?。?，石膏（硬度最?。?，石膏(gypsum)2，方解石，方解石(calcite)3，螢石，螢石 ( f l u o r i t e ) 4 ， 磷 灰 石， 磷 灰 石 ( a p a t i t e ) 5 ， 正 長 石， 正 長 石 (feldspar;orthoclase;periclase)6，石英，石英(quartz)7，黃玉，黃玉(top

19、az)8，剛，剛 玉玉(corundum)9，金剛石，金剛石(diamond)10。莫氏硬度也用于表示其他固。莫氏硬度也用于表示其他固 體物料的硬度。體物料的硬度。 鉆石即金剛石，莫氏硬度為鉆石即金剛石，莫氏硬度為10 n決定材料硬度的因素決定材料硬度的因素 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)：例如金剛石和石墨，例如金剛石和石墨， 金剛石的金剛石的spsp3 3四面體鍵四面體鍵 結(jié)構(gòu)使其成為自然界中最硬的材料，石墨為結(jié)構(gòu)使其成為自然界中最硬的材料，石墨為spsp2 2層狀結(jié)構(gòu)，層狀結(jié)構(gòu)， 軟到可以做潤滑劑和鉛筆芯。軟到可以做潤滑劑和鉛筆芯。 晶體取向：晶體取向：單晶體的硬度與晶體取向有關(guān)，例如金剛石單晶體的硬度

20、與晶體取向有關(guān)，例如金剛石 單晶的（單晶的（111111）密排面是硬度最大的晶面。）密排面是硬度最大的晶面。 晶粒大?。壕Я４笮。翰牧喜牧系挠捕扰c晶粒大小有關(guān)，納米晶材料的的硬度與晶粒大小有關(guān)，納米晶材料的 硬度比大晶粒材料的硬度大。一般的，納米硬度比大晶粒材料的硬度大。一般的，納米/ /納米多層膜納米多層膜 的硬度可以有大幅度提高，例如納米復(fù)合膜的硬度可以有大幅度提高，例如納米復(fù)合膜Ti-Si-NTi-Si-N的硬的硬 度甚至超過了金剛石的硬度。因此，設(shè)計和制造納米復(fù)合度甚至超過了金剛石的硬度。因此，設(shè)計和制造納米復(fù)合 材料有可能得到超高硬度。材料有可能得到超高硬度。 n決定材料硬度的因素決

21、定材料硬度的因素 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)：例如金剛石和石墨，例如金剛石和石墨， 金剛石的金剛石的spsp3 3四面體鍵四面體鍵 結(jié)構(gòu)使其成為自然界中最硬的材料，石墨為結(jié)構(gòu)使其成為自然界中最硬的材料，石墨為spsp2 2層狀結(jié)構(gòu)，層狀結(jié)構(gòu)， 軟到可以做潤滑劑和鉛筆芯。軟到可以做潤滑劑和鉛筆芯。 晶體取向：晶體取向：單晶體的硬度與晶體取向有關(guān)，例如金剛石單晶體的硬度與晶體取向有關(guān)，例如金剛石 單晶的（單晶的（111111）密排面是硬度最大的晶面。）密排面是硬度最大的晶面。 晶粒大?。壕Я４笮。翰牧喜牧系挠捕扰c晶粒大小有關(guān)，納米晶材料的的硬度與晶粒大小有關(guān)，納米晶材料的 硬度比大晶粒材料的硬度大。一般的，

22、納米硬度比大晶粒材料的硬度大。一般的，納米/ /納米多層膜納米多層膜 的硬度可以有大幅度提高，例如納米復(fù)合膜的硬度可以有大幅度提高，例如納米復(fù)合膜Ti-Si-NTi-Si-N的硬的硬 度甚至超過了金剛石的硬度。因此，設(shè)計和制造納米復(fù)合度甚至超過了金剛石的硬度。因此，設(shè)計和制造納米復(fù)合 材料有可能得到超高硬度。材料有可能得到超高硬度。 n決定材料硬度的因素決定材料硬度的因素 氣氛影響：氣氛影響：陶瓷材料的硬度在大氣中比在真空中的陶瓷材料的硬度在大氣中比在真空中的 值小，而金屬材料兩者幾乎沒有區(qū)別，這是因為硬值小，而金屬材料兩者幾乎沒有區(qū)別，這是因為硬 度與氣氛的關(guān)系取決于壓頭和材料的磨損。在摩擦

23、度與氣氛的關(guān)系取決于壓頭和材料的磨損。在摩擦 系數(shù)大的真空中的壓痕，其周圍的損傷波及到較遠(yuǎn)系數(shù)大的真空中的壓痕，其周圍的損傷波及到較遠(yuǎn) 處，蝕坑擴(kuò)展得大。在大氣環(huán)境下硬度降低是因為處，蝕坑擴(kuò)展得大。在大氣環(huán)境下硬度降低是因為 氣氛的作用，這個軟化的范圍大約在表面以下氣氛的作用，這個軟化的范圍大約在表面以下2-32-3微微 米處。米處。 第第三三節(jié)節(jié) 陶瓷的強(qiáng)度陶瓷的強(qiáng)度 n陶瓷強(qiáng)度陶瓷強(qiáng)度 陶瓷材料的強(qiáng)度，特別是用作高溫結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度陶瓷材料的強(qiáng)度，特別是用作高溫結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度 是材料力學(xué)性能的重要表征。是材料力學(xué)性能的重要表征。 n陶瓷強(qiáng)度的特點(diǎn)陶瓷強(qiáng)度的特點(diǎn) 陶瓷材料主要由共價和離子鍵以及

24、混合鍵結(jié)合的，因此晶體中原子陶瓷材料主要由共價和離子鍵以及混合鍵結(jié)合的，因此晶體中原子 或離子的任何移動都會破壞這種鍵結(jié)構(gòu)或離子的任何移動都會破壞這種鍵結(jié)構(gòu)。 陶瓷材料中一般包含的原子數(shù)目較多，晶格較大，位錯矢量較大，陶瓷材料中一般包含的原子數(shù)目較多，晶格較大，位錯矢量較大， 使位錯較難生成，也不易滑移和增殖，因此陶瓷材料的范性形變很使位錯較難生成，也不易滑移和增殖，因此陶瓷材料的范性形變很 小，脆性大、易斷裂。小，脆性大、易斷裂。 陶瓷材料的強(qiáng)度時高度結(jié)構(gòu)敏感性的，不僅取決于材料本身，還與陶瓷材料的強(qiáng)度時高度結(jié)構(gòu)敏感性的，不僅取決于材料本身，還與 材料的應(yīng)力狀態(tài)、制備方法、測量方法，以及晶體

25、結(jié)構(gòu)、微結(jié)構(gòu)和材料的應(yīng)力狀態(tài)、制備方法、測量方法，以及晶體結(jié)構(gòu)、微結(jié)構(gòu)和 晶體缺陷等密切相關(guān)。晶體缺陷等密切相關(guān)。 n陶瓷與金屬的應(yīng)力陶瓷與金屬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線模型應(yīng)變曲線模型 金金 屬屬 陶陶 瓷瓷 陶瓷的室溫強(qiáng)度是彈性變形抗力，即當(dāng)彈性變形達(dá)到極限程度而發(fā)生陶瓷的室溫強(qiáng)度是彈性變形抗力，即當(dāng)彈性變形達(dá)到極限程度而發(fā)生 斷裂的應(yīng)力。強(qiáng)度與彈性模量一樣，是材料本身的物理參數(shù)，它決定斷裂的應(yīng)力。強(qiáng)度與彈性模量一樣，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)，同時也隨外界條件變化而變化。于材料的成分、組織結(jié)構(gòu)，同時也隨外界條件變化而變化。 n理論斷裂強(qiáng)度理論斷裂強(qiáng)度 理想晶體的斷裂強(qiáng)度相

26、當(dāng)于將構(gòu)成晶體的原理想晶體的斷裂強(qiáng)度相當(dāng)于將構(gòu)成晶體的原 子之間的化學(xué)鍵拉開所需要的力。子之間的化學(xué)鍵拉開所需要的力。 a E Y S th 1 Y為無量綱因子，與裂紋在材料中的位置和幾何形狀， 外加應(yīng)力的作用方式以及試樣本身的尺寸和形狀有關(guān)，一 般可取為；E為材料的彈性模量；S為拉開單位面積原子 所需要的表面能；a為原子間距。 理論斷裂強(qiáng)度理論斷裂強(qiáng)度 理論理論斷裂強(qiáng)度與楊氏模量值有以下的簡單關(guān)系斷裂強(qiáng)度與楊氏模量值有以下的簡單關(guān)系： thE/10。 陶瓷陶瓷材料楊氏模量的平均值較金屬大材料楊氏模量的平均值較金屬大10倍，因此從理倍，因此從理 論上預(yù)計，陶瓷材料的強(qiáng)度應(yīng)該比金屬高。論上預(yù)計，

27、陶瓷材料的強(qiáng)度應(yīng)該比金屬高。但是實(shí)驗表明，但是實(shí)驗表明， 陶瓷材料的強(qiáng)度總體上比金屬要低，陶瓷材料的強(qiáng)度總體上比金屬要低，原因主要是陶瓷中存原因主要是陶瓷中存 在有大量的缺陷和微裂紋，因此大大降低了材料的強(qiáng)度。在有大量的缺陷和微裂紋，因此大大降低了材料的強(qiáng)度。 n理論斷裂強(qiáng)度理論斷裂強(qiáng)度 理論計算氧化鋁的強(qiáng)度值約為理論計算氧化鋁的強(qiáng)度值約為50GPa，幾乎沒有缺陷的氧化，幾乎沒有缺陷的氧化 鋁晶須的強(qiáng)度為鋁晶須的強(qiáng)度為14GPa，表面經(jīng)研磨的氧化鋁單晶棒的強(qiáng)度，表面經(jīng)研磨的氧化鋁單晶棒的強(qiáng)度 為為7GPa，而燒結(jié)制備的氧化鋁的抗張強(qiáng)度只有，而燒結(jié)制備的氧化鋁的抗張強(qiáng)度只有0.20.27GPa。

28、 n理論斷裂理論斷裂強(qiáng)度強(qiáng)度- Griffith理論 實(shí)際材料的斷裂，并非是像理想晶體那樣的原子鍵的實(shí)際材料的斷裂，并非是像理想晶體那樣的原子鍵的 破壞，而是比原子鍵容易破壞的多，即材料內(nèi)部存在破壞，而是比原子鍵容易破壞的多，即材料內(nèi)部存在 微小裂紋的擴(kuò)展連接而導(dǎo)致材料整體的斷裂。微小裂紋的擴(kuò)展連接而導(dǎo)致材料整體的斷裂。 斷裂定義：裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致試樣或構(gòu)件斷裂定義：裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致試樣或構(gòu)件破壞破壞 2/1 2 crit S f c E 2/1 2 c E S 當(dāng)外力滿足 發(fā)生斷裂，此時f為斷裂強(qiáng)度。 他根據(jù)能量準(zhǔn)則導(dǎo)出應(yīng)力與裂紋關(guān)系表達(dá)式（平面應(yīng) 力狀態(tài)）： 為表面能，c為裂紋長度。S 裂

29、紋長度只有達(dá)到一定值后，才能發(fā)生材料的斷裂. n應(yīng)力強(qiáng)度因子與斷裂韌性應(yīng)力強(qiáng)度因子與斷裂韌性 應(yīng)力強(qiáng)度因子：應(yīng)力強(qiáng)度因子： 2/1 )( cK 當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到某一臨界值時，則裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到某一臨界值時，則裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展 而導(dǎo)致斷裂，此時的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子稱為斷裂韌性。而導(dǎo)致斷裂，此時的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子稱為斷裂韌性。 對于對于型裂紋，失穩(wěn)擴(kuò)展條件為：型裂紋，失穩(wěn)擴(kuò)展條件為： 2/1 )(cKK fIC 2/1 )2(EK SIC 斷裂韌性與表面能和楊氏模量的關(guān)系：斷裂韌性與表面能和楊氏模量的關(guān)系： 金屬材料的斷裂韌性大于陶瓷材料金屬材料的斷裂韌性大于陶瓷材料 n應(yīng)力強(qiáng)度因子與斷

30、裂韌性應(yīng)力強(qiáng)度因子與斷裂韌性 陶瓷陶瓷的斷裂過程都是以其內(nèi)部或表面存在缺陷為起的斷裂過程都是以其內(nèi)部或表面存在缺陷為起 點(diǎn)而發(fā)生的。點(diǎn)而發(fā)生的。 說明說明：晶粒晶粒和和氣孔尺寸氣孔尺寸在決定陶瓷材料強(qiáng)度方面與在決定陶瓷材料強(qiáng)度方面與 裂紋尺寸裂紋尺寸有等效作用。當(dāng)內(nèi)部缺陷成為裂紋斷裂原因有等效作用。當(dāng)內(nèi)部缺陷成為裂紋斷裂原因 時，隨試樣體積的增加，缺陷存在的概率增加，材料時，隨試樣體積的增加，缺陷存在的概率增加，材料 強(qiáng)度下降；表面缺陷成為斷裂源時，隨表面積增加，強(qiáng)度下降；表面缺陷成為斷裂源時，隨表面積增加， 缺陷存在概率也增加，材料強(qiáng)度也下降。缺陷存在概率也增加，材料強(qiáng)度也下降。 n強(qiáng)度測定

31、方法強(qiáng)度測定方法 強(qiáng)度的測量可以通過多種途徑。由于陶瓷材料脆性大，強(qiáng)度的測量可以通過多種途徑。由于陶瓷材料脆性大， 因此很少測量其拉伸強(qiáng)度因此很少測量其拉伸強(qiáng)度(tensile strength)，通常多測，通常多測 量其彎曲強(qiáng)度量其彎曲強(qiáng)度(flexure strength)、壓縮強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度(compress strength)、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度(torsion strength)和沖擊強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度 (impact strength) n影響陶瓷材料強(qiáng)度的因素影響陶瓷材料強(qiáng)度的因素 1 1）氣孔）氣孔 氣孔氣孔的存在會降低材料的彈性模量，從而降低強(qiáng)度。的存在會降低材料的彈性模量，從而

32、降低強(qiáng)度。 氣孔明顯的降低了載荷作用的橫截面積，氣孔附近也是材氣孔明顯的降低了載荷作用的橫截面積，氣孔附近也是材 料中料中應(yīng)力集中應(yīng)力集中的區(qū)域。同時，氣孔又可能的區(qū)域。同時，氣孔又可能誘發(fā)微裂紋誘發(fā)微裂紋，由，由 于氣孔周邊微裂紋的尺寸與晶粒尺寸大小相近，因此細(xì)晶于氣孔周邊微裂紋的尺寸與晶粒尺寸大小相近，因此細(xì)晶 樣品中由于氣孔而引發(fā)的微裂紋，以及因此導(dǎo)致樣品斷裂樣品中由于氣孔而引發(fā)的微裂紋，以及因此導(dǎo)致樣品斷裂 的危害要比粗晶體樣品小得多。氣孔周圍晶體的微缺陷比的危害要比粗晶體樣品小得多。氣孔周圍晶體的微缺陷比 較復(fù)雜，較復(fù)雜，一般來說，隨材料中氣孔率的增加，強(qiáng)度明顯下一般來說，隨材料中氣

33、孔率的增加，強(qiáng)度明顯下 降。降。 n影響陶瓷材料強(qiáng)度的因素影響陶瓷材料強(qiáng)度的因素 1 1）氣孔）氣孔 陶瓷材料強(qiáng)度與氣孔率的關(guān)系： 式中，0為氣孔率p為零時材料的強(qiáng)度，b為常數(shù)，其值 在4-7之間。 由上式，陶瓷材料的強(qiáng)度隨氣孔率的增加而呈指數(shù)下降。 因此，如果希望陶瓷材料的強(qiáng)度高，在制備過程中應(yīng)該采用 一些特殊的方法，如加壓或提高燒結(jié)溫度等辦法，以降低材 料中的氣孔率。 )exp( 0 bp n影響陶瓷材料強(qiáng)度的因素影響陶瓷材料強(qiáng)度的因素 2 2）晶粒尺寸）晶粒尺寸 細(xì)化顆粒也是提高陶瓷材料強(qiáng)度的有效手段，但兩者細(xì)化顆粒也是提高陶瓷材料強(qiáng)度的有效手段，但兩者 的強(qiáng)化機(jī)制并不相同。金屬材料中顆

34、粒細(xì)小形成了大量的的強(qiáng)化機(jī)制并不相同。金屬材料中顆粒細(xì)小形成了大量的 晶界，這些晶界會阻礙位錯的運(yùn)動，使得材料的強(qiáng)度有所晶界，這些晶界會阻礙位錯的運(yùn)動，使得材料的強(qiáng)度有所 提高。而在陶瓷中晶粒細(xì)化后，材料中的晶粒數(shù)目大大增提高。而在陶瓷中晶粒細(xì)化后，材料中的晶粒數(shù)目大大增 加，由于在晶界兩側(cè)的晶粒取向并不相同，裂紋移動至此加，由于在晶界兩側(cè)的晶粒取向并不相同，裂紋移動至此 往往受阻，不容易得到擴(kuò)展，因此提高了材料的強(qiáng)度。往往受阻，不容易得到擴(kuò)展，因此提高了材料的強(qiáng)度。 晶粒尺寸對陶瓷材料強(qiáng)度的影響可以用Hall-Petch關(guān)系式 來描述 ： 為無限大單晶體的強(qiáng)度，c為系數(shù)，與材料的結(jié)構(gòu)和顯微

35、結(jié)構(gòu)有關(guān)，d為晶粒尺寸。由Hall-Petch關(guān)系，材料的晶粒尺寸 越小，其屈服應(yīng)力越大，陶瓷材料的強(qiáng)度隨晶粒尺寸變小而有 所增加。 2/1 cd n影響陶瓷材料強(qiáng)度的因素影響陶瓷材料強(qiáng)度的因素 2 2）晶粒尺寸）晶粒尺寸 舉例：晶粒尺寸對材料強(qiáng)度的影響舉例：晶粒尺寸對材料強(qiáng)度的影響 TiOTiO2 2的晶粒尺寸與彎曲強(qiáng)度之間的關(guān)系的晶粒尺寸與彎曲強(qiáng)度之間的關(guān)系 晶粒內(nèi)或晶粒間 界上發(fā)生的裂紋 都局限在一個晶 粒的尺寸內(nèi)，因 此，晶粒尺寸越 大，材料的強(qiáng)度 越低。 n影響陶瓷材料強(qiáng)度的因素影響陶瓷材料強(qiáng)度的因素 3 3）溫度與材料強(qiáng)度的相關(guān)性溫度與材料強(qiáng)度的相關(guān)性 陶瓷陶瓷材料的強(qiáng)度當(dāng)溫材料的

36、強(qiáng)度當(dāng)溫 度度T22微米微米4-4.54-4.5 含含25vol%25vol%片狀單晶片狀單晶7-87-8 （2）復(fù)合強(qiáng)化增韌 如采用延性金屬-陶瓷復(fù)合材料，制備纖維、晶須或顆 粒增強(qiáng)的金屬/陶瓷基及陶瓷/陶瓷基復(fù)合材料。 （3）相變增韌和復(fù)相增韌 氧化鋯相變增韌（Garvie，1975年）以及其它的第二 相增韌。 （4）耦合增韌 將幾種增韌的方法結(jié)合起來，例如從顯微結(jié)構(gòu)和晶須 增韌兩方面同時進(jìn)行增韌，將晶須增韌和相變增韌結(jié)合起 來等。 n陶瓷增韌的方法陶瓷增韌的方法 相變增韌舉例：相變增韌舉例： 氧化鋯增韌氧化鋁氧化鋯增韌氧化鋁 熱壓多晶氧化鋁熱壓多晶氧化鋁 氧化鋯增韌氧化鋯增韌氧化鋁氧化鋁

37、 （白色的顆粒為氧化鋯）白色的顆粒為氧化鋯） 粒子增韌舉例：粒子增韌舉例：碳化硅增強(qiáng)氧化鋁碳化硅增強(qiáng)氧化鋁 自補(bǔ)強(qiáng)氮化硅陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)自補(bǔ)強(qiáng)氮化硅陶瓷的顯微結(jié)構(gòu) 碳化硅板狀粒子增強(qiáng)碳化硅板狀粒子增強(qiáng) 氧化鋁的顯微結(jié)構(gòu)氧化鋁的顯微結(jié)構(gòu) 自補(bǔ)強(qiáng)氮化硅陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)自補(bǔ)強(qiáng)氮化硅陶瓷的顯微結(jié)構(gòu) n陶瓷的超塑性陶瓷的超塑性 和金屬材料一樣，陶瓷材料在合適的應(yīng)變和溫度下和金屬材料一樣，陶瓷材料在合適的應(yīng)變和溫度下 也會呈現(xiàn)有超塑性（也會呈現(xiàn)有超塑性（superplasticity）。）。 超塑性的發(fā)生及程度與材料的晶粒大小和形態(tài)、晶超塑性的發(fā)生及程度與材料的晶粒大小和形態(tài)、晶 粒轉(zhuǎn)動、長大和重組、晶界和相

38、界遷移、滑動等微觀形粒轉(zhuǎn)動、長大和重組、晶界和相界遷移、滑動等微觀形 態(tài)有關(guān)。態(tài)有關(guān)。 超塑性通常分為：相變超塑性和組織超塑性 一般認(rèn)為：組織超塑性需要具備三個條件：一般認(rèn)為：組織超塑性需要具備三個條件： （1）小于）小于10m的等軸晶粒，一般為兩相組織；（的等軸晶粒，一般為兩相組織；（2）溫）溫 度大于度大于Tm/2；（；（3）應(yīng)變速率在）應(yīng)變速率在10-610-2/s間。間。 相變超塑性：陶瓷在承載時的溫度循環(huán)產(chǎn)生相變 導(dǎo)致材料得到超塑性。 組織超塑性：依靠特定的組織在恒定應(yīng)變速率下 得到超塑性。 n陶瓷的超塑性陶瓷的超塑性 n陶瓷的超塑性陶瓷的超塑性 1986年年Wakai等人報導(dǎo)在等人

39、報導(dǎo)在0.3微米細(xì)晶粒微米細(xì)晶粒Y- TZP上得到大于上得到大于100%的延伸率，之后又發(fā)現(xiàn)其它的延伸率，之后又發(fā)現(xiàn)其它 陶瓷材料，如氧化鋁、羥基磷灰石、陶瓷材料，如氧化鋁、羥基磷灰石、Si3N4以及以及 ZrO2/Al2O3、ZrO2/莫來石、莫來石、Si3N4/SiC等在單軸或等在單軸或 雙軸拉伸下也有超塑性。十余年來，細(xì)晶粒陶瓷雙軸拉伸下也有超塑性。十余年來，細(xì)晶粒陶瓷 材料超塑性的研究非?；钴S，這種組織超塑性也材料超塑性的研究非?；钴S，這種組織超塑性也 稱為細(xì)稱為細(xì)晶粒超塑性晶粒超塑性或或微晶超塑性微晶超塑性。 n陶瓷的超塑性存在機(jī)制陶瓷的超塑性存在機(jī)制 n界面擴(kuò)散蠕變和擴(kuò)散范性機(jī)制界

40、面擴(kuò)散蠕變和擴(kuò)散范性機(jī)制 ： 認(rèn)為超塑性主要來源于晶界原子的擴(kuò)散流變。認(rèn)為超塑性主要來源于晶界原子的擴(kuò)散流變。 n晶界晶界遷移和粘滯流變機(jī)制遷移和粘滯流變機(jī)制 ： 著重研究正離子摻雜在界面偏聚和對界面的釘扎作用，著重研究正離子摻雜在界面偏聚和對界面的釘扎作用， 以減少界面的流動性和防止在形變過程中晶粒的動態(tài)長大，以減少界面的流動性和防止在形變過程中晶粒的動態(tài)長大， 有利于提高陶瓷材料的超塑性。有利于提高陶瓷材料的超塑性。 n陶瓷的超塑性存在條件陶瓷的超塑性存在條件 材料材料中的界面數(shù)量要達(dá)到一個臨界值，氣孔中的界面數(shù)量要達(dá)到一個臨界值，氣孔 含量足夠低，以保證材料具有一定的強(qiáng)度。一般含量足夠低，以保證材料具有一定的強(qiáng)度。一般 認(rèn)為，陶瓷材料能夠表現(xiàn)超塑性的晶粒尺寸大小認(rèn)為，陶瓷材料能夠表現(xiàn)超塑性的晶粒尺寸大小