材料的力學(xué)性能13

1、第十三章 陶瓷材料的力學(xué)行為13.1 前言 陶瓷材料大都是脆性材料，對缺陷十分敏感，故其強度試驗結(jié)果的分散性大。要使陶瓷材料作為結(jié)構(gòu)材料在工程中獲得應(yīng)用，需要對其力學(xué)性能做更多的研究，并對其力學(xué)性能的試驗結(jié)果做統(tǒng)計分析。此外，玻璃、光導(dǎo)纖維、電瓷、紅外窗口材料等也屬于陶瓷材料，對這些材料力學(xué)性能的研究報導(dǎo)也日益增多。 除少數(shù)幾個具有簡單的晶體結(jié)構(gòu)，如MgO，KCl， KBr等，在室溫下稍具塑性以外，一般陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，室溫下沒有塑性，因而是脆性材料。脆性材料的拉伸試驗只能測定其彈性模量和斷裂強度。 13.2 陶瓷材料的彈性模量 陶瓷材料的彈性模量比金屬的大得多，常高出一倍至幾倍。陶瓷材料彈

2、性模量列于表13-1。陶瓷材料的原子鍵主要有離子鍵和共價鍵兩大類，且多數(shù)具有雙重性。共價鍵晶體結(jié)構(gòu)的主要特點是鍵具有方向性。它使晶體擁有較高的抗晶格畸變和阻礙位錯運動的能力，使共價鍵陶瓷具有比金屬高得多的硬度和彈性模量。離子鍵晶體結(jié)構(gòu)的鍵方向性不明顯，但滑移系不僅要受到密排面與密排方向的限期，而且要受到靜電作用力的限制，因此實際可動滑移系較少，彈性模量較高。 （1）陶瓷材料的彈性模量材 料E/GPa材 料E/GPa材 料E/GPa金剛石1200W2C428NbC345WC717MoSi2380Be2C317TiB2648BeO352SiC485Al2O3510FeSi2345B4C455TiC

3、490ZrC345ZrB2440表13-1 典型陶瓷材料的彈性模量 165(2) 氣孔率對陶瓷材料彈性模量的影響 (13-1) 式中E0為無孔隙時陶瓷材料的彈性模量，p為孔隙率?？紫堵蕦椥阅Ａ縀eff的影響示于圖13-1；圖中曲線按式（13-1）畫出。圖13-1 孔隙率對陶瓷材料彈性模量Eeff的影響167(3) 拉、壓應(yīng)力狀態(tài)下的彈性模量 眾所周知，金屬不論是在拉伸還是在壓縮狀態(tài)下，其彈性模量相等，即拉伸與壓縮兩部分曲線為一條直線，如圖13-2(a)所示。而陶瓷材料壓縮時彈性模量一般高于拉伸時彈性模量，即壓縮時-e 曲線斜率比拉伸時的大，如圖13-2(b)所示。這與陶瓷材料顯微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性

4、和不均性有關(guān)。 圖13-2 金屬與陶瓷材料-e曲線的彈性部分。13.3 陶瓷材料的強度13.3.1 陶瓷材料的斷裂強度 強度與塑性是材料的基本力學(xué)性能。陶瓷材料在常溫下基本上不出現(xiàn)和極少出現(xiàn)塑性變形，因而其塑性指標：延伸率和斷面收縮率均近似為零。可以認為，陶瓷材料的抗拉強度b,斷裂強度f和屈服強度在數(shù)值上是相等的。而且，陶瓷材料不論在拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)，或軸向壓縮應(yīng)力狀態(tài)下均發(fā)生脆性斷裂。因此，陶瓷材料可認為是本征脆性材料。此外,陶瓷材料的軸向壓縮強度比抗拉強度大得多。這是脆性材料的一個特點或優(yōu)點。和金屬材料相比，陶瓷材料在高溫下具有良好的抗蠕變性能，而且在高溫下也具有一定的塑性。若按E/10估

5、算陶瓷材料的理論強度（見6.2節(jié)）6，則理論強度和實際斷裂強度差別達1-3個數(shù)量級。這是因為實際的陶瓷組織結(jié)構(gòu)中存在工藝缺陷，若其中的缺陷是裂紋，則其真實斷裂強度應(yīng)采用Griffith公式，即式（6-11）估算；若其中的缺陷是微孔洞，則其真實斷裂強度可按下式估算168(13-2) 式中0為無微孔洞材料的斷裂強度。圖13-3為孔隙率對陶瓷材料斷裂強度的影響，圖中曲線按式（13-2）畫出。由式（13-1）和式（13-2）可見，應(yīng)減小結(jié)構(gòu)陶瓷中的孔隙率，以提高材料的彈性模量和強度。圖13-3 孔隙率對陶瓷材料斷裂強度的影響168 試樣的表面粗糙度對陶瓷材料的彎曲斷裂強度有很大的影響，如圖13-4所示

6、39。而且，試樣加工方向?qū)箯潖姸纫灿杏绊懀绕涫悄ハ鞣较蚺c拉伸應(yīng)力方向垂直時，會因加工傷痕而使強度降低很多；在平行于拉伸軸的方向磨削時，影響較小。圖13-4 因加工產(chǎn)生的表面?zhèn)叟c氮化鋁AlN強度的關(guān)系3913.3.2 陶瓷材料強度的概率分布 測定陶瓷材料的抗拉強度比較困難，主要是因為陶瓷材料硬而脆，難以加工出高精度的拉伸試樣，而且要求試驗機具有高的同心度。故目前主要以測定彎曲強度作為評價陶瓷強度性能指標 。為得到可靠的試驗結(jié)果，最好能從同質(zhì)坯料上切出盡可能多的小試樣，進行大子樣試驗，然后對試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析。 陶瓷材料的強度試驗結(jié)果不僅遵循威布爾（Weibull）分布，也遵循正態(tài)分布和對

7、數(shù)正態(tài)分布 。13.4 陶瓷材料的切口強度與切口敏感性13.4.1 陶瓷材料的切口強度表達式在陶瓷材料彎曲斷裂強度和切口強度遵循正態(tài)分布的情況下，其平均值和標準差可分別用下式表示 (13-3) (13-4) 式中 . 分別為彎曲強度和切口強度的平均值Sf、SbN分別為彎曲強度和切口強度的標準差。13.4.2 加載速率對陶瓷材料強度和切口強度的影響 加載速率對陶瓷材料彎曲強度和切口強度的影響，如圖13-7所示。圖13-7 加載速率對陶瓷材料彎曲強度和切口強度的影響 由此可見，當加載速率較低時，加載速率對陶瓷材料彎曲強度和切口強度的影響不大；當加載速率高于某一數(shù)值時，陶瓷材料彎曲強度和切口強度隨加

8、載速率的升高而急劇下降。這與加載速率對金屬拉伸強度的影響剛好相反。這是研究和應(yīng)用陶瓷材料時，應(yīng)予以考慮的另一個重要特點；也可能是制約陶瓷材料用作高速運動機械結(jié)構(gòu)件的另一個因素。在高溫下，提高加載速率也降低陶瓷材料的強度和切口強度。13.4 陶瓷材料的疲勞 陶瓷材料疲勞的概念，與金屬材料的疲勞有所不同。陶瓷材料的疲勞分為靜態(tài)疲勞、動態(tài)疲勞和循環(huán)疲勞。陶瓷材料的靜態(tài)疲勞是在持久載荷的作用下發(fā)生的失效斷裂，對應(yīng)于金屬材料中的應(yīng)力腐蝕和高溫蠕變。陶瓷材料的動態(tài)疲勞，是以恒定的速率加載，研究材料的失效斷裂對加載速率的敏感性，類似于金屬材料應(yīng)力腐蝕研究中的慢應(yīng)變速率拉伸。陶瓷材料的循環(huán)疲勞，是在循環(huán)應(yīng)力作

9、用下發(fā)生的失效斷裂，對應(yīng)于金屬中的疲勞。下面簡要介紹循環(huán)疲勞與靜態(tài)疲勞。 13.4.1 陶瓷材料的循環(huán)疲勞壽命 陶瓷材料循環(huán)疲勞的一個主要特點，是疲勞壽命的試驗結(jié)果非常分散，最長與最短的疲勞壽命相差達5-6個數(shù)量級172。因此，陶瓷材料循環(huán)疲勞壽命的試驗結(jié)果，必須進行統(tǒng)計分析。統(tǒng)計分析表明，陶瓷材料循環(huán)疲勞壽命的試驗結(jié)果也遵循對數(shù)正態(tài)分布，如圖13-8所示。 圖13-8 Al2O3陶瓷具有給定存活率的循環(huán)疲勞壽命曲線 13.4.2 陶瓷材料的疲勞裂紋擴展速率圖13-10 陶瓷材料的裂紋擴展速率曲線 a) 循環(huán)疲勞 b) 靜疲勞17413.5 陶瓷材料的韌性13.5.1 陶瓷材料的靜態(tài)韌性 陶瓷

10、材料的靜態(tài)韌性，即單位體積材料斷裂前所吸收的功，可按下式計算， W=f2/2E (13-6) 而陶瓷材料的斷裂強度并不比鋼的屈服強度高，但其彈性模量卻比鋼的高，見表13-1。因此，陶瓷材料的靜態(tài)韌性很低。 13.5.2 陶瓷材料的斷裂韌性 因為陶瓷材料是脆性材料，故含裂紋的陶瓷試件或零件的裂紋擴展阻力，即斷裂抗力，即為形成新表面所需的表面能2。若已知表面能之值，則陶瓷材料斷裂韌性KIC值可按下式估算（見式（5-11）和（7-17） KIC= 2E/（1-2）1/2 （13-7） 金屬材料斷裂要吸收大量的塑性變形能，而塑性變形能要比表面能大幾個量級，所以陶瓷材料的斷裂韌性比金屬材料的要低1-2個數(shù)量級；最高達到12-15 MPa 低者僅有2-3 MPa 176。 13.6 陶瓷材料的抗熱震性 大多數(shù)陶瓷在生