無機(jī)非金屬材料工藝學(xué)：第二章-無機(jī)非金屬材料的物化性能-2-2陶瓷的物理性能

1、2.2 陶瓷的性能2. 2. 1 陶瓷材料的硬度2. 2. 2 陶瓷材料的脆性斷裂與強(qiáng)度2. 2. 3 陶瓷材料的透光性221 陶瓷材料的硬度 硬度是材料的一種重要的力學(xué)性能，但在實(shí)際應(yīng)用中由于測(cè)量方法不同，測(cè)得的硬度所代表的材料性能也各異。 常用的測(cè)量方法：劃痕硬度和靜載壓入硬度 劃痕硬度叫做莫氏硬度，用于陶瓷及礦物材料硬度測(cè)試。它只表示硬度由小到大的順序，不代表硬度的程度，后面的礦物可以劃破前面的礦物表面。 一般莫氏硬度分為10級(jí)，后來因?yàn)橛幸恍┕と撕铣傻挠捕容^大的材料出現(xiàn)，又將莫氏硬度分為15級(jí)以便比較，表3-3莫氏硬度兩種分級(jí)的順序。 表3-3 莫氏硬度順序 順序 材料 順序 材料 順

2、序 材料 順序材料 1滑石 8黃玉 5磷灰石 12剛玉 2石膏 9剛玉 6正長石 13碳化硅 3方解石 10金剛石 7SiO2玻璃 14碳化硼 4螢石 1滑石 8石英 15金剛石 5磷灰石 2石膏 9黃玉 6正長石 3方解石 10石榴石 7石英 4螢石 11熔融氧化鋯 常用用靜載壓入的硬度實(shí)驗(yàn)-布氏硬度、維氏硬度及洛氏硬度。 原理都是將一硬的物體在靜載下壓入被測(cè)物體表面，表面上被壓入一凹面，以凹面單位面積上的載荷表示被測(cè)物體的硬度。 布氏硬度法主要用來測(cè)定金屬材料、較軟及中等硬度的材料，很少用于陶瓷； 維氏硬度法及洛氏硬度法都適于較硬的材料，也用于測(cè)量陶瓷的硬度； 硬度決定于礦物、晶體和陶瓷材

3、料的硬度的因素-組成和結(jié)構(gòu)。 離子半徑較小，離子電價(jià)越高，配位數(shù)越大，結(jié)合能就越大，抵抗外力摩擦、刻劃和壓入的能力也就越強(qiáng)，所以硬度就較大。 陶瓷材料的纖維組織、裂紋、雜質(zhì)等都對(duì)硬度有影響。當(dāng)溫度升高時(shí)，硬度將下降。2. 2. 2 陶瓷材料的脆性斷裂與強(qiáng)度 脆性斷裂：一般認(rèn)為脆性斷裂就是材料在受力后，將在低于其本身結(jié)合強(qiáng)度的情況下作應(yīng)力再分配，當(dāng)外加應(yīng)力的速率超過應(yīng)力再分配的速率時(shí)，就發(fā)生斷裂。這種斷裂沒有先兆，是突然發(fā)生的，而且是災(zāi)難性的。 影響因素：材料呈現(xiàn)出脆性或延性并不是絕對(duì)的，而是和材料的組分、結(jié)構(gòu)、受力條件和環(huán)境等因素有關(guān)。 強(qiáng)度- 材料的強(qiáng)度是抵抗外加負(fù)荷的能力。 對(duì)材料的強(qiáng)度進(jìn)

4、行大量研究的兩個(gè)角度。 以應(yīng)用力學(xué)為基礎(chǔ)，從宏觀現(xiàn)象研究材料應(yīng)力應(yīng)變狀況，進(jìn)行力學(xué)分析，總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，作為設(shè)計(jì)、使用材料的依據(jù)，這是力學(xué)工作者的任務(wù)。 從材料的微觀結(jié)構(gòu)來研究材料的力學(xué)性質(zhì)，也就是研究材料宏觀力學(xué)性能的微觀機(jī)理，從而找出改善材料性能的途徑，為工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。 以材料脆性斷裂的主要根源-微裂紋缺陷為研究對(duì)象發(fā)展出一門新的學(xué)科斷裂力學(xué)。 一、裂紋的起源與擴(kuò)展 二、靜態(tài)疲勞 三、蠕變斷裂 四、顯微組織對(duì)材料脆性斷裂的影響 一、裂紋的起源與擴(kuò)展 1裂紋的起源 2裂紋的快速擴(kuò)展 3影響裂紋擴(kuò)展的因素1 裂紋的起源（）由于晶體微觀結(jié)構(gòu)中存在缺陷，當(dāng)受到外力作用時(shí)，在這些缺陷處就引起

5、應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋成核，位錯(cuò)在材料中運(yùn)動(dòng)會(huì)受到各種阻礙：. 由于晶粒取向不同，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)會(huì)受到晶界的障礙，而在晶界產(chǎn)生位錯(cuò)塞積； . 材料中的雜質(zhì)原子引起應(yīng)力集中而成為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。 . 熱缺陷，交叉（指位錯(cuò)組合、位錯(cuò)線與位錯(cuò)或位錯(cuò)線與其它缺陷相互交叉）都能使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到阻礙。 當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到各種障礙時(shí)，就會(huì)在障礙前塞積起來，導(dǎo)致微裂紋形成。圖2-2-1就是位錯(cuò)形成微裂紋示意圖圖2-2-1 位錯(cuò)形成微裂紋示意圖（a）位錯(cuò)組合形成的微裂紋；（b）位錯(cuò)在晶界前塞積形成的微裂紋；（c）位錯(cuò)交截形成的微裂紋（）材料表面的機(jī)械損傷與化學(xué)腐蝕形成表面裂紋，這種表面裂紋最危險(xiǎn)，裂紋的擴(kuò)展常常由表面裂紋開始。

6、 （）由于熱應(yīng)力而形成裂紋。此外，溫度變化時(shí)有晶型轉(zhuǎn)變的材料也會(huì)因體積變化而引起裂紋。圖2-2-2 由于熱應(yīng)力形成的裂紋 2裂紋的快速擴(kuò)展格里菲斯裂紋理論：材料的斷裂強(qiáng)度不是取決于裂紋的數(shù)量，而是決定于裂紋的大小，即是由最危險(xiǎn)的裂紋尺寸（臨界裂紋尺寸）決定材料的斷裂強(qiáng)度，一旦裂紋超過臨界尺寸，裂紋就迅速擴(kuò)展而斷裂。對(duì)于脆性材料，裂紋的起始擴(kuò)展就是破壞過程的臨界階段，因?yàn)榇嘈圆牧匣旧蠜]有吸收大量能量的塑性形變。3、影響裂紋擴(kuò)展的因素 外界作用應(yīng)力； 材料中吸收能量的機(jī)構(gòu)。例如金屬陶瓷和復(fù)合材料、此外人為地在材料中造成大量極微細(xì)的裂紋（小于臨界尺寸）也能吸收能量，阻止裂紋擴(kuò)展。 二、靜態(tài)疲勞 靜

7、態(tài)疲勞：裂紋在使用應(yīng)力下，隨著時(shí)間的推移而緩慢擴(kuò)展，這種緩慢擴(kuò)展也叫亞臨界擴(kuò)展，或稱為靜態(tài)疲勞。 材料在循環(huán)應(yīng)力作用下的破壞叫做動(dòng)態(tài)疲勞。 裂紋緩慢擴(kuò)展的結(jié)果是裂逐漸加大，一旦達(dá)到臨界尺寸就會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展而破壞。 材料的斷裂強(qiáng)度取決于時(shí)間，即構(gòu)件的壽命問題。就是在使用應(yīng)力下，構(gòu)件能用多少時(shí)間將要破壞。 如果能事先知道構(gòu)件能用多少時(shí)間將要破壞，就可以限制使用應(yīng)力延長壽命，或用到一定時(shí)間就進(jìn)行檢修，撤換構(gòu)件。裂紋緩慢擴(kuò)展本質(zhì)的幾種觀點(diǎn)： 1應(yīng)力腐蝕理論該理論認(rèn)為環(huán)境對(duì)裂紋端部應(yīng)力集中區(qū)域的腐蝕比對(duì)裂紋側(cè)面的腐蝕要嚴(yán)重得多，這種腐蝕使裂紋端部原子間的化學(xué)鍵受到破壞，導(dǎo)致裂紋緩慢擴(kuò)展，一旦達(dá)到臨界尺寸就失

8、穩(wěn)而斷裂。因此，環(huán)境對(duì)疲勞壽命影響很大，環(huán)境愈惡劣（如水蒸汽分壓高），裂紋擴(kuò)展速度愈快，溫度愈高、化學(xué)反應(yīng)愈烈，裂紋擴(kuò)展速度也愈快。應(yīng)力腐蝕理論的局限性：這一理論能解釋許多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但有人在真空中實(shí)驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)了疲勞現(xiàn)象，說明單純用應(yīng)力腐蝕來說明疲勞現(xiàn)象是不夠的。自由表面能降低環(huán)境中的表面活性物質(zhì)吸附在裂紋表面上使裂紋表面的自由表面能降低，這就降低了斷裂表面能。自由表面能降低的局限性：自由表面能僅為斷裂表面能的一小部分，即使像硅酸鹽玻璃這樣的脆性材料，自由表面能也大約只有斷裂表面能的30%，所以只從自由表面能的降低來說明疲勞現(xiàn)象也是不夠滿意的。能量分布狀態(tài)變化裂紋附近由于應(yīng)力集中，晶格結(jié)點(diǎn)能量分

9、布狀態(tài)發(fā)生變化，這些地方的原子處于高能量狀態(tài)，這就加速了空位運(yùn)動(dòng)和原子擴(kuò)散傳質(zhì)。同時(shí)，環(huán)境影響斷裂表面能，從而影響空位的運(yùn)動(dòng)和原子傳質(zhì)。 大多數(shù)氧化物陶瓷由于含有大量堿性硅酸鹽玻璃相，通常也有疲勞現(xiàn)象。疲勞過程還受加載速率的影響，加載速率愈慢，裂紋緩慢擴(kuò)展的時(shí)間愈長，在較低的應(yīng)力下就能達(dá)到臨界尺寸。 三、蠕變斷裂 多晶材料在高溫時(shí)，在恒定應(yīng)力作用下由于形變不斷增加而導(dǎo)致斷裂稱為蠕變斷裂。 高溫下形變的主要部分是晶界滑動(dòng)，因此蠕彎斷裂的主要形式是沿晶界斷裂。蠕變斷裂的兩種理論：粘性流動(dòng)理論和空位聚積理論粘性流動(dòng)理論：高溫下晶界要發(fā)生粘性流動(dòng)，在晶界交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，如果應(yīng)力集中使得相鄰晶粒發(fā)生

10、塑性形變而滑移，則將使應(yīng)力弛豫，如果不能使鄰近晶粒塑性形變，則應(yīng)力集中將使晶界交界處產(chǎn)生裂紋。這種裂紋逐步擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂。 空位聚積理論：在應(yīng)力及熱波動(dòng)的作用下，受拉的晶界上空位濃度大大增加（回憶擴(kuò)散蠕變理論），這些空位大量聚積，可形成可觀的的裂紋，這種裂紋逐步擴(kuò)展就導(dǎo)致斷裂。綜上：蠕變斷裂明顯地取決于溫度和外加應(yīng)力。溫度愈低，應(yīng)力愈小，則蠕變斷裂所需的時(shí)間愈長。蠕變斷裂過程中裂紋的擴(kuò)展屬于亞臨界擴(kuò)展。四、顯微組織對(duì)材料脆性斷裂的影響1晶粒尺寸對(duì)多晶材料，晶粒愈小，強(qiáng)度愈高。 由于晶界比晶粒內(nèi)部弱，所以多晶材料破壞多是沿晶界斷裂。細(xì)晶材料晶界比例大，裂紋的擴(kuò)展要走迂回曲折的道路，晶粒愈細(xì)，此路程

11、愈長。此外，多晶材料中初始裂紋尺寸與晶粒度相當(dāng)，晶粒愈細(xì)，初始裂紋尺寸就愈小，這樣就提高了臨界應(yīng)力。2氣孔的影響大多數(shù)陶瓷材料的強(qiáng)度和彈性模量都隨氣孔率的增加而降低。氣孔不僅減小了負(fù)荷面積，而且在氣孔領(lǐng)近區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，減弱材料的負(fù)荷能力。一般情況下，氣孔率越高，強(qiáng)度越低。 氣孔有利的一面，就是當(dāng)存在高的應(yīng)力梯度時(shí)（例如由熱震引起的應(yīng)力）氣孔能起到阻止裂紋擴(kuò)展的作用。除晶粒尺寸、氣孔對(duì)強(qiáng)度有重要影響外，其它如雜質(zhì)的存在，也會(huì)由于應(yīng)力集中而降低強(qiáng)度；當(dāng)存在彈性模量較低的第二相時(shí)也會(huì)使強(qiáng)度降低。 2. 2. 3 陶瓷材料的透光性研究近年來迅速發(fā)展起來的以高純物質(zhì)為原料、基本上為單一晶相的多晶材料“透明陶瓷”。這類材料1毫米厚的試片其透光率可以達(dá)到80%以上。 一、透明瓷具有良好透光性的主要原因 透明陶瓷為要獲得高度透光性的必要條件主要是： 1. 高密度，盡可能接近理論密度；