第十章 陶瓷材料的力學性能

第十章陶瓷材料的力學性能§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)別在于化學鍵不同。一、陶瓷材料的特點

（1）陶瓷材料的相組成特點晶相--------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性質的主要是晶相。玻璃相的作用是充填晶粒間隙、粘結晶粒、提高材料致密度、降低燒結溫度和抑制晶粒長大。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）陶瓷材料的結合鍵特點陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，因而其結合鍵以離子鍵(如Al2O3)、共價鍵(如Si3N4)及兩者的混合鍵為主。共價鍵離子鍵4（3）陶瓷材料的性能特點---最顯著的特點：硬而脆陶瓷材料具有高熔點、高化學穩(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、強度高等特點。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陶瓷具有硬度高、脆性大的特點，大部分陶瓷是通過粉體成型和高溫燒結來成形的，因此陶瓷是燒結體。燒結體也是固相反應形成晶粒的聚集體，有晶粒和晶界，所存在的問題是其存在一定的氣孔率。Al2O3粉末的燒結組織ZrO2陶瓷中的氣孔6二、陶瓷材料的分類（1）按化學成分分類

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構陶瓷和功能陶瓷兩類。陶瓷零件8三、常用的工程陶瓷

工程陶瓷的生產過程：原料制備、坯料成形和制品燒成或燒結。①原料制備

將礦物原料經揀選、粉粹后配料、混合、磨細等得到坯料。②坯料成形

將坯料加工成一定形狀和尺寸并有必要機械強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，進行一系列的物理、化學變化而成瓷的過程。燒成是使坯件瓷化的工藝（1250℃～1450℃）；燒結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)、長石(K2O·Al2O3·6SiO2，Na2O·Al2O3·6SiO2)和石英(SiO2)為原料，經成型、燒結而成的陶瓷。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、新型結構陶瓷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、氣動陶瓷配件11根據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，內燃機的火花塞，火箭、導彈的導流罩及軸承等。氧化鋁陶瓷轉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鍵固體。①氮化硅的制備與燒結工藝工業(yè)硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4二氧化硅還原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO燒結工藝優(yōu)點缺點反應燒結燒結時幾乎沒有收縮，能得到復雜的形狀密度低，強度低，耐蝕性差熱壓燒結用較少的助劑就能致密化，強度、耐蝕性最好只能制造簡單形狀，燒結助劑使高溫強度降低14②性能特點及應用氮化硅的強度、比強度、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)?。豢篃嵴鹦源蟠蟾哂谄渌沾刹牧?；化學穩(wěn)定性高。熱壓燒結氮化硅用于形狀簡單、精度要求不高的零件，如切削刀具、高溫軸承等。Si3N4軸承15

反應燒結氮化硅用于形狀復雜、尺寸精度要求高的零件，如轉子、機械密封環(huán)等。汽輪機轉子葉片氣閥等零件16（3）碳化硅（SiC）陶瓷碳化硅是通過鍵能很高的共價鍵結合的晶體。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。碳化硅的燒結工藝也有熱壓和反應燒結兩種。由于碳化硅表面有一層薄氧化膜，因此很難燒結，需添加燒結助劑促進燒結，常加的助劑有硼、碳、鋁等。常壓燒結碳化硅17碳化硅的最大特點是高溫強度高，有很好的耐磨損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳導能力很強，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、燃氣輪機葉片及軸承，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變：立方相?四方相?單斜相。四方相轉變?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，具有這種結構的氧化鋯稱為完全穩(wěn)定氧化鋯(FSZ)，其力學性能低，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變可通過應力誘發(fā)產生。當受到外力作用時，這種相變將吸收能量而使裂紋尖端的應力場松弛，增加裂紋擴展阻力，從而大幅度提高陶瓷材料的韌性。部分穩(wěn)定氧化鋯的導熱率低，絕熱性好；熱膨脹系數(shù)大，接近于發(fā)動機中使用的金屬，抗彎強度與斷裂韌性高，除在常溫下使用外，已成為絕熱柴油機的主要侯選材料，如發(fā)動機汽缸內襯、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輪芯軸氧化鋯制品實例22§10.2陶瓷材料的變形與斷裂一、彈性變形特點：1）彈性模量大；

2）成型與燒結工藝對彈性模量影響大；

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（主滑移系運動）。陶瓷的高溫超塑性

是微晶超塑性------晶界滑動，晶界液相流動。

存在條件：超細等軸晶，第二相彌散分布，晶粒間存在液相或無定形相。

如含化學共沉淀法制備的含Y2O3的ZrO2粉體，在1250℃燒結后，3.5×10-2S-1應變速率ε=400%。

利用陶瓷的超塑性，可以對陶瓷進行超塑加工。超塑加工＋擴散焊接：新的復合加工方法。24三、斷裂陶瓷材料斷裂過程都是以其內部或表面存在的缺陷為起點而發(fā)生。晶粒和氣孔尺寸在決定陶瓷材料強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度量強度均勻性。m值大，材料強度分布窄，分散性小。優(yōu)質工程陶瓷m為10.主要斷裂機理：解理（穿晶解理→沿晶斷裂）。25§10.3陶瓷材料的強度一、抗彎強度采用三點彎曲或四點彎曲試驗方法（實用）。

σf,4<σf,3m越小其差值愈大。二、抗拉強度常用抗彎強度代替，抗彎強度比抗拉強度高20%－40%。三、抗壓強度拉伸時，陶瓷材料中的缺陷作為裂紋源快速擴展導致斷裂；壓縮時，裂紋緩慢擴展并相互連接，最終導致壓碎。26表10-4某些材料的抗拉強度和抗壓強度材料抗拉強度/Mpa抗壓強度/Mpa抗拉強度/抗壓強度鑄鐵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定陶瓷材料斷裂韌度的方法：單邊切口梁法，山形切口法，壓痕法，雙扭法，雙懸臂梁法。名稱優(yōu)點缺點適用條件單邊切口梁法數(shù)據分散性小，重現(xiàn)性好，試樣加工測定簡單所測KIC值受切口寬度影響大高溫和各種介質條件山形切口法切口寬度對KIC影響小，測定值誤差小試樣加工困難，需專用夾具高溫和各種介質條件壓痕法測試方便，可用很小試樣進行多點韌度測試表面質量、加載速率、載荷時間、卸載后測量時間對裂紋長度有影響，KIC誤差大用于對韌度相對評價，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度提高，斷裂韌度值增大，因此陶瓷材料的增韌常與增強相聯(lián)系。陶瓷增韌途徑：（除纖維、納米顆粒等制備陶瓷基復合材料外）1）改善陶瓷顯微結構a.使材料達到細、密、勻、純b.晶粒長寬比增大，KIC值增大。2）相變增韌：受使用溫度限制（應<800℃)3）微裂紋增韌主裂紋擴展遇到微裂紋發(fā)生分叉轉向前進，增加擴展過程中的表面能；主裂紋尖端應力集中被松弛，擴展減慢。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。測量維氏或努氏硬度時，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陶瓷材料的磨損機理：1）在滑動摩擦條件下的磨損機理主要是以微斷裂方式導致的磨粒磨損。陶瓷與陶瓷材料配對的摩擦副粘著傾向?。?/p>

（金屬+陶瓷<金屬+金屬）2）在特定條件下可能形成摩擦化學磨損（特有磨損機理）。31二、疲勞陶瓷的疲勞包括靜態(tài)疲勞、動態(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間延長而下降產生的斷裂，對應于金屬材料的應力腐蝕和高溫蠕變斷裂。循環(huán)疲勞是陶瓷材料在循環(huán)載荷作用下所產生的低應力斷裂。32當外加應力低于斷裂應力時，陶瓷材料也可能出現(xiàn)亞臨界裂紋擴展。其特點為：1）KI≤Kth區(qū)：裂紋不發(fā)生亞臨界擴展；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4）高速區(qū)（Ⅲ區(qū)）

da/dt隨KI變化呈指數(shù)關系增大。工程陶瓷零件的使用壽命由裂紋低速擴展區(qū)決定。33疲勞特性評價：1）陶瓷材料的疲勞裂紋擴展速率和應力強度因子范圍符合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，說明陶瓷更難產生疲勞裂紋。3）陶瓷材料在室溫及大氣中也會產生應力腐蝕斷裂，其應力腐蝕門檻值KIscc與KIC之比較鋼低。4）陶瓷材料