材料的力學(xué)性能13課件

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(duì)缺陷十分敏感，故其強(qiáng)度試驗(yàn)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(duì)其力學(xué)性能做更多的研究，并對(duì)其力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果做統(tǒng)計(jì)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(duì)這些材料力學(xué)性能的研究報(bào)導(dǎo)也日益增多。

除少數(shù)幾個(gè)具有簡(jiǎn)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(méi)有塑性，因而是脆性材料。脆性材料的拉伸試驗(yàn)只能測(cè)定其彈性模量和斷裂強(qiáng)度。

13.2陶瓷材料的彈性模量材料E/GPa材料E/GPa材料E/GPa金剛石1200W2C428NbC345WC717MoSi2380Be2C317TiB2648BeO352SiC485Al2O3510FeSi2345B4C455TiC490ZrC345ZrB2440表13-1典型陶瓷材料的彈性模量[165](2)氣孔率對(duì)陶瓷材料彈性模量的影響

(13-1)

式中E0為無(wú)孔隙時(shí)陶瓷材料的彈性模量，p為孔隙率?？紫堵蕦?duì)彈性模量Eeff的影響示于圖13-1；圖中曲線按式（13-1）畫(huà)出。圖13-1孔隙率對(duì)陶瓷材料彈性模量Eeff的影響[167]圖13-2金屬與陶瓷材料σ-e曲線的彈性部分。13.3陶瓷材料的強(qiáng)度13.3.1陶瓷材料的斷裂強(qiáng)度強(qiáng)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(biāo)：延伸率δ和斷面收縮率Ψ均近似為零?？梢哉J(rèn)為，陶瓷材料的抗拉強(qiáng)度σb,斷裂強(qiáng)度σf和屈服強(qiáng)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(rèn)為是本征脆性材料。此外,陶瓷材料的軸向壓縮強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度大得多。這是脆性材料的一個(gè)特點(diǎn)或優(yōu)點(diǎn)。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估算陶瓷材料的理論強(qiáng)度（見(jiàn)6.2節(jié)）[6]，則理論強(qiáng)度和實(shí)際斷裂強(qiáng)度差別達(dá)1-3個(gè)數(shù)量級(jí)。這是因?yàn)閷?shí)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(shí)斷裂強(qiáng)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(shí)斷裂強(qiáng)度可按下式估算[168](13-2)

式中σ0為無(wú)微孔洞材料的斷裂強(qiáng)度。試樣的表面粗糙度對(duì)陶瓷材料的彎曲斷裂強(qiáng)度有很大的影響，如圖13-4所示[39]。而且，試樣加工方向?qū)箯潖?qiáng)度也有影響，尤其是磨削方向與拉伸應(yīng)力方向垂直時(shí)，會(huì)因加工傷痕而使強(qiáng)度降低很多；在平行于拉伸軸的方向磨削時(shí)，影響較小。圖13-4因加工產(chǎn)生的表面?zhèn)叟c氮化鋁AlN強(qiáng)度的關(guān)系[39]13.3.2陶瓷材料強(qiáng)度的概率分布測(cè)定陶瓷材料的抗拉強(qiáng)度比較困難，主要是因?yàn)樘沾刹牧嫌捕?，難以加工出高精度的拉伸試樣，而且要求試驗(yàn)機(jī)具有高的同心度。故目前主要以測(cè)定彎曲強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)陶瓷強(qiáng)度性能指標(biāo)[]。為得到可靠的試驗(yàn)結(jié)果，最好能從同質(zhì)坯料上切出盡可能多的小試樣，進(jìn)行大子樣試驗(yàn)，然后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。陶瓷材料的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果不僅遵循威布爾（Weibull）分布，也遵循正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布[]。13.4.2加載速率對(duì)陶瓷材料強(qiáng)度和切口強(qiáng)度的影響加載速率對(duì)陶瓷材料彎曲強(qiáng)度和切口強(qiáng)度的影響，如圖13-7所示。圖13-7加載速率對(duì)陶瓷材料彎曲強(qiáng)度和切口強(qiáng)度的影響

由此可見(jiàn)，當(dāng)加載速率較低時(shí)，加載速率對(duì)陶瓷材料彎曲強(qiáng)度和切口強(qiáng)度的影響不大；當(dāng)加載速率高于某一數(shù)值時(shí)，陶瓷材料彎曲強(qiáng)度和切口強(qiáng)度隨加載速率的升高而急劇下降。這與加載速率對(duì)金屬拉伸強(qiáng)度的影響剛好相反。這是研究和應(yīng)用陶瓷材料時(shí)，應(yīng)予以考慮的另一個(gè)重要特點(diǎn)；也可能是制約陶瓷材料用作高速運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)件的另一個(gè)因素。在高溫下，提高加載速率也降低陶瓷材料的強(qiáng)度和切口強(qiáng)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(dòng)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(duì)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(dòng)態(tài)疲勞，是以恒定的速率加載，研究材料的失效斷裂對(duì)加載速率的敏感性，類(lèi)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)力作用下發(fā)生的失效斷裂，對(duì)應(yīng)于金屬中的疲勞。下面簡(jiǎn)要介紹循環(huán)疲勞與靜態(tài)疲勞。

圖13-8Al2O3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(kuò)展速率圖13-10陶瓷材料的裂紋擴(kuò)展速率曲線a)循環(huán)疲勞b)靜疲勞[174]13.5陶瓷材料的韌性13.5.1陶瓷材料的靜態(tài)韌性陶瓷材料的靜態(tài)韌性，即單位體積材料斷裂前所吸收的功，可按下式計(jì)算，W=σf2/2E

(13-6)

而陶瓷材料的斷裂強(qiáng)度并不比鋼的屈服強(qiáng)度高，但其彈性模量卻比鋼的高，見(jiàn)表13-1。因此，陶瓷材料的靜態(tài)韌性很低。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(gè)量級(jí)，所以陶瓷材料的斷裂韌性比金屬材料的要低1-2個(gè)數(shù)量級(jí)；最高達(dá)到12-15MPa低者僅有2-3MPa[176]。13.6陶瓷材料的抗熱震性大多數(shù)陶瓷在生產(chǎn)和使用過(guò)程中都處于高溫狀態(tài)。而陶瓷材料的導(dǎo)