陶瓷及其陶瓷涂层材料的力学性能材料的宏微观力学性能

第十三章 陶瓷及其陶瓷涂层材料的力学性能,13.1 陶瓷材料概述,13.1.1 陶瓷材料定义,由金属和非金属元素或单质组成的具有共价键、离子键或混合键结合特性的晶态或非晶态无机非金属材料的总称。,1. 现代陶瓷材料,2. 范围和种类,它既包括了各种氧化物、复合氧化物和各种硅酸盐，还包括碳化物、硅化物、氮化物、硼化物、金属间化合物。现代还把金属陶瓷，单质无机材料如金刚石、石墨和单晶硅等统统归入陶瓷范畴，使陶瓷成为种类和晶种极多的一个材料大家族，与金属、高分子有机材料共同构成当代三大固态工程材料。,13.1.2 陶瓷材料微观结构,陶瓷材料微观结构,相分布,晶粒尺寸,晶粒形状,气孔大小和分布,杂质缺陷,晶界,陶瓷材料由晶相、玻璃相、气相组成。,13.1.2 陶瓷材料微观结构,晶相是陶瓷材料的主要组成相，决定陶瓷材料的物理化学特性,玻璃相是非晶态低熔点固体相，起黏结晶相、填充气孔、降低烧结温度等作用。,气相和气孔是陶瓷材料在制备过程中由于原料微粒堆积不够致密而必然出现的现象。,氧化物结构和硅酸盐结构是陶瓷晶体中最重要的两类结构。它们的共同特点是结合键主要是离子键，含一定比例的共价键；有确定的成分，可以用确定的分子式表示。不同种类、不同粒度、不同数量、不同形状和分布的主晶相、非晶相和气相，就组成了具有不同物理化学性能的千百种陶瓷材料。,13.1.3 陶瓷材料的热物理性能,1. 密度,2. 热膨胀系数,3. 熔点,4. 导电性,绝大多数陶瓷材料的相对密度在2.54.0 之间,由于陶瓷晶体是由共价键、离子键组成，故陶瓷材料的熔点一般很高。,陶瓷材料的热膨胀系数一般都很小，进而可以体现其热稳定性和体积稳定性都很好。,陶瓷材料电化学性能也是多种多样的，包括导电陶瓷、半导体陶瓷、绝缘或介电陶瓷以及超导陶瓷 。,13.2 陶瓷材料的力学性能,13.2.1陶瓷材料的弹性变形,绝大多数陶瓷材料在室温下拉伸或弯曲，均不产生塑性变形，即弹性变形阶段结束后立即呈脆性断裂特征。,13.2.2 陶瓷材料的塑性变形,1.常温条件：,一般的陶瓷材料由于晶体结构复杂，在室温下没有塑性；,2.高温条件：,由于温度升高，陶瓷材料的强度下降，因而表现出部分塑性变形。,3. 陶瓷材料超塑性变形,1)定义：,在一定的温度和应力作用下，材料显示出非常高的塑性变形率，其拉伸变形量可达百分之几百。,2) 类型,一种是相变超塑性，它是由于温度变化经过相变点因相变而产生的超塑性行为，如方氧化铁多晶体(TZP)是最典型的超塑性陶瓷。,另一种是结构超塑性，它是晶粒具有等轴形状的均匀细晶粒材料在应力作用下表现出的超塑性行为，故也称细晶超塑性。,13.2.2 陶瓷材料的超塑性变形,3) 产生超塑性条件,晶粒细小，其临界尺寸范围约 晶粒是等轴的； 第二相弥散分布，能抑制高温下基体晶粒生长； 晶粒间存在液相或无定形相。,13.2.2 陶瓷材料的塑性变形,晶粒尺寸和晶界的性质是影响陶瓷材料超塑性的主要因素。细晶粒超塑性机理是晶界滑移，晶粒尺寸越小，晶界越多，高温下越容易产生晶界滑移，变形量越大，表现出高的超塑性。在超塑性变形过程中，变形前后的超细晶粒并非保持不变，由于应变和高温的联合作用，材料显微结构出现晶粒长大现象。,13.2.2 陶瓷材料的塑性变形,4) 影响超塑性因素,内在因素,外在因素,晶粒尺寸、显微结构的稳定性,应变速率、变形温度,13.2.3陶瓷材料的硬度与磨损,13.2.3.1 陶瓷材料硬度,1.定义及类型,它是材料抵抗局部压力而产生变形能力的表征。常见的硬度指标有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC)、维氏硬度(HV)、显微硬度(HM)、莫氏硬度、努普硬度(HK)等。,1)可沿用金属材料硬度测试方法； 2)实验方法及设备简便，试样小而经济； 3)硬度作为材料本身的物性参数，可以获得稳定的数值； 4)维氏硬度测定的同时，可以测得断裂韧性。,2. 陶瓷材料硬度的测定方法有如下优点：,在陶瓷材料中常用维氏硬度、显微硬度和莫氏硬度。,3. 陶瓷材料的硬度公式,维氏硬度,显微硬度,4. 莫氏硬度分级顺序表,13.2.3.2陶瓷材料耐磨性,1. 定义,耐磨性是指材料抵抗对偶件摩擦或磨料磨损的能力。,在任何运转的机器中，各部分部件之间发生相对运动，即彼此间发生滑动或滚动摩擦或两者并存的摩擦，在摩擦作用下发生机械、物理、化学的相互作用，以致使机件表面发生尺寸变化和物质损耗，这种现象称为磨损。,2. 特点,陶瓷材料磨损量的大小跟接触面的光滑度或颗粒尺寸、磨损面的正压力有关。表面越光滑，颗粒间的滑移运动越小。磨损率随撞击角度的增加而增加，随相对速度增加而增加。此外，陶瓷的磨损还与材料的相对硬度、强度、弹性模量、密度以及环境等因素有关。,13.2.4陶瓷材料的断裂韧性及测试方法,13.2.4.1陶瓷材料的静态韧性,陶瓷材料的静态韧性即单位体积材料断裂前所吸收的功，可按照下式计算：,(13.4),特点：,陶瓷材料的断裂强度并不比钢的屈服强度高，但是其弹性模量却比钢的高，因此陶瓷材料的静态韧性很低。,13.2.4.2陶瓷材料的断裂韧性,1.陶瓷材料裂纹扩展抗力可以按照下列公式估算：,(13.5),2. 陶瓷材料型裂纹的应力强度因子和断裂韧性可按下式计算,Y为无量纲因子，取决于裂纹几何形状、试样形状及加载方式， 为断裂韧性,13.2.4.3 陶瓷材料断裂韧性测试方法,单边切口梁法(single edge notched beam， 简称SENB法),13.2.4.3 陶瓷材料断裂韧性测试方法,2. 双悬臂梁法(double cantilever, 简称DCB法)、,13.2.4.3 陶瓷材料断裂韧性测试方法,3. 双扭法(double torsion，简称DT法)、,13.2.4.3 陶瓷材料断裂韧性测试方法,4. 短棒法(short bar和short rod，简称SB，SR法)，其中短棒法开了V形内切口，故又称CN法(chevron notch)，,SB法,SR法,CN法,13.2.4.3 陶瓷材料断裂韧性测试方法,5. 压痕法IM(indentation method),1. 单边切口梁法,三点弯曲,四点弯曲,测定值比较稳定，如果切口宽度能控制在以下 ，可得到可比性较好又比较接近真实值的 值。,单边切口梁法优点,数据分散性小，重复性较好，试样加工和测定方法比较简单,该方法适用于高温或不同介质和气氛中试验。,存在的问题：,断裂韧性受切口宽度的影响，其值随切口宽度的增大而增大,5. 压痕法测量断裂韧性,半月型裂纹,巴氏裂纹,压痕法的优点：,最大的优点是无需特别制备专门试样，可利用很小的试样即可测试，即在测试维氏硬度的同时便可获得值，,为了减少用压痕法测定相变增韧陶瓷断裂韧性值带来的误差，对上面两式进行修正,半月型裂纹,巴氏裂纹,13.2.5 陶瓷材料的强度,1. 定义,材料强度是指材料在一定载荷作用下发生破坏时的最大应力值。,2. 特点,由于陶瓷材料无塑性，陶瓷强度主要指它的断裂强度 。,式中 为理论断裂强度， 为弹性模量， 为材料表面比能， 为原子间距离。作为数量级粗略估计，若原子间距离 ，材料中的裂纹长度 ，则带裂纹体的断裂强度 仅为无裂纹体理论强度的万分之一。,理想晶体的断裂强度为,13.2.5.1陶瓷材料的抗弯强度,抗弯强度是指矩形界面在弯曲应力作用下受拉面断裂时的最大应力，加载方式分为三点弯曲和四点弯曲两种 。,三点弯曲,四点弯曲,13.2.5.2陶瓷材料的抗压强度,陶瓷材料的抗压强度又称压缩强度，是指一定尺寸和形状的陶瓷试样在规定的试验机上受轴向应力作用破坏时，单位面积上所承受的载荷或是陶瓷材料在均匀压力下破碎时的应力。,试样要求：试样尺寸一般为高:直径2:1，每组试样为10个以上。,13.2.5.3 陶瓷材料的抗拉强度,陶瓷材料由于脆性大，在拉伸试验时易在夹持部位断裂，加之夹具与试样轴心不一致产生附加弯矩，因而往往测不出陶瓷材料真正的抗拉强度。 故陶瓷材料一般主要以抗弯强度和抗压强度为陶瓷强度参考依据。,13.2.5.4影响陶瓷材料强度的主要因素,陶瓷材料强度影响因素,微观结构,内部缺陷的形状和大小,试样本身的尺寸和形状,应变速率,环境因素,受力状态和应力状态,13.2.6 陶瓷材料的热冲击,1. 定义,由于温度急剧变化引起的器件热胀冷缩，在材料内产生很大的瞬态热应力，以极大的速度和冲击形式作用在物体上，成为热冲击。,因此，热冲击断裂与损伤是工程陶瓷材料失效的主要方式之一，也是评价工程陶瓷材料使用性能的一种重要性能指标。,2. 抗热震性,它指材料承受温度骤变而不破坏的能力 ，材料的抗热震性是其力学性能和热学性能的综合表现。,分类：,2. 在热冲击循环作用下，材料先出现开裂，随之裂纹扩展，导致材料强度降低，最终整体破坏，称为热震损伤。,1. 由热震引起的瞬时断裂，称为热震断裂；,3) 当热应力导致的储存于材料中的应变能足以支付裂纹成核和扩展所需的新增表面能时，裂纹就形成和扩展。随着反复的加热、冷却，裂纹扩展，强度急剧降低，机件局部有可能发生剥落或崩裂，这就是热震损伤的过程。陶瓷材料的抗热震性通常用抗热震参数表征。,影响因素及特征,1) 陶瓷材料的抗热震性不仅受几何因素、环境介质的影响，同时也取决于材料的强度和断裂韧度。在各种热环境下引起的热应力，以及与之相应的应力强度因子是热震破坏的动力。,2) 当材料固有的强度不足以抵抗热震温差引起的热应力时，将导致材料瞬时热震断裂。,13.2.6.1抗热震断裂,1. 热震断裂,当温度急变引起的热冲击应力超过了材料的固有强度，则发生瞬时断裂，,2. 温度剧变引起的热应力,3. 抗热震系数,一般将表面热应力达到材料固有强度作为临界状态，临界温差就为抗热震系数,(13.19),对于缓慢加热和冷却的陶瓷材料，其抗热震断裂参数为：,13.2.6.2 抗热震损伤,1. 定义,在热冲击应力作用下，构料出现开裂、剥落，直至碎裂或整体断裂的热损伤过程。,2.热震损伤理论,它基于断裂力学理论，分析材料在温度变化条件下的裂纹成核、扩展及抑制等动态过程，以热弹性应变能 和材料的断裂能 之间的平衡条件作为热震损伤的判据( )。,3.热震损伤参数,抗热震损伤性能好的材料应该具有尽可能高的弹性模量，断裂表面能和尽可能低的强度。这些要求正好与高热震断裂抗力的要求相反。,(13.21),13.2.7 陶瓷材料的蠕变,1. 蠕变定义回顾,材料在恒应力作用下，随时间的增长而持续发展的变形过程。,而对于脆性陶瓷材料，在常温下一般不发生或很少发生塑性变形就发生脆性断裂，但是随着温度的升高和时间的延长，陶瓷材料在一定程度上将显示出塑性变形能力。,13.2.7.1陶瓷材料蠕变机理,金属材料蠕变机理基本适用于陶瓷材料 ，但是陶瓷材料一般是多晶体材料，还具有其自己的特点。,1) 空位扩散流动(扩散蠕变),对于不含第二相物质的陶瓷材料，其蠕变机理主要受扩散蠕变控制。该机理认为蠕变是在外应力作用下的空位定向扩散过程 。由于切应力作用，导致晶体内空位浓度重新分布，进而引起穿越晶体的空位流动，如图13.5所示,(13.22),由于一个空位离去或一个原子进入晶粒边界所引起的形变，即从晶界AC和BD两侧每单位面积有一个原子扩散到AB和CD侧所产生的应变，称该现象为应力诱发空位扩散。,那保罗(Nabarro)和阿瑞林(Herring)计算出晶粒扩散蠕变速率表达式为,(13.23),如果扩散沿晶界发生，即沿晶界扩散模型(如图13.5(b)，柯伯Coble的扩散蠕变速率计算公式如下,(13.24),2)晶界滑移,多晶体陶瓷晶界是晶格点阵的畸变区，起着缺陷和阱的作用，也是化学组成的微不均匀带，易于富集杂质，形成玻璃相或微晶相。同时，晶界是应力集中处，所以相邻晶粒间的滑移是陶瓷高温蠕变的一种重要微观过程。,