培训课件：陶瓷材料的力学行为共27页文档
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陶瓷材料力学性能
第六节 陶瓷材料的疲劳
• 一、陶瓷材料的疲劳类型
• 陶瓷材料的疲劳，除在循环载荷作用下存 在机械疲劳效应外，其含义要比金属材料 的要广。
• 静态疲劳：在静载荷作用下，陶瓷承载能 力随着时间延长而下降的断裂现象；
• 动态疲劳：恒加载速率下，陶瓷承载能力 随着时间延长而下降的断裂现象。
1.静态疲劳
• 应力腐蚀定义：材料 在拉应力和特定的化 学介质共同作用下， 经过一段时间后所产 生的低应力断裂现象。
陶瓷材料的增韧
• 改善陶瓷显微结构
变相增韧
• 这是ZrO2陶瓷的典型增韧机理，通过四方相转变 成单斜相来实现。
• ZrO2陶瓷有三种晶型，从高温冷至室温时将发生 如下转变：
例如： • 热压烧结含钇的四方氧化锆多晶体，KIC值可达15.3MPa·m1/2； • 氧化锆增韧氧化铝陶瓷，KIC值可达15MPa·m1/2； • 热压烧结Si3N4，其中ZrO2的含量为20-25vol%时，KIC值可提高到
• 陶瓷材料的组成与结合键
负电性所体现的是一个原于吸住电子的能力，元素的负电性与其在 周期表中的位置有关，大约当负电性差∆X<0.4～0.5时，对形成固溶 体有利，当∆X增大时，则形成化合物的倾向增大。
• 陶瓷材料的显微结构
• 陶瓷材料由晶相、玻璃相和气孔组成。 • 如果玻璃相分布于主晶相界面，在高温下陶瓷材
抗压强度
第四节 陶瓷的硬度与耐磨度
陶瓷材料的硬度
陶瓷材料的耐磨性
• 1、陶瓷材料的表面接触特性 • 与金属相同，陶瓷表面也存在局部微凸起，
其外侧常有水蒸气或碳氢化合物形成的表 面层，而在内侧则可能有变形层，这是陶 瓷加工时形成的， • 陶瓷表面加工时还可能产生微裂纹或其它 缺陷，所以陶瓷的表面状况影响其摩擦磨 损行为。 • 陶瓷材料的摩擦副接触受载时，真实接触 面积上的局部应力一般引起弹性变形。
陶瓷材料简要介绍专题培训课件
紧密，膨胀系数小。
ⅲ.抗热震性：在温度急剧变化时抵抗破坏的能力；
陶瓷抗热震性一般较差，受热冲击时易破坏。
ⅳ.高的化学稳定性：抗氧化，1000℃高温下不氧化；
对酸、 碱、盐有良好的抗蚀性。
§3 陶瓷力学性能的检测方法
§3.1 §3.2 §3.3
硬度 弯曲强度 断裂韧性
3.1 硬度
硬度是材料抵抗局部压力而产生变形能力的表征。通常采 用的是维氏硬度与莫氏硬度。
9
1.3 气相：
气孔的影响：
i：有害的影响：降低强度。 ii：有利的影响：保温性增加，保温陶瓷、化工过滤 的多孔陶瓷。气孔率可达到60%。
高强度陶瓷的组织要求：
晶粒尺寸小，晶体缺陷少
高强度陶瓷
晶粒尺寸均匀，等轴 晶界相含量适中，减少脆性玻璃相 减少气孔率
均匀的晶粒尺寸越小，缺陷产生的几率越小, 强度 越高。
压痕法
用维氏或显微硬度压头，压入抛光的陶瓷试样表面，在压痕 对角线延长方向出现四条裂纹，测定裂纹长度，根据载荷与裂 纹长度的关系，求得KIc值。
P＜PC（左）和P＞PC（右）时压痕
2019/12/5
（以PC作为可是压痕产生裂纹的临界负荷）
21
压痕法
K HICa12 EH52
0.0
55lg8.4a c
KIC是断裂韧性 φ为一常数，约等于3 HV是维氏硬度 a为压痕对角线长度的一半 c为表面裂纹长度的一半
§4 常见陶瓷
§4.1 普通陶瓷
§4.2 特种陶瓷
§4.2.1 氧化物陶瓷 §4.2.2 氮化物陶瓷 §4.2.3 碳化物陶瓷
4.1 普通陶瓷
粘土（Al2O3 ▪ 2SiO2 ▪ H2O）
2019/12/5
ⅲ.抗热震性：在温度急剧变化时抵抗破坏的能力；
陶瓷抗热震性一般较差，受热冲击时易破坏。
ⅳ.高的化学稳定性：抗氧化，1000℃高温下不氧化；
对酸、 碱、盐有良好的抗蚀性。
§3 陶瓷力学性能的检测方法
§3.1 §3.2 §3.3
硬度 弯曲强度 断裂韧性
3.1 硬度
硬度是材料抵抗局部压力而产生变形能力的表征。通常采 用的是维氏硬度与莫氏硬度。
9
1.3 气相：
气孔的影响：
i：有害的影响：降低强度。 ii：有利的影响：保温性增加，保温陶瓷、化工过滤 的多孔陶瓷。气孔率可达到60%。
高强度陶瓷的组织要求：
晶粒尺寸小，晶体缺陷少
高强度陶瓷
晶粒尺寸均匀，等轴 晶界相含量适中，减少脆性玻璃相 减少气孔率
均匀的晶粒尺寸越小，缺陷产生的几率越小, 强度 越高。
压痕法
用维氏或显微硬度压头，压入抛光的陶瓷试样表面，在压痕 对角线延长方向出现四条裂纹，测定裂纹长度，根据载荷与裂 纹长度的关系，求得KIc值。
P＜PC（左）和P＞PC（右）时压痕
2019/12/5
（以PC作为可是压痕产生裂纹的临界负荷）
21
压痕法
K HICa12 EH52
0.0
55lg8.4a c
KIC是断裂韧性 φ为一常数，约等于3 HV是维氏硬度 a为压痕对角线长度的一半 c为表面裂纹长度的一半
§4 常见陶瓷
§4.1 普通陶瓷
§4.2 特种陶瓷
§4.2.1 氧化物陶瓷 §4.2.2 氮化物陶瓷 §4.2.3 碳化物陶瓷
4.1 普通陶瓷
粘土（Al2O3 ▪ 2SiO2 ▪ H2O）
2019/12/5
5-陶瓷材料的力学性能
山形切口法切口宽度对KIC值影响较小，测定值误差也较 小，也适用于高温和在各种介质中测定KIC值，但是测试 试样加工较困难，且需要专用的夹具。
二、陶瓷材料的增韧
工程陶瓷材料的脆性大，应用受到限制，所以陶瓷材料 的增韧一直是材料学界研究的热点之一。
通常金属材料的强度提高，塑性往往下降，断裂韧度也 随之降低。
产生的应力腐蚀后都会在没 有明显预兆的情况下发生脆 断，会造成严重事故。
（二）循环疲劳
1987年，研究发现单相陶瓷、相变增韧陶瓷以及陶瓷基复 合材料缺口试样，在室温循环压缩载荷作用下也有疲劳裂 纹萌生和扩展现象。
图10-13是多晶氧化铝（晶粒尺寸10微米）在室温空气环境 对称循环加载（f=5Hz）及在静载下的裂纹扩展特征。
应用主要取决于电绝缘性、半导体性、导电性、压电 性、铁电性、磁性及生物适应性、化学吸附性等。
第一节 陶瓷材料的变形与断裂
一、陶瓷材料的弹性变形
弹性模量
1、弹性模量的本质 弹性模量的大小反映材料原子间结合
力的大小，越大，材料的结合强度越高。 2、陶瓷材料高弹性模量的原因
1) 由于陶瓷材料具有离子键或共价键的 键合结构，因此陶瓷材料表现出高的熔点， 也表现出高的弹性模量。
断裂韧性：
K IC (2E s )1/ 2
金属材料要吸收大量的塑性变性能，而塑性变性能要比表面 能大几个数量级，所以陶瓷材料的断裂韧性比金属材料的药 低1~2数量级，最高达到12~15MPa.m1/2
陶瓷是脆性材料，弯曲或拉伸加载时，裂纹一旦出现， 极易产生失稳断裂。
山形切口法中切口剩余部分为三角形，其顶点处存在应 力集中现象，易在较低载荷下产生裂纹，所以不需要预 制裂纹。当试验参数合适时，这种方法能产生裂纹稳定 扩展，直至断裂。
二、陶瓷材料的增韧
工程陶瓷材料的脆性大，应用受到限制，所以陶瓷材料 的增韧一直是材料学界研究的热点之一。
通常金属材料的强度提高，塑性往往下降，断裂韧度也 随之降低。
产生的应力腐蚀后都会在没 有明显预兆的情况下发生脆 断，会造成严重事故。
（二）循环疲劳
1987年，研究发现单相陶瓷、相变增韧陶瓷以及陶瓷基复 合材料缺口试样，在室温循环压缩载荷作用下也有疲劳裂 纹萌生和扩展现象。
图10-13是多晶氧化铝（晶粒尺寸10微米）在室温空气环境 对称循环加载（f=5Hz）及在静载下的裂纹扩展特征。
应用主要取决于电绝缘性、半导体性、导电性、压电 性、铁电性、磁性及生物适应性、化学吸附性等。
第一节 陶瓷材料的变形与断裂
一、陶瓷材料的弹性变形
弹性模量
1、弹性模量的本质 弹性模量的大小反映材料原子间结合
力的大小，越大，材料的结合强度越高。 2、陶瓷材料高弹性模量的原因
1) 由于陶瓷材料具有离子键或共价键的 键合结构，因此陶瓷材料表现出高的熔点， 也表现出高的弹性模量。
断裂韧性：
K IC (2E s )1/ 2
金属材料要吸收大量的塑性变性能，而塑性变性能要比表面 能大几个数量级，所以陶瓷材料的断裂韧性比金属材料的药 低1~2数量级，最高达到12~15MPa.m1/2
陶瓷是脆性材料，弯曲或拉伸加载时，裂纹一旦出现， 极易产生失稳断裂。
山形切口法中切口剩余部分为三角形，其顶点处存在应 力集中现象，易在较低载荷下产生裂纹，所以不需要预 制裂纹。当试验参数合适时，这种方法能产生裂纹稳定 扩展，直至断裂。
陶瓷材料力学性能
• 陶瓷材料的显微结构
• 陶瓷材料由晶相、玻璃相和气孔组成。 陶瓷材料由晶相、玻璃相和气孔组成。 • 如果玻璃相分布于主晶相界面，在高温下陶瓷材 如果玻璃相分布于主晶相界面， 料的强度下降，易于产生塑性变形。 料的强度下降，易于产生塑性变形。 • 气孔率增大，陶瓷材料的致密度降低，强度及硬 气孔率增大，陶瓷材料的致密度降低， 度下降。 度下降。
微裂纹增韧
• 引起微裂纹的原因： 引起微裂纹的原因： • 相变体积膨胀产生微裂纹； 相变体积膨胀产生微裂纹； • 由于温度变化基体相与分散相之间热膨胀系数不 同引发微裂纹； 同引发微裂纹； • 还可能是材料原来已经存在的微裂纹。 还可能是材料原来已经存在的微裂纹。
第六节 陶瓷材料的疲劳
• 一、陶瓷材料的疲劳类型
• 但是当陶瓷摩擦副相对滑动时，可以看到陶瓷摩 但是当陶瓷摩擦副相对滑动时， 擦表面有塑性流动迹象， 擦表面有塑性流动迹象，在接触点下方有微小塑 性变形区。 性变形区。 • 另外，由于陶瓷的高脆性，在接触载荷不大时， 另外，由于陶瓷的高脆性，在接触载荷不大时， 即还未产生较大塑性变形， 即还未产生较大塑性变形，表面及亚表面就可能 产生微裂纹。 产生微裂纹。
第三节 陶瓷材料的强度
抗弯强度
• 四点弯曲试验的最大弯矩范围较宽，其应 四点弯曲试验的最大弯矩范围较宽， 力状态接近实际零件的服役状态， 力状态接近实际零件的服役状态，所以较 为实用。 为实用。 • 由于四点弯曲试样工作部分缺陷存在的概 率较大， 率较大，所以同一材料的四点抗弯强度比 三点抗弯强度低。 三点抗弯强度低。 • 材料的韦伯常数越小，三点抗弯强度和四 材料的韦伯常数越小， 点抗弯强度的差值就越大。 点抗弯强度的差值就越大。
陶瓷材料的增韧
• 改善陶瓷显微结构
陶瓷知识培训课件
绿色发展
分析了绿色发展对我国陶瓷产业的意义，以及 未来绿色发展的方向和重点。
3
跨界融合
探讨了跨界融合对我国陶瓷产业的影响，以及 未来跨界融合的方向和重点。
06
陶瓷生产过程中的环境保护与资源利用
陶瓷生产过程中的环境污染问题
环境污染问题
01
陶瓷生产过程中会产生大量的废气、废水和固体废弃物，对环
境造成了严重的污染。
陶瓷知识培训课件
目录
• 陶瓷概述 • 陶瓷材料性能 • 陶瓷的应用领域 • 陶瓷的生产工艺流程 • 陶瓷的产业发展现状与趋势 • 陶瓷生产过程中的环境保护与资源利用 • 常见陶瓷制品的质量鉴别与使用保养
01
陶瓷概述
陶瓷的定义与分类
陶瓷的定义
陶瓷是指以粘土、长石、石英等天然矿物为主要原料，经高 温烧结而成的无机非金属材料。
陶瓷的分类
根据制造工艺和性能特点，陶瓷可分为传统陶瓷和先进陶瓷 两大类。
陶瓷的发展历程
早期陶瓷
陶瓷的起源可以追溯到新石器时代，中国的瓷器发明更是有着悠久的历史。
国外陶瓷
国外陶瓷的发展也经历了漫长的过程，其中以欧洲的瓷器发展最为著名。
陶瓷的制造工艺
配料
根据生产工艺要求，将天然矿物、添加 剂等按一定比例配料。
节能减排技术
采用先进的陶瓷生产工艺和设备，加强生产过程中的节能减排，减少陶瓷生产对环境的污 染。
循环经济
建立陶瓷生产的循环经济体系，实现陶瓷废料的减量化、资源化和再利用。
绿色陶瓷的发展前景与趋势
绿色陶瓷的优势
绿色陶瓷技术
绿色陶瓷具有节能、环保、资源节约等优势 ，是未来陶瓷产业发展的方向。
绿色陶瓷生产技术不断发展，包括低温快烧 技术、微波烧结技术、洁净燃烧技术等，提 高了陶瓷生产的效率和质量。
分析了绿色发展对我国陶瓷产业的意义，以及 未来绿色发展的方向和重点。
3
跨界融合
探讨了跨界融合对我国陶瓷产业的影响，以及 未来跨界融合的方向和重点。
06
陶瓷生产过程中的环境保护与资源利用
陶瓷生产过程中的环境污染问题
环境污染问题
01
陶瓷生产过程中会产生大量的废气、废水和固体废弃物，对环
境造成了严重的污染。
陶瓷知识培训课件
目录
• 陶瓷概述 • 陶瓷材料性能 • 陶瓷的应用领域 • 陶瓷的生产工艺流程 • 陶瓷的产业发展现状与趋势 • 陶瓷生产过程中的环境保护与资源利用 • 常见陶瓷制品的质量鉴别与使用保养
01
陶瓷概述
陶瓷的定义与分类
陶瓷的定义
陶瓷是指以粘土、长石、石英等天然矿物为主要原料，经高 温烧结而成的无机非金属材料。
陶瓷的分类
根据制造工艺和性能特点，陶瓷可分为传统陶瓷和先进陶瓷 两大类。
陶瓷的发展历程
早期陶瓷
陶瓷的起源可以追溯到新石器时代，中国的瓷器发明更是有着悠久的历史。
国外陶瓷
国外陶瓷的发展也经历了漫长的过程，其中以欧洲的瓷器发展最为著名。
陶瓷的制造工艺
配料
根据生产工艺要求，将天然矿物、添加 剂等按一定比例配料。
节能减排技术
采用先进的陶瓷生产工艺和设备，加强生产过程中的节能减排，减少陶瓷生产对环境的污 染。
循环经济
建立陶瓷生产的循环经济体系，实现陶瓷废料的减量化、资源化和再利用。
绿色陶瓷的发展前景与趋势
绿色陶瓷的优势
绿色陶瓷技术
绿色陶瓷具有节能、环保、资源节约等优势 ，是未来陶瓷产业发展的方向。
绿色陶瓷生产技术不断发展，包括低温快烧 技术、微波烧结技术、洁净燃烧技术等，提 高了陶瓷生产的效率和质量。
陶瓷材料的力学性能
4
工程陶瓷材料的塑性、韧性值比金属材料低得多， 对缺陷十分敏感，因而其力学性能数据的分散性 大，强度可靠性较差，常用韦伯模数表征其强度 均匀性。 工程陶瓷材料的制备技术、气孔、夹杂物、晶界、 晶粒结构均匀性等因素对其力学性能有显著影响， 因此，在讨论工程陶瓷的力学性能前，应首先了 解这种材料的组成和结构特点。
核电站：能耐2000℃高温
[耐温能力：900℃ →1200~1300℃
发动机 热效率：30%→50% 重量 ↓20% 耗油量 ↓ 30%
由此可见，工程陶瓷材料较好地适应了 近代科学技术发展的需要，具有广阔的应用 前景。目前在机械、冶金、化工、纺织等行 业中，用工程陶瓷材料制作耐高温、耐磨损、 耐腐蚀的零部件越来越多。
14
如图10-2所示，陶瓷在压缩加载时，其σ-ε曲 线斜率比拉伸时的大，此与陶瓷材料复杂的 显微结构和不均匀性有关。从该图中还可看 出，陶瓷材料的抗压强度值比其抗拉强度值 大得多。这是由于材料中的缺陷对拉应力十 分敏感所致。在工程应用中，选用陶瓷材料 时要充分注意这一特点。
15
§10.2.2 陶瓷材料的塑性变形
27
由表10-4可见，陶瓷材料的抗压强度远大于其抗拉强 度，两者相差10倍左右，因而陶瓷材料特别适于制造受压 缩载荷作用的零件。压缩试样尺寸为直径9.0±0.05mm，长 度18±0.10mm，两端面研磨成平面并互相平行。
表10－4 某些材料的抗拉强度和抗压强度
材料
抗拉强度/MPa 抗压强度/MPa 抗拉强度/抗压强度
这是由其共价键和离子键的键合结构所决 定的。
共价键具有方向性，使晶体具有较高的抗 晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。离子键晶 体结构的键方向性虽不明显，但滑移系受原 子密排面与原子密排方向的限制，还受静电 作用力的限制，其实际可动滑移系较少。此 外，陶瓷材料都是多元化合物，晶体结构较 复杂，点阵常数较金属晶体大，因而陶瓷材 料中位错运动很困难。 (见表10-2)
工程陶瓷材料的塑性、韧性值比金属材料低得多， 对缺陷十分敏感，因而其力学性能数据的分散性 大，强度可靠性较差，常用韦伯模数表征其强度 均匀性。 工程陶瓷材料的制备技术、气孔、夹杂物、晶界、 晶粒结构均匀性等因素对其力学性能有显著影响， 因此，在讨论工程陶瓷的力学性能前，应首先了 解这种材料的组成和结构特点。
核电站：能耐2000℃高温
[耐温能力：900℃ →1200~1300℃
发动机 热效率：30%→50% 重量 ↓20% 耗油量 ↓ 30%
由此可见，工程陶瓷材料较好地适应了 近代科学技术发展的需要，具有广阔的应用 前景。目前在机械、冶金、化工、纺织等行 业中，用工程陶瓷材料制作耐高温、耐磨损、 耐腐蚀的零部件越来越多。
14
如图10-2所示，陶瓷在压缩加载时，其σ-ε曲 线斜率比拉伸时的大，此与陶瓷材料复杂的 显微结构和不均匀性有关。从该图中还可看 出，陶瓷材料的抗压强度值比其抗拉强度值 大得多。这是由于材料中的缺陷对拉应力十 分敏感所致。在工程应用中，选用陶瓷材料 时要充分注意这一特点。
15
§10.2.2 陶瓷材料的塑性变形
27
由表10-4可见，陶瓷材料的抗压强度远大于其抗拉强 度，两者相差10倍左右，因而陶瓷材料特别适于制造受压 缩载荷作用的零件。压缩试样尺寸为直径9.0±0.05mm，长 度18±0.10mm，两端面研磨成平面并互相平行。
表10－4 某些材料的抗拉强度和抗压强度
材料
抗拉强度/MPa 抗压强度/MPa 抗拉强度/抗压强度
这是由其共价键和离子键的键合结构所决 定的。
共价键具有方向性，使晶体具有较高的抗 晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。离子键晶 体结构的键方向性虽不明显，但滑移系受原 子密排面与原子密排方向的限制，还受静电 作用力的限制，其实际可动滑移系较少。此 外，陶瓷材料都是多元化合物，晶体结构较 复杂，点阵常数较金属晶体大，因而陶瓷材 料中位错运动很困难。 (见表10-2)
第09章 陶瓷材料的力学性能
11
（2）动态疲劳
类似于金属材料应力腐蚀研究中的慢应变速 率拉伸。
（3）循环疲劳
疲劳破坏以慢速龟裂扩展的方式发生。 研究表明，循环载荷同样可对陶瓷材料造成损伤，这 种损伤是由裂纹尖端的微裂纹、马氏体相变、蠕变、以 及沿晶和界面滑动等因素所引起的。
（4）热疲劳（属低周疲劳）
金属的疲劳寿命通常用循环周次表示； 陶瓷材料的疲劳寿命则用断裂时间表示。
均与热导率 α、热膨胀系数λ有关。 σf 断裂强度 （≈热震断裂的临界热应力，通过弯曲试验测定）。
返回
9
§9.4 陶瓷材料的疲劳强度
陶瓷不仅在循环载荷作用下存在机械疲劳， 其含义也比金属要广（一是静载，随时间↑， 承载能力↓；二是恒载，断裂 对应于加载速 率敏感性）。 ∴研究陶瓷疲劳对扩大其应用具有重要意 义。
一、疲劳类型
（静态疲劳，动态疲劳，循环疲劳）
10
（1）静态疲劳 静载下，随时间延长，材料承载能力下降所产生的断裂。 对应于金属材料的应力腐蚀和高温蠕变断裂。 “温度、应力、环境介质” 分成的四个区（图10-11） 孕育区 （低于应力强度因子门槛值） 低速区 da/dt随K↑而↑ 中速区 da/dt仅与环境介质有关， 与K无关。 高速区 da/dt随K↑而呈指数关系↑。
1
陶瓷材料的结构和显微组织
1、结构特点
陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以 离子键和共价键为主要结合键。 可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。 如“六方氮化硼为松散的绝缘材料；立方结构是超硬 材料” 2、显微组织 晶体相，玻璃相，气相。 夹杂（种类、数量、尺寸、形态、分布）、晶界、晶 粒结构均匀性对其力学性能有重要影响。 （可通过对陶瓷烧结体进行热处理，来改善材料的力 学性能） 返回
（2）动态疲劳
类似于金属材料应力腐蚀研究中的慢应变速 率拉伸。
（3）循环疲劳
疲劳破坏以慢速龟裂扩展的方式发生。 研究表明，循环载荷同样可对陶瓷材料造成损伤，这 种损伤是由裂纹尖端的微裂纹、马氏体相变、蠕变、以 及沿晶和界面滑动等因素所引起的。
（4）热疲劳（属低周疲劳）
金属的疲劳寿命通常用循环周次表示； 陶瓷材料的疲劳寿命则用断裂时间表示。
均与热导率 α、热膨胀系数λ有关。 σf 断裂强度 （≈热震断裂的临界热应力，通过弯曲试验测定）。
返回
9
§9.4 陶瓷材料的疲劳强度
陶瓷不仅在循环载荷作用下存在机械疲劳， 其含义也比金属要广（一是静载，随时间↑， 承载能力↓；二是恒载，断裂 对应于加载速 率敏感性）。 ∴研究陶瓷疲劳对扩大其应用具有重要意 义。
一、疲劳类型
（静态疲劳，动态疲劳，循环疲劳）
10
（1）静态疲劳 静载下，随时间延长，材料承载能力下降所产生的断裂。 对应于金属材料的应力腐蚀和高温蠕变断裂。 “温度、应力、环境介质” 分成的四个区（图10-11） 孕育区 （低于应力强度因子门槛值） 低速区 da/dt随K↑而↑ 中速区 da/dt仅与环境介质有关， 与K无关。 高速区 da/dt随K↑而呈指数关系↑。
1
陶瓷材料的结构和显微组织
1、结构特点
陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以 离子键和共价键为主要结合键。 可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。 如“六方氮化硼为松散的绝缘材料；立方结构是超硬 材料” 2、显微组织 晶体相，玻璃相，气相。 夹杂（种类、数量、尺寸、形态、分布）、晶界、晶 粒结构均匀性对其力学性能有重要影响。 （可通过对陶瓷烧结体进行热处理，来改善材料的力 学性能） 返回
先进陶瓷材料培训课件：结构陶瓷的力学性能、热学性能、抗热震性、陶瓷材料的断裂过程
的关系符合Hall-Petch关系式：
b ＝ o ＋kd-1/2
(1-6)
式中o为无限大单晶的强度，k为系数，d为晶粒直径。从
上式可以看出，细晶组织对提高材料的室温强度有利无害，而
晶界相的性质与厚度、晶粒形状对强度的影响则较为复杂。
温度 陶瓷材料的一个显著特点是高温强度比金属高很多。
当温度T<0.5Tm时，基本保持不变；当温度高于0.5Tm时，才出
高性能结构陶瓷是指具有高强度、高韧性、高硬度、耐 高温、耐磨损、耐腐蚀和化学稳定性好等优异性能的一类先 进的结构陶瓷，已逐步成为航天航空、新能源、电子信息、汽
车、冶金、化工等工业技术领域不可缺少的关键材料。
根据材料的化学组成，高性能结构陶瓷又可分为: 氧化物陶瓷（如Al2O3、ZrO2）、 氮化物陶瓷（如Si3N4、AlN）、 碳化物陶瓷（如SiC、TiC）、 硼化物陶瓷（如TiB2、ZrB2）、 硅化物陶瓷（如MoSi2） 及其他新型结构陶瓷（如Cf/SiC复合材料）。
1.2 高性能陶瓷的基本特性
陶瓷材料的特性主要由其化学键、晶体结构以及晶体缺陷 等决定。从晶体结构看，陶瓷材料的原子间结合力主要为离子 键、共价键或离子–共价混合键。这些化学键不仅结合强度高， 而且还具有方向性。
晶体缺陷（特别是线缺陷和位错）可以在晶体中运动，位 错沿最密排面、最密排方向运动所需的临界切应力很小。这种 位错的大量运动，使晶面产生明显的滑移现象，并产生宏观塑 性变形。
研究结果表明，陶瓷超塑性与金属超塑性的不同点如下： (1) 超塑性陶瓷的应变速率和应力之间既没有金属超塑性那 样的依赖关系，也无单一的 n 值。 (2) 当存在晶间玻璃相时，陶瓷的 n 值几乎随玻璃相增加而 减小；而超塑性金属的n值几乎随初始晶粒尺寸增大而减小。
第十三部分陶瓷材料的力学行为教学课件
陶瓷材料的强度试验结果不仅遵循威布尔（Weibull） 分布，也遵循正态分布和对数正态分布[ ]。
进入网络实验室
bN
13.4 陶瓷材料的切口强度与切口敏感性
13.4.1 陶瓷材料的切口强度表达式
在陶瓷材料弯曲断裂强度和切口强度遵循正态 分布的情况下，其平均值和标准差可分别用下
式表示
bNf /Kt
ZrC
345
ZrB2
440
进入网络实验室
(2) 气孔率对陶瓷材料弹性模量的影响
Eeff
Eo(1 p) (12.5p)
(13-1)
式中E0为无孔隙时陶瓷材料的弹性模量，p 为孔隙率。孔隙率对弹性模量Eeff的影响示于图 13-1；图中曲线按式（13-1）画出。
进入网络实验室
图13-1 孔隙率对陶瓷材料弹性模量Eeff的影响[167]
度的影响[168]
进入网络实验室
试样的表面粗糙度对陶瓷材料的弯曲断裂强度有很 大的影响，如图13-4所示[39]。而且，试样加工方向对 抗弯强度也有影响，尤其是磨削方向与拉伸应力方向 垂直时，会因加工伤痕而使强度降低很多；在平行于 拉伸轴的方向磨削时，影响较小。
进入网络实验室
图13-4 因加工产生的表面伤痕与氮化铝AlN强度的关系[39]
进入网络实验室
表13-1 典型陶瓷材料的弹性模量 [165]
材 料 E/GPa 材 料 E/GPa 材 料 E/GPa
金刚石 1200 W2C
428
NbC
345
WC
717 MoSi2 380
Be2C
317
TiB2
648
BeO
352
SiC
485
Al2O3
510
进入网络实验室
bN
13.4 陶瓷材料的切口强度与切口敏感性
13.4.1 陶瓷材料的切口强度表达式
在陶瓷材料弯曲断裂强度和切口强度遵循正态 分布的情况下，其平均值和标准差可分别用下
式表示
bNf /Kt
ZrC
345
ZrB2
440
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(2) 气孔率对陶瓷材料弹性模量的影响
Eeff
Eo(1 p) (12.5p)
(13-1)
式中E0为无孔隙时陶瓷材料的弹性模量，p 为孔隙率。孔隙率对弹性模量Eeff的影响示于图 13-1；图中曲线按式（13-1）画出。
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图13-1 孔隙率对陶瓷材料弹性模量Eeff的影响[167]
度的影响[168]
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试样的表面粗糙度对陶瓷材料的弯曲断裂强度有很 大的影响，如图13-4所示[39]。而且，试样加工方向对 抗弯强度也有影响，尤其是磨削方向与拉伸应力方向 垂直时，会因加工伤痕而使强度降低很多；在平行于 拉伸轴的方向磨削时，影响较小。
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图13-4 因加工产生的表面伤痕与氮化铝AlN强度的关系[39]
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表13-1 典型陶瓷材料的弹性模量 [165]
材 料 E/GPa 材 料 E/GPa 材 料 E/GPa
金刚石 1200 W2C
428
NbC
345
WC
717 MoSi2 380
Be2C
317
TiB2
648
BeO
352
SiC
485
Al2O3
510
陶瓷材料的力学性能
陶瓷材料力学性能陶瓷材料力学性能?陶瓷材料力学性能前言前言本章主要内容陶瓷材料的结构陶瓷材料的变形与断裂陶瓷材料的强度陶瓷材料的硬度与耐磨性陶瓷材料的断裂与增韧陶瓷材料的疲劳陶瓷材料的抗热震性第一节陶瓷材料的结构第一节陶瓷材料的结构一陶瓷材料的组成与结合键陶瓷晶体是以离子键和共价键为主要结合键一般为两种或两种以上不同结合的混和形式
1、改善陶瓷结构 晶粒形状也影响陶瓷韧性。
2、相变增韧
这是ZrO2陶瓷的典型增韧机理，通过四方相转变成 单斜相来实现。 ZrO2陶瓷有三种晶型，从高温冷至室温时将发生如 下转变：
3、裂纹增韧
• 陶瓷陶瓷材料中的微裂纹是相变体积膨胀是产 生的；或者是由于温度变化基体相与分散相之 间热膨胀性能不同产生的；还可能好似材料中 原本已经存在的。
工程陶瓷硬度高，所以其耐磨性也比较高。
（一）陶瓷材料的表面接触特性
• 1、与金属材料相同，陶瓷材料表面也存在局 部微凸起，其外侧常有水蒸气或碳-氢化合物形 成的表面层，陶瓷材料表面加工还可以产生显 裂纹或其他缺陷。
2.陶瓷材料摩擦副接触受载时，真实接触面 积上的局部应力一般仅引起弹性形变。
（二）、陶瓷材料的摩擦磨损
比金属低1-2个数量级。
2、山形切口法
• 山形切口法中切口剩余部分为三角形，其顶点 处存在应力集中现象，易在较低载荷下产生裂 纹，所以不需要预制裂纹。当试验参数合适时， 这种方法能产生裂纹稳定扩展，直至断裂。切 口宽度对KIC值影响较小，测定值误差也较小， 也适用于高温和在各种介质中测定KIC值，但 是测试试样加工较困难，且需要专用的夹具。
第六节、陶瓷材料的疲劳
• 一、陶瓷材料的疲劳类型 • 陶瓷的疲劳包括循环疲劳、静态疲劳和动态疲
劳。 • （一）静态疲劳 • 这是在静载荷作用下，材料的承载能力随时间
1、改善陶瓷结构 晶粒形状也影响陶瓷韧性。
2、相变增韧
这是ZrO2陶瓷的典型增韧机理，通过四方相转变成 单斜相来实现。 ZrO2陶瓷有三种晶型，从高温冷至室温时将发生如 下转变：
3、裂纹增韧
• 陶瓷陶瓷材料中的微裂纹是相变体积膨胀是产 生的；或者是由于温度变化基体相与分散相之 间热膨胀性能不同产生的；还可能好似材料中 原本已经存在的。
工程陶瓷硬度高，所以其耐磨性也比较高。
（一）陶瓷材料的表面接触特性
• 1、与金属材料相同，陶瓷材料表面也存在局 部微凸起，其外侧常有水蒸气或碳-氢化合物形 成的表面层，陶瓷材料表面加工还可以产生显 裂纹或其他缺陷。
2.陶瓷材料摩擦副接触受载时，真实接触面 积上的局部应力一般仅引起弹性形变。
（二）、陶瓷材料的摩擦磨损
比金属低1-2个数量级。
2、山形切口法
• 山形切口法中切口剩余部分为三角形，其顶点 处存在应力集中现象，易在较低载荷下产生裂 纹，所以不需要预制裂纹。当试验参数合适时， 这种方法能产生裂纹稳定扩展，直至断裂。切 口宽度对KIC值影响较小，测定值误差也较小， 也适用于高温和在各种介质中测定KIC值，但 是测试试样加工较困难，且需要专用的夹具。
第六节、陶瓷材料的疲劳
• 一、陶瓷材料的疲劳类型 • 陶瓷的疲劳包括循环疲劳、静态疲劳和动态疲
劳。 • （一）静态疲劳 • 这是在静载荷作用下，材料的承载能力随时间
材料力学行为-第六章-孙巧艳主讲
第六章 陶瓷材料的力学行为
主要内容 陶瓷材料高温力学性能
一 陶瓷材料的物质结构和显微结构
1 陶瓷材料的结合键
离子键 共价键
（1）离子键：由正离子和负离子相互吸引形成的结合键。 如CaO,MgO,Al2O3,ZrO2 离子键构成的材料具有高 熔点和高硬度，塑性差。
4）陶瓷材料容忍的最大温差和变温速率
(陶瓷材料的抗热震参数）
陶瓷材料的最大热应力Hmax
H m ax f (m) ( H ) (s) r (T )
m：力学行为参数；H：热处理条件； S：试样几何因子；T：温度有关的 参数
材料的尺寸和热处理条件相同
H max f (m) r (T )
'
c
陶瓷材料能容忍的最大升温和冷却速率
1 k c ( )( 2 ) f a E rC p m
4 陶瓷材料的疲劳行为
（1） 陶瓷材料的疲劳行为与金属材料疲劳行为的区别 陶瓷材料的疲劳
载荷 特征
金属材料的疲劳
交变载荷长期作用下的破坏
交变载荷、恒定载荷、 恒定载荷速率 静态疲劳 循环疲劳 动态疲劳 很难塑形变形，是否有损伤累积？
（3）纤维（晶须）增韧 在陶瓷材料中引入纤维或者晶须，一方面 为陶瓷基体分担外加应力，另一方面裂纹 为避开纤维，沿着纤维与基体界面扩展传 播，增加裂纹扩展阻力。 纤维的桥 接作用 显著增加裂纹扩展 阻力，提高陶瓷材 料的韧性
裂纹尖端， 基体和纤维 之间脱开
纤维与陶瓷基体结合力要控制适当
（4）控制显微组织增韧
(2) 共价键：由原子之间共享价电子而形成的结合件。
例如Si，C（金刚石），SiC，Si3N4等
共价键的特点：具有明确的方向，共价键的键角为109.由 共价键构成的材料具有高熔点和高硬度，塑性差。
主要内容 陶瓷材料高温力学性能
一 陶瓷材料的物质结构和显微结构
1 陶瓷材料的结合键
离子键 共价键
（1）离子键：由正离子和负离子相互吸引形成的结合键。 如CaO,MgO,Al2O3,ZrO2 离子键构成的材料具有高 熔点和高硬度，塑性差。
4）陶瓷材料容忍的最大温差和变温速率
(陶瓷材料的抗热震参数）
陶瓷材料的最大热应力Hmax
H m ax f (m) ( H ) (s) r (T )
m：力学行为参数；H：热处理条件； S：试样几何因子；T：温度有关的 参数
材料的尺寸和热处理条件相同
H max f (m) r (T )
'
c
陶瓷材料能容忍的最大升温和冷却速率
1 k c ( )( 2 ) f a E rC p m
4 陶瓷材料的疲劳行为
（1） 陶瓷材料的疲劳行为与金属材料疲劳行为的区别 陶瓷材料的疲劳
载荷 特征
金属材料的疲劳
交变载荷长期作用下的破坏
交变载荷、恒定载荷、 恒定载荷速率 静态疲劳 循环疲劳 动态疲劳 很难塑形变形，是否有损伤累积？
（3）纤维（晶须）增韧 在陶瓷材料中引入纤维或者晶须，一方面 为陶瓷基体分担外加应力，另一方面裂纹 为避开纤维，沿着纤维与基体界面扩展传 播，增加裂纹扩展阻力。 纤维的桥 接作用 显著增加裂纹扩展 阻力，提高陶瓷材 料的韧性
裂纹尖端， 基体和纤维 之间脱开
纤维与陶瓷基体结合力要控制适当
（4）控制显微组织增韧
(2) 共价键：由原子之间共享价电子而形成的结合件。
例如Si，C（金刚石），SiC，Si3N4等
共价键的特点：具有明确的方向，共价键的键角为109.由 共价键构成的材料具有高熔点和高硬度，塑性差。
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