陶瓷材料的力学性能
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材料具有高熔点、高硬度、耐腐蚀和无塑性等特性 二、陶瓷材料的显微结构
其显微结构包括相及相分布、晶粒尺寸和形状、气孔大小和分布、 杂志缺陷及晶界等。陶瓷材料有晶相、玻璃相和气相组成。它们分 别可以起到决定其物理化学性能黏结晶相填充气体以及降低致密度
等作用
三.通常，陶瓷材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性 模量
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
延长而下降产生的断裂，对应于金属材料中的 应力腐蚀和高温蠕变断裂，包括四个区域 KI<Kth区、低速区、中速区、高速区
二、循环疲劳
这是陶瓷材料在循环载荷作用下产生 的低应力断裂。
二、抗热震损伤
用热弹性应变能表示的抗热震损伤参数R〞为：
用热弹性应变能和断裂表面能表示的抗热震损伤参数 R，，， 为：
对于急剧加热或冷却的陶瓷材料，其抗热震参数R为：
对于缓慢加热或冷却的陶瓷材料，其抗热震参数R′为：
• 有上述可知，欲提高陶瓷材料抗热震断裂能力，要求材料的强度 高、弹性模量低，同时热导率要大，热膨胀系数要小；而要提高 陶瓷材料抗热震损伤能力，对材料力学性能的要求恰好相反，这 是由于二者破坏过程不同、判据不同所致。但是由于在热损伤情 况下，强度高的材料裂纹易于扩展，对于热抗震性不利；在热震 断裂情况下，强度低的材料裂纹易于成核，材料会瞬间断裂，对 抗热震性也不利。所以前者应降低强度；后者则要提高强度，才 能的到良好的抗热震性。总之，在临界温差条件下，热震后材料 的抗弯强度与热震前材料抗弯强度之比值，表示材料的抗热震性。
二、陶瓷材料疲劳特性评价
• 陶瓷材料的应力腐蚀开裂比疲劳更难产生。通 常陶瓷材料在交变载荷作用下，随着△K值增 大开始产生疲劳裂纹扩展，随后产生应力腐蚀 裂纹扩展，因此需要考虑疲劳和应力腐蚀对裂 纹扩展的叠加效应。
第七节、陶瓷材料的抗热震性
• 热震破坏分为两种：由热震引起的瞬时断裂， 称为热震断裂；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。陶瓷材料的抗 热震性事其力学性能和热学性能的综合表现， 不仅受几何因素、破坏介质的影响，同时也取 决于材料的强度和断裂韧度。
三、抗压强度
• 陶瓷材料的压缩强度远大于其抗拉强度，二者 相差10陪左右。陶瓷材料抗拉强度与抗弯强度 显著不同时由于在两种受载条件下裂纹扩展行 为不同所致。
第四节、陶瓷材料的硬度用户耐 磨性
一、陶瓷材料的硬度
• 陶瓷材料的硬度高是优点之一，常用HRA、 HR45N、维氏HV或努氏硬度HK表示 二、陶瓷材料的耐磨性
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。
3、压痕法
• 用维氏或显微硬度压头，压入抛光的陶瓷试样 表面，在压痕时对角线方向出现四条裂纹，测 定裂纹长度，根据载荷与裂纹长度的关系，求 出KIC值
二、陶瓷材料的增韧
• 工程陶瓷有一系列的优异性能，如优良的高温 力学性能、耐磨、耐蚀、电绝缘性好等；但是 这种材料在收到外力作用断裂过程中，只有单 一的增加新的断裂表面的表面能，没有其他消 耗能量的渠道，因此其脆性大，应受到限制。 金属材料强度提高，塑性往往下降，断裂韧度 也随之降低。陶瓷增韧的方法有多种。
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
第三节、陶瓷材料的强度
一、抗弯强度
弯曲试验室评定工程陶瓷材料强度的 主要试验方法，可以采用三点弯曲或
者四点弯曲试验方法。
二、抗弯强度
• 设计陶瓷零件时常用其拉伸强度值作为判据。 为了保证正确进行陶瓷材料的拉伸试验，可以 在平行夹头中加橡胶垫固定薄片状式样，可防 止试样在夹持部位断裂，并利用试样的弹性变 形减少附加弯矩。
第五节、陶瓷材料的断裂韧度与增韧
• 一、陶瓷材料的断裂韧度 • 工程陶瓷的断裂韧度值比金属低1-2个数量级。
1、单边切口梁法
优点：(1) 数据分散性好；(2) 重现性好；(3) 试样加工测定方法比较 简单，是目前广泛采用的一种方法。 缺点： 测定的KIC值受切口宽度影响较大，切口宽度增加， KIC增大，误差随 之增大。如果能将切口宽度控制在0.05~0.10mm以下，或在切口顶端 预制一定长度的裂纹，可望提高KIC值的稳定性。
• 陶瓷材料的摩擦学特性，与对磨件的材料种类 和性能、摩擦条件、环境，以及陶瓷材料自身 的性能和表面状态等诸多因素有关，需要系统 地进行研究。
温度对陶瓷摩擦因数有重要的影响。 如下图所示
• 陶瓷材料在滑动摩擦条件下的磨损过程不同于 金属材料，其磨损机理主要是以微断裂方式导 致的磨粒磨损。有上图可知横向裂纹的形成， 并扩展至表面或与其他裂纹相交，即导致陶瓷 材料碎裂、剥落和流失。由于陶瓷料对环境介 质和气氛极为敏感，因此在特定条件下还可能 形成摩擦化学磨损。这是由于陶瓷材料特有的 磨损机理。这种磨损涉及表面、材料结构，热 力学与化学共同作用的摩擦化学问题。
第二节、陶瓷材料的变形与断裂
• 一、陶瓷材料的弹性变形 • 绝大多数的陶瓷材料在室温下拉伸或弯曲，均不产生塑性变形，
呈脆性断裂特性。陶瓷材料与金属材料相比，其塑性变形具有以 下特点： • 1）弹性模量大，这表明由其共价键和离子键的结合结构所决定 的。此外，陶瓷材料都是多元化合物，晶体结构交复杂，点阵常 数交金属晶体大，因而陶瓷材料的弹性模量较高。
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。
σ
陶瓷
金属
ε 陶瓷材料与金属材料的拉伸应力-应变应变曲线
2）陶瓷材料的弹性模量不仅与结合键 有关，还与其组成相得种类、分布比例 及气孔率有关
陶瓷材料的断裂
•
陶瓷材料的断裂过程都是以其内部或表面存在的缺陷 为起点而发生的。晶粒和气孔尺寸在决定陶瓷材料强 度பைடு நூலகம்面与裂纹尺寸有等效作用，陶瓷材料断裂概率以 最弱环节理论为基础，按韦伯分布函数考虑，韦伯分 布函数表示材料断裂概率的一般公式为：
陶瓷材料力学性能
• 陶瓷材料力学性能
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
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。离子键和共价键是强固的结合键，故陶瓷
其显微结构包括相及相分布、晶粒尺寸和形状、气孔大小和分布、 杂志缺陷及晶界等。陶瓷材料有晶相、玻璃相和气相组成。它们分 别可以起到决定其物理化学性能黏结晶相填充气体以及降低致密度
等作用
三.通常，陶瓷材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性 模量
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
延长而下降产生的断裂，对应于金属材料中的 应力腐蚀和高温蠕变断裂，包括四个区域 KI<Kth区、低速区、中速区、高速区
二、循环疲劳
这是陶瓷材料在循环载荷作用下产生 的低应力断裂。
二、抗热震损伤
用热弹性应变能表示的抗热震损伤参数R〞为：
用热弹性应变能和断裂表面能表示的抗热震损伤参数 R，，， 为：
对于急剧加热或冷却的陶瓷材料，其抗热震参数R为：
对于缓慢加热或冷却的陶瓷材料，其抗热震参数R′为：
• 有上述可知，欲提高陶瓷材料抗热震断裂能力，要求材料的强度 高、弹性模量低，同时热导率要大，热膨胀系数要小；而要提高 陶瓷材料抗热震损伤能力，对材料力学性能的要求恰好相反，这 是由于二者破坏过程不同、判据不同所致。但是由于在热损伤情 况下，强度高的材料裂纹易于扩展，对于热抗震性不利；在热震 断裂情况下，强度低的材料裂纹易于成核，材料会瞬间断裂，对 抗热震性也不利。所以前者应降低强度；后者则要提高强度，才 能的到良好的抗热震性。总之，在临界温差条件下，热震后材料 的抗弯强度与热震前材料抗弯强度之比值，表示材料的抗热震性。
二、陶瓷材料疲劳特性评价
• 陶瓷材料的应力腐蚀开裂比疲劳更难产生。通 常陶瓷材料在交变载荷作用下，随着△K值增 大开始产生疲劳裂纹扩展，随后产生应力腐蚀 裂纹扩展，因此需要考虑疲劳和应力腐蚀对裂 纹扩展的叠加效应。
第七节、陶瓷材料的抗热震性
• 热震破坏分为两种：由热震引起的瞬时断裂， 称为热震断裂；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。陶瓷材料的抗 热震性事其力学性能和热学性能的综合表现， 不仅受几何因素、破坏介质的影响，同时也取 决于材料的强度和断裂韧度。
三、抗压强度
• 陶瓷材料的压缩强度远大于其抗拉强度，二者 相差10陪左右。陶瓷材料抗拉强度与抗弯强度 显著不同时由于在两种受载条件下裂纹扩展行 为不同所致。
第四节、陶瓷材料的硬度用户耐 磨性
一、陶瓷材料的硬度
• 陶瓷材料的硬度高是优点之一，常用HRA、 HR45N、维氏HV或努氏硬度HK表示 二、陶瓷材料的耐磨性
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。
3、压痕法
• 用维氏或显微硬度压头，压入抛光的陶瓷试样 表面，在压痕时对角线方向出现四条裂纹，测 定裂纹长度，根据载荷与裂纹长度的关系，求 出KIC值
二、陶瓷材料的增韧
• 工程陶瓷有一系列的优异性能，如优良的高温 力学性能、耐磨、耐蚀、电绝缘性好等；但是 这种材料在收到外力作用断裂过程中，只有单 一的增加新的断裂表面的表面能，没有其他消 耗能量的渠道，因此其脆性大，应受到限制。 金属材料强度提高，塑性往往下降，断裂韧度 也随之降低。陶瓷增韧的方法有多种。
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
第三节、陶瓷材料的强度
一、抗弯强度
弯曲试验室评定工程陶瓷材料强度的 主要试验方法，可以采用三点弯曲或
者四点弯曲试验方法。
二、抗弯强度
• 设计陶瓷零件时常用其拉伸强度值作为判据。 为了保证正确进行陶瓷材料的拉伸试验，可以 在平行夹头中加橡胶垫固定薄片状式样，可防 止试样在夹持部位断裂，并利用试样的弹性变 形减少附加弯矩。
第五节、陶瓷材料的断裂韧度与增韧
• 一、陶瓷材料的断裂韧度 • 工程陶瓷的断裂韧度值比金属低1-2个数量级。
1、单边切口梁法
优点：(1) 数据分散性好；(2) 重现性好；(3) 试样加工测定方法比较 简单，是目前广泛采用的一种方法。 缺点： 测定的KIC值受切口宽度影响较大，切口宽度增加， KIC增大，误差随 之增大。如果能将切口宽度控制在0.05~0.10mm以下，或在切口顶端 预制一定长度的裂纹，可望提高KIC值的稳定性。
• 陶瓷材料的摩擦学特性，与对磨件的材料种类 和性能、摩擦条件、环境，以及陶瓷材料自身 的性能和表面状态等诸多因素有关，需要系统 地进行研究。
温度对陶瓷摩擦因数有重要的影响。 如下图所示
• 陶瓷材料在滑动摩擦条件下的磨损过程不同于 金属材料，其磨损机理主要是以微断裂方式导 致的磨粒磨损。有上图可知横向裂纹的形成， 并扩展至表面或与其他裂纹相交，即导致陶瓷 材料碎裂、剥落和流失。由于陶瓷料对环境介 质和气氛极为敏感，因此在特定条件下还可能 形成摩擦化学磨损。这是由于陶瓷材料特有的 磨损机理。这种磨损涉及表面、材料结构，热 力学与化学共同作用的摩擦化学问题。
第二节、陶瓷材料的变形与断裂
• 一、陶瓷材料的弹性变形 • 绝大多数的陶瓷材料在室温下拉伸或弯曲，均不产生塑性变形，
呈脆性断裂特性。陶瓷材料与金属材料相比，其塑性变形具有以 下特点： • 1）弹性模量大，这表明由其共价键和离子键的结合结构所决定 的。此外，陶瓷材料都是多元化合物，晶体结构交复杂，点阵常 数交金属晶体大，因而陶瓷材料的弹性模量较高。
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。
σ
陶瓷
金属
ε 陶瓷材料与金属材料的拉伸应力-应变应变曲线
2）陶瓷材料的弹性模量不仅与结合键 有关，还与其组成相得种类、分布比例 及气孔率有关
陶瓷材料的断裂
•
陶瓷材料的断裂过程都是以其内部或表面存在的缺陷 为起点而发生的。晶粒和气孔尺寸在决定陶瓷材料强 度பைடு நூலகம்面与裂纹尺寸有等效作用，陶瓷材料断裂概率以 最弱环节理论为基础，按韦伯分布函数考虑，韦伯分 布函数表示材料断裂概率的一般公式为：
陶瓷材料力学性能
• 陶瓷材料力学性能
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
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。离子键和共价键是强固的结合键，故陶瓷