陶瓷材料的力学性能
陶瓷的力学性能
陶瓷的力学性能陶瓷材料的化学健大都为离子键和共价健，健合牢固并有明显的方向性，同一般的金属相比，其晶体结构复杂而表面能小。
因此，它的强度、硬度、弹性模量、耐磨性、耐蚀性和耐热性比金属优越，但塑性、韧性、可加工性、抗热震性及使用可靠性却不如金属。
因此搞清陶瓷的性能特点及其控制因素，不论是对研究开发还是使用设计都具有十分重要的意义。
本节主要讨论弹性、硬度、强度、韧性及其组织结构因素、环境因素的影响。
一．弹性性能1.弹性和弹性模量陶瓷材料为脆性材料，在室温下承载时几乎不能产生塑性变形，而在弹性变形范围内就产生断裂破坏。
因此，其弹性性质就显得尤为重要。
与其他固体材料一样。
陶瓷的弹性变形可用虎克定律来描述。
陶瓷的弹性变形实际上是在外力的作用下原子间里由平衡位置产生了很小位移的结果。
弹性模量反映的是原子间距的微小变化所需外力的大小。
表11.3给出一些陶瓷在室温下的弹性模量。
2.温度对弹性模量的影响由于原子间距和结合力随温度的变化而变化，所以弹性核量对温度变化很敏感、当温度升高时。
原子间距增大，由成j变为d，(见图11.2)而该处曲线的斜率变缓，即弹性模量降低。
因此，固体的弹性模量一般均随温度的升高而降低。
图11.3给出一些陶瓷的弹性模量随温度的变化情况。
一般来说，热膨胀系数小的物质，往往具有较高的弹性模量。
3.弹性模量与熔点的关系物质熔点的高低反映其原子间结合力的大小。
一般来说，弹性模量与熔点成正比例关系。
不同种类的陶瓷材料样性模量之间大体上有如下关系氧化物＜氯化物＜硼化挪＜碳化物。
泊松比也是描述陶瓷材料弹性变形的重要参数。
表11.4给出一些陶瓷材料和金属的泊松比。
可以看出除BeO与MgO外大多数陶瓷材料的泊松比都小于金属材制的泊松比。
4.弹性模量与材料致密度的关系陶瓷材料的致密度对其弹性模量影响很大。
图11.5给出AL2O3陶瓷的弹性模量随气孔率的变化及某些理论计算值的比较。
Fros指出弹性模量与气孔率之间将会指数关系E=E0exp(-BP)式中B--常数。
陶瓷材料力学性能.
微裂纹增韧
• 引起微裂纹的原因： • 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； • 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
• 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。
第一节 陶瓷材料的结构
• 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 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 度下降。
结束
陶瓷材料疲劳特性评价
• 一般来讲，金属随着屈服强度增大，△Kth下降不多， 但KIC值显著降低，所以△Kth/KIC值增大。这表明随 材料屈服强度增加，其疲劳裂纹难以萌生，陶瓷材料 的△Kth /KIC值比金属大得多，说明陶瓷更难产生疲 劳裂纹。 • 陶瓷材料在室温及大气中也会产生应力腐蚀断裂，其 应力腐蚀门槛值KISCC与KIC的比值较钢低，陶瓷材料 的KISCC/KIC值比△Kth/KIC值大，所以陶瓷材料的应力 腐蚀开裂比疲劳更难产生。 • KISCC：应力腐蚀门槛值，应力腐蚀临界应力场强度 因子，是指试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断 裂的最大应力场强度因子。
陶瓷材料的力学性能特点
陶瓷材料的力学性能特点
陶瓷材料是一类使用广泛的非金属材料，具有许多独特的力学性能特点。
相较于金属材料，陶瓷材料的硬度更高、耐磨性更好，但同时也具有脆性大、抗张强度低等特点，这使得陶瓷材料在工程应用中具有独特的优势和局限性。
强度和硬度
陶瓷材料的强度主要是指其破坏前的抗压、抗弯等性能。
一般而言，陶瓷材料的强度很高，具有很好的抗压性能，可以承受较大的外部压力。
而陶瓷材料的硬度通常也比较高，能够抵抗表面的划伤和磨损。
脆性
然而，陶瓷材料的脆性也是其在工程应用中需要考虑的重要问题。
陶瓷材料的断裂韧性很差，一旦受到较大冲击或弯曲力，则容易发生破裂。
这种脆性特点使得在设计和制造过程中需要特别小心处理，避免在使用过程中出现意外的破损情况。
热稳定性
另外，陶瓷材料还具有较好的耐高温性能，能够在高温下保持稳定的物理性质和力学性能。
这种热稳定性使得陶瓷材料在高温环境下有广泛的应用，比如航空航天领域的热屏障涂层、高温陶瓷窑炉等。
导热性和电绝缘性
陶瓷材料通常具有较高的绝缘性能，能够有效地阻止热量和电流的传导。
这使得陶瓷材料在电子元器件、绝缘材料等领域有着重要的应用。
同时，某些陶瓷材料也具有较好的导热性能，可用于制造散热元件等产品。
总的来说，陶瓷材料作为一类特殊的非金属材料，具有独特的力学性能特点。
在工程应用中，我们需要充分了解和利用陶瓷材料的各项性能，同时也要注意其脆性等缺点，以确保其在各个领域中都能发挥最佳的作用。
1。
陶瓷材料的力学性能检测方法.
陶瓷材料力学性能的检测方法为了有效而合理的利用材料，必须对材料的性能充分的了解。
材料的性能包括物理性能、化学性能、机械性能和工艺性能等方面。
物理性能包括密度、熔点、导热性、导电性、光学性能、磁性等。
化学性能包括耐氧化性、耐磨蚀性、化学稳定性等。
工艺性能指材料的加工性能，如成型性能、烧结性能、焊接性能、切削性能等。
机械性能亦称为力学性能，主要包括强度、弹性模量、塑性、韧性和硬度等。
而陶瓷材料通常来说在弹性变形后立即发生脆性断裂，不出现塑性变形或很难发生塑性变形，因此对陶瓷材料而言，人们对其力学性能的分析主要集中在弯曲强度、断裂韧性和硬度上，本文在此基础上对其力学性能检测方法做了简单介绍。
1. 弯曲强度弯曲实验一般分三点弯曲和四点弯曲两种，如图1-1所示。
四点弯曲的试样中部受到的是纯弯曲，弯曲应力计算公式就是在这种条件下建立起来的，因此四点弯曲得到的结果比较精确。
而三点弯曲时梁各个部位受到的横力弯曲，所以计算的结果是近似的。
但是这种近似满足大多数工程要求，并且三点弯曲的夹具简单，测试方便，因而也得到广泛应用。
图1-1 三点弯曲和四点弯曲示意图由材料力学得到，在纯弯曲且弹性变形范围内，如果指定截面的弯矩为M ，该截面对中性轴的惯性矩为I z ，那么距中性轴距离为y 点的应力大小为：zI My =σ在图1-1的四点弯曲中，最大应力出现在两加载点之间的截面上离中性轴最远的点，其大小为：=∙⎪⎭⎫⎝⎛∙=zI y a P max max 21σ⎪⎩⎪⎨⎧圆形截面 16矩形截面 332DPa bh Paπ其中P 为载荷的大小，a 为两个加载点中的任何一个距支点的距离，b 和h 分别为矩形截面试样的宽度和高度，而D 为圆形截面试样的直径。
因此当材料断裂时所施加载荷所对应的应力就材料的抗弯强度。
而对于三点弯曲，最大应力出现在梁的中间，也就是与加载点重合的截面上离中性轴最远的点，其大小为：=∙⎪⎭⎫⎝⎛∙=zI y a P l max max 4σ⎪⎩⎪⎨⎧圆形截面 8矩形截面 2332DPl bh Plπ式中l 为两个支点之间的距离（也称为试样的跨度）。
陶瓷的力学性能包括哪些内容
陶瓷的力学性能包括哪些内容
陶瓷作为一种常见材料，在工程领域中有着广泛的应用。
其独特的力学性能是其被广泛使用的重要原因之一。
陶瓷的力学性能主要包括硬度、抗弯强度、抗压强度、韧性等几个方面。
硬度
陶瓷通常具有较高的硬度，这使得陶瓷在抗磨损方面表现突出。
陶瓷的硬度主要取决于其晶体结构和化学成分。
硬度高意味着陶瓷在磨擦和表面损耗方面有着良好的表现，使其在耐磨领域得到广泛应用。
抗弯强度
陶瓷的抗弯强度是指陶瓷在受到弯曲载荷时抵抗变形和破坏的能力。
由于陶瓷在工程上通常用于承受一定的弯曲应力，其抗弯强度是评估其在这种情况下表现的重要参数。
抗压强度
陶瓷的抗压强度是指陶瓷在受到压缩载荷时抵抗破坏的能力。
在一些工程应用中，陶瓷可能需要承受来自各个方向的压力，因此抗压强度是评估陶瓷材料综合承载能力的重要指标之一。
韧性
尽管陶瓷通常以其高硬度和脆性著称，但某些陶瓷材料也具有一定的韧性。
韧性是指材料抵抗断裂的能力，而不是材料硬度。
在一些需要承受冲击或振动载荷的工程应用中，具有一定韧性的陶瓷材料表现出色。
综上所述，陶瓷的力学性能主要包括硬度、抗弯强度、抗压强度和韧性等方面。
根据不同的工程需求，选择合适的陶瓷材料可以充分发挥其优异的力学性能，实现更广泛的应用。
1。
陶瓷材料的力学性能
第九章陶瓷材料的力学性能§9-1 陶瓷材料概况陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料之间的主要区别在于化学键不同。
金属：金属键高分子：共价键（主价键）+范德瓦尔键（次价键）陶瓷：离子键和共价键。
普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。
工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。
工程陶瓷的性能：耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。
硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差。
常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。
一、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，气相晶界、夹杂（种类、数量、尺寸、形态、分布、影响材料的力学性能。
（可通过热处理改善材料的力学性能）§9-2 陶瓷材料的力学性能强度（高温、低温、室温）韧性、硬度、断裂韧度、疲劳等。
一、陶瓷材料的弹性变形、塑性变形与断裂（图9-23）（1）弹性A）弹性模量大是金属材料的2倍以上。
∵共价键结构有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。
晶体结构复杂，滑移系很少，位错运动困难。
B）弹性模量呈方向性；压缩模量高于拉伸弹性模量结构不均匀性；缺陷C）气孔率↑，弹性模量↓（2）塑性变形a）室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。
b）1000℃以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形（主滑移系运动）c）陶瓷的超塑性超细等轴晶，第二相弥散分布，晶粒间存在无定形相。
1250℃，3.5×10-2 S-1应变速率ε=400%。
利用陶瓷的超塑性，可以对陶瓷进行超塑加工（包括扩散焊接）（3）断裂以各种缺陷（表面或内部）为裂纹源裂纹扩展，瞬时脆断。
缺陷的存在是概率性的。
用韦伯分布函数表示材料断裂]dv F m v m )'()(exp 1)(0σσςσσ⎰⎢⎣⎡--= F(σ)—断裂概率m —韦伯模数σ0—特征应力，该应力下断裂概率为0.632σ’、 σ—试样内部的应力及它们的最大值二、陶瓷材料强度和硬度陶瓷的实际强度比其理论值小1~2个数量级。
5-陶瓷材料的力学性能
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。
陶瓷物理力学性能
置，即使外力除去后，也不能再回到
复原位，就会保留永久的变形。
原子间距离
金属
陶瓷
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2、努氏硬度试验的压痕压入深度只有长对角线长度的1 /30，维氏硬度试
验的压痕压入深度为对角线长度的1/7，所以努氏硬度试验适用于表层硬度和 薄件的硬度测试。
3、同一试样在同一负荷下，努氏硬度压痕对角线长度约为维氏硬度压痕
对角线长度的3倍，大大优于维氏测量法。
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融化成液态。
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二、陶瓷力学性能及表征
弹性变形与弹性模量
陶瓷强度及表征
陶瓷的断裂韧性及表征
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2.1 弹性变形与弹性模量
与金属和有机材料不同，陶瓷材料具有弹性模量高、抗压强度和高温强度
1. 1）结晶学密度：是指原子组成的没有缺陷的连续晶格计算出来的理想密
度。 2）理论密度：与结晶学密度同义，但考虑了固溶体和多相。 3）体积密度：陶瓷体实际测出的密度，包括陶瓷内部所有的晶格缺陷， 各种相组成和制造中形成的气孔。 4）相对密度：指陶瓷实测体积密度与其理论密度比值的相对百分数。
显微硬度。也被广泛应用于陶瓷。
努普硬度所用压头很长，是一般维氏法中同样载荷下压痕的2.5倍，所 以压痕更易于测量。
努普金刚石压头主轴方向的压痕是副轴方向的7倍，硬度计算和维氏相
似，但用的是压痕的投影面积而不是实际表面积。
「陶瓷材料的力学性能检测方法」
「陶瓷材料的力学性能检测方法」陶瓷材料是一种类型的无机非金属材料，具有硬度高、耐磨损、抗腐蚀等特点，在许多领域都有广泛的应用。
然而，由于其特殊的物理和化学性质，陶瓷材料的力学性能检测相对较为复杂。
本文将介绍一些常用的陶瓷材料力学性能检测方法。
1.弹性模量测定弹性模量是衡量材料刚性的重要指标，可以反映材料在受力时的变形能力。
常用的弹性模量测试方法有压缩试验、拉伸试验和弯曲试验。
其中，拉伸试验可以通过拉伸杆比天平来确定材料的弹性模量。
2.拉伸强度和抗压强度测定拉伸强度和抗压强度是评价材料抗拉性能和抗压性能的指标。
拉伸试验可以通过引伸计和力传感器来测量材料在拉伸过程中的载荷和伸长量，从而计算出拉伸强度。
而抗压试验可以通过压力传感器来测量材料受到的压缩应力，从而计算出抗压强度。
3.硬度测试硬度是评价材料抗外力作用下抵抗表面变形和损坏的能力。
陶瓷材料的硬度测定方法有洛氏硬度试验、维氏硬度试验和显微硬度试验等。
其中，洛氏硬度试验是最常用的方法，通过在材料表面施加一定载荷并测量印痕的大小来确定硬度值。
4.断裂韧性测试断裂韧性是衡量材料在受到应力时抵抗断裂的能力，特别适用于陶瓷材料的力学性能评价。
常用的断裂韧性测试方法有缺口冲击试验、三点弯曲试验和压瓷强度试验等。
其中，缺口冲击试验被广泛应用于陶瓷材料的断裂韧性测试，通过在标准试样上制造缺口并施加冲击载荷来测定材料的断裂韧性。
5.耐磨试验耐磨性是评价材料抗磨损能力的指标。
常用的耐磨试验方法有滑动磨损试验、砂轮磨损试验和磨料磨损试验等。
这些试验方法均通过在材料表面施加一定的磨损载荷并测量磨损量来评估材料的耐磨性能。
总之，陶瓷材料的力学性能检测方法是多样化且复杂的，需要根据具体材料的特性和使用环境的需求来选择合适的测试方法。
以上介绍的几种方法是其中常用的方法，可以为陶瓷材料的力学性能评价提供一定的参考。
陶瓷物理力学性能
显微硬度。也被广泛应用于陶瓷。
努普硬度所用压头很长，是一般维氏法中同样载荷下压痕的2.5倍，所 以压痕更易于测量。
努普金刚石压头主轴方向的压痕是副轴方向的7倍，硬度计算和维氏相
似，但用的是压痕的投影面积而不是实际表面积。
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但有一些晶体材料，三相点的饱和蒸汽压高于常压，因此在常压下 没有熔点，只有从固态直接到气态的升华与分解温度。 共价键氮化物或碳化物陶瓷，自扩散系数很小，高温时易于分解蒸 发。如氮化硅陶瓷，温度在1800℃以上时，分解蒸发已经比较剧烈； 石墨在常压下约3050 ℃时汽化，只有在100个大气压下才能使石墨
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1.3 陶瓷的熔融及蒸发
陶瓷的熔点：许多氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷都具有高的熔点。
固体材料的熔点取决于内部质点间结合力的大小，即晶体中化学
键的类型和它的强弱程度。
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1）陶瓷材料的密度主要取决于元素的尺寸、元素的质量和结构堆积的紧
密程度。 原子序数和相对原子质量小的元素（如H、Be、C、Si等）使材料具有低的 结晶学密度或理论密度； 原子序数和相对原子质量大的元素（如W、Zr、Th钍、U等）使材料具有高 的结晶学密度或理论密度。 2）原子堆积情况也产生一定影响，但影响较小。 金属键合陶瓷中的原子形成紧密堆积，会使其密度比共价键键合陶瓷（较 开放的结构）的密度更高一些，例如锆英石(ZrSiO3)和氧化锆(ZrO2)，若单 从相对原子质量看会以为锆英石的密度 更高一些，然而，锆英石结构由于 Si-O共价键合，形成开放式内部结构，因而ZrSiO3密度（4.65 g/cm3 ）比 ZrO2（5.8 g/cm3 ）低很多。
陶瓷材料的力学性能
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)
陶瓷材料的力学性能
3 弹性模量与材料致密度的关系
陶瓷材料的致密度对弹性模量影响很大，弹 性模量E与气孔率p之间满足下面关系式
E
E0 (1
f1 p
f
2
p2)
（11－2）
为由气式孔中形，状E0为决气定孔的率常为数0。时M的ac弹ke性nz模ie求量出，当f1及气f孔2 为球形时，f1＝1.9，f2＝0.9。图13－4给出Al2O3 陶瓷的弹性模量随气孔率的变化及某些理论计算 的比较。
f 0kd 1/ 2
（11－7）
式中，σ0为无限大单晶的强度，k为系数,d为 晶粒直径。σf与d－1/2的关系曲线分为两个区域，但在 两区域内都成直线关系。在I区，有以下关系，即
f
1 Y
2E * / c
（11－8）
此时c≈d，故有σf∝d－1/2的关系。
在Ⅱ区，符合由金属中位错塞积（pile－ up）模型推导出的滑移面剪切应力τi与位错塞积 群长度L（与晶粒d大小有关）之间的关系式
1.2 弹性模量的影响因素
• 1 温度对弹性的影响 • 2 弹性模量与熔点的关系 • 3 弹性模量与材料致密度的关系
1 温度对弹性的影响
• 由于原子间距及结合力随温度的变化而变化，所以弹性模量 对温度变化很敏感。当温度升高时，原子间距增大，由d0变为 dt(如图11-1),而dt处曲线的斜率变缓,即弹性模量降低。
当温度进一步升高时（C区）。二维滑移系 开动，位错塞积群中的一部分位错产生的交叉滑 移随温度的升高而变得活跃，由此而产生的对位 错塞积群前端应力的松弛作用就越发明显。所以 在此区域内，断裂应力有随温度的升高而上升的 趋势。
图11－10给出的是陶瓷材料的强度随温度变 化关系的一般趋势。并非对所有的陶瓷材料都符 合很好，也并非对所有陶瓷材料A、B、C三个区 都出现。
第五章 陶瓷材料的力学性能11
陶瓷材料的力学性能
引言
陶瓷广泛应用于我们的日常生活中，如建筑材料、饮 食餐具等以及国家战略战备设施，如武器装备、航天领 域上。 传统的陶瓷制品以天然粘土为原料，通过混料、成型、 烧结而成，性能特点是强度低，脆性高。 目前研究的陶瓷分为结构陶瓷和功能陶瓷。
结构陶瓷
主要利用的是材料的耐高温、强度、硬度、韧性、耐磨
（2）相变增韧
必要条件 有亚稳的四方氧化锆颗粒存在
t相的晶粒尺寸是影响 t-m相变的一个重要因素，Ms点随 晶粒尺寸的减少而降低。氧化锆的室温组织存在一个临 界粒径dc，ddc的晶粒室温下已经转变成m相；ddc的晶 粒冷却到室温仍保留为 t 相。所以只有 ddc 的晶粒才有 可能（但不一定）产生相变韧化作用。 当裂纹尖端应力场最高值一定的情况下，应力诱发 t-m 相变存在一个临界晶粒直径d1。只有d1ddc的晶粒才会 应 力 诱 发 相 变 （ stress induced phase transformation），即这部分晶粒才对相变韧化有贡献。
• 表5.2（P111）给出了试验规程及计算公式。 • 表5.4（P111）是劳氏硬度和维氏硬度的对比情况。
三、克劳维尔硬度
四、硬度与其它性能之间的关系
• 图5.5
五、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。
• 图5.20。
（2）共价键型陶瓷材料
• 图5.21。
3、加载速率对陶瓷强度的影响
• 图5.22。
第五节 陶瓷材料的断裂韧性
一、陶瓷材料的断裂韧性
一、陶瓷材料的断裂韧性
二、陶瓷材料的断裂韧性的测定
陶瓷材料的力学性能分析
陶瓷材料的力学性能分析引言：陶瓷材料是一种被广泛应用于工业和日常生活中的材料。
与金属材料相比，陶瓷材料具有优异的抗腐蚀性、绝缘性能和高温稳定性。
然而，由于其脆性和低韧性，陶瓷材料在受力时容易发生破裂。
因此，对陶瓷材料的力学性能进行分析非常重要，既有助于优化其设计和优化，又能提高其可靠性和耐用性。
1. 弹性模量的分析：弹性模量是衡量材料在受力时的刚度的物理量。
对于陶瓷材料来说，其分子结构通常较密，键合力较强。
因此，陶瓷材料通常具有高弹性模量。
例如，氧化铝在室温下的弹性模量约为380 GPa，而钢的弹性模量则约为200 GPa左右。
这说明，相同荷载下陶瓷材料通常会产生更小的变形，表现出更好的刚度。
2. 抗弯强度的分析：抗弯强度是衡量材料抵抗弯曲破坏的能力。
由于陶瓷材料的脆性特性，其抗弯强度相较于金属材料较低。
陶瓷材料在弯曲时容易出现裂纹扩展，导致材料的破坏。
因此，设计陶瓷结构或组件时需要注意避免过大的应力集中和裂纹扩展。
3. 硬度的分析：硬度是衡量材料抵抗局部变形或划痕的能力。
陶瓷材料通常具有较高的硬度，这是由于其结构中离子键的特性决定的。
离子键通常具有较高的键能量，使得陶瓷材料表现出较高的硬度。
通常采用维氏硬度测试来评估陶瓷材料的硬度。
4. 破裂韧性的分析：破裂韧性是衡量材料在受到应力时不发生破坏的能力。
陶瓷材料由于其脆性特性，破裂韧性较低。
破裂韧性的分析包括测量陶瓷材料的断裂韧性，研究材料的断裂过程等。
改善陶瓷材料的破裂韧性是提高其可靠性和耐久性的关键。
5. 应力分析与模拟：应力分析与模拟是通过对陶瓷材料施加特定荷载，进行力学性能分析的一种方法。
通过模拟不同应力条件下的材料行为，可以精确地预测材料的破坏点以及应力分布等。
这有助于设计出更优越的陶瓷材料结构。
结论：陶瓷材料的力学性能分析对于材料的设计和应用具有重要意义。
通过分析弹性模量、抗弯强度、硬度和破裂韧性等参数，我们可以更好地理解陶瓷材料在受力时的行为，并采取相应的措施来改善其性能。
陶瓷的力学性能
陶瓷的力学性能陶瓷材料的化学健大都为离子键和共价健，健合牢固并有明显的方向性，同一般的金属相比，其晶体结构复杂而表面能小。
因此，它的强度、硬度、弹性模量、耐磨性、耐蚀性和耐热性比金属优越，但塑性、韧性、可加工性、抗热震性及使用可靠性却不如金属。
因此搞清陶瓷的性能特点及其控制因素，不论是对研究开发还是使用设计都具有十分重要的意义。
本节主要讨论弹性、硬度、强度、韧性及其组织结构因素、环境因素的影响。
一．弹性性能1.弹性和弹性模量陶瓷材料为脆性材料，在室温下承载时几乎不能产生塑性变形，而在弹性变形范围内就产生断裂破坏。
因此，其弹性性质就显得尤为重要。
与其他固体材料一样。
陶瓷的弹性变形可用虎克定律来描述。
陶瓷的弹性变形实际上是在外力的作用下原子间里由平衡位置产生了很小位移的结果。
弹性模量反映的是原子间距的微小变化所需外力的大小。
表11.3给出一些陶瓷在室温下的弹性模量。
2.温度对弹性模量的影响由于原子间距和结合力随温度的变化而变化，所以弹性核量对温度变化很敏感、当温度升高时。
原子间距增大，由成j变为d，(见图11.2)而该处曲线的斜率变缓，即弹性模量降低。
因此，固体的弹性模量一般均随温度的升高而降低。
图11.3给出一些陶瓷的弹性模量随温度的变化情况。
一般来说，热膨胀系数小的物质，往往具有较高的弹性模量。
3.弹性模量与熔点的关系物质熔点的高低反映其原子间结合力的大小。
一般来说，弹性模量与熔点成正比例关系。
不同种类的陶瓷材料样性模量之间大体上有如下关系氧化物＜氯化物＜硼化挪＜碳化物。
泊松比也是描述陶瓷材料弹性变形的重要参数。
表11.4给出一些陶瓷材料和金属的泊松比。
可以看出除BeO与MgO外大多数陶瓷材料的泊松比都小于金属材制的泊松比。
4.弹性模量与材料致密度的关系陶瓷材料的致密度对其弹性模量影响很大。
图11.5给出AL2O3陶瓷的弹性模量随气孔率的变化及某些理论计算值的比较。
Fros指出弹性模量与气孔率之间将会指数关系E=E0exp(-BP)式中B--常数。
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（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
• 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。
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 度方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：
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。
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。
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
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
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。