陶瓷的力学性能
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。
陶瓷物理力学性能
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。
金 属 密 度 相 对 较 高
密 较度 小相
对 在陶瓷、金属、有机高分子这三类材料中，有机材料的密度最低，
这是因为有机材料主要有C和H及其他相对原子质量小的元素如Cl和F构成
的。材料的密度由什么决定呢？
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密度的影响因素
5）对于陶瓷素坯（烧结前）的体积密度测定，则不能采用“水煮法”（因 易吸附水，进而与水反应，造成性能的改变）。
规则形状：测体积和干重计算 复杂形状：表面涂石蜡，排水法 排汞法：原理和排水法相同，液态汞在常压下不润湿陶瓷NPU
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1.2 陶瓷硬度及表征 硬度：材料抵抗硬的物体压陷表面或破坏的能力。
常见硬度表 示法
莫氏硬度
布氏硬度 HB
洛氏硬度 HV
维氏硬度
努普硬度 HK
显微镜度
陶瓷系列-1-微观结构与力学性能
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显微组织对性能的影响
陶瓷的显微组织对其力学性能、热学性能、电学性能等都有重要影 响。
陶瓷的相变
01
02
03
相变定义
陶瓷的相变是指在一定温 度下，陶瓷内部晶相发生 转变的过程。
相变分类
根据相变过程中是否发生 晶体结构的改变，陶瓷的 相变可以分为同构相变和 异构相变。
相变对性能的影响
陶瓷的相变对其力学性能、 热学性能、电学性能等都 有重要影响。
频率性能和稳定性。
06
未来研究方向
提高陶瓷的力学性能
优化制备工艺
通过改进陶瓷的制备工艺，如采用先进的烧结技术、热处理工艺等， 提高陶瓷材料的致密度和均匀性，从而提高其力学性能。
引入增强相
在陶瓷基体中引入第二相增强相，如碳纳米管、晶须等，利用其增 强作用提高陶瓷的力学性能。
表面涂层处理
在陶瓷表面涂覆高硬度、高耐磨损的涂层，以提高其耐磨、耐腐蚀等 力学性能。
陶瓷系列-1-微观结构 与力学性能
目 录
• 引言 • 陶瓷的微观结构 • 陶瓷的力学性能 • 微观结构与力学性能的关系 • 陶瓷的应用 • 未来研究方向
01
引言
主题介绍
陶瓷材料是一种无机非金属材料，具 有高熔点、高硬度、高耐磨性等特点 ，广泛应用于工业、建筑、航空航天 、军事等领域。
陶瓷材料的微观结构对其力学性能具 有重要影响，因此研究陶瓷的微观结 构与力学性能之间的关系是陶瓷材料 研究的重要方向之一。
发展多功能陶瓷
Hale Waihona Puke 多功能化应用在保持陶瓷材料优异力学性能的同时，赋予其新的功能特 性，如电学、磁学、光学等特性，拓展其在新能源、电子 信息等领域的应用。
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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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。
总之，随着气孔率的增加，陶瓷的弹性模量量急剧下降。
5.复合材料的弹性模量由于弹性模量决定于原子间结合力．即与原子种类和化学键类型有关，所以弹性模量对显微组织并不敏感．一旦材料种类确定，则通过热处理等工艺来改变弹性模量是极为有限的--但对由不同组元构成的复合材料的弹性模量来说，由于各组元的弹性模量不同，因而复合材料的弹性模量随各组元的含量不同而改变。
实际上混合定律不能准确地描述复合材料的弹性模量，只能粗略地估算。
当需要复合材料准确的弹性模量值时，可进行实际测量。
图11.6和图11.7给出Al2O3 SiCw、ZrO2(Y2O3) SiCw、及Al2O3＋ZrO2(Y2O3)＋SiCw等复合材料的弹性模最随第M相含量的变化情况。
可以看出在其他性能允许的情况下，可以通过在一定范围内调整两相比例来获得所需的弹性模量值。
二、硬度硬度是材料的重要力学性能参数之一，金属材料的硬度与强度之间有直接的对应关系。
而陶瓷材料属脆性材料。
测定硬度时，在压头压入区域会发生包括压缩剪断等复合破坏的伪塑性变形。
因此，陶瓷材料的硬度很难与其强度直接对应起来。
但硬度高、耐磨性好是陶瓷材料的主要优良特性之一。
硬度与耐磨性有密切关系，加之在陶瓷材料的力学性能评价中，硬度测定是使用最普遍且数据获得比较容易的评价方法之一，因而占有重要的地位。
目前，用于测定陶瓷材料硬度的方法最常用的是维氏硬度。
由于陶瓷为脆硬材料．因而多数情况下底痕的边缘产生破碎，同时在任痕角上沿对角线延长方向上产生裂纹、而压痕形状不如金属材料那样规则，给对角线的测量带来困难，所以在试样制备时，其测试表面最后应用金刚石研磨抛光成镜面。
维氏硬度测定的同时．根据区痕角部产生裂纹的长度．通过计算可以估算出断裂韧性。
因此，维氏硬度测试是一种简单经济、一举多得的方法。
表11.5给出一些常用陶瓷的维氏硬度值。
有时陶瓷材料也测量洛氏硬度值HR，洛氏硬度又分为HRA、HRC和HRD。
1.高温硬度高温硬度测定大都是采用维氏硬度法和显微硬度法。
陶瓷材料的高温硬度测定。
同其它高温性能测试相比，所用试样量少，且测定方法简便；另外，高温硬度与高温强度有一定对应性，同时通过长时间保持载荷可以显示其蠕变特性，所以高温使区是陶瓷材料使用较普遍的高温性能测试方法。
通过高温维氏硬度虽然可以测试陶瓷的高温断裂韧性，但高温硬度对温度的敏感性比强度对温度的敏感性大，即随温度的提高硬度值比强度值下降得快，致使用此法测得的韧性与其他方法测得的结果有较大的差异，因此，用压痕法测高温裂韧性时．要对其计算公式加以修正。
图11.8给出硬度随温度的变化曲线。
2.硬度与其他性能之间的关系对于结构陶瓷材料，维氏硬度HV与弹性模量E之间的关系如图11.9所示，大体上呈直线关系，其定量关系式为E/20HV。
但此关系只是在常温下成立。
随着温度的升高，硬度的下降比弹性模量的下降明显，所以E／HV值随温度的升高而增加。
wu等人试图用维氏硬度法测得的HV／KIC比值作为衡量陶瓷材料的脆性指标。
上述比值并非无量纲也难以赋予确切的物理意义。
但硬度在某种意义上表征的是变形抗力．断裂动性表征的是裂纹扩展阻力，因此二者比值在某种程度上可以表示材料的脆性断裂程度。
三、强度陶瓷材料由其他学键所决定、在室温下几乎不能产生滑移或位错运动，因而很难产生塑性变形，所以其破坏方式为脆性断裂。
一般陶瓷材料在室温下的应力应变曲线如图11.10中1所示，即在断裂前几乎没有塑性变形。
因此陶瓷材料室温强度测定只能获得一个断裂强度σf 值。
而金属材料则可获得屈服强度σs。
由此可知，陶瓷材料的室温强度是弹性变形抗力即当弹性变形达到极限程度而发生断裂时的应力。
强度与弹性模量和硬度一样，是材料本身的物理参数，它决定于材料的成分组织结构，同时也随外界条件(如温度、应力状态等)的变化而变化。
由于陶瓷材料的脆性，在绝大多数情况下都是测定其弯曲强度，而很少测定拉伸强度，表11.6给出了一些常见陶瓷材料强度的数据。
1.影响强度的组织因素陶瓷材料本身的脆性来自于其化学健的种类。
实际陶瓷晶体中大都以方向性较强的离子链和共价健为主。
多数晶体的结构复杂，平均原子间距大，因而表面能小。
因此，同金属材料相比．在室温下发生的滑移几乎没有，位错的滑移很难发生。
因此很容易由表面或内部存在的缺陷引起应力集中而产生脆性破坏。
这是陶瓷材料脆性的原因所在、也是其强度值分散性较大的原因所在。
通常陶瓷材料都是用烧结的方法制造的，在晶界上大都存在着气孔、裂纹和玻璃相即非晶相等。
而且有时在晶内也存在有气孔、层错、位借等缺陷。
陶瓷的强度除决定于本身材料外，上述微观组织因素对强度也有显著的影响(即微观组织敏感性)，其中气孔率与晶粒尺寸是两个最重要的影响因素。
(1)气孔率对强度的影响。
气孔是绝大多数陶瓷的主要组织缺陷之一，气孔明显地降低了载荷作用横截面积。
同时气孔也是引起应力集中的地方。
实验发现，多孔陶瓷的强度随气孔束的增加近似按指数规律下降。
有关气孔率与温度的关系式有多种提案，其中最常用的经验公式：σ=σ0exp(-αP)式中P－气孔率；σ0—P＝0时的强度；a——常数，其值在4～7之间．许多试验数据与此式接近。
图11.11示出AL203陶瓷的弯曲强度和气孔率之间的关系。
可以看出试验值与理论值符合较好。
由上述可知，为了获得高强度，应制备接近理论密度的无气孔陶瓷材料。
(2)晶粒尺寸对强度的影响。
陶瓷材料的强度和晶粒尺寸的关系与金属有类似的规律。
图11.12给出TiO2陶瓷强度与晶粒尺寸的关系；多晶AL203、MgO和结晶玻璃的粒径与强度之间关系也符合Hall-petch关系式。
从定性的角度上讲，实验研究已得到了σf与d-1/2关系趋势相一致的结果。
但对烧结体陶瓷来讲，要做出只有晶粒尺寸大小不同而其他组织参量都相同的试样是非常困难的，因此，往往其它因素与晶粒尺寸同时对强度起影响作用。
所以，陶瓷中的σf与d-1/2的关系并非那么容易搞清，还有待于进一步研究。
但无论如何，室温断裂强度无疑地随晶粒尺寸的减小而增高。
所以对于结构陶瓷材料来说，努力获得细晶粒组织，对提高室温强度是有利而无害的。
(3)晶界相的性质与厚度、晶粒形状对强度的影响。
陶瓷材料的烧结大都要加入助偏剂，因此形成一定量的低熔点晶界相面促进致密化。
晶界相的成分、性质及数量(厚度)对强度有显著影响。
晶界相最好能起阻止裂纹过界扩展并松弛裂纹尖端应力场的作用。
晶界玻璃相的存在对强度是不利的，所以应尽量减少晶界玻璃相的数量，并通过热处理使其晶化。
对单相多晶陶瓷材料，晶粒形状最好为均匀的等轴晶粒，这样承载时变形均匀而不易引起应力集中，从而使强度得到充分发挥。
综上所述，高强度单相多晶陶瓷的显微组织应符合如下要求①晶粒尺寸小，晶体缺陷少，晶粒尺寸均匀、等轴，不易在晶界处引起应力集中；③晶界相含量适当，并尽量减少脆性玻璃柜含量，应能阻止晶内型纹过界扩展，并能松弛裂纹尖端应力集中；④减少气孔率，使其尽量接近理论密度。
(4)陶瓷的复合强化。
为了提高陶瓷材料的强度，除了要控制上述组织因素外．更常见的是通过复合的办法提高强度．例如自生复相陶瓷棒晶强化，加入第二相的颗粒弥散强化纤维强化、晶须强化等。
在陶瓷的韧化一节中，除微裂纹韧化外．其它的强化方法均有强化效果，这里不再赘述。
2.温度对强度的影响陶瓷材料的一个最大的特点就是高温强度比金属高得多。
未来汽车用燃气发动机的附温度为1370t这样的工作温度，N、CI、Ch系的超耐热合金已无法承受，但Si3N4陶瓷却大有希望。
陶瓷材料的强度当温度T＜DSTm(T为熔点)时．基本保持不变，当温度高于0．5h时才出现明显的降低13I．x一等人提出图11.13所示的强度随温度的变化曲线，可惜出，整个曲线可分为三个区域。
在低温A区，断裂前无塑性变形．陶房的断裂主要决吁试样内部既存缺陷(裂纹、气孔等周起的裂纹扩展。
为脆性断裂，其断裂应力随温度犒变化不大；在中间温度B区，由于断裂前产生塑性变形，因而强度对既存缺陷的敏感t降低，断裂受塑性变形控制，勾随温度的L升而有明显的降低。
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借产主文B移而沿另外的滑移而继续滑移．松弛了应力集中因而抑制了裂纹的萌生。
由于位借的z又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区发明显。
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11.13给出的E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和很好．也并附有陶瓷材料的A、B、C 三个区都出现。
陶瓷材料的强度随材料的纯度、微观组织结构因素和表面状态(粗糙度)的变化而变化．因此．即使是同一种材料．由于制备工艺不同。