第十三章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
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。
陶瓷材料的力学性能
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。
• 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。
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
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
陶瓷材料的微观结构调控及其力学性能分析
陶瓷材料的微观结构调控及其力学性能分析陶瓷材料是一类广泛应用的工程材料，具有优秀的耐磨、耐腐蚀和高温稳定性等特性。
然而，由于其脆性和易碎性，使得陶瓷材料在应力加载下容易发生断裂。
因此，为了提高陶瓷材料的力学性能，需要对其微观结构进行调控。
在陶瓷材料的微观结构中，晶体结构是其中最基本的组成部分。
陶瓷材料多为离子键或共价键构成的晶体，晶格参数和晶体缺陷对其力学性能具有重要影响。
通过控制陶瓷材料中晶体的晶格参数，可以调节材料的硬度、韧性和抗疲劳性能。
例如，通过增大晶格参数可以提高材料的变形能力，从而增强其韧性。
同时，控制晶体缺陷（如晶界、孔隙等）的尺寸和分布也是调控陶瓷材料力学性能的关键。
合适的晶界和孔隙可以增强材料的塑性变形和能量吸收能力，从而提高其抗断裂性能。
除了晶体结构外，陶瓷材料的微观组织也对其力学性能具有重要影响。
微观组织包括晶粒的尺寸、形状和分布。
通常情况下，较小的晶粒会增加材料的界面面积，从而提高材料的强度。
而分布较均匀的晶粒可以增强材料的韧性和断裂韧性。
为了实现对陶瓷材料微观组织的调控，可以通过控制材料的成分、烧结温度和烧结时间等方法。
此外，还可以通过添加第二相、加入外部压力、改变热处理参数等方式来调节陶瓷材料的微观组织。
了解陶瓷材料的微观结构调控对其力学性能的影响是非常重要的，这有助于设计和制备具有优异性能的陶瓷材料。
一种常用的方法是通过计算机辅助设计（CAD）和计算机模拟（CAE）来研究材料的微观结构。
通过建立合适的模型和材料参数，可以模拟材料在不同加载条件下的响应，预测材料的断裂行为和力学性能。
这样可以为工程师和科研人员提供指导，以便更好地设计和材料的制备。
总之，陶瓷材料的微观结构对其力学性能具有重要影响。
通过调控陶瓷材料中晶体结构和微观组织，可以有效地提高材料的力学性能。
此外，研究陶瓷材料的微观结构调控及其力学性能分析也是一项具有挑战性和前景的研究领域，有望为陶瓷材料的设计和应用提供更多的理论依据和技术支持。
陶瓷材料的力学性能
在低温A区，断裂前无塑性变形，陶瓷的断裂主要
决定于试样内部既存在缺陷（裂纹、气孔等）引起裂
纹的扩展，为脆性断裂，其断裂应力为：
式中，φ2为模量为E2的相的体积分数， E1为另一相的模量。对其他的模量（G，K）， 也可以写出类似的关系式。在这种情况下，大 部分作用应力由高模量相承担。
Reuss模型假定各相的应力相同，即垂于
层面拉伸时，给出复合材料模量 ET 的表达式
ET
E1 E 2
E1 2 E21
（11－5）
对其他模量同样也可以写出类似的关系 式。符号EL和ET分别表示复合材料弹性模量的上限 和下限值。Hashin和Shtrikma也曾确定出二相复 合材料模量的上下限，而且比上述两个界限之间 范围窄的多，且不包括关于相的几何形状的任何 特殊假设。
0 exp(p) （ 11－6）
式中，p为气孔率，σ0为p＝0时的强度，α为 常数，其值在4－7之间，许多试验数据与此式接近 。
根据上式可推断出当p＝10％时，陶瓷的强度 就下降到无气孔时的一半。陶瓷的气孔率约为 3％，陶器的气孔率约为10％－15％。当材料成分 相同，气孔率的不同将引起强度的显著差异。
E 100kTm （11－1） Va
式中，Va为原子体积或分子体积。图11－3为由 Frost与Ashby总结出的E与kTm/Va之间的关系图，可以 看出，它们符合良好的线性关系。不同种类的陶瓷材 料弹性模量之间大体上有如下关系：氧化物<氮化物≈ 硼化物<碳化物。
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
陶瓷材料的硬度与磨损
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。
②该方法适用于高温或不同介质和气氛中 试验。
③测定值比较稳定，如果切口宽度能控制在 以下 0.2m，m 可得到可比性较好又比较接近真 实值的 K C值。
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 KC 2.109H 0.6E0.4a2c1.5 c / a 2.5
三点弯曲
f3
3FL 2bh2
四点弯曲
f
4
3FL
2bh2
l
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。
c F/A
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。
巴氏裂纹 KC 0.572H 0.6 E0.4ac1.5 0.25 l / a 2.5
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
陶瓷材料的微观结构与力学性能
陶瓷材料的微观结构与力学性能陶瓷材料在现代工业生产中扮演着重要的角色，具有许多独特的性质和应用。
然而，要研究和了解陶瓷材料的力学性能，首先需要理解其微观结构对这些性能的影响。
在研究微观结构时，首先要考虑的是陶瓷材料的晶体结构。
陶瓷材料通常由一种或多种无机化合物组成，这些化合物在形成晶粒时会以特定的排列方式堆积在一起。
晶体结构的不同将直接影响到陶瓷材料的物理和力学性能。
例如，陶瓷材料的硬度与晶体结构的紧密程度有关。
一般来说，晶体结构越紧密的材料，其硬度也越高。
这是因为紧密的结构能够抵抗外界力的压迫，使材料不容易被损坏。
在陶瓷材料中，氧化物晶体结构的硬度一般比非氧化物晶体结构的硬度要高，这种差异主要归因于晶体结构中氧的参与。
另一个与微观结构相关的重要参数是晶界。
晶界是两个晶粒之间的界面区域，其结构和性质在陶瓷材料中起着重要的作用。
晶界的存在不仅影响材料的力学性能，还会影响其电学、化学性质等。
晶界的特点和晶粒大小、形状密切相关。
一般来说，晶界越多，晶体的塑性就会越好。
这是因为晶界在陶瓷材料中能够提供位错运动的路径，使材料能够变形而不破裂。
除了晶体结构和晶界，陶瓷材料的孔隙率也是影响其力学性能的重要参数。
孔隙率是指材料中存在的孔隙的体积占总体积的比例。
孔隙率越高，材料的密度越低，从而强度越低。
这是因为孔隙是弱点，容易在受力作用下形成裂纹和断裂。
因此，为了提高陶瓷材料的力学性能，降低孔隙率是非常重要的。
最后，要论述陶瓷材料的力学性能，不能忽视其微观结构与应力的关系。
陶瓷材料在受力作用下会发生断裂，这一现象与晶体结构和晶界的应力分布密切相关。
例如，在压缩应力作用下，晶粒间的互相挤压可以抵消一部分应力，从而提高材料的强度。
然而，如果应力过大，容易引起晶粒的移动和破裂，导致材料的脆性断裂。
综上所述，陶瓷材料的微观结构对其力学性能有着重要影响。
晶体结构的紧密度、晶界的存在与否、孔隙率以及微观结构与应力的关系都是影响陶瓷材料力学性能的重要因素。
陶瓷材料力学性能
4陶瓷材料力学性能4.1陶瓷的强度陶瓷材料由其化学键所决定、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10-1中所示，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。
4.1.1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。
4.1.2陶瓷材料高弹性模量的原因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。
显微结构对弹性模量的影响，弹性模量不仅与结合键有关，还与组成相的种类、分布比例及气孔率有关。
温度对弹性模量的影响，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，即弹性模量变低。
因此，固体的弹性模量一般随温度的升高而降低。
4.2陶瓷材料的塑性变形陶瓷材料在常温下基本不出现或极少出现塑性变形，它的脆性比较大。
主要原因在于陶瓷材料具有非常少的滑移系统。
陶瓷材料中只有为数极少的具有简单晶体结构的材料在室温下具有塑性.4.3陶瓷材料的塑性在室温或较低温度下，由于陶瓷结合键的特性，使陶瓷不易发生塑性变形，通常呈现典型的脆性断裂。
在较高的工作温度晶内和晶界均可出现塑性变形现象。
陶瓷的塑性来源于晶内滑移或孪生、晶界的滑动或流变陶瓷材料中，若为离子键，则正负离子相邻，位错在其中若要运动，会引起同号离子相遇，斥力大，位能急剧升高，陶瓷中，位错很难运动，几乎不发生塑性变形。
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
氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱发产生。当受 到外力作用时，这种相变将吸收能量而使裂纹尖端的应力场 松弛，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提高陶瓷材料的韧性。
部分稳定氧化锆的导热率低，绝热性好；热膨胀系数大，接 近于发动机中使用的金属，抗弯强度与断裂韧性高，除在常 温下使用外，已成为绝热柴油机的主要侯选材料，如发动机 汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承等。
27
二、陶瓷材料的增韧
陶瓷材料强度提高，断裂韧度值增大，因此陶瓷材料的增韧常 与增强相联系。
陶瓷增韧途径：（除纤维、纳米颗粒等制备陶瓷基复合材料外） 1）改善陶瓷显微结构
a.使材料达到细、密、匀、纯 b.晶粒长宽比增大，KIC值增大。 2）相变增韧：受使用温度限制（应<800℃) 3）微裂纹增韧 主裂纹扩展遇到微裂纹发生分叉转向前进，增加扩展过程中的 表面能；主裂纹尖端应力集中被松弛，扩展减慢。
得到复杂的形状
性差
用较少的助剂就能致密化，只能制造简单形状，烧
强度、耐蚀性最好
结助剂使高温强度降低
13
② 性能特点及应用 氮化硅的强度、比强度、比模量高；硬度仅次于金刚石、
碳化硼等；摩擦系数仅为0.1~0.2；热膨胀系数小；抗热震 性大大高于其他陶瓷材料；化学稳定性高。
热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求不高的零件， 如切削刀具、高温轴承等。
4）陶瓷材料KIscc/KIC> ΔKth /KIC说明应力腐蚀开裂比疲劳 更难产生。
33
三、抗热震性 1、热震破坏分类
热震断裂：由热震引起的瞬时断裂； 热震损伤：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。 2、陶瓷材料的抗热震性通常用抗热震参数表示。
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。
陶瓷材料的组织结构和力学性能分析
陶瓷材料的组织结构和力学性能分析陶瓷作为一种广泛应用的材料，在各个领域都有重要的作用。
陶瓷具有优异的化学稳定性和耐高温性能，因此常被用于制作高温材料、耐磨材料以及电子材料等。
本文将对陶瓷材料的组织结构和力学性能进行分析。
首先，对于陶瓷材料的组织结构，需要了解陶瓷的基本成分和表面形貌。
陶瓷主要由非金属元素组成，如氧、氮、硼等。
在微观层面上，陶瓷晶体结构可以分为单晶和多晶，这直接影响其物理性质和化学性质。
此外，陶瓷的表面形貌决定了其力学性能和表面活性。
表面粗糙度越小，则材料的疲劳寿命和抗摩擦性能越好。
其次，陶瓷材料的组织结构对其力学性能有着重要的影响。
在应力作用下，陶瓷材料晶体结构中的离子发生位移或位错的移动，从而引发塑性变形或断裂。
一般情况下，陶瓷材料的强度较高，但韧性较差。
这主要是由于陶瓷的结构中具有很多微观裂纹，这些裂纹容易导致材料的破裂。
因此，提高陶瓷材料的韧性是一个重要的课题。
陶瓷材料的力学性能主要包括抗拉强度、硬度、韧性等指标。
抗拉强度是材料抵抗拉伸应力的能力，硬度是材料抵抗表面划伤的能力，而韧性则反映材料抵抗断裂的能力。
一般来说，陶瓷的抗拉强度较高，硬度也较高，但韧性较低。
在实际应用中，陶瓷材料常常通过控制其组织结构来调节其力学性能。
例如，通过添加适量的增韧相或改变烧结工艺，可以提高陶瓷材料的韧性。
此外，研究人员还通过基于陶瓷材料的多尺度模拟来深入理解其组织结构与力学性能之间的关系。
这种方法将实验数据与计算方法相结合，能够预测和解释陶瓷材料的宏观性质。
通过模拟可以更好地理解陶瓷材料的变形机制和断裂行为，为设计和制造具有特定性能的陶瓷材料提供理论依据。
总之，陶瓷材料的组织结构与力学性能之间存在着密切的关系。
了解陶瓷材料的组织结构可以帮助我们更好地理解其力学性能。
通过调控组织结构，可以改变陶瓷材料的力学性能，从而满足不同领域的需求。
此外，多尺度模拟方法为研究陶瓷材料提供了新的途径。
通过深入研究陶瓷材料的组织结构和力学性能，有助于推动陶瓷材料在各个领域的进一步应用和发展。
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。
第十三章陶瓷材料的力学行为
第十三章陶瓷材料的力学行为第十三章陶瓷材料的力学行为13.1前言陶瓷材料大都是脆性材料，对缺陷十分敏感，故其强度试验结果的分散性大。
要使陶瓷材料作为结构材料在工程中获得应用，需要对其力学性能做更多的研究，并对其力学性能的试验结果做统计分析。
此外，玻璃、光导纤维、电瓷、红外窗口材料等也属于陶瓷材料，对这些材料力学性能的研究报导也日益增多。
除少数几个具有简单的晶体结构，如MgO，KCl，KB r等，在室温下稍具塑性以外，一般陶瓷的晶体结构复杂，室温下没有塑性，因而是脆性材料。
脆性材料的拉伸试验只能测定其弹性模量和断裂强度。
13.2陶瓷材料的弹性模量陶瓷材料的弹性模量比金属的大得多，常高出一倍至几倍。
陶瓷材料弹性模量列于表13-1。
陶瓷材料的原子键主要有离子键和共价键两大类，且多数具有双重性。
共价键晶体结构的主要特点是键具有方向性。
它使晶体拥有较高的抗晶格畸变和阻碍位错运动的能力，使共价键陶瓷具有比金属高得多的硬度和弹性模量。
离子键晶体结构的键方向性不明显，但滑移系不仅要受到密排面与密排方向的限期，而且要受到静电作用力的限制，因此实际可动滑移系较少，弹性模量较高。
（1）陶瓷材料的弹性模量440ZrB2345ZrC490TiC455B4C345FeSi2510Al2O3485SiC352BeO6 48TiB2317Be2C380MoSi2717WC345NbC428W2C1200金刚石E/GPa材料E/GPa材料E/GPa材料表13-1典型陶瓷材料的弹性模量[165](2)气孔率对陶瓷材料弹性模量的影响(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。
图13-1孔隙率对陶瓷材料弹性模量Eeff的影响[167](3)拉、压应力状态下的弹性模量众所周知，金属不论是在拉伸还是在压缩状态下，其弹性模量相等，即拉伸与压缩两部分曲线为一条直线，如图13-2(a)所示。
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13.1.3 陶瓷材料的热物理性能 1. 密度
绝大多数陶瓷材料的相对密度在2.5～4.0 之间
2. 热膨胀系数 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。
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3. 熔点
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。
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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。
5. 压痕法IM(indentation method)
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1. 单边切口梁法
3PL 三点弯曲 K Y a 2 2bW
四点弯曲
3PL1 L2 K Y a 2 2bW
2 3 4
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Y为无量纲因子，取决于裂纹几何形状、试样形状及加 K C 为断3.2.4.3 陶瓷材料断裂韧性测试方法
材 1. 单边切口梁法(single edge notched beam， 料 的 力 简称SENB法) 学 性 能 精 品 课 程
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a a a a Y A0 A1 A2 A3 A4 W W W W
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单边切口梁法优点
①数据分散性小，重复性较好，试样加工 和测定方法比较简单 ②该方法适用于高温或不同介质和气氛中 试验。 ③测定值比较稳定，如果切口宽度能控制在
相分布 晶粒尺寸
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陶瓷材料 微观结构
晶粒形状 气孔大小和分布
杂质缺陷
晶界
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13.1.2 陶瓷材料微观结构 陶瓷材料由晶相、玻璃相、气相组成。
气相和气孔是陶瓷 材料在制备过程中
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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
熔融氧化 铝
刚玉 碳化硅 碳化硼 金刚石
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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 —系列机械、物理、化学的相互作用，以致使
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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)，
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SB法
SR法
CN法
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13.2.4.3 陶瓷材料断裂韧性测试方法
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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
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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。
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13.2.2 陶瓷材料的超塑性变形 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。
4. 导电性
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 。
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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。
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13.2.4陶瓷材料的断裂韧性及测试方法
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：
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13.2.4.1陶瓷材料的静态韧性
W / 2E
2 i
(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
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13.2.2 陶瓷材料的塑性变形 3) 产生超塑性条件
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晶粒细小，其临界尺寸范围约 200～500 nm 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。
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13.2.5.4影响陶瓷材料强度的主要因素
微观结构 内部缺陷的 形状和大小
陶瓷材料强度影响因素
试样本身的 尺寸和形状
环境因素
应变速
受力状态和 应力状态 周易春教授 周益春教授
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f3
3FL 2bh 2
四点弯曲
f4
3 F L l 2bh 2
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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。
巴氏裂纹
c / a 2.5
0.25 l / a 2.5
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K C 0.572H 0.6 E 0.4 ac1.5
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
Kcc 1 0.0083 V f Ec 2.109H 0.6 E 0.4 a 2c 1.5
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c / a 2.5
Kcc 1 0.0083 V f Ec 0.572H 0.6 E 0.4 ac1.5
0.25 l / a 2.5
P P H v 1.854 2 F d
HM
1.854P d2
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4. 莫氏硬度分级顺序表
顺序 1 2 3 4 5 材料 滑石 石膏 方解石 萤石 磷灰石 顺序 6 7 8 9 10 材料 正长石 玻璃 石英 黄玉 石榴石 顺序 11 12 13 14 15 材料
1
2
E 为弹性模量，
v 为材料表面比能， a 0 为原子间
距离。作为数量级粗略估计，若原子间距离
度 a 0.1mm ，则带裂纹体的断裂强度
a0 108 mm，材料中的裂纹长
c 仅为无裂纹体理论强度的万分之一。
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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
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。
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。
13.2.4.3 陶瓷材料断裂韧性测试方法
2. 双悬臂梁法(double cantilever, 简称DCB法)、
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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)、
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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 f 。 理想晶体的断裂强度为
式中 c 为理论断裂强度，
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Ev c a 0
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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；
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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。
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