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
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材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
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。
周益春教授 周易春教授
13.2.5.3 陶瓷材料的抗拉强度
陶瓷材料由于脆性大,在拉伸试验时易在夹持部位断 裂,加之夹具与试样轴心不一致产生附加弯矩,因而往往 测不出陶瓷材料真正的抗拉强度。 故陶瓷材料一般主要以抗弯强度和抗压强度为陶瓷强 度参考依据。
周益春教授 周易春教授
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。
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
Baidu Nhomakorabea
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。
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)、
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
周益春教授 周易春教授
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)、
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
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
周益春教授 周易春教授
13.2.3陶瓷材料的硬度与磨损
13.2.3.1 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。 在陶瓷材料中常用维氏硬度、显微硬度和莫氏硬度。
相分布 晶粒尺寸
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
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
周益春教授 周易春教授
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
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
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
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。
周益春教授 周易春教授
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
周益春教授 周易春教授
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),
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
SB法
SR法
CN法
周益春教授 周易春教授
13.2.4.3 陶瓷材料断裂韧性测试方法
Kcc 1 0.0083 V f Ec 2.109H 0.6 E 0.4 a 2c 1.5
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
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
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
周益春教授 周易春教授
13.2.2 陶瓷材料的塑性变形 3) 产生超塑性条件
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
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。
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。
周益春教授 周易春教授
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;
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
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。
Y为无量纲因子,取决于裂纹几何形状、试样形状及加 K C 为断裂韧性 载方式,
周益春教授 周易春教授
13.2.4.3 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
周益春教授 周易春教授
熔融氧化 铝
刚玉 碳化硅 碳化硼 金刚石
周益春教授 周易春教授
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
a a a a Y A0 A1 A2 A3 A4 W W W W
周益春教授 周易春教授
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
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
周益春教授 周易春教授
13.1 陶瓷材料概述
13.1.1 陶瓷材料定义
1. 现代陶瓷材料 由金属和非金属元素或单质组成的具有共价键、离子键 或混合键结合特性的晶态或非晶态无机非金属材料的总称。
2. 范围和种类 它既包括了各种氧化物、复合氧化物和各种硅酸盐,还
周益春教授 周易春教授
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
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
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。
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 。
周益春教授 周易春教授
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。
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
包括碳化物、硅化物、氮化物、硼化物、金属间化合物。
现代还把金属陶瓷,单质无机材料如金刚石、石墨和单晶 硅等统统归入陶瓷范畴,使陶瓷成为种类和晶种极多的一
个材料大家族,与金属、高分子有机材料共同构成当代三
大固态工程材料。
周益春教授 周易春教授
13.1.2 陶瓷材料微观结构
P P H v 1.854 2 F d
HM
1.854P d2
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
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
低。
周益春教授 周易春教授
13.2.4.2陶瓷材料的断裂韧性
1.陶瓷材料裂纹扩展抗力可以按照下列公式估算:
K IC 2E / 1 v
K Y a
2 1/ 2
(13.5)
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
2. 陶瓷材料Ⅰ型裂纹的应力强度因子和断裂韧性可 按下式计算
K C Y f a
5. 压痕法IM(indentation method)
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
周益春教授 周易春教授
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
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
周益春教授 周易春教授
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,
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
Ev c a 0
周益春教授 周易春教授
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:
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
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
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
f3
3FL 2bh 2
四点弯曲
f4
3 F L l 2bh 2
周益春教授 周易春教授
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。
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
2. 陶瓷材料硬度的测定方法有如下优点:
1)可沿用金属材料硬度测试方法;
2)实验方法及设备简便,试样小而经济;
3)硬度作为材料本身的物性参数,可以获得稳定的数值; 4)维氏硬度测定的同时,可以测得断裂韧性。
周益春教授 周易春教授
3. 陶瓷材料的硬度公式
维氏硬度 显微硬度
周益春教授 周易春教授
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。
巴氏裂纹
c / a 2.5
0.25 l / a 2.5
周益春教授 周易春教授
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
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
以下
,可得到可比性较好又比较接近真 0.2mm 实值的 值。 K C
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
周益春教授 周易春教授
5. 压痕法测量断裂韧性
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
半月型裂纹 K C 2.109H 0.6 E 0.4 a 2c 1.5
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
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。
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。
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13.2.5.3 陶瓷材料的抗拉强度
陶瓷材料由于脆性大,在拉伸试验时易在夹持部位断 裂,加之夹具与试样轴心不一致产生附加弯矩,因而往往 测不出陶瓷材料真正的抗拉强度。 故陶瓷材料一般主要以抗弯强度和抗压强度为陶瓷强 度参考依据。
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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。
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)、
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
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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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13.2.5.4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
周益春教授 周易春教授
13.2.3陶瓷材料的硬度与磨损
13.2.3.1 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。 在陶瓷材料中常用维氏硬度、显微硬度和莫氏硬度。
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
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
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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
Kcc 1 0.0083 V f Ec 2.109H 0.6 E 0.4 a 2c 1.5
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Kcc 1 0.0083 V f Ec 0.572H 0.6 E 0.4 ac1.5
0.25 l / a 2.5
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13.2.2 陶瓷材料的塑性变形 3) 产生超塑性条件
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
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。
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。
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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。
Y为无量纲因子,取决于裂纹几何形状、试样形状及加 K C 为断裂韧性 载方式,
周益春教授 周易春教授
13.2.4.3 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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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
a a a a Y A0 A1 A2 A3 A4 W W W W
周益春教授 周易春教授
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
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13.1 陶瓷材料概述
13.1.1 陶瓷材料定义
1. 现代陶瓷材料 由金属和非金属元素或单质组成的具有共价键、离子键 或混合键结合特性的晶态或非晶态无机非金属材料的总称。
2. 范围和种类 它既包括了各种氧化物、复合氧化物和各种硅酸盐,还
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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。
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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包括碳化物、硅化物、氮化物、硼化物、金属间化合物。
现代还把金属陶瓷,单质无机材料如金刚石、石墨和单晶 硅等统统归入陶瓷范畴,使陶瓷成为种类和晶种极多的一
个材料大家族,与金属、高分子有机材料共同构成当代三
大固态工程材料。
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13.1.2 陶瓷材料微观结构
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
低。
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13.2.4.2陶瓷材料的断裂韧性
1.陶瓷材料裂纹扩展抗力可以按照下列公式估算:
K IC 2E / 1 v
K Y a
2 1/ 2
(13.5)
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2. 陶瓷材料Ⅰ型裂纹的应力强度因子和断裂韧性可 按下式计算
K C Y f a
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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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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13.2.4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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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。
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2. 陶瓷材料硬度的测定方法有如下优点:
1)可沿用金属材料硬度测试方法;
2)实验方法及设备简便,试样小而经济;
3)硬度作为材料本身的物性参数,可以获得稳定的数值; 4)维氏硬度测定的同时,可以测得断裂韧性。
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3. 陶瓷材料的硬度公式
维氏硬度 显微硬度
周益春教授 周易春教授
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。
巴氏裂纹
c / a 2.5
0.25 l / a 2.5
周益春教授 周易春教授
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
材 料 的 力 学 性 能 精 品 课 程
以下
,可得到可比性较好又比较接近真 0.2mm 实值的 值。 K C
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
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5. 压痕法测量断裂韧性
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半月型裂纹 K C 2.109H 0.6 E 0.4 a 2c 1.5
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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。