2.2陶瓷的物理性能
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Ⅰ. 由于晶粒取向不同，位错运动会受到晶界的 障碍，而在晶界产生位错塞积； Ⅱ. 材料中的杂质原子引起应力集中而成为位错 运动的障碍。
Ⅲ. 热缺陷，交叉（指位错组合、位错线与位错
或位错线与其它缺陷相互交叉）都能使位错运动受到 阻碍。
当位错运动受到各种障碍时，就会在障碍前 塞积起来，导致微裂纹形成。 图2-2-1就是位错形成微裂纹示意图．
2．裂纹的快速扩展
格里菲斯裂纹理论：材料的断裂强度不是取 决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小，即是 由最危险的裂纹尺寸（临界裂纹尺寸）决定材料 的断裂强度，一旦裂纹超过临界尺寸，裂纹就迅 速扩展而断裂。 对于脆性材料，裂纹的起始扩展就是破坏过 程的临界阶段，因为脆性材料基本上没有吸收大 量能量的塑性形变。
硬度决定于矿物、晶体和陶瓷材料的硬度的 因素-组成和结构。
离子半径较小，离子电价越高，配位数越大，
结合能就越大，抵抗外力摩擦、刻划和压入的能
力也就越强，所以硬度就较大。
陶瓷材料的纤维组织、裂纹、杂质等都对硬
度有影响。当温度升高时，硬度将下降。
2. 2. 2 陶瓷材料的脆性断裂与强度
脆性断裂：一般认为脆性断裂就是材料在受力 后，将在低于其本身结合强度的情况下作应力再分 配，当外加应力的速率超过应力再分配的速率时， 就发生断裂。这种断裂没有先兆，是突然发生的， 而且是灾难性的。 影响因素：材料呈现出脆性或延性并不是绝对 的，而是和材料的组分、结构、受力条件和环境等 因素有关。
2.2
陶瓷的性能
2. 2. 1 陶瓷材料的硬度 2. 2. 2 陶瓷材料的脆性断裂与强度
2. 2. 3 陶瓷材料的透光性
2．2．1 陶瓷材料的硬度
硬度是材料的一种重要的力学性能，但在实 际应用中由于测量方法不同，测得的硬度所代表 的材料性能也各异。 常用的测量方法：划痕硬度和静载压入硬度
划痕硬度叫做莫氏硬度，用于陶瓷及矿物材料 硬度测试。它只表示硬度由小到大的顺序，不代表 硬度的程度，后面的矿物可以划破前面的矿物表面。 一般莫氏硬度分为10级，后来因为有一些工人 合成的硬度较大的材料出现，又将莫氏硬度分为15 级以便比较，表3-3莫氏硬度两种分级的顺序。
3、影响裂纹扩展的因素
外界作用应力；
材料中吸收能量的机构。例如金属陶瓷 和复合材料、此外人为地在材料中造成大量 极微细的裂纹（小于临界尺寸）也能吸收能 量，阻止裂纹扩展。
二、静态疲劳
静态疲劳：裂纹在使用应力下，
随着时间的推移而缓慢扩wenku.baidu.com，这种缓
慢扩展也叫亚临界扩展，或称为静态
疲劳。
材料在循环应力作用下的破坏叫 做动态疲劳。
图2-2-1 位错形成微裂纹示意图 （a）位错组合形成的微裂纹；（b）位错在晶界前塞积形成的 微裂纹；（c）位错交截形成的微裂纹
（２）材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面 裂纹，这种表面裂纹最危险，裂纹的扩展常常由表面 裂纹开始。 （３）由于热应力而形成裂纹。
图2-2-2 由于热应力形成的裂纹
此外，温度变化时有晶型转变的材料也会因体 积变化而引起裂纹。
14 15
刚玉 碳化硅
碳化硼 金刚石
常用用静载压入的硬度实验-布氏硬度、维氏 硬度及洛氏硬度。
原理都是将一硬的物体在静载下压入被测物体
表面，表面上被压入一凹面，以凹面单位面积上的 载荷表示被测物体的硬度。 布氏硬度法主要用来测定金属材料、较软及中 等硬度的材料，很少用于陶瓷； 维氏硬度法及洛氏硬度法都适于较硬的材料， 也用于测量陶瓷的硬度；
1．应力腐蚀理论 该理论认为环境对裂纹端部应力集中区域的腐蚀 比对裂纹侧面的腐蚀要严重得多，这种腐蚀使裂纹端 部原子间的化学键受到破坏，导致裂纹缓慢扩展，一 旦达到临界尺寸就失稳而断裂。 因此，环境对疲劳寿命影响很大，环境愈恶劣 （如水蒸汽分压高），裂纹扩展速度愈快，温度愈高、 化学反应愈烈，裂纹扩展速度也愈快。 应力腐蚀理论的局限性：这一理论能解释许多实 验数据，但有人在真空中实验，也发现了疲劳现象， 说明单纯用应力腐蚀来说明疲劳现象是不够的。
强度- 材料的强度是抵抗外加负荷的能力。
对材料的强度进行大量研究的两个角度。 以应用力学为基础，从宏观现象研究材料应力— 应变状况，进行力学分析，总结出经验规律，作为设 计、使用材料的依据，这是力学工作者的任务。
从材料的微观结构来研究材料的力学性质，也就 是研究材料宏观力学性能的微观机理，从而找出改善 材料性能的途径，为工程设计提供理论依据。 以材料脆性断裂的主要根源-微裂纹缺陷为研究 对象发展出一门新的学科——断裂力学。
２．自由表面能降低
环境中的表面活性物质吸附在裂纹表面上使裂 纹表面的自由表面能降低，这就降低了断裂表面能。 自由表面能降低的局限性：自由表面能仅为断 裂表面能的一小部分，即使像硅酸盐玻璃这样的脆
性材料，自由表面能也大约只有断裂表面能的30%，
所以只从自由表面能的降低来说明疲劳现象也是不
够满意的。
３．能量分布状态变化 裂纹附近由于应力集中，晶格结点能量分布 状态发生变化，这些地方的原子处于高能量状态， 这就加速了空位运动和原子扩散传质。同时，环 境影响断裂表面能，从而影响空位的运动和原子 传质。
裂纹缓慢扩展的结果是裂逐渐加大，一旦达
到临界尺寸就会失稳扩展而破坏。
材料的断裂强度取决于时间，即构件的寿命 问题。就是在使用应力下，构件能用多少时间将 要破坏。 如果能事先知道构件能用多少时间将要破坏， 就可以限制使用应力延长寿命，或用到一定时间 就进行检修，撤换构件。
裂纹缓慢扩展本质的几种观点：
一、裂纹的起源与扩展
二、静态疲劳
三、蠕变断裂 四、显微组织对材料脆性断裂的影响
一、裂纹的起源与扩展
1．裂纹的起源
2．裂纹的快速扩展 3．影响裂纹扩展的因素
1． 裂纹的起源
（１）由于晶体微观结构中存在缺陷，当受到外
力作用时，在这些缺陷处就引起应力集中，导致裂纹
成核，位错在材料中运动会受到各种阻碍：
表3-3 顺序 材料 顺序 材料
莫氏硬度顺序 顺序 材料 顺序 材料
1 2
3 4 5 6 7
滑石 石膏
方解石 萤石 磷灰石 正长石 石英
8 9
10 1 2 3 4
黄玉 刚玉
金刚石 滑石 石膏 方解石 萤石
5 6
7 8 9 10 11
磷灰石 正长石
SiO2玻璃 石英 黄玉 石榴石 熔融氧化锆
12 13
Ⅲ. 热缺陷，交叉（指位错组合、位错线与位错
或位错线与其它缺陷相互交叉）都能使位错运动受到 阻碍。
当位错运动受到各种障碍时，就会在障碍前 塞积起来，导致微裂纹形成。 图2-2-1就是位错形成微裂纹示意图．
2．裂纹的快速扩展
格里菲斯裂纹理论：材料的断裂强度不是取 决于裂纹的数量，而是决定于裂纹的大小，即是 由最危险的裂纹尺寸（临界裂纹尺寸）决定材料 的断裂强度，一旦裂纹超过临界尺寸，裂纹就迅 速扩展而断裂。 对于脆性材料，裂纹的起始扩展就是破坏过 程的临界阶段，因为脆性材料基本上没有吸收大 量能量的塑性形变。
硬度决定于矿物、晶体和陶瓷材料的硬度的 因素-组成和结构。
离子半径较小，离子电价越高，配位数越大，
结合能就越大，抵抗外力摩擦、刻划和压入的能
力也就越强，所以硬度就较大。
陶瓷材料的纤维组织、裂纹、杂质等都对硬
度有影响。当温度升高时，硬度将下降。
2. 2. 2 陶瓷材料的脆性断裂与强度
脆性断裂：一般认为脆性断裂就是材料在受力 后，将在低于其本身结合强度的情况下作应力再分 配，当外加应力的速率超过应力再分配的速率时， 就发生断裂。这种断裂没有先兆，是突然发生的， 而且是灾难性的。 影响因素：材料呈现出脆性或延性并不是绝对 的，而是和材料的组分、结构、受力条件和环境等 因素有关。
2.2
陶瓷的性能
2. 2. 1 陶瓷材料的硬度 2. 2. 2 陶瓷材料的脆性断裂与强度
2. 2. 3 陶瓷材料的透光性
2．2．1 陶瓷材料的硬度
硬度是材料的一种重要的力学性能，但在实 际应用中由于测量方法不同，测得的硬度所代表 的材料性能也各异。 常用的测量方法：划痕硬度和静载压入硬度
划痕硬度叫做莫氏硬度，用于陶瓷及矿物材料 硬度测试。它只表示硬度由小到大的顺序，不代表 硬度的程度，后面的矿物可以划破前面的矿物表面。 一般莫氏硬度分为10级，后来因为有一些工人 合成的硬度较大的材料出现，又将莫氏硬度分为15 级以便比较，表3-3莫氏硬度两种分级的顺序。
3、影响裂纹扩展的因素
外界作用应力；
材料中吸收能量的机构。例如金属陶瓷 和复合材料、此外人为地在材料中造成大量 极微细的裂纹（小于临界尺寸）也能吸收能 量，阻止裂纹扩展。
二、静态疲劳
静态疲劳：裂纹在使用应力下，
随着时间的推移而缓慢扩wenku.baidu.com，这种缓
慢扩展也叫亚临界扩展，或称为静态
疲劳。
材料在循环应力作用下的破坏叫 做动态疲劳。
图2-2-1 位错形成微裂纹示意图 （a）位错组合形成的微裂纹；（b）位错在晶界前塞积形成的 微裂纹；（c）位错交截形成的微裂纹
（２）材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面 裂纹，这种表面裂纹最危险，裂纹的扩展常常由表面 裂纹开始。 （３）由于热应力而形成裂纹。
图2-2-2 由于热应力形成的裂纹
此外，温度变化时有晶型转变的材料也会因体 积变化而引起裂纹。
14 15
刚玉 碳化硅
碳化硼 金刚石
常用用静载压入的硬度实验-布氏硬度、维氏 硬度及洛氏硬度。
原理都是将一硬的物体在静载下压入被测物体
表面，表面上被压入一凹面，以凹面单位面积上的 载荷表示被测物体的硬度。 布氏硬度法主要用来测定金属材料、较软及中 等硬度的材料，很少用于陶瓷； 维氏硬度法及洛氏硬度法都适于较硬的材料， 也用于测量陶瓷的硬度；
1．应力腐蚀理论 该理论认为环境对裂纹端部应力集中区域的腐蚀 比对裂纹侧面的腐蚀要严重得多，这种腐蚀使裂纹端 部原子间的化学键受到破坏，导致裂纹缓慢扩展，一 旦达到临界尺寸就失稳而断裂。 因此，环境对疲劳寿命影响很大，环境愈恶劣 （如水蒸汽分压高），裂纹扩展速度愈快，温度愈高、 化学反应愈烈，裂纹扩展速度也愈快。 应力腐蚀理论的局限性：这一理论能解释许多实 验数据，但有人在真空中实验，也发现了疲劳现象， 说明单纯用应力腐蚀来说明疲劳现象是不够的。
强度- 材料的强度是抵抗外加负荷的能力。
对材料的强度进行大量研究的两个角度。 以应用力学为基础，从宏观现象研究材料应力— 应变状况，进行力学分析，总结出经验规律，作为设 计、使用材料的依据，这是力学工作者的任务。
从材料的微观结构来研究材料的力学性质，也就 是研究材料宏观力学性能的微观机理，从而找出改善 材料性能的途径，为工程设计提供理论依据。 以材料脆性断裂的主要根源-微裂纹缺陷为研究 对象发展出一门新的学科——断裂力学。
２．自由表面能降低
环境中的表面活性物质吸附在裂纹表面上使裂 纹表面的自由表面能降低，这就降低了断裂表面能。 自由表面能降低的局限性：自由表面能仅为断 裂表面能的一小部分，即使像硅酸盐玻璃这样的脆
性材料，自由表面能也大约只有断裂表面能的30%，
所以只从自由表面能的降低来说明疲劳现象也是不
够满意的。
３．能量分布状态变化 裂纹附近由于应力集中，晶格结点能量分布 状态发生变化，这些地方的原子处于高能量状态， 这就加速了空位运动和原子扩散传质。同时，环 境影响断裂表面能，从而影响空位的运动和原子 传质。
裂纹缓慢扩展的结果是裂逐渐加大，一旦达
到临界尺寸就会失稳扩展而破坏。
材料的断裂强度取决于时间，即构件的寿命 问题。就是在使用应力下，构件能用多少时间将 要破坏。 如果能事先知道构件能用多少时间将要破坏， 就可以限制使用应力延长寿命，或用到一定时间 就进行检修，撤换构件。
裂纹缓慢扩展本质的几种观点：
一、裂纹的起源与扩展
二、静态疲劳
三、蠕变断裂 四、显微组织对材料脆性断裂的影响
一、裂纹的起源与扩展
1．裂纹的起源
2．裂纹的快速扩展 3．影响裂纹扩展的因素
1． 裂纹的起源
（１）由于晶体微观结构中存在缺陷，当受到外
力作用时，在这些缺陷处就引起应力集中，导致裂纹
成核，位错在材料中运动会受到各种阻碍：
表3-3 顺序 材料 顺序 材料
莫氏硬度顺序 顺序 材料 顺序 材料
1 2
3 4 5 6 7
滑石 石膏
方解石 萤石 磷灰石 正长石 石英
8 9
10 1 2 3 4
黄玉 刚玉
金刚石 滑石 石膏 方解石 萤石
5 6
7 8 9 10 11
磷灰石 正长石
SiO2玻璃 石英 黄玉 石榴石 熔融氧化锆
12 13