陶瓷材料的结构特点和力学性能
陶瓷的分类及性能
陶瓷材料的力学性能陶瓷材料陶瓷、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）陶瓷的分类玻璃—工业玻璃(光学，电工，仪表，实验室用)；建筑玻璃；日用玻璃陶瓷—普通陶瓷日用，建筑卫生，电器（绝缘），化工，多孔……特种陶瓷-电容器，压电，磁性，电光，高温……金属陶瓷--结构陶瓷，工具（硬质合金），耐热，电工……玻璃陶瓷—耐热耐蚀微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，无线电透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷…2.陶瓷的生产(1)原料制备（拣选，破碎，磨细，混合）普通陶瓷（粘土，石英，长石等天然材料）特种陶瓷（人工的化学或化工原料--- 各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物）(2)坯料的成形（可塑成形，注浆成形，压制成形）(3)烧成或烧结3. 陶瓷的性能(1)硬度是各类材料中最高的。
（高聚物<20HV，淬火钢500-800HV，陶瓷1000-5000HV）(2)刚度是各类材料中最高的（塑料1380MN/m2，钢MN/m2)(3)强度理论强度很高（E/10--E/5）；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。
2 （E/1000--E/100）。
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。
陶瓷材料结构及性能分类新结构陶瓷材料科学基础
二、陶瓷材料的分类
1、按化学成分分类 可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、 氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷。
玻璃幕 墙 导电玻 璃
2、按使用的原材料分类
可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷。
普通陶瓷以天然的岩石、 矿石、黏土等材料作原 料。 特种陶瓷采用人工合成 的材料作原料。 3、按性能和用途分类 可将陶瓷材料分为结构 陶瓷和功能陶瓷两类。
玻璃相结构特点：硅氧四面体组成不规则的空间 网, 形成玻璃的骨架。 玻璃相成分：氧化硅和其它氧化物
(三)、气相
气相是陶瓷内部残留的孔洞；成因复杂，影 响因素多。 陶瓷根据气孔率分致密陶瓷、无开孔陶瓷 和多孔陶瓷。 气孔对陶瓷的性能不利（多孔陶瓷除外） 气孔率：普通陶瓷5%～10％ 特种陶瓷5％以下 金属陶瓷低于0.5％。
（2） 硅酸盐化合物的几种类型
按照连接方式划分，硅酸盐化合物可以分为以下几 种类型： ①孤立状硅酸盐 ②复合状硅酸盐 ③环状或链状硅酸盐 ④层状硅酸盐 ⑤立体网络状硅酸盐
①孤立状硅酸盐（岛状结构单元）
其单元体(SiO44－） 互相独立，不发生相 互连接。 化学组成一般可以表 示为2RO· 2。 SiO 其中RO表示金属氧化 物如MgO、CaO、 FeO等。 具有这类结构的有橄 榄石和石榴石等。
AX化合物的特征是：A和X原子或离子 是高度有序的，属于这类结构的有： （1）CsCl型 （2）NaCl型 （3） ZnS闪锌矿型 （4）纤维锌矿型
（以下分别介绍）
（1）CsCl型 这种化合物的结构见图3-2。A原子（或离 子）位于8个X原子的中心，X原子（或离子） 也处于8个A原子的中心。但应该注意的是， 这种结构并不是体心立方的。确切的说，它 是简单立方的，它相当于把简单立方的A原 子和X原子晶格相对平移a/2，到达彼此的 中心位置而形成。
陶瓷材料的化学性能和力学性能
陶瓷的组织结构十分稳定，不但在室温下不会氧化，即使在1000℃以上的高温卜也不会氧化.由于陶瓷具有稳定的化学结构，因而对酸、碱、盐类以及熔融的有色金属均有较强的抵抗能力，所以在工业中得到广泛应用。
陶瓷是多晶固体资料，它多是由离子键构成的离子晶体，也有由共价键组成的共价晶体，这类晶体布局具有显着的方向性。
联系健和晶体构造决议了陶瓷具有很高的抗压强度和硬度，而抗拉强度和剪切强度则于刻氏，陶瓷的朔性变形才能极差，很容易发作脆性断裂，其抗冲击才能很低，耐疲惫的性能也很差，这是陶瓷资料在工程应用中的最大缺点。
陶瓷材猜中很多气孔的存在，也是陶瓷出现脆性的因素。
陶瓷资料的组成相不同时，其弹性模量也不相同.各类陶瓷资料弹性模量由大到小的排列顺序为:碳化物、氮化物、硼化物、氧化物。
陶瓷的弹性模量一般比金属高。
陶瓷资料的硬度值取决其内部组成和结构。
陶瓷资料常用的划痕硬度叫傲莫氏硬度，是以资料间彼此刻划能否发生划痕来测定的，由此反映资料抵抗破坏的才能，它只表明各种资料硬度的相对巨细。
莫氏硬度分为15级，莫氏硬度按照硬度由小到大的顺序排列，硬度等级高的资料能够划破低硬度的资料表面陶瓷资料的熔点高，大多在2000℃以上，有的可达3000℃以上。
而且具有优秀的高温强度。
大都陶瓷的高温抗端变才能较强，陶瓷是常用的耐高温工程资料。
陶瓷资料线胀系数一般都比较小.不同的陶瓷资料，其导热功能相差悬殊，有的是良导热体，有的则是绝热资料.热导率极低的陶瓷资料具有热安稳性好、耐高温、耐热冲击、红外线透过率高等许多特性，因此，可用于特殊冶金、高温模具、航天航空等各工业领域。
陶瓷的组织布局十分安稳，不但在室温下不会氧化，即便在1000℃以上的高温卜也不会氧化.因为陶瓷具有安稳的化学布局，因而对酸、碱、盐类以及熔融的有色金属均有较强的抵抗才能，所以在工业中得到广泛应用。
水泥垫块 1v1。
工程材料--陶瓷材料
（3）韧性和脆性
陶瓷材料是非常典型的脆性材料，这是其致命的弱点和障碍。
改善陶瓷的韧性？
①
通过晶须或纤维增韧；
②
异相弥散强化增韧；
③
相变增韧；
④
显微结构增韧（纳米化等）；
⑤ 表面强化增韧（表面微氢化技术、激光Βιβλιοθήκη 面处理、离子注 入 表面改性等技术），
⑥ 复合增韧（将两者或两者以上的增韧机理结合在一起）。
简单来说，陶瓷材料就是除金属、高聚物以外的无机 非金属材料的通称。
2、陶瓷材料的发展
陶器
高铝质粘土和瓷土的
应用、釉的发明、高 温技术的发展
瓷器 （传统陶瓷）
原料纯化、陶瓷工艺
的发展、陶瓷理论的 发展
先进陶瓷 （微米级）
纳米陶瓷
显微结构分析的进步、 性能研究的深入、无损 评估的成就、相邻学科 的推动
相 、 气相 三部分组成。
三、选择题
下列关于陶瓷中玻璃相作用的说法，不 正确的一项是（）
答：陶瓷的组织不如金属纯，存在很多的缺陷，尤其是晶界，其破坏作
用比在金属中更大：晶界上存在晶粒间的局部分离或空隙；晶界上原子间键 被拉长，键强度被削弱；相同电荷离子的靠近产生斥力，可能造成显微裂纹。
提高陶瓷强度的措施？ 增大陶瓷的致密度，减少缺陷，降低和消除晶界的不良作用。
陶瓷材料的抗拉强度很低，抗弯强度较高，抗压强度更高。
通用硬质合金
是在成分中添加TaC或NbC来取代部分TiC。常用代号 有YW1、YW2。
（2）硬质合金的应用
硬质合金有着广泛的应用：切削刀具、冷作模具、量具和 耐磨零件等。
三、钢结硬质合金
1. 钢结硬质合金是以一种或几种碳化物（WC、 TiC）等为硬化相，以合金钢粉末为粘结剂， 经配料、压型、烧结而成。
陶瓷材料的结构与性能分析
陶瓷材料的结构与性能分析陶瓷材料是一类广泛应用于建筑、电子、航空等领域的材料，具有优异的物理和化学性质。
而想要深入了解陶瓷材料的性能表现，首先必须对其结构进行分析。
一、结晶结构陶瓷材料主要由氧化物组成，常见的有硅酸盐、氮化硅、氧化铝等。
在陶瓷材料中，原子或离子按照一定的几何排列方式组成结晶结构。
例如，硅酸盐陶瓷中的硅离子和氧离子以正方形或三角形的排列方式拼接成网络结构。
而氮化硅陶瓷则由氮离子和硅离子按照边长相等的正六边形排列形成具有大空隙的结构。
结晶结构的不同会导致陶瓷材料的性能差异，如硬度、热传导性等。
二、晶粒大小晶粒大小是陶瓷材料表面性能的重要指标之一。
晶粒的尺寸越小，材料的强度和硬度往往越高，因为小晶粒内部的晶界相对较多，在晶界上形成了许多阻碍位错运动的障碍点，从而提高了材料的抗变形能力。
因此，控制陶瓷材料的晶粒尺寸，对提高其力学性能具有重要意义。
三、杂质含量陶瓷材料中的杂质含量对其性能影响举足轻重。
杂质的存在会破坏材料的完整晶体结构，从而导致性能的下降。
例如，陶瓷材料中的铁、镉等金属离子会影响其电学性能，氮化硅材料中杂质的存在会导致其电阻率的变化。
因此，在制备陶瓷材料时，对原材料进行严格筛选和纯化，以及控制烧结工艺的条件，能够有效减少杂质含量，提高材料的性能。
四、孔洞结构孔洞是陶瓷材料中普遍存在的结构特征之一。
孔洞会影响材料的力学性能、热导率等。
例如，在陶瓷材料中，孔洞的存在可以减小材料的密度，从而提高其机械强度。
此外，孔洞还能影响热的传导、吸附等性质。
因此，对陶瓷材料的孔洞结构进行合理设计和控制，能够改善其性能，拓宽其应用范围。
五、晶界结构陶瓷材料中的晶界是由相邻晶粒之间的原子之间形成的。
晶界的存在会影响材料的力学性能、导电性能、疲劳寿命等。
在力学性能方面，晶界是位错移动的阻碍剂，增加了材料的塑性变形程度；在导电性能方面，晶界处存在能带偏移和电阻率增加现象，使材料的导电性能下降。
因此，控制晶界的结构，合理改善晶界的质量和数量，对提高陶瓷材料的性能至关重要。
陶瓷力学性能
陶瓷的力学性能newmaker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。
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、强度因素、环境因素的影响。
能性模量脆性材料，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。
与其瓷的弹性变形可用虎克定律来描述。
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。
在室温下的弹性模量。
性模量的影响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，往往具有较高的弹性模量。
与熔点的关系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挪＜碳化物。
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泊松比。
与材料致密度的关系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指出弹性模量与关系P)。
气孔率的增加，陶瓷的弹性模量量急剧下降。
的弹性模量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。
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。
陶瓷材料的结构特点和力学性能
近年来的研究表明，当陶瓷材料具有下述条件时，可显示 超塑性：
晶粒细小(尺寸小于1um)；晶体是等轴晶；第二相弥散分布， 能抑制高温下基体晶粒的生长；晶粒之间存在液相或者玻璃相。
典型拥有超塑性的陶瓷材料是用化学共沉淀法制备的含 Al2O3的ZrO2粉体，成形后在1250oC左右烧结，可获得相对密度 为98％左右的烧结体。这种陶瓷在1250oC、3.5×10-2s-1应变速率 下，最大应变量可达400％。陶瓷材料的超塑性与晶界滑动或晶 界液相流动有关，和金属一样．陶瓷材料的超塑性流动也是扩 散控制过程。
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 现明显降低。
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。
(2) 硬度 硬度是材料的重要力学性能之一，它是材料抵抗局部压力 而产生变形能力的表征。由于结合键存在差异，陶瓷与金属的 硬度存在较大差异。常用的硬度指标有布氏硬度(HB)，洛氏硬 度(HR)、维氏硬度(HV)、莫氏硬度等。 表1-1为典型陶瓷材料的熔点和硬度。目前测试陶瓷材料硬 度的方法主要有金刚石压头加载压入法，测试内容主要为洛氏 硬度和维氏硬度（显微硬度）。
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)
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
陶瓷材料力学性能.
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。
第五节 陶瓷材料的断裂韧度与增韧
• 陶瓷材料的断裂韧度
1.单边切口梁法
• • • •
优点： (1) 数据分散性好； (2) 重现性好； (3) 试样加工和测定方法比较简单，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。
3.压痕法
• 测试过程：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。
• 优点：测试方便，可以用很小的试样进行多点韧度测试， 但此法只对能产生良好压痕裂纹的材料有效。 • 缺点：由于裂纹的产生主要是残余应力的作用，而残余应 力又是因为压痕周围塑性区与弹性基体不匹配引起的。因 此，这种方法不允许压头下部材料在加载过程中产生相变 或体积致密化现象，同时压痕表面也不能有碎裂现象。
材料力学性能
第十章 陶瓷材料的力学性能
• 陶瓷材料广泛应用于我们的日常生活，它和金属材料、 高分子材料并列为当代三大固体材料之一。 • 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。 • 工程陶瓷的力学性能是耐高温、硬度高、弹性模量高、 耐磨、耐蚀、抗蠕变性能好。
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。
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用途举例： 氧化锆及其增韧的复相陶瓷具有高的室温强度和断裂韧性，
是制作陶瓷活塞、刀具、轴承、阀门等理想的结构陶瓷材料。 碳化硅和氮化硅陶瓷在制备燃汽轮机转子和高温窑具中具
有不可替代的位置。在耐磨部件的研制中，已有越来越多的金 属部件被结构陶瓷所取代，并显著提高了设备的使用寿命。
在军事装备方面，结构陶瓷可用作防弹材料、窗口材料、 火箭喷管等。
陶瓷材料的弹性模量大小不仅与结合键有关，还与其组 成相的种类、分布比例及气孔率有关。温度上升陶瓷材料的弹 性模量降低，熔点增加陶瓷材料的弹性模量增加，而当气孔率 较小时。弹性模量又随气孔率增加呈线性降低。
通常陶瓷材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性模量，由图12 -可见陶瓷在压缩时，其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。
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）。
如Al2O3的th为46 GPa，几乎无缺陷的Al2O3晶须的强度约 为14 GPa，表面精密抛光的Al2O3细棒的强度约为7 GPa，而块 状多晶Al2O3材料的强度只有0.1-1 GPa。理论计算和实际数值 之所以有如此大的差距，主要是由于实际材料内存在微小裂纹 所致。陶瓷材料的强度主要包括弯曲强度，拉伸强度、压缩强 度等。
影响弹性模量的因素：温度、材料的熔点和致密度等。 温度 由于原子间距以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。温度升高，原子间距离增大，弹 性模量降低。一般来说，热膨胀系数小的物质往往具有较高的 弹性模量。
熔点 物质熔点的高低反映其原子间结合力的大小，熔点
与弹性模量成正比关系。在300K以下，弹性模量E与熔点Tm
(3) 性能可设计、可模拟 随着科学技术的进步，结构 陶瓷的研究已从过去的经验为主步入到能初步按照使用性能 上的要求对陶瓷材料进行设计和裁剪，同时一系列大型分析 软件如Studio、Ansys等可用于材料的性能与结构关系分析， 对所设计材料的结构和性能进行模拟和预测 。这样，可大幅 度地减少实验工作量，提高研究效率，并为一些新型材料的 发现提供了理论指导。
之间满足如下关系：
E＝1000K Tm /Va
(1-2)
式中Va为原子体积或分子体积，K为体积弹性模量。
致密度 弹性模量随材料致密度的增加而迅速增加，满
足如下关系式：
E＝ Eo（1－f1P＋f2P2）
(1-3)
式中Eo为气孔率为0时的弹性模量；f1和f2为由气孔形状
决定的常数，P为气孔率。
陶瓷材料的塑性变形 塑性变形是指外应力去除后尚保持着的部分变形。材料在断 裂之前所能容忍的形变量越大，则塑性变形越大，许多陶瓷到了 高温都表现出不同程度的塑性。但在室温下，绝大多数陶瓷材料 均不发生塑性变形。单晶MgO陶瓷因以离子键为主，在室温下 可经受高度弯曲而不断裂，这是极个别的特例。
（1-1）
E为弹性模量，是材料原子间结合力的反映。由上可知，陶
瓷材料的弹性模量比金属的大很多。
陶瓷材料形变的另一特点是：压缩时的弹性模量大大高于拉
伸时的弹性模量，即E压>>E拉。 陶瓷材料压缩时还可以产生少量的压缩塑性变形。金属材料
，即使是很脆的铸铁，其抗拉强度也有抗压强度的1/3～1/4。但
陶瓷材料的抗拉强度通常不到抗压强度的1/10。
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。
其弹性变形具有如下特征:
弹性模量大 这是由共价键和键合结构所决定的。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。
表1 -1 典型结构陶瓷材料的熔点和硬度
材料 熔点/oC
Al2O3 2050
硬度(HV) 2000
材料
TiC
熔点/oC
3160
硬度(HV)
3200
MgO 2800
ZrO2 2667
BeO 2550
B4C 2450
SiC 2800(分解)
1220 WC 2720
1700
1520
4950
2550
金刚石
陶瓷材料的结构特点决定了材料的各项性能，包括力学、 电学、磁学、声学、光学、热学等性能。
基于陶瓷的结构特点，不难理解为什么结构陶瓷具有高熔 点、高强度、耐磨损、耐腐蚀等基本属性，但存在脆性大、难 加工、可靠性与重现性差等致命弱点。这些弱点给结构陶瓷的 工程化应用带来了许多困难。
1.2.1 结构陶瓷的力学性能
Si3N4
CBN
AlN
1400(石墨化) 1900(分解) 3000(升华) 2450(分解)
2400
10000
1700
7000
1450
ZrC 3540 2600 MoSi2 2030 1180
HB
2F
DD
D2
Di2
(3) 强度
强度与弹性模量和硬度一样，是材料的本征物理参数。陶
瓷材料的化学键决定了其在室温下几乎不能产生滑移或位错运
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 现明显降低。
陶瓷材料结构的另一个特点是显微结构的不均匀性和复杂 性。金属材料通常是从相当均匀的金属熔体状态凝固而成，随 后还可以通过冷热加工等手段来改善材料的显微结构，使之均 匀化。金属材料不含或含极少量气孔。而陶瓷材料一般由粉料 成型、烧结而成，不可避免地存在一定数量的气孔。不同成分 和粒度的粉料虽经球磨混料，仍难以达到十分均匀的程度。此 外，陶瓷晶界上还经常存在与基体成分、结构不同的玻璃相。
(2) 结构微细化、纳米化 从20世纪80年代开始，纳米结构 陶瓷的研究受到高度重视。当致密陶瓷的晶粒尺寸由微米细化 到纳米级时，其晶界数量呈几何级数增加，应力可通过晶界的 滑移作用而消失，使纳米陶瓷在一定的温度和应变速率条件下 表现出超塑性，为陶瓷材料在高新技术领域中发挥更大的作用， 获得更广泛的应用奠定了基础。目前纳米陶瓷粉末的制备技术 已取得很大进展，用共沉淀法、溶胶-凝胶法和化学气相沉积 法制备纳米陶瓷粉末的技术已趋于成熟，纳米粉末正获得日益 广泛的应用市场。
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。
(2) 硬度 硬度是材料的重要力学性能之一，它是材料抵抗局部压力 而产生变形能力的表征。由于结合键存在差异，陶瓷与金属的 硬度存在较大差异。常用的硬度指标有布氏硬度(HB)，洛氏硬 度(HR)、维氏硬度(HV)、莫氏硬度等。 表1-1为典型陶瓷材料的熔点和硬度。目前测试陶瓷材料硬 度的方法主要有金刚石压头加载压入法，测试内容主要为洛氏 硬度和维氏硬度（显微硬度）。
宏观塑性变形前后，金属键的结合强度并不明显改变，但 是陶瓷中的离子键、共价键则不同。因陶瓷晶体结构复杂，对 称性低，当位错沿滑移面运动时，晶体结构难以复原（因破坏 了正负离子排列的最小能量状态），可能导致原子键的破坏， 出现毫无塑性变形的脆性断裂。由于结合键的不同，金属和 陶瓷材料的性质差异极大，陶瓷的熔点和硬度可能比同种元素 的金属提高几倍到十几倍，如Al2O3的熔点约为金属铝的3倍， 而硬度则比金属铝高出10多倍。
动，因此很难产生塑性变型，室温下的强度测定只能得到一个
断裂强度(fracture strength f)。固体材料断裂强度的理论值为：
th ＝ 2E ro/ π
(1.4)
式中E为弹性模量，ro为原子间结合力最大时原子间距增加
量。
上式是假定理想晶体作完全弹性体脆性断裂时的计算值。 实际陶瓷材料的强度至少比理论强度小两个数量级。
近年来的研究表明，当陶瓷材料具有下述条件时，可显示 超塑性：
晶粒细小(尺寸小于1um)；晶体是等轴晶；第二相弥散分布， 能抑制高温下基体晶粒的生长；晶粒之间存在液相或者玻璃相。
典型拥有超塑性的陶瓷材料是用化学共沉淀法制备的含 Al2O3的ZrO2粉体，成形后在1250oC左右烧结，可获得相对密度 为98％左右的烧结体。这种陶瓷在1250oC、3.5×10-2s-1应变速率 下，最大应变量可达400％。陶瓷材料的超塑性与晶界滑动或晶 界液相流动有关，和金属一样．陶瓷材料的超塑性流动也是扩 散控制过程。
影响陶瓷材料强度的因素主要有：