陶瓷材料的力学性能
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。
陶瓷材料的制备及其力学性能研究
陶瓷材料的制备及其力学性能研究陶瓷是一种由非金属原料制成的硬质、脆性材料。
因其无毒、不易被腐蚀、耐高温、耐磨损、绝缘性能良好等优点，在工业、建筑、医疗等领域得到了广泛的应用。
本文将围绕陶瓷材料的制备方法和力学性能展开讨论。
一、陶瓷材料的制备方法1.干压成型法干压成型法是制备陶瓷材料最常用的方法之一。
该方法将陶瓷粉末直接放入模具中，通过定量的挤压和挤出，使粉末颗粒之间紧密结合。
该方法制备出的陶瓷材料具有密度高、强度大、尺寸精度高等特点。
2.注塑成型法注塑成型法是利用热塑性陶瓷通过熔融和挤出等工艺制备陶瓷材料的方法。
该方法制备出的陶瓷材料具有形状复杂度高、密度均匀、表面平滑等特点。
3.热压成型法热压成型法是利用热塑性陶瓷在高温高压下形成致密结构的方法。
该方法制备出的陶瓷材料具有密度高、强度大、结晶度高等特点。
4.电化学制备法电化学制备法是将陶瓷粉末固定在阴极上，通过电化学反应使其在电极表面沉积。
该方法制备出的陶瓷材料具有颗粒尺寸小、表面平滑、致密度高、结晶度高等特点。
5.溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是利用半水溶性溶胶在介质中形成凝胶，然后通过热处理或还原等方法制备陶瓷材料的方法。
该方法制备出的陶瓷材料具有纯度高、微观组织均匀、形态规矩等特点。
二、陶瓷材料的力学性能研究1.弹性力学性能弹性力学性能是指材料受力时发生弹性变形的能力。
陶瓷材料的弹性力学性能主要包括弹性模量、泊松比和剪切模量等。
弹性模量越高，材料的抗弯强度和抗压强度则越高。
2.破裂力学性能破裂力学性能是指材料在引起断裂的力学条件下的性能。
陶瓷材料的破裂力学性能主要包括断裂韧性、破裂强度和断裂模式等。
断裂韧性越高，材料越能抵抗破裂的扩展。
3.硬度性能硬度性能是指材料抵抗局部接触形成刻痕的能力。
陶瓷材料的硬度主要包括维氏硬度和洛氏硬度等。
维氏硬度越高，材料越难被划伤或切割。
4.磨损性能磨损性能是指材料受摩擦时的磨损情况。
陶瓷材料的磨损性能主要包括磨损系数、磨损率和摩擦系数等。
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。
陶瓷材料的高温力学性能与高温应变行为
陶瓷材料的高温力学性能与高温应变行为在现代工业生产中，陶瓷材料作为一种重要的工程材料，广泛应用于航空航天、能源、化工等领域。
高温力学性能与高温应变行为是评价陶瓷材料性能的重要指标之一。
高温力学性能指材料在高温条件下的力学行为，包括抗拉强度、抗压强度、弹性模量、热膨胀系数等。
陶瓷材料的高温力学性能与其晶体结构、组织结构以及化学成分密切相关。
首先，晶体结构对陶瓷材料的高温力学性能有着重要影响。
陶瓷材料晶体结构的稳定性决定了其在高温下的力学性能表现。
例如，硼化硅陶瓷材料由于具有特殊的六方结构，使得其在高温下表现出优良的力学性能和高温稳定性。
其次，组织结构对陶瓷材料的高温力学性能也起到至关重要的作用。
陶瓷材料通常由多个晶粒组成的晶界构成，晶界在高温下容易发生晶界扩散，从而影响材料的高温力学性能。
对于微晶陶瓷材料来说，其具有较小的晶粒尺寸和较多的晶界，因此其高温力学性能相对较好。
此外，化学成分也对陶瓷材料的高温力学性能产生着重要影响。
化学成分的选择可以调控材料的晶体结构、组织结构以及化学反应活性，从而直接影响材料的高温力学性能。
例如，氧化铝陶瓷材料由于具有良好的抗化学腐蚀性能和高耐磨性，广泛应用于高温炉窑中。
除了高温力学性能，高温应变行为也是评价陶瓷材料性能的重要指标之一。
高温应变行为包括高温蠕变性能和高温断裂性能。
高温蠕变性能指材料在高温下承受恒定应力长时间变形的能力。
陶瓷材料在高温下容易发生蠕变现象，即在恒定应力下随时间的推移逐渐变形。
陶瓷材料的蠕变行为与其晶体结构、组织结构以及温度、应力等因素密切相关。
对于蠕变行为好的陶瓷材料来说，其在高温条件下能够保持较好的形状稳定性和力学性能。
高温断裂性能指材料在高温下承受应力时的断裂行为。
陶瓷材料在高温下容易出现断裂现象，其断裂行为与其晶界结构、缺陷形态、应力状态以及温度等因素密切相关。
对于断裂性能好的陶瓷材料来说，其能够在高温下保持较好的强度和韧性，并具有较高的破坏韧性。
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。
陶瓷材料力学性能的检测方法
陶瓷材料力学性能的检测方法为了有效而合理的利用材料，必须对材料的性能充分的了解。
材料的性能包括物理性能、化学性能、机械性能和工艺性能等方面。
物理性能包括密度、熔点、导热性、导电性、光学性能、磁性等。
化学性能包括耐氧化性、耐磨蚀性、化学稳定性等。
工艺性能指材料的加工性能，如成型性能、烧结性能、焊接性能、切削性能等。
机械性能亦称为力学性能，主要包括强度、弹性模量、塑性、韧性和硬度等。
而陶瓷材料通常来说在弹性变形后立即发生脆性断裂，不出现塑性变形或很难发生塑性变形，因此对陶瓷材料而言，人们对其力学性能的分析主要集中在弯曲强度、断裂韧性和硬度上，本文在此基础上对其力学性能检测方法做了简单介绍。
1.弯曲强度弯曲实验一般分三点弯曲和四点弯曲两种，如图1所示。
四点弯曲的试样中部受到的是纯弯曲，弯曲应力计算公式就是在这种条件下建立起来的，因此四点弯曲得到的结果比较精确。
而三点弯曲时梁各个部位受到的横力弯曲，所以计算的结果是近似的。
但是这种近似满足大多数工程要求，并且三点弯曲的夹具简单，测试方便，因而也得到广泛应用。
图1 三点弯曲和四点弯曲示意图由材料力学得到，在纯弯曲且弹性变形范围内，如果指定截面的弯矩为M，该截面对中性轴的惯性矩为I，那么距中性轴距离为y点的应力大小为：zzI My=σ 在图1-1的四点弯曲中，最大应力出现在两加载点之间的截面上离中性轴最远的点，其大小为：=•⎪⎭⎫⎝⎛•=zI y a P max max 21σ⎪⎩⎪⎨⎧圆形截面 16矩形截面 332DPa bh Pa π 其中P 为载荷的大小，a 为两个加载点中的任何一个距支点的距离，b 和h 分别为矩形截面试样的宽度和高度，而D 为圆形截面试样的直径。
因此当材料断裂时所施加载荷所对应的应力就材料的抗弯强度。
而对于三点弯曲，最大应力出现在梁的中间，也就是与加载点重合的截面上离中性轴最远的点，其大小为：=•⎪⎭⎫⎝⎛•=zI y a P l max max 4σ⎪⎩⎪⎨⎧圆形截面 8矩形截面 2332DPl bh Pl π 式中l 为两个支点之间的距离（也称为试样的跨度）。
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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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。
密 封
环
氧化铝陶瓷坩埚
氧化铝陶瓷转心球阀
12
⑵ 氮化硅（Si3N4）陶瓷 氮化硅是由Si3N4四面体组成的共
价键固体。
① 氮化硅的制备与烧结工艺
工业硅直接氮化：3Si+2N2→Si3N4 二氧化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2→Si3N4+6CO
烧结工艺 反应烧结
热压烧结
优点
缺点
烧结时几乎没有收缩，能 密度低，强度低，耐蚀
18
⑷ 氧化锆陶瓷 氧化锆的晶型转变：立方相⇌四方相⇌单斜相。四方相转
变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，易使制品开裂。
ZrO2
氧 化
锆
单
相
陶
瓷
19
在氧化锆中加入某些氧化物能形成稳定立方固溶体，不再发 生相变，具有这种结构的氧化锆称为完全稳定氧化锆(FSZ)， 其力学性能低，抗热冲击性差。
所存在的问题是其存在一定的气孔率。
Al2O3粉末的烧结组织
ZrO2陶瓷中的气孔
5
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。
导电玻璃
玻璃幕墙
6
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、§10.Fra bibliotek陶瓷材料的概述
陶瓷材料是与金属材料、高分子材料并列的三大固体材料 之一。其间的主要区别在于化学键不同。 一、陶瓷材料的特点 （1）陶瓷材料的相组成特点
晶相--------1
玻璃相----2
气相-------3
1
晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性 质的主要是晶相。
玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密度、 降低烧结温度和抑制晶粒长大。
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 可将其分为结构陶瓷和功能陶瓷两类。
陶瓷零件
7
三、常用的工程陶瓷
工程陶瓷的生产过程：原料制备、坯料成形和制品烧成或烧结。 ①原料制备 将矿物原料经拣选、粉粹后配料、混合、磨细等得
到坯料。 ②坯料成形 将坯料加工成一定形状和尺寸并有必要机械强度和
致密度的半成品。包括可塑成形（如传统陶瓷），注浆成形 （如形状复杂、精度要求高的普通陶瓷）和压制成形（如特 种陶瓷和金属陶瓷） ③ 干燥后的坯料加热到高温，进行一系列的物理、化学变化而 成瓷的过程。烧成是使坯件瓷化的工艺（1250℃～1450℃）； 烧结是指烧成的制品气孔率极低、而致密度很高的瓷化过程。
氧化铝陶瓷耐高温性能好，可使用到1950℃,。具有良好的 电绝缘性能及耐磨性。微晶刚玉的硬度极高(仅次于金刚石).
95瓷纺织件
99瓷纺织件
氧化铝耐高温喷嘴
11
氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，
如耐火砖、坩埚、热偶套管，淬 氧
火钢的切削刀具、金属拔丝模，
化 铝
内燃机的火花塞，火箭、导弹的
陶 瓷
导流罩及轴承等。
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。
8
1、普通陶瓷 普通陶瓷是用粘土(Al2O3·2SiO2·2H2O)、长石
(K2O·Al2O3·6SiO2，Na2O·Al2O3·6SiO2)和石英(SiO2)为原 料，经成型、烧结而成的陶瓷。 其组织中主晶相为莫来石(3Al2O3·2SiO2)，占25~30%，玻璃 相占35~60%，气相占1~3%。 普通陶瓷加工成型性好，成本低，产量大。 除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、建筑、纺织等 工业部门。
常压烧结碳化硅
两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜， 因此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧 结，常加的助剂有硼、碳、铝等。
16
碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的耐磨损、耐腐蚀、 抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。
SiC密封件
SiC紧固件
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碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管 炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。
气相是在工艺过程中形成并保留下来的。
三部分组成示意图
2
（2）陶瓷材料的结合键特点 陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、硅化物
等，因而其结合键以离子键(如Al2O3)、共价键(如Si3N4)及两者 的混合键为主。
离子键
共价键
3
（3）陶瓷材料的性能特点 ---最显著的特点：硬而脆 陶瓷材料具有高熔点、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、
Si3N4轴承
14
反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如 转子、机械密封环等。
叶片气阀等零件
汽轮机转子
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（3）碳化硅（SiC）陶瓷 碳化硅是通过键能很高的共价键结合的晶体。 碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高温还原而成： SiO2+3C→SiC+2CO。 碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结
绝缘子
景德镇陶瓷
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2、新型结构陶瓷
⑴ 氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分, 含有 少量SiO2的陶瓷，又称高铝陶瓷。
单相Al2O3陶瓷组织
Al2O3密封、气动陶瓷配件
Al2O3化工、耐磨陶瓷配件
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根据Al2O3含量不同分为75瓷(含75%Al2O3，又称刚玉-莫来 石瓷)、95瓷和99瓷，后两者又称刚玉瓷。
耐腐蚀等特性。
陶瓷材料还具有密度小、弹性模量大、耐磨损、强度高
等特点。
功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能。
韧性陶瓷硬度压痕
脆性陶瓷硬度压痕周围的裂纹
4
（4）陶瓷材料的工艺特点 陶瓷具有硬度高、脆性大的特点，大部分陶瓷是通过粉体
成型和高温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。 烧结体也是固相反应形成晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，