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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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。
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。
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)、
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)、
内在因素 晶粒尺寸、显微结构的稳定性
外在因素 应变速率、变形温度
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。
气相和气孔是陶瓷 材料在制备过程中 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。
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 熔融氧化
铝 刚玉 碳化硅 碳化硼 金刚石
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
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 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。
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。
13.2.2 陶瓷材料的塑性变形
3) 产生超塑性条件
晶粒细小，其临界尺寸范围约 20～ 050n0m 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。
13.2.2 陶瓷材料的塑性变形 4) 影响超塑性因素
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。
3. 熔点
由于陶瓷晶体是由共价键、Байду номын сангаас子键组成，故
陶瓷材料的熔点一般很高。
4. 导电性 陶瓷材料电化学性能也是多种多样的，包括导电
13.1.2 陶瓷材料微观结构
相分布
陶瓷材料 微观结构
晶粒尺寸 晶粒形状 气孔大小和分布 杂质缺陷 晶界
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。
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
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。
1.陶瓷材料裂纹扩展抗力可以按照下列公式估算：
K IC 2 E/1v21/2 (13.5)
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 Y a
KC Yf a
Y为无量纲因子，取决于裂纹几何形状、试样形状及加
载方式，K C 为断裂韧性
13.2.4.3 陶瓷材料断裂韧性测试方法
1. 单边切口梁法(single edge notched beam， 简称SENB法)
陶瓷、半导体陶瓷、绝缘或介电陶瓷以及超导陶瓷 。
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。
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；
13.2.4陶瓷材料的断裂韧性及测试方法
13.2.4.1陶瓷材料的静态韧性
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：
Wi2 /2E
特点：
(13.4)
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
低 瓷材料的静态韧性很 。
13.2.4.2陶瓷材料的断裂韧性
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。
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。
3. 陶瓷材料的硬度公式
维氏硬度
Hv
P1.8 F
54P d2
显微硬度
HM
1.854P d2
4. 莫氏硬度分级顺序表
顺序
1 2 3 4 5
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。
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。
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。
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)、
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)、
内在因素 晶粒尺寸、显微结构的稳定性
外在因素 应变速率、变形温度
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。
气相和气孔是陶瓷 材料在制备过程中 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。
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 熔融氧化
铝 刚玉 碳化硅 碳化硼 金刚石
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
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 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。
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。
13.2.2 陶瓷材料的塑性变形
3) 产生超塑性条件
晶粒细小，其临界尺寸范围约 20～ 050n0m 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。
13.2.2 陶瓷材料的塑性变形 4) 影响超塑性因素
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。
3. 熔点
由于陶瓷晶体是由共价键、Байду номын сангаас子键组成，故
陶瓷材料的熔点一般很高。
4. 导电性 陶瓷材料电化学性能也是多种多样的，包括导电
13.1.2 陶瓷材料微观结构
相分布
陶瓷材料 微观结构
晶粒尺寸 晶粒形状 气孔大小和分布 杂质缺陷 晶界
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。
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
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。
1.陶瓷材料裂纹扩展抗力可以按照下列公式估算：
K IC 2 E/1v21/2 (13.5)
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 Y a
KC Yf a
Y为无量纲因子，取决于裂纹几何形状、试样形状及加
载方式，K C 为断裂韧性
13.2.4.3 陶瓷材料断裂韧性测试方法
1. 单边切口梁法(single edge notched beam， 简称SENB法)
陶瓷、半导体陶瓷、绝缘或介电陶瓷以及超导陶瓷 。
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。
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；
13.2.4陶瓷材料的断裂韧性及测试方法
13.2.4.1陶瓷材料的静态韧性
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：
Wi2 /2E
特点：
(13.4)
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
低 瓷材料的静态韧性很 。
13.2.4.2陶瓷材料的断裂韧性
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。
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。
3. 陶瓷材料的硬度公式
维氏硬度
Hv
P1.8 F
54P d2
显微硬度
HM
1.854P d2
4. 莫氏硬度分级顺序表
顺序
1 2 3 4 5
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。