陶瓷材料力学性能的检测方法
陶瓷三点弯曲试验方法(二)
陶瓷三点弯曲试验方法(二)陶瓷三点弯曲试验方法概述陶瓷是一种常见但也脆弱的材料，为了评估其强度和耐久性，在研究和应用过程中需要进行各种试验。
其中，陶瓷三点弯曲试验是一种经典的方法，用于评估陶瓷材料的力学性能。
本文将详细说明这种试验方法以及使用的各种技术。
方法步骤1.准备样品：根据需要的尺寸和形状，制备陶瓷样品。
通常使用圆环或矩形形状的样品。
2.安装样品：将样品放置在三点弯曲试验机的支撑装置上。
确保样品与支撑点的接触是平稳而稳固的。
3.调整距离：根据试验要求，调整支撑点之间的距离。
距离的选择将影响试验结果。
4.施加负荷：使用试验机的上负荷头，在样品正中央施加垂直向下的力。
开始时，施加的力应逐渐增加，直到样品发生破坏。
5.记录数据：在施加力的过程中，实时记录样品弯曲的负荷和位移数据。
6.分析结果：根据试验数据，计算样品的弯曲应力-应变曲线和弯曲强度等力学性能参数。
试验技术预压技术预压技术是为了减小试样的不均匀应变，提高试验结果的准确性。
这种技术在施加主要负荷之前，先施加一个较小的预压力。
预压力的大小应根据具体陶瓷材料的强度和试验需求来确定。
支撑装置选择支撑装置的选择也会对试验结果产生影响。
常用的支撑装置有支承条和球形支撑。
支承条适用于较薄的样本，而球形支撑适用于较厚的样本。
根据试样的形状和尺寸，选择合适的支撑装置可以减小应变集中的问题。
加载速率加载速率决定了试验的时间和对样品的影响程度。
较高的加载速率可以得到更高的应力和破坏强度，但同时可能引起额外的热效应和应力集中。
适当的加载速率应根据材料的性质和试验的目的来选择。
结论陶瓷三点弯曲试验是评估陶瓷材料力学性能的一种重要方法。
通过准确的试验步骤和合适的技术选择，可以获得可靠的力学性能参数，为陶瓷材料的研究和应用提供有力支持。
以上就是陶瓷三点弯曲试验方法的相关内容，包括方法步骤、试验技术和结论。
希望本文对您的研究和实践工作有所帮助。
陶瓷材料的力学性能检测方法.
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1-1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1-1 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 z ，那么距中性轴距离为y 点的应力大小为：zI 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 Paπ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 Plπ式中l 为两个支点之间的距离（也称为试样的跨度）。
陶瓷力学性能的测试方法
无机材料物理性能
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拱形三点弯曲法 该法主要用于进行薄壁管状陶瓷的韧性测试 可控裂纹技术------压痕法 亚临界裂纹扩展特征参数测试技术 断裂力学方法是探测压临界裂纹扩展行为的 手段，因为引起裂纹扩展的裂纹尖端应力强 度因子K1成正比
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直接法——断裂力学技术
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测试原理：当一个矩形截面的梁承受弯 曲载荷，其截面上就出现应力，从三点 抗弯和四点抗弯的弯矩分布和切力分布 对照来看，四点抗弯法具有一定的恒弯 矩范围，而且在这一范围内不存在截面 的切应力，能较全面地反映纯弯曲应力 状态下的材料强度
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抗弯强度测试的误差根源
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2）由于陶瓷材料的塑性很小，其屈服强 度比值相应很低，因而断裂韧性测试样 品的厚度边界条件b>2.5总是能够满足。 但由于陶瓷显微结构方面的微不均性， 仍需要试样截面有足够的范围以表征结 构的特点
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3）试样预制尖形裂纹是一种难度较大的 技术，锯切缺口的方法比较容易掌握， 但需力求缺口的曲率半径小于临界值， 以保证测试结果的稳定性和精度
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4）陶瓷体内起始裂纹的尺度与µm级的 显微结构尺度相当，但进行断裂力学参 数测定所采用的却是mm级尺度的人工裂 纹，这对测量的精确难免有些影响 5）陶瓷高温测试过程中的应力传递、应 变测量以及裂纹观察都有一定难度，因 此对测试方程的选择更需慎重
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无机材料物理性能 邓承继博士 15
三点弯曲与四点弯曲测量陶瓷材料的要求
三点弯曲与四点弯曲测量陶瓷材料的要求一、引言在陶瓷材料的研究和应用过程中，对其力学性能进行准确测量是非常重要的。
而三点弯曲和四点弯曲测试是常用的力学测试方法之一，用于评估陶瓷材料的抗弯强度和韧性。
本文将对三点弯曲与四点弯曲测试的要求进行深入探讨，并探讨其在陶瓷材料研究中的重要性。
二、三点弯曲和四点弯曲测试的原理和区别1. 三点弯曲测试三点弯曲测试是通过施加一个垂直于试样中部的载荷，使得试样产生曲率，从而测定材料的抗弯强度和韧性。
在这种测试方法中，试样呈梁状，并且加载和支撑点的位置是固定的。
通过测量试样在断裂前的挠度和载荷大小，可以计算出材料的弯曲模量、抗弯强度等力学性能指标。
2. 四点弯曲测试四点弯曲测试与三点弯曲测试类似，但其加载和支撑点的位置不同。
四点弯曲测试中，加载点位于试样的两端，而支撑点位于加载点的中间位置。
这种加载方式可以减小加载点和支撑点的影响，使得测试结果更为准确。
3. 两种测试方法的区别三点弯曲测试和四点弯曲测试在加载和支撑点的位置上存在区别，这会对试样产生的应力和变形分布产生影响。
一般来说，四点弯曲测试在试验过程中对试样的边界影响更小，因此更适合用于脆性材料的测试。
而三点弯曲测试则更容易进行，因此在工程应用中较为常见。
三、三点弯曲和四点弯曲测试对陶瓷材料的要求1. 试样的制备在进行三点弯曲和四点弯曲测试前，首先需要精确制备试样。
对于陶瓷材料来说，试样的尺寸和表面质量要求非常严格，否则会对测试结果产生影响。
特别是在进行四点弯曲测试时，试样的尺寸、形状和平整度对测试结果影响较大。
2. 载荷和速率控制在进行弯曲测试时，载荷和速率的控制对于测试结果的准确性至关重要。
尤其是在测定材料的抗弯强度时，需要确保载荷的施加和卸载过程平稳、均匀，以避免试样出现不可逆的损伤。
3. 试验环境的控制在进行三点弯曲和四点弯曲测试时，试验环境的温度和湿度对于试样的力学性能也有一定影响。
特别是对于某些特殊的陶瓷材料，在进行弯曲测试前需要对试验环境进行严格控制，以保证测试结果的准确性。
「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。
陶瓷材料断裂韧性的测量标准刍议
断裂韧性是衡量陶瓷材料抵抗裂纹扩展能力大小的基本力学参数，是材料发生断裂前应力场强度临界值[1]。
对于Ⅰ型断裂该临界值即为KⅠC。
断裂韧性是材料的本征属性，可以衡量材料对裂纹扩展的抵抗能力大小[2]，反映外部载荷和裂纹尺寸对材料断裂失效的影响。
陶瓷材料断裂韧性的准确测量有助于评估材料服役性能及可靠性能。
目前，用于结构陶瓷材料断裂韧性的测试方法有很多，根据裂纹制备的类型可以分为两大类：宏观开口槽法和微观缺陷法。
宏观开口槽法主要包括：单边预裂纹梁法（Single Edge Precrack Beam，SEPB）[3]、单边切口梁法（Single Edge Notched Beam，SENB）[4]、单边V型切口梁法（Single Edge V-Notched Beam，SVENB）[5]等。
制备微观缺陷测试结构陶瓷材料断裂韧性的方法主要有：压痕法（Indentation Method，IM）[6]和表面裂纹弯曲法（SurfaceCrack in Flexure，SCF）[7]。
在实际应用中，目前最为常用的结构陶瓷材料断裂韧性的测试方法为：单边预裂纹梁法（SEPB）[8,9]和单边V型切口梁法（SEVNB）[10-13]。
这两种方法有较为详细的标准可以作为参考，获得的测定结果较为准确。
目前陶瓷材料现行的主要测试标准有：国际标准化组织标准ISO23146-2016[14]（以下简称ISO）、美国材料与试验协会标准ASTM C1421-18[15]（以下简称ASTM）和中国国家标准GB/T23806-2009[16]（以下简称GB）。
本文对比分析了以上三种现行标准中SEPB和SEVNB两种测量方法的异同点，为陶瓷断裂韧性的测量提供参考。
ASTM C1421-18（Standard Test Methods for Determi-nation of Fracture Toughness of Advanced Ceramics at Am-bient Temperature）中除了SEPB法外，还提供了其它几种断裂韧性的测试方法，本文仅限于讨论其中SEPB法部分内容。
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。
三点弯曲与四点弯曲测量陶瓷材料的要求
三点弯曲与四点弯曲测量陶瓷材料的要求三点弯曲与四点弯曲测量陶瓷材料的要求在研究和评估陶瓷材料的力学性能时，三点弯曲和四点弯曲是常用的测试方法。
这两种方法都可以用来测量陶瓷材料在受力下的弯曲行为，并提供关于其力学性能的有价值的信息。
然而，它们在测试要求、测试过程和数据解读方面存在一些差异。
在本文中，我们将深入探讨这两种弯曲测试方法的要求和应用，以帮助读者更全面地理解这些测试方法。
1. 三点弯曲测试三点弯曲测试是最常见的一种测试方法，适用于评估陶瓷材料的弯曲强度和断裂韧性。
该测试方法需要将陶瓷试样放置在两个支撑点之上，在中间施加一个加载点。
试样的下表面受到拉力，而上表面则受到压力。
通过测量试样在负荷下的弯曲变形和断裂强度，可以推断出材料的力学性能。
在进行三点弯曲测试时，有几个关键的要求需要满足。
试样的几何尺寸和形状需要符合标准，这样可以确保测试结果的可比性。
加载速率和加载方式需要控制在合适的范围内，避免试样破裂过快或过慢。
测试环境的温度和湿度条件也需要进行控制，以减少外界因素对测试结果的影响。
三点弯曲测试可以提供一些有价值的信息。
它可以测量陶瓷材料在受力下的弯曲强度，这对于确定材料在实际应用中的可靠性非常重要。
根据试样的断裂模式和断裂韧性指标，可以评估材料的断裂行为和抗击裂性能。
通过对测试数据的分析和解读，可以了解陶瓷材料的微观结构和组织对其力学性能的影响。
2. 四点弯曲测试相对于三点弯曲测试，四点弯曲测试在一些特定情况下更适用。
它对材料的承载能力和应力分布进行了更全面和详细的评估。
四点弯曲测试的基本原理与三点弯曲相似，但在试样外边缘添加了两个额外的支撑点。
这样做的目的是减小中间支撑点对试样的影响，使应力集中在试样中间而非边缘部分，更准确地测量材料的本质力学性能。
与三点弯曲测试类似，四点弯曲测试也有一些重要的要求。
试样的尺寸和加载方式仍然需要符合标准要求，以确保测试结果的准确性和可比性。
测试过程中需要同时测量试样的弯曲变形和应力分布，以获得更全面的数据，并用于进一步分析和评估材料的性能。
陶瓷三点弯曲试验方法
陶瓷三点弯曲试验方法引言陶瓷材料具有高温稳定性、耐腐蚀性和优异的力学性能等特点，因此在各个领域得到广泛应用。
为了评估陶瓷材料的力学性能，需要进行各种力学试验，其中三点弯曲试验是一种常用的方法。
本文将介绍陶瓷三点弯曲试验的原理、设备和操作步骤等内容。
原理三点弯曲试验是通过在材料上施加垂直于其表面的力来评估其抗弯强度和断裂韧性。
在这种试验中，材料被放置在两个支撑点之间，并在中间施加一个加载点。
加载过程中，加载点对材料施加一个向下的力，而支撑点则提供反作用力。
通过测量材料在加载过程中的位移和应变等参数，可以计算出其抗弯强度、断裂韧性以及其他力学性能指标。
设备进行陶瓷三点弯曲试验需要以下设备：1.弯曲测试机：用于施加加载力和测量位移等参数。
2.夹具：用于固定和支撑试样。
3.测量仪器：用于测量加载过程中的位移、应变等参数。
操作步骤以下是进行陶瓷三点弯曲试验的一般操作步骤：1.准备试样：根据标准规范，制备符合要求的试样。
通常情况下，试样为长方形或圆柱形，并具有特定的尺寸和几何形状。
2.安装夹具：将试样放置在夹具上，并确保其与夹具接触良好并固定稳定。
3.调整测试机：根据试样的尺寸和要求，调整测试机的参数，如加载速度、加载范围等。
4.开始测试：启动测试机，使加载点施加一个恒定的力或应变到试样上。
同时，测量并记录位移、应变等参数。
5.达到断裂点：继续加载直到试样发生断裂。
在此过程中，可以通过实时监测位移和应变等参数来判断是否达到断裂点。
6.停止测试：当试样断裂后，停止测试机，并记录相应的数据和观察结果。
7.数据处理：根据测试得到的数据，计算出陶瓷材料的抗弯强度、断裂韧性等力学性能指标。
结论陶瓷三点弯曲试验是一种常用的评估陶瓷材料力学性能的方法。
通过施加加载力和测量位移等参数，可以计算出材料的抗弯强度和断裂韧性等指标。
在进行试验时，需要注意选择合适的试样尺寸和几何形状，并根据要求调整测试机的参数。
通过合理操作和数据处理，可以得到准确可靠的结果，为陶瓷材料的设计和应用提供参考。
陶瓷的性能测试的实验原理
陶瓷的性能测试的实验原理陶瓷的性能测试实验原理可以从不同的性能指标来进行考察，主要包括力学性能、热学性能、导电性能、耐冷热震性能等。
以下是对陶瓷不同性能指标的实验原理进行详细介绍。
一、力学性能测试实验原理：1. 强度测试：通过加载试样施加不同的力，测量产生破坏时的最大负荷或将试样带到某个应力，确定其抗拉（Bending）、抗压（Compression）等强度指标。
可以通过机械试验机进行测试。
2. 硬度测试：利用压痕法、刮痕法等，在试样表面施加力，确定其表面硬度。
最常用的硬度测试方法有洛氏硬度试验和维氏硬度试验。
3. 断裂韧性测试：通过施加载荷使试样发生断裂，测量试样断裂前后的应力和应变关系，计算出断裂韧性指标。
常用的实验方法有缺口冲击实验、三点弯曲实验和拉伸实验等。
二、热学性能测试实验原理：1. 热膨胀系数测试：通过在试样温度升高（或降低）时测量试样的长度或体积的变化，计算出热膨胀系数。
实验中一般采用膨胀仪或热差示波器等设备进行测量。
2. 热导率测试：通过测量单位时间内单位面积上的热流量和温度差，计算出热导率。
可以通过热导仪或热差示波器进行测试。
3. 热震稳定性测试：将试样置于高温区域，然后迅速将其置于低温区域，通过观察试样的热震破坏情况，评估其热震稳定性能。
实验中通常采用热震实验台或热震实验炉进行。
三、导电性能测试实验原理：1. 电阻率测试：通过测量试样两端的电压和流经试样的电流，计算出试样的电阻率。
实验中常用的设备有电阻测量仪和四探针法等。
2. 介电常数测试：通过施加交变电场，测量在不同频率下试样的电容和电导，计算出试样的介电常数。
常用的实验方法有平行板电容法和维诺尔桥法等。
四、耐冷热震性能测试实验原理：1. 热震试验：将试样置于高温区域，然后迅速将其置于低温区域，通过观察试样的热震破坏情况，评估其耐冷热震性能。
实验中通常采用热震实验台或热震实验炉进行。
2. 热震循环试验：通过不断循环加热和冷却试样，观察试样的循环寿命，评估其耐冷热震性能。
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。
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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。
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§10.2.2 陶瓷材料的塑性变形
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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)
陶瓷基复合材料-3
纤维的直径一定，临界状态时有：
lc fu d 4 i
6.2 纤维晶须增韧
6.2.3 纤维的拔出
6.2 纤维晶须增韧
6.2.3 纤维的拔出
k
k
k
0 id (k x)dx id[
kdx
0
0
xdx]
id[(k 2
0)
(k2 2
0)]
idk 2
QD
d 2 2fulc
48E f
式中, d-纤维直径，lc-纤维临界长度，fu-纤维拉伸断裂强度，
Ef-纤维弹性模量。
6.2 纤维晶须增韧
6.2.2 纤维的脱粘
纤维的体积Vf =（d2/4)l ，代入可得到单位面积的最大 脱粘能QD为：
QD
2 fu
lcV
f
12E f
6.2 纤维晶须增韧
5.2.1 拉伸强度与弹性模量
图 5-4 拉伸时陶瓷基复合材料的应力-应变曲线
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.1 拉伸强度与弹性模量 陶瓷基复合材料
弹性模 量
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.1 拉伸强度与弹性模量 碳化硅纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料的拉伸性能。
表 5 – 1 SiC 纤维增强 LAS 复合材料的杨氏模量
5.2.4 影响因素 增强相体积含量
短纤维
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.4 影响因素 密度
三维编织预制体 碳化硅纤维增强 复合材料
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.4 影响因素 密度
5.2 陶瓷复合材料的室温力学性能
5.2.4 影响因素 界面
氧化铝陶瓷材料力学性能的检测
氧化铝陶瓷材料力学性能的检测1.强度测试：强度是衡量材料抗拉、压、弯等力的能力。
常用的强度测试方法有拉伸强度、压缩强度和弯曲强度测试。
拉伸强度测试是将材料样品拉伸直至断裂，测量材料在拉伸破坏时的最大负荷。
压缩强度测试是将材料样品受到平行于加载方向的压缩荷载，测量材料在压缩破坏时的最大负荷。
弯曲强度测试是将材料样品放在两个支撑点上，施加外力使其弯曲，测量材料在弯曲破坏时的最大负荷。
2.硬度测试：硬度是材料抵抗外界压力而发生塑性变形或破坏的能力。
常用的硬度测试方法有洛氏硬度、维氏硬度和布氏硬度等。
洛氏硬度测试是利用洛氏硬度计对材料表面产生的压痕进行测量，根据压痕的直径和压力来计算材料的硬度值。
维氏硬度测试是利用维氏硬度计测量材料表面的压痕长度和压头的弹性形变来计算材料的硬度值。
布氏硬度测试是利用布氏硬度计对材料表面产生的压痕进行测量，根据压痕的直径来计算材料的硬度值。
3.断裂韧性测试：断裂韧性是材料抵抗断裂或破坏的能力。
常用的断裂韧性测试方法有缺口冲击试验和三点弯曲试验。
缺口冲击试验是将带有人工缺口的样品放在冲击试验机上，施加冲击荷载，测量材料在冲击破坏时的能量吸收能力。
三点弯曲试验是将样品放在两个支点上，施加弯曲荷载，测量材料在弯曲破坏前的最大挠度，根据弯曲应力和挠度计算材料的断裂韧性。
为了进行上述力学性能的检测，常用的测试设备有拉伸试验机、压力试验机、硬度计和冲击试验机等。
拉伸试验机可以用来测量材料的拉伸强度和伸长率，压力试验机可以用来测量压缩强度，硬度计可用来测量材料的硬度值，冲击试验机可用来测量材料的缺口冲击强度。
综上所述，通过对氧化铝陶瓷材料力学性能的检测，可以评估材料的质量和工程性能，从而为其应用于高温工业领域提供参考依据。
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
一文了解工程陶瓷微缺陷七大无损检测技术
工程陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性、抗腐蚀性和耐高温等物理和力学性能，已广泛应用于航空航天装备等尖端领域。
工程陶瓷制品加工工序复杂，每道工序都可能形成影响性能的缺陷，因此，有必要采用高灵敏度的测试手段对陶瓷材料微缺陷进行全面检测。
无损检测（NDT）在不改变被检对象使用性能的前提下评价材料的完整性和连续性，检出固有缺陷及其形状、位置和大小等信息，适于检测加工效率低而成本高的工程陶瓷材料的缺陷情况。
1液体渗透检测技术(P T)液体渗透检测利用液体毛细管作用原理，能够对多种材料及其制件表面开口缺陷进行非破坏性检查。
可检测出非多孔性、固相材料开口于表面的间断。
对均匀而致密的工程陶瓷材料，荧光或着色渗透方法能检出开度小至1 μm的气孔、裂纹等表面缺陷，但对材料表面粗糙度和整洁度要求高，未经预清洗或沾有污物的表面和空隙会产生附加背景，影响识别检测结果。
Si3N4陶瓷球表面缺陷渗透检测图像✦渗透检测的工作原理渗透检测是基于液体的毛细作用（或毛细现象）和固体染料在一定条件下的发光现象。
渗透剂在毛细管作用下，渗入表面开口缺陷内；在去除工件表面多余的渗透剂后，通过显像剂的毛细管作用将缺陷内的渗透剂吸附到工件表面形成痕迹而显示缺陷的存在。
✦渗透检测的流程2超声检测技术(UT)超声检测利用超声波在弹性介质中传播，在界面产生反射、折射等特性来探测材料内部或表面/亚表面缺陷。
目前，国外开始将人工智能、激光技术、数字信号处理、神经网络以及断裂力学知识与超声检测相结合，对陶瓷制品的强度和剩余寿命进行评估。
✦超声检测的工作原理主要是基于超声波在试件中的传播特性。
a. 声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入试件；b. 超声波在试件中传播并与试件材料以及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特征被改变；c. 改变后的超声波通过检测设备被接收，并可对其进行处理和分析；d. 根据接收的超声波的特征，评估试件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。
氮化硅陶瓷件的力学性能测试与分析
氮化硅陶瓷件的力学性能测试与分析引言：氮化硅陶瓷件是一种具有材料优异性能的工程陶瓷。
它具有高硬度、高抗磨损性、高温稳定性、优异的力学性能以及电绝缘性等特点，因此被广泛应用于航空航天、汽车、能源、电子等领域。
本文将重点介绍氮化硅陶瓷件力学性能的测试与分析方法，并探讨其应用。
一、氮化硅陶瓷件力学性能测试方法1. 弹性模量测试弹性模量是描述材料抵抗形变的能力的物理量。
常见的测试方法有压缩试验、弯曲试验和超声波测试。
在氮化硅陶瓷件力学性能测试中，常采用固定荷重下的压缩试验方法。
通过施加不同荷载并测量材料的形变，可以得到弹性模量的数值。
2. 摩擦学性能测试摩擦学性能是衡量材料在摩擦条件下的耐磨性能的指标。
常用的测试方法包括摩擦系数测试和磨损量测试。
在氮化硅陶瓷件力学性能测试中，可采用球盘摩擦试验机进行摩擦系数测试。
通过测量试样材料在不同载荷下的摩擦力和摩擦系数，可以评估其摩擦学性能。
3. 强度测试强度是材料抵抗外力破坏的能力。
常用的测试方法有拉伸试验、弯曲试验、压缩试验等。
对于氮化硅陶瓷件来说，由于其脆性较强，不易进行拉伸试验，因此常采用压缩试验来测试其强度。
通过施加不同荷载并测量材料的破坏形态，可以评估其强度。
二、氮化硅陶瓷件力学性能分析方法1. 有限元分析有限元分析是一种通过将复杂结构划分成多个小单元，并用数学方法模拟各个单元之间内外力的相互作用和相互影响的方法。
可以通过有限元软件对氮化硅陶瓷件进行建模，并模拟不同力学条件下的应力分布和变形情况。
通过分析模拟结果，可以评估氮化硅陶瓷件的力学性能和可靠性。
2. 应力松弛分析应力松弛是材料在一定温度下在恒定应力作用下的应变随时间的变化。
通过将氮化硅陶瓷件置于一定载荷下，并在恒定温度条件下测量其应变随时间的变化，可以得到其应力松弛特性。
进一步分析应力松弛的规律，可以揭示材料的内部结构和材料本身的力学性能。
3. 微观分析微观分析是通过高分辨率显微镜观察材料的微观结构和断裂面形貌，从而揭示材料的力学性能。
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。
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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：
z
z
I 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：
=•⎪⎭⎫
⎝⎛•=z
I y a P max max 21σ⎪⎩⎪⎨
⎧圆形截面 16矩形截面 332D
Pa 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：
=•⎪⎭⎫
⎝⎛•=z
I y a P l max max 4σ⎪⎩⎪⎨
⎧圆形截面 8矩形截面 2332D
Pl bh Pl π 式中l 为两个支点之间的距离（也称为试样的跨度）。
上述的应力计算公式仅适用于线弹性变形阶段。
脆性材料一般塑性变形非常小，同弹性变形比较可以忽略不计，因此在断裂前都遵循上述公式。
断裂载荷所对应的应力即为试样的弯曲强度。
需要注意的是，一般我们要求试样的长度和直径比约为10，并且在支点的外伸部分留足够的长度，否则可能影响测试精度。
另外，弯曲试样下表面的光洁度对结果可能也会产生显著的影响。
粗糙表面可能成为应力集中源而产生早期断裂。
所以一般要求表面要进行磨抛处理。
当采用矩形试样时，也必须注意试样的放置方向，避免使计算中b 、h 换位得到错误的结果。
2.断裂韧性
应力集中是导致材料脆性断裂的主要原因之一，而反映材料抵抗应力集中而发生断裂的指标是断裂韧性，用应力强度因子（K ）表示。
尖端呈张开型（I 型）的裂纹最危险，其应力强度因子用K I 表示，恰好使材料产生脆性断裂的K I 称为临界应力强度因子，用K IC 表示。
金属材料的K IC 一般用带边裂纹的三点弯曲实验测定，但在陶瓷材料中由于试样中预制裂纹比较困难，因此人们通常用维氏硬度法来测量陶瓷材料的断裂韧性。
陶瓷等脆性材料在断裂前几乎不产生塑性变形，因此当外界的压力达到断裂应力时，就会产生裂纹。
以维氏硬度压头压入这些材料时，在足够大的外力下，压痕的对角线的方向上就会产生裂纹，如图1所示。
裂纹的扩展长度与材料的断裂韧性K IC 存在一定的关系，因此可以通过测量裂纹的长度来测定K IC 。
其突出的优点在于快速、简单、可使用非常小的试样。
如果以P C 作为可使压痕产生雷文的临界负荷，那么图中显示了不同负荷下的裂纹情况。
由于硬度法突出的优点，人们对它进行了大量的理论和实验研究。
推导出了各种半经验的理论公式。
其中Blendell 结合理论分析和实验数据拟合，给出下列方程：
⎪⎭⎫ ⎝⎛•=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛c a E H Ha K IC 4.8lg 055.05
2
21φφ
图2 P ＜P C （左）和P ＞P C （右）时压痕
K IC 是I 型应力强度因子，也就是断裂韧性；φ为一常数，约等于3；HV 是维氏硬度；a 为压痕对角线长度的一半；c 为表面裂纹长度的一半，见图2。
经过大量的研究表明，该公式至少在下列范围内是使用的：硬度（HV ）=1~30GPa ，断裂韧性（K IC ）=0.9~16MPa ·m 1/2及泊松比（μ）=0.2~0.3。
一系列的实验发现，这一公式和实验数据具有非常好的吻合。
当使用这一方程时，一般所加的负荷要足够大，使c/a 大于3左右。
但是在某些时候，这意味着要加很高的负荷，在一般的显微硬度计上无法实现，并且使压头极易损坏，增加测试费用。
后来Niihara 等发现，当所加负荷较小时，上述的公式经过修正后仍旧适用。
在脆性材料中，压痕下材料的断裂方式根据所加负荷的不同呈现两种形式，如图3所示。
当负荷小时，所出现的裂纹称Palmqvist 裂纹（左图），而在负荷较高时，出现的裂纹称为Median 裂纹（右图）。
图3 Palmqvist 裂纹（左）和Median 裂纹（右）
阴影部分为裂纹扩展区
理论分析和实验结果拟合表明，对于Palmqvist 裂纹（0.25≤L/a≤25或1.25≤c/a≤3.5），用下列公式计算断裂韧性：
21
5
2
21035.0-⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛a L E H Ha K IC φφ
而对于Median 裂纹（c/a≥2.5），用下列公式计算：
23
5
2
21129.0-⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛a c E H Ha K IC φφ 也就是说只要能确定裂纹的形式，就可以用这些公式计算断裂韧性，并且曲线同实验数据吻合非常好。
因而可以使用小负荷测断裂韧性，避免高负荷所带来的一系列技术上的困难。
目前当确定裂纹的扩展方式困难或麻烦时，依旧倾向于使用高的负荷，使裂纹呈Median 扩展形式。
3.硬度
陶瓷材料中，通常采用的是维氏硬度与莫氏硬度。
维氏硬度的测量是将一个相对夹角为136°的正四棱锥金刚石压头在一定的负荷下压入试样表面，经过一定时间的保持后卸载，测定压痕两对面线的长度并取其平均值（d ）计算压痕的实际面积，负荷和所测面积的比值就是维氏硬度，用HV 表示。
经几何换算后得到：
）为表示，用mm d N ( 1891.02P d
P
HV •
= 压痕的对角线长度一般通过显微镜测量，工作面要和底面平行，粗糙度分别在R a 0.1和R a 0.8以下，而实验力根据试样的厚度和硬度一般在9.8~980N 。
一般要求试样的最小厚度至少为压痕对角线长度的1.5倍，否则结果会有误差。
为了保证所测数值的准确性，要求两对角线长度相差较小，加压保持时间在10~30s 之间。
另外，在陶瓷材料中经常使用到的硬度还有莫氏硬度。
莫氏硬度是应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试试样的表面而发生划痕，其硬度值并非绝对硬度值，而是按硬度的顺序表示的值。
莫氏硬度现在一般认定有15级，其中1级滑石最软，15级金刚石最硬，各级代表材料如表1所示：
表1 莫氏硬度表
分级代表材料分级代表材料分级代表材料1 滑石 2 石膏 3 方解石4 萤石 5 磷灰石 6 正长石7 石英玻璃8 石英9 黄玉10 石榴石11 熔融氧化铝12 刚玉13 碳化硅14 碳化硼15 金刚石。