陶瓷物理力学性能
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（1）莫氏硬度 定义：陶瓷及矿物材料所用的划痕硬度叫莫氏硬度。 是一系列矿物互相对比而成的一个序列。
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
（2）维氏硬度 维氏硬度符号为Hv,维氏硬度测量的压头是一相对两面夹角为136°的金
刚石正四棱锥型压头，在一定载荷P的作用下压入试样表面，在规定保压时 间后卸除载荷。
前两种密度是指陶瓷内没有缺陷的理想情况，意味着制造过程形成
的气孔为零，所以在结构内的原子之间只有间隙。在含有制造过程中形
成的缺陷和气孔的情况下，通常使用体积密度或相对密度。
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
密度的计算与测量
3）此外，还有一种较为简单，但精度稍低的方法，即在含联通气孔的陶瓷
试样表面涂上一层密封性好的石蜡层，此时可按无联通气孔，即不吸
水的陶瓷材料直接用排水法测定。
体积密度：ρ D DS
吸水率： A W D
D
4）如果陶瓷具有简单的均匀对称的几何形状，则可通过测量外形尺寸计算 出体积，在称量试样在空气中干重，进而求出体积密度。
在试样测试面上压出一个正方形的压痕，在读数显微镜下测量该正方 形压痕两对角线d1和d2的长度，算出平均值d=(d1+d2)/2,并算出压痕凹面的 面积F，即可计算出维氏硬度P/F,单位MPa.
P
P
Hv F 1.8544 d 2
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
② 将试样放在沸水中煮沸2-5h，然后冷却至室温，静放24h;
③ 将陶瓷试样悬挂在水中称其质量S；
④ 将试样在水中取出，并用干净棉纸或纱布轻轻将试样表面的水擦去，在
空气中称其质量W；
体积密度： ρ D
显气孔率： P W D 100%
W S
W S
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
维氏硬度实测中需要注意三点： a) 测试中载荷P大小应根据试样大小、厚薄
及材料性质决定。对于陶瓷从9.807294.21N中选择； b) 被测试样的上下表面必须平行，测试表 面不能有油污或脏点，需抛光成镜面， 且试样的厚度至少大于压痕对角线的2倍； c) 为了避免材料局部不均匀性引起大的误 差，同一试样上至少测定不同位置的3-5 个点，求其平均值。试样在常温下进行 的保压时间为10-20s。
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。
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
一、陶瓷基本物理性能
陶瓷的密度及测试 陶瓷的硬度及表征 陶瓷的熔点与蒸发
二、陶瓷力学性能及表征
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
1.陶瓷基本物理性能
1.1 陶瓷的密度及测试
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
密度的计算与测量
1）结晶学密度或理论密度可以从晶体结构数据（晶胞参数）和所含元素的相
对原子质量通过计算得到。
2）陶瓷体（烧结后）的体积密度的测量通常采用排水法，按阿基米德原理计
算出来。
测量步骤：
① 在空气中先称出陶瓷试样的质量D；
金 属 密 度 相 对 较 高
密 较度 小相
对 在陶瓷、金属、有机高分子这三类材料中，有机材料的密度最低，
这是因为有机材料主要有C和H及其他相对原子质量小的元素如Cl和F构成
的。材料的密度由什么决定呢？
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
密度的影响因素
的硬度
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
由于测量方法不同，测得的硬度所代表的材料性能也各异。 金属材料：常用的硬度测量方法是在静载荷下将一种硬的物体压 入材料，这样测得的硬度主要反映材料抵抗塑性形变的能力。 陶瓷、矿物材料：常用划痕法测试硬度，反映材料抵抗破坏的能 力。
密度是指单位体积的质量，常用g/cm3表示。陶瓷材料密度有如下几种 表示： 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。
常见硬度表 示法
莫氏硬度
布氏硬度 HB
洛氏硬度 HV
维氏硬度
努普硬度 HK
显微镜度
用于陶瓷和 矿物的硬度 测试，为划
痕测试
主要用于测 定金属材料 中较软及中 等硬度的材
料
用于硬质金 属和陶瓷材
料
用于较硬材 料，如陶瓷
用于较脆而 薄材料，如
玻璃
用于陶瓷材ห้องสมุดไป่ตู้料薄膜，在 显微观察时 评定某一组 织或某一相
所以，硬度没有统一的定义，各种硬度的单位也不同，彼此间没有 固定的换算关系。
陶瓷材料硬度测试必须要用金刚石压头，陶瓷材料硬度较高，其他 材料的压头可能被扭曲，即使是金刚石压头也存在被压裂的危险，所以 压头要定期检查。
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
几种硬度测试方法
5）对于陶瓷素坯（烧结前）的体积密度测定，则不能采用“水煮法”（因 易吸附水，进而与水反应，造成性能的改变）。
规则形状：测体积和干重计算 复杂形状：表面涂石蜡，排水法 排汞法：原理和排水法相同，液态汞在常压下不润湿陶瓷NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
1.2 陶瓷硬度及表征 硬度：材料抵抗硬的物体压陷表面或破坏的能力。
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
（2）维氏硬度 维氏硬度符号为Hv,维氏硬度测量的压头是一相对两面夹角为136°的金
刚石正四棱锥型压头，在一定载荷P的作用下压入试样表面，在规定保压时 间后卸除载荷。
前两种密度是指陶瓷内没有缺陷的理想情况，意味着制造过程形成
的气孔为零，所以在结构内的原子之间只有间隙。在含有制造过程中形
成的缺陷和气孔的情况下，通常使用体积密度或相对密度。
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
密度的计算与测量
3）此外，还有一种较为简单，但精度稍低的方法，即在含联通气孔的陶瓷
试样表面涂上一层密封性好的石蜡层，此时可按无联通气孔，即不吸
水的陶瓷材料直接用排水法测定。
体积密度：ρ D DS
吸水率： A W D
D
4）如果陶瓷具有简单的均匀对称的几何形状，则可通过测量外形尺寸计算 出体积，在称量试样在空气中干重，进而求出体积密度。
在试样测试面上压出一个正方形的压痕，在读数显微镜下测量该正方 形压痕两对角线d1和d2的长度，算出平均值d=(d1+d2)/2,并算出压痕凹面的 面积F，即可计算出维氏硬度P/F,单位MPa.
P
P
Hv F 1.8544 d 2
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
② 将试样放在沸水中煮沸2-5h，然后冷却至室温，静放24h;
③ 将陶瓷试样悬挂在水中称其质量S；
④ 将试样在水中取出，并用干净棉纸或纱布轻轻将试样表面的水擦去，在
空气中称其质量W；
体积密度： ρ D
显气孔率： P W D 100%
W S
W S
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
维氏硬度实测中需要注意三点： a) 测试中载荷P大小应根据试样大小、厚薄
及材料性质决定。对于陶瓷从9.807294.21N中选择； b) 被测试样的上下表面必须平行，测试表 面不能有油污或脏点，需抛光成镜面， 且试样的厚度至少大于压痕对角线的2倍； c) 为了避免材料局部不均匀性引起大的误 差，同一试样上至少测定不同位置的3-5 个点，求其平均值。试样在常温下进行 的保压时间为10-20s。
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。
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
一、陶瓷基本物理性能
陶瓷的密度及测试 陶瓷的硬度及表征 陶瓷的熔点与蒸发
二、陶瓷力学性能及表征
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
1.陶瓷基本物理性能
1.1 陶瓷的密度及测试
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
密度的计算与测量
1）结晶学密度或理论密度可以从晶体结构数据（晶胞参数）和所含元素的相
对原子质量通过计算得到。
2）陶瓷体（烧结后）的体积密度的测量通常采用排水法，按阿基米德原理计
算出来。
测量步骤：
① 在空气中先称出陶瓷试样的质量D；
金 属 密 度 相 对 较 高
密 较度 小相
对 在陶瓷、金属、有机高分子这三类材料中，有机材料的密度最低，
这是因为有机材料主要有C和H及其他相对原子质量小的元素如Cl和F构成
的。材料的密度由什么决定呢？
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
密度的影响因素
的硬度
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
由于测量方法不同，测得的硬度所代表的材料性能也各异。 金属材料：常用的硬度测量方法是在静载荷下将一种硬的物体压 入材料，这样测得的硬度主要反映材料抵抗塑性形变的能力。 陶瓷、矿物材料：常用划痕法测试硬度，反映材料抵抗破坏的能 力。
密度是指单位体积的质量，常用g/cm3表示。陶瓷材料密度有如下几种 表示： 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。
常见硬度表 示法
莫氏硬度
布氏硬度 HB
洛氏硬度 HV
维氏硬度
努普硬度 HK
显微镜度
用于陶瓷和 矿物的硬度 测试，为划
痕测试
主要用于测 定金属材料 中较软及中 等硬度的材
料
用于硬质金 属和陶瓷材
料
用于较硬材 料，如陶瓷
用于较脆而 薄材料，如
玻璃
用于陶瓷材ห้องสมุดไป่ตู้料薄膜，在 显微观察时 评定某一组 织或某一相
所以，硬度没有统一的定义，各种硬度的单位也不同，彼此间没有 固定的换算关系。
陶瓷材料硬度测试必须要用金刚石压头，陶瓷材料硬度较高，其他 材料的压头可能被扭曲，即使是金刚石压头也存在被压裂的危险，所以 压头要定期检查。
NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
几种硬度测试方法
5）对于陶瓷素坯（烧结前）的体积密度测定，则不能采用“水煮法”（因 易吸附水，进而与水反应，造成性能的改变）。
规则形状：测体积和干重计算 复杂形状：表面涂石蜡，排水法 排汞法：原理和排水法相同，液态汞在常压下不润湿陶瓷NPU
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
1.2 陶瓷硬度及表征 硬度：材料抵抗硬的物体压陷表面或破坏的能力。