先进陶瓷材料第四讲结构陶瓷材料(iii)-陶瓷材料物理性能

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1、先进陶瓷材料中国海洋大学材料科学与工程研究院第四讲结构陶瓷材料(III)陶瓷材料物理性能陶瓷材料物理性能陶瓷材料物理性能陶瓷材料力学性能陶瓷材料的塑性变形及蠕变陶瓷材料的热学性质陶瓷材料力学性能弹性性能硬度强度断裂韧性陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的弹性性能弹性及弹性模量材料变形线应变（正应变）FFll'b'b纵向应变横向应变泊松比正应力单位截面积上的力陶瓷材料的力学性能切应变γ体积应变ττγσσσσσ虎克定律正应力与正应变成正比E:弹性模量（GPa）(杨氏模量)切应力与切应变成正比G:剪切模量（GPa）陶瓷材料的力学性能压缩应力与体积应变成正比K:体积弹性模量其中：E、G、K、μ均称为材料的弹

2、性参数金属材料—低的弹性模量高韧性、可塑性、可加工性、抗热震性陶瓷材料—高弹性模量高强度、高硬度、耐磨性、耐蚀性陶瓷材料的力学性能金属材料弹性模量(GPa)陶瓷材料弹性模量(GPa)Fe211金刚石1000Al70Al2O3390Cu129Si3N4220~320Zn100SiC450一些材料的弹性模量对比(E)陶瓷材料的力学性能影响弹性模量的微观机制d0d0rF弹性区域弹性模量：原子间距的微小变化所需外力两原子间距从d0离开或靠近时所需外力d0处曲线的斜率陶瓷材料的力学性能弹性模量的影响因素温度对弹性模量的影响温度升高d0→dt曲线斜率减小弹性模量降低陶瓷材料高温下表现出塑性d0rFdt陶

3、瓷材料的力学性能弹性模量与熔点熔点→原子间结合力熔点高→结合力大→弹性模量大300K时弹性模量与熔点的关系：物质的熔点原子或分子体积氧化物<氮化物＝硼化物<碳化物陶瓷材料的力学性能弹性模量与材料的密度材料的密度是影响弹性模量的重要因素材料密度→气孔率弹性模量与气孔率关系气孔率为0时的弹性模量f1、f2决定于气孔形状的常数圆形气孔：f1=1.9f2=0.9气孔率随着气孔率的增加，弹性模量急剧下降陶瓷材料的力学性能复合材料的弹性模量弹性模量→原子间结合力（原子种类、键型）弹性模量对显微结构不敏感材料的组元作用显著对于三明治型复合材料：E//E⊥陶瓷材料的力学性能两相或多相复合材料弹性模量随组分而

4、变化两相或多相复合材料可通过组分改变调节弹性模量单晶体弹性模量——各向异性陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的硬度莫氏硬度（划痕硬度）顺序材料顺序材料1滑石1滑石2石膏2石膏3方解石3方解石4萤石4萤石5磷灰石5磷灰石6正长石6正长石7石英7SiO2玻璃8黄玉8石英9刚玉9黄玉10金刚石10石榴石11熔融氧化锆12刚玉13碳化硅14碳化硼15金刚石陶瓷材料的力学性能布氏硬度F=30~3000kgFDd布氏硬度单位：N/m2一般用于较软的金属材料陶瓷材料的力学性能洛氏硬度(劳氏硬度)硬度测试规程F120°h规程基准载荷试验载荷硬度表达式HRNKgACD90.07N(10kg)588.41471980.

5、760150100HR=100-h/215N30N45N29.42N(3kg)147.1294.2411.3153045HR=100-h陶瓷材料：HRA、HRC、HR45陶瓷材料的力学性能维氏硬度（常用方法）d136°FHV：维氏硬度（MPa、GPa）F：载荷（N）d：压痕对角线长度（mm）试验中一般载荷为：1～50kg陶瓷材料的力学性能努普硬度dHK：努普硬度（MPa、GPa）F：载荷（N）d：压痕对角线长度（mm）试验中一般载荷为：0.2～4kg陶瓷材料的力学性能显微硬度在微观下测量材料的硬度维氏显微硬度努普显微硬度原理和公式同上试验在专门的显微硬度计上进行载荷50～100g可用于用于材

6、料组织中的不同相及不同晶粒的硬度测定陶瓷材料的力学性能高温硬度高温下测量维氏硬度、显微硬度应该注意的几个问题硬度是表征材料变形抗力的一个参数用不同方法测量的硬度值彼此没确定的换算关系材料研究中，不同形式的硬度无可比性陶瓷材料的力学性能陶瓷材料的强度材料的强度σf：断裂强度σb：强度极限σs、σ0.2：屈服强度塑性材料：σb：强度极限σs：屈服强度陶瓷材料(脆性材料)：只有一个断裂强度σσfσbσ0.2σbσs0.2ε陶瓷材料的力学性能理论断裂强度与Griffith理论理论强度理论强度取决于原子间的结合力σa0aa0+r0σtha0：原子间距；r0：原子间距增加量r0≈0.14a0σth≈（0

7、.1～0.2）E材料E/GPaσth/GPaSiO27316Al2O346046Si18832金刚石1210205陶瓷材料的力学性能Grifiith理论实际材料的强度<<理论强度（两个数量级）认为：微裂纹的扩展——材料整体断裂应力做功——裂纹扩展应力的功=新生表面的表面能同时考虑裂纹几何形状的影响得到：σσ2c几何形状因子泊松比表面能陶瓷材料的力学性能弯曲强度试样：尺寸LT×b×h=(36~40)×4×3mm