陶瓷力学性能

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1、陶瓷的力学性能newmaker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

2、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

3、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(

4、-BP)式中B--常数。总之，随着气孔率的增加，陶瓷的弹性模量量急剧下降。5.复合材料的弹性模量由于弹性模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，则通过热处理等工艺来改变弹性模量是极为有限的--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含量不同而改变。实际上混合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。当需要复合材料准确的弹性模量值时，可进行实际测量。图11.6和图11.7给出Al2O3+SiCw、ZrO2(Y2O3)

5、+SiCw、及Al2O3＋ZrO2(Y2O3)＋SiCw等复合材料的弹性模最随第M相含量的变化情况。可以看出在其他性能允许的情况下，可以通过在一定范围内调整两相比例来获得所需的弹性模量值。二、硬度硬度是材料的重要力学性能参数之一，金属材料的硬度与强度之间有直接的对应关系。而陶瓷材料属脆性材料。测定硬度时，在压头压入区域会发生包括压缩剪断等复合破坏的伪塑性变形。因此，陶瓷材料的硬度很难与其强度直接对应起来。但硬度高、耐磨性好是陶瓷材料的主要优良特性之一。硬度与耐磨性有密切关系，加之在陶瓷材料的力学性能评价中，硬度测定是使用最普遍且数据获得比较容易的评价

6、方法之一，因而占有重要的地位。目前，用于测定陶瓷材料硬度的方法最常用的是维氏硬度。由于陶瓷为脆硬材料．因而多数情况下底痕的边缘产生破碎，同时在任痕角上沿对角线延长方向上产生裂纹、而压痕形状不如金属材料那样规则，给对角线的测量带来困难，所以在试样制备时，其测试表面最后应用金刚石研磨抛光成镜面。维氏硬度测定的同时．根据区痕角部产生裂纹的长度．通过计算可以估算出断裂韧性。因此，维氏硬度测试是一种简单经济、一举多得的方法。表11.5给出一些常用陶瓷的维氏硬度值。有时陶瓷材料也测量洛氏硬度值HR，洛氏硬度又分为HRA、HRC和HRD。1.高温硬度高温硬度测定大

7、都是采用维氏硬度法和显微硬度法。陶瓷材料的高温硬度测定。同其它高温性能测试相比，所用试样量少，且测定方法简便；另外，高温硬度与高温强度有一定对应性，同时通过长时间保持载荷可以显示其蠕变特性，所以高温使区是陶瓷材料使用较普遍的高温性能测试方法。通过高温维氏硬度虽然可以测试陶瓷的高温断裂韧性，但高温硬度对温度的敏感性比强度对温度的敏感性大，即随温度的提高硬度值比强度值下降得快，致使用此法测得的韧性与其他方法测得的结果有较大的差异，因此，用压痕法测高温裂韧性时．要对其计算公式加以修正。图11.8给出硬度随温度的变化曲线。2.硬度与其他性能之间的关系对于结构

8、陶瓷材料，维氏硬度HV与弹性模量E之间的关系如图11.9所示，大体上呈直线关系，其定量关系式为E/20HV。