陶瓷材料的力学性能PPT 60页PPT文档课件.ppt

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1、11.1陶瓷材料的弹性性能11.2陶瓷材料的强度及其影响因素11.3陶瓷材料的断裂韧性与热抗震性第十一章陶瓷材料的力学性能http://www.docin.com/sundae_meng陶瓷材料的化学键大都为离子键和共价键，键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、耐蚀性及耐热性比金属优越，但塑性、韧性、可加工性、抗热震性及使用可靠性却不如金属。因此了解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、设计都是十分重要的。11.1陶瓷材料的弹性性能

2、11.1.1陶瓷材料的弹性模量11.1.2弹性模量的影响因素11.1.3复合材料的弹性模量11.1.4单晶体陶瓷弹性模量的各向异性11.1.1陶瓷材料的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外力的作用下原子间距由平衡位产生了很小位移的结果。这个原子间微小的位移所允许的临界值很小，超过此值，就会产生键的断裂（室温下的陶瓷）或产生原子面滑移塑性变形（高温下的陶

3、瓷）。弹性模量反映的是原子间距的微小变化所需外力的大小。弹性模量的重要因素是原子间结合力，即化学键。表11.1给出一些陶瓷在室温下的弹性模量。11.1.2弹性模量的影响因素1温度对弹性的影响2弹性模量与熔点的关系3弹性模量与材料致密度的关系1温度对弹性的影响由于原子间距及结合力随温度的变化而变化，所以弹性模量对温度变化很敏感。当温度升高时，原子间距增大，由d0变为dt(如图11-1),而dt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11－2给出一些陶瓷的弹性模量随温度的变化情况，一

4、般来说，热膨胀系数小的物质，往往具有较高的弹性模量。图11.1原子结合力示意图图11.2温度对弹性模量的影响2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。例如，在300K下，弹性模量E与熔点Tm之间满足如下关系（11－1）式中，Va为原子体积或分子体积。图11－3为由Frost与Ashby总结出的E与kTm/Va之间的关系图，可以看出，它们符合良好的线性关系。不同种类的陶瓷材料弹性模量之间大体上有如下关系：氧化物<氮化物≈硼化物<碳化物。图11.3弹性模量与kTm/V

5、a之间的关系3弹性模量与材料致密度的关系陶瓷材料的致密度对弹性模量影响很大，弹性模量E与气孔率p之间满足下面关系式（11－2）式中，E0为气孔率为0时的弹性模量，f1及f2为由气孔形状决定的常数。Mackenzie求出当气孔为球形时，f1＝1.9，f2＝0.9。图13－4给出Al2O3陶瓷的弹性模量随气孔率的变化及某些理论计算的比较。图11.4气孔率对弹性模量的影响Frost指出，弹性模量与气孔率之间符合指数关系式中，B为常数。总之，随着气孔率的增加，陶瓷的弹性模量急剧下降。（11－3）11.1.3复合材料的弹性模量由于

6、弹性模量决定于原子间结合力，即与原子种类及化学键类型有关，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。但对于不同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。在二元系统中，总的弹性模量可以用混合定律来描述。图11－5给出两相层片相间的复合材料三明治结构模型图。图11.5三明治结构复合材料示意图Voigt模型假定两相应变相同即平行层面拉伸时，复合材料的模量为：式中，φ2为模量为E2的相的体积分数，E1为另一相的模量。对其他的模量（G，K），也可以写

7、出类似的关系式。在这种情况下，大部分作用应力由高模量相承担。（11－4）Reuss模型假定各相的应力相同，即垂于层面拉伸时，给出复合材料模量ET的表达式对其他模量同样也可以写出类似的关系式。符号EL和ET分别表示复合材料弹性模量的上限和下限值。Hashin和Shtrikma也曾确定出二相复合材料模量的上下限，而且比上述两个界限之间范围窄的多，且不包括关于相的几何形状的任何特殊假设。（11－5）图11－6复合材料弹性模量计算值与试验值的对比图11－6给出了Voigt及Reuss表达式的计算值与Hashin及Shtrikma

8、n的上下限值及其与WC－Co系统试验数据的比较。图中的数据是经归一化处理的，从中可看出，Hashin—Shtrikman界限比Voigt与Reuss表达式更符合试验数据。实际上用混合定律是不能准确描述复合材料的弹性模量的。其原因在于，等应力与等应变的假定是不完全合理的。而实际复合材料是处在二者之间的状态，所以试验数据