陶瓷材料的力學性能.ppt

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1 第九章陶瓷材料的力學性能 9 1陶瓷材料 9 2陶瓷材料的力學性能 9 3陶瓷材料的斷裂韌度 9 4陶瓷材料的疲勞強度 9 5陶瓷材料的其他性能 2 9 1陶瓷材料 陶瓷 金屬 高分子材料并列為當代三大固體材料 之間的主要區(qū)別在于化學鍵不同 金屬 金屬鍵高分子 共價鍵 主價鍵 范德瓦爾鍵 次價鍵 陶瓷 離子鍵和共價鍵 普通陶瓷 天然粘土為原料 混料成形 燒結而成 工程陶瓷 高純 超細的人工合成材料 精確控制化學組成 如氮化硅 碳化硅 氧化鋁 氧化鋯 氮化硼 氧化鋯增韌陶瓷 ZTC 等 工程陶瓷的性能 耐高溫 耐磨 耐腐蝕 絕緣 抗蠕變性能好 硬度高 彈性模量高 塑性韌性比金屬差得多 對缺陷很敏感 強度可靠性差 3 陶瓷材料的結構和顯微組織1 結構特點陶瓷材料通常是金屬與非金屬元素組成的化合物 以離子鍵和共價鍵為主要結合鍵 可以通過改變晶體結構的晶型變化改變其性能 如 六方氮化硼為松散的絕緣材料 立方結構是超硬材料 2 顯微組織晶體相 玻璃相 氣相 夾雜 種類 數(shù)量 尺寸 形態(tài) 分布 晶界 晶粒結構均勻性對其力學性能有重要影響 可通過對陶瓷燒結體進行熱處理 來改善材料的力學性能 返回 4 9 2陶瓷材料的力學性能 一 陶瓷材料的彈性變形 塑性變形與斷裂1 彈性 1 彈性模量大E值大 是金屬材料的2倍以上 共價鍵結構有較高的抗晶格畸變 阻礙位錯運動的阻力 晶體結構復雜 滑移系很少 位錯運動困難 2 彈性模量呈方向性 壓縮模量高于拉伸彈性模量 結構不均勻性 缺陷 3 氣孔率 彈性模量 5 2 塑性變形 1 室溫下 絕大多數(shù)陶瓷材料塑性變形極小 2 1000 以上 大多數(shù)陶瓷材料可發(fā)生塑性變形 主滑移系運動 3 陶瓷的超塑性是微晶超塑性 晶界滑動 晶界液相流動 存在條件 超細等軸晶 第二相彌散分布 晶粒間存在液相或無定形相 如含化學共沉淀法制備的含Y2O3的ZrO2粉體 在1250 燒結后 3 5 10 2S 1應變速率 400 利用陶瓷的超塑性 可以對陶瓷進行超塑加工 超塑加工 擴散焊接 新的復合加工方法 6 3 斷裂以各種缺陷 表面或內(nèi)部 為裂紋源 從最薄弱處裂紋擴展 瞬時脆斷 缺陷的存在是概率性的 用韋伯分布函數(shù)表示材料斷裂的概率F 斷裂概率 m 韋伯模數(shù) 0 特征應力 該應力下斷裂概率為0 632 試樣內(nèi)部的應力及它們的最大值若兩種陶瓷材料的平均強度相同 在一定的斷裂應力下 m值大的材料比m值小的材料發(fā)生斷裂的幾率小 陶瓷的主要斷裂機制 解理 且容易從穿晶變?yōu)檠鼐嗔?7 二 陶瓷材料強度和硬度陶瓷的實際強度比其理論值小1 2個數(shù)量級 只有晶須 纖維的實際強度才比較接近理論值 1 彎曲強度可采用三點彎曲 四點彎曲方法測出 四點彎曲試樣工作部分缺陷存在的幾率較大 強度比三點彎曲的低 2 抗拉強度測試時 夾持部位易斷裂 可采用加橡膠墊 常用彎曲強度代之 高20 40 3 抗壓強度比抗拉強度高得多 10倍左右 4 硬度高HRA AT45N小負荷的維氏硬度或努氏硬度 返回 8 9 3陶瓷材料的斷裂韌度 工程陶瓷的KIC比金屬的低1 2個數(shù)量級 測定方法 參見下頁圖 單邊切口法 山形切口法 壓痕法 雙扭法 雙懸臂梁法 KIC值受切口寬度的影響 金屬材料 KIC 陶瓷材料 尖端塑性區(qū)很小 KIC 9 10 陶瓷材料的增韌 1 改善組織 細密 純 勻 減少應力集中 2 相變增韌 外力作用誘發(fā)相變 并伴有體積膨脹 消耗外加能量 使材料增韌 但相變增韌受溫度限制 800 以下 3 微裂紋增韌 當主裂紋遇到微裂紋時 發(fā)生分叉轉向前進 增加擴展過程中的表面能 并松弛主裂紋尖端的應力集中 減慢裂紋擴展速度 返回 11 9 4陶瓷材料的疲勞強度 陶瓷不僅在循環(huán)載荷作用下存在機械疲勞 其含義也比金屬要廣 一是靜載 隨時間 承載能力 二是恒載 斷裂對應于加載速率敏感性 研究陶瓷疲勞對擴大其應用具有重要意義 一 疲勞類型 靜態(tài)疲勞 動態(tài)疲勞 循環(huán)疲勞 12 1 靜態(tài)疲勞靜載下 隨時間延長 材料承載能力下降所產(chǎn)生的斷裂 對應于金屬材料的應力腐蝕和高溫蠕變斷裂 溫度 應力 環(huán)境介質(zhì) 分成的四個區(qū) 圖10 11 孕育區(qū) 低于應力強度因子門檻值 低速區(qū)da dt隨K 而 中速區(qū)da dt僅與環(huán)境介質(zhì)有關 與K無關 高速區(qū)da dt隨K 而呈指數(shù)關系 13 2 動態(tài)疲勞類似于金屬材料應力腐蝕研究中的慢應變速率拉伸 3 循環(huán)疲勞疲勞破壞以慢速龜裂擴展的方式發(fā)生 研究表明 循環(huán)載荷同樣可對陶瓷材料造成損傷 這種損傷是由裂紋尖端的微裂紋 馬氏體相變 蠕變 以及沿晶和界面滑動等因素所引起的 4 熱疲勞 屬低周疲勞 金屬的疲勞壽命通常用循環(huán)周次表示 陶瓷材料的疲勞壽命則用斷裂時間表示 14 二 疲勞特性評價疲勞裂紋擴展速率和應力強度因子之間的關系同樣符合Paris公式 da dN C K nc n 材料試驗常數(shù)金屬 n為2 4 陶瓷 一般n 10 返回 15 9 5陶瓷材料的其他性能 1 耐磨性 陶瓷是耐磨材料的一個發(fā)展方向 其耐磨性也遠高于金屬 而且在高溫 腐蝕環(huán)境下更顯示出其獨特的優(yōu)越性 最重要的耐磨陶瓷材料是氧化鋁 氧化鋯和氮化硅陶瓷等 1 減摩性與耐磨性 2 抗磨性 16 2 抗熱震性 熱沖擊 材料承受溫度驟變而不破壞的能力 在各種熱環(huán)境下引起的熱應力 以及與之相應的應力強度因子是熱震破壞的原因 由熱震引起的瞬時斷裂 即熱振斷裂 1 抗熱震斷裂參數(shù)R急劇加熱和冷卻緩慢加熱和冷卻均與熱導率 熱膨脹系數(shù) 有關 f斷裂強度 熱震斷裂的臨界熱應力 通過彎曲試驗測定 17 2 抗熱震損傷熱沖擊循環(huán)下 材料經(jīng)開裂 裂紋擴展 終致材料強度降低而破壞 熱振損傷 氣孔可鈍化裂紋尖端 減小應力集中 降低熱導率 抗熱震損傷 多孔陶瓷優(yōu)于致密性高的陶瓷 反復加熱冷卻產(chǎn)生的彈性應變能是陶瓷材料熱震損傷的動力 裂紋擴展的動力 提高抗熱震斷裂抗力 要求 高 E低 大 小 因為在熱震斷裂情況下 低的材料裂紋易于擴展 提高熱震損傷抗力 要求E高 低 斷裂表面能低的材料 在熱震損傷情況下 高的材料裂紋易于擴展 反復的加熱 冷卻 裂紋擴展 強度急劇下降 機件局部有可能發(fā)生剝落或崩裂 這就是熱震損傷過程