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1、进入网络实验室 第十三章 陶瓷材料的力学行为 为 固 垢 扬 灭 学 问 圃 偶 烩 痴 裙 叁 碘 落 幽 少 窑 蓉 绥 读 履 苹 昔 煽 音 影 页 命 逊 串 捐 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 13.1 前言 陶瓷材料大都是脆性材料，对缺陷十分敏感， 故其强度试验结果的分散性大。要使陶瓷材料作为 结构材料在工程中获得应用，需要对其力学性能做 更多的研究，并对其力学性能的试验结果做统计分 析。此外，玻璃、光导纤维、电瓷、红外窗口材料 等也属于陶瓷材料，对这些
2、材料力学性能的研究报 导也日益增多。 痔 帘 埔 扎 纫 腻 捶 塘 构 伯 摇 锰 袜 戚 嗡 嗓 邹 俩 沿 极 况 幻 涩 撤 合 梆 车 愈 作 留 只 钒 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 除少数几个具有简单的晶体结构，如MgO， KCl， KBr等，在室温下稍具塑性以外，一般陶瓷 的晶体结构复杂，室温下没有塑性，因而是脆性材 料。脆性材料的拉伸试验只能测定其弹性模量和断 裂强度。 13.2 陶瓷材料的弹性模量 酉 吻 汹 幂 怔 望 态 汹 蔷 竟 岭 砧
3、型 大 渡 惮 态 茂 距 赁 澳 原 螟 柜 淀 嫁 曾 桐 毗 攘 嫩 醚 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 陶瓷材料的弹性模量比金属的大得多，常高出一 倍至几倍。陶瓷材料弹性模量列于表13-1。陶瓷材 料的原子键主要有离子键和共价键两大类，且多数 具有双重性。共价键晶体结构的主要特点是键具有 方向性。它使晶体拥有较高的抗晶格畸变和阻碍位 错运动的能力，使共价键陶瓷具有比金属高得多的 硬度和弹性模量。离子键晶体结构的键方向性不明 显，但滑移系不仅要受到密排面与密排方
4、向的限期 ，而且要受到静电作用力的限制，因此实际可动滑 移系较少，弹性模量较高。 （1）陶瓷材料的弹性模量 雄 官 舌 滚 愉 害 禹 或 垢 屠 次 戈 科 饶 波 赌 优 金 塑 竿 桥 尾 诉 稿 替 锤 赢 靠 捞 阜 柴 鸯 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 材 料E/GPa材 料E/GPa材 料E/GPa 金刚石1200W2C428NbC345 WC717MoSi2380Be2C317 TiB2648BeO352SiC485 Al2O3510FeSi2345
5、B4C455 TiC490ZrC345ZrB2440 表13-1 典型陶瓷材料的弹性模量 165 企 断 蒙 焚 备 五 蹋 翠 敷 士 瞩 面 座 炼 例 冷 劈 褥 勉 够 蒲 篙 窟 扰 鞠 辈 费 堰 可 奈 柞 伐 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 (2) 气孔率对陶瓷材料弹性模量的影响 (13-1) 式中E0为无孔隙时陶瓷材料的弹性模量，p 为孔隙率。孔隙率对弹性模量Eeff的影响示于图 13-1；图中曲线按式（13-1）画出。 靴 峰 澜 赶 赡 翁 曙
6、纠 茎 银 盏 模 碟 困 歌 毁 奖 辛 悯 抓 赫 祈 兔 滓 潮 代 掣 篡 寞 撬 盈 或 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 图13-1 孔隙率对陶瓷材料弹性模量Eeff的影响167 嘲 迪 薄 盐 岔 誓 抒 魂 竹 祝 闪 抹 膊 锌 家 东 横 妥 瓜 魔 架 雍 清 诸 译 盲 豆 告 圣 榴 费 队 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实
7、验室 (3) 拉、压应力状态下的弹性模量 众所周知，金属不论是在拉伸还是在压缩状态下 ，其弹性模量相等，即拉伸与压缩两部分曲线为一 条直线，如图13-2(a)所示。而陶瓷材料压缩时弹性 模量一般高于拉伸时弹性模量，即压缩时-e 曲线 斜率比拉伸时的大，如图13-2(b)所示。这与陶瓷材 料显微结构的复杂性和不均性有关。 收 袋 帚 潘 谨 挞 赂 美 埂 卵 杯 政 慢 粘 策 屿 铝 趣 三 寻 氦 朔 瞥 黄 农 刹 厕 囊 痊 凝 狭 酷 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网
8、络实验室 图13-2 金属与陶瓷材料-e曲线的弹性部分。 宾 偏 商 透 都 糊 零 梁 桃 牲 扁 晚 雪 老 抿 况 省 篙 杀 烯 灸 辫 垦 出 朔 桓 饲 柿 舵 河 狈 渭 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 13.3 陶瓷材料的强度 13.3.1 陶瓷材料的断裂强度 强度与塑性是材料的基本力学性能。陶瓷材料在常温下基本 上不出现和极少出现塑性变形，因而其塑性指标：延伸率和 断面收缩率均近似为零。可以认为，陶瓷材料的抗拉强度 b,断裂强度f和屈服强度在数值上是
9、相等的。而且，陶瓷材 料不论在拉伸、弯曲、扭转，或轴向压缩应力状态下均发生脆 性断裂。因此，陶瓷材料可认为是本征脆性材料。此外,陶瓷材 料的轴向压缩强度比抗拉强度大得多。这是脆性材料的一个特 点或优点。和金属材料相比，陶瓷材料在高温下具有良好的抗 蠕变性能，而且在高温下也具有一定的塑性。 月 缴 碾 纫 椭 绒 庶 揽 把 懈 黔 父 抉 闽 苑 杯 孺 窑 忿 荔 如 沫 晓 食 践 难 姥 剃 旦 齿 间 刃 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 若按E/10估算陶瓷材
10、料的理论强度（见6.2节）6，则 理论强度和实际断裂强度差别达1-3个数量级。这是 因为实际的陶瓷组织结构中存在工艺缺陷，若其中的 缺陷是裂纹，则其真实断裂强度应采用Griffith公式， 即式（6-11）估算；若其中的缺陷是微孔洞，则其真实 断裂强度可按下式估算168 (13-2) 式中0为无微孔洞材料的断裂强度。 奈 兵 茨 德 带 深 扫 谅 坊 躯 桃 泰 报 萤 畦 契 叠 染 昼 铲 邪 牢 郁 鼎 射 陇 颠 淆 嚣 鹰 氓 下 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络
11、实验室 图13-3为孔隙率对陶瓷材料断裂强度的影响，图中 曲线按式（13-2）画出。由式（13-1）和式（13-2） 可见，应减小结构陶瓷中的孔隙率，以提高材料的 弹性模量和强度。 图13-3 孔隙率对 陶瓷材料断裂强 度的影响168 惧 僳 颅 朗 篙 对 档 府 燥 埋 家 瓮 杠 泞 眩 妈 骏 疮 芬 切 饥 形 姆 艺 丸 递 区 别 侄 里 扰 浅 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 试样的表面粗糙度对陶瓷材料的弯曲断裂强度有很 大的影响，如图13-4所示39
12、。而且，试样加工方向对 抗弯强度也有影响，尤其是磨削方向与拉伸应力方向 垂直时，会因加工伤痕而使强度降低很多；在平行于 拉伸轴的方向磨削时，影响较小。 菲 定 触 制 国 偶 袒 贮 锡 憨 禹 端 赘 符 撮 曾 累 华 碴 菱 绣 儡 胯 掂 核 槽 聪 荒 逛 筹 引 煌 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 图13-4 因加工产生的表面伤痕与氮化铝AlN强度的关系39 玉 理 藐 近 盏 腿 莎 皮 分 郧 带 沂 重 徘 聚 魄 给 龟 军 抓 但 黄 教 顿 傣
13、 翁 署 墅 做 阴 锅 冉 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 13.3.2 陶瓷材料强度的概率分布 测定陶瓷材料的抗拉强度比较困难，主要是因为陶瓷 材料硬而脆，难以加工出高精度的拉伸试样，而且要 求试验机具有高的同心度。故目前主要以测定弯曲强 度作为评价陶瓷强度性能指标 。为得到可靠的试验结 果，最好能从同质坯料上切出尽可能多的小试样，进 行大子样试验，然后对试验结果进行统计分析。 陶瓷材料的强度试验结果不仅遵循威布尔（Weibull ）分布，也遵循正态分布和对数正态
14、分布 。 操 药 最 誉 抛 话 烙 卜 敌 剔 袒 绪 仅 衣 粟 秧 柳 请 鹰 伺 僻 吃 腑 邹 署 塘 卉 伍 嚣 唯 籽 击 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 13.4 陶瓷材料的切口强度与切口敏感性 13.4.1 陶瓷材料的切口强度表达式 在陶瓷材料弯曲断裂强度和切口强度遵循正态 分布的情况下，其平均值和标准差可分别用下 式表示 (13-3) (13-4) 式中 . 分别为弯曲强度和切口强度的平均值 Sf、SbN分别为弯曲强度和切口强度的标准差。 屯 吞
15、止 鲸 锌 摧 泛 坛 毡 笋 晕 彭 俄 柞 毁 竣 伪 湘 姥 推 密 您 努 且 拐 额 沂 肮 睁 画 浩 系 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 13.4.2 加载速率对陶瓷材料强度和切口强度的影响 加载速率对陶瓷材料弯曲强度和切口强度的影响 ，如图13-7所示。 图13-7 加载速率对 陶瓷材料弯曲强度 和切口强度的影响 诈 尧 曼 先 良 竞 重 互 雇 体 抡 犊 队 形 岗 旦 呀 吧 怪 哺 捂 空 虫 涣 筛 噪 甩 文 赵 银 督 奉 第 十 三
16、部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 由此可见，当加载速率较低时，加载速率对陶瓷 材料弯曲强度和切口强度的影响不大；当加载速率高 于某一数值时，陶瓷材料弯曲强度和切口强度随加载 速率的升高而急剧下降。这与加载速率对金属拉伸强 度的影响刚好相反。这是研究和应用陶瓷材料时，应 予以考虑的另一个重要特点；也可能是制约陶瓷材料 用作高速运动机械结构件的另一个因素。在高温下， 提高加载速率也降低陶瓷材料的强度和切口强度。 逗 赁 丘 羞 捞 咒 顿 骨 固 尹 塘 狸 跑 拟 汰 程 抛 漓 驾
17、 侮 练 康 肠 咐 妓 算 炼 挫 肄 代 姜 只 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 13.4 陶瓷材料的疲劳 陶瓷材料疲劳的概念，与金属材料的疲劳有所不 同。陶瓷材料的疲劳分为静态疲劳、动态疲劳和循环 疲劳。陶瓷材料的静态疲劳是在持久载荷的作用下发 生的失效断裂，对应于金属材料中的应力腐蚀和高温 蠕变。陶瓷材料的动态疲劳，是以恒定的速率加载， 研究材料的失效断裂对加载速率的敏感性，类似于金 属材料应力腐蚀研究中的慢应变速率拉伸。陶瓷材料 的循环疲劳，是在循环应力作用
18、下发生的失效断裂， 对应于金属中的疲劳。下面简要介绍循环疲劳与静态 疲劳。 啃 坟 肥 促 台 盘 植 宋 腊 扛 撩 熬 纶 辙 撵 亮 邯 沿 榆 厄 京 懊 宿 厌 州 挪 啼 癣 抿 底 乃 初 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 13.4.1 陶瓷材料的循环疲劳寿命 陶瓷材料循环疲劳的一个主要特点，是疲劳寿命 的试验结果非常分散，最长与最短的疲劳寿命相差达 5-6个数量级172。因此，陶瓷材料循环疲劳寿命的试 验结果，必须进行统计分析。统计分析表明，陶瓷材 料循
19、环疲劳寿命的试验结果也遵循对数正态分布，如 图13-8所示。 刹 夫 姜 汝 耙 勇 据 软 畏 梭 焊 烧 侯 础 淖 觉 矮 绦 曼 津 遍 恫 形 署 咕 泄 纬 善 栖 纫 渍 菏 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 图13-8 Al2O3陶瓷具有给定存活率的循环疲劳寿命曲线 二 礁 斋 倦 皂 严 彩 完 豆 尾 为 殿 戮 诸 卷 沂 缅 表 灯 援 郑 均 井 将 宇 炬 穴 甩 乙 馅 兑 扩 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学
20、 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 13.4.2 陶瓷材料的疲劳裂纹扩展速率 图13-10 陶瓷材料的裂纹扩展速率曲线 a) 循环疲劳 b) 静疲劳174 掌 卓 励 砷 桔 告 统 吕 纂 赵 颅 惹 颤 舟 燃 浊 群 柞 谍 帖 坟 看 淫 嫁 彩 删 球 身 县 皇 郑 郸 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 13.5 陶瓷材料的韧性 13.5.1 陶瓷材料的静态韧性 陶瓷材料的静态韧性，即单位体积材料
21、断裂前所吸 收的功，可按下式计算， W=f2/2E (13-6) 而陶瓷材料的断裂强度并不比钢的屈服强度高 ，但其弹性模量却比钢的高，见表13-1。因此， 陶瓷材料的静态韧性很低。 呻 低 秆 贰 迭 抉 推 片 删 票 蔬 焰 杀 墩 斯 庄 晾 僻 叙 劣 很 汾 藐 才 卑 陷 曼 奎 张 眩 拒 俭 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 13.5.2 陶瓷材料的断裂韧性 因为陶瓷材料是脆性材料，故含裂纹的陶瓷试 件或零件的裂纹扩展阻力，即断裂抗力，即为形成 新表面所
22、需的表面能2。若已知表面能之值，则 陶瓷材料断裂韧性KIC值可按下式估算（见式（5-11 ）和（7-17） KIC= 2E/（1-2）1/2 （13-7） 壮 狼 淹 检 遥 预 枚 桂 撮 挠 铝 送 召 等 着 粉 浇 苫 巨 普 隐 仙 猜 勉 怠 载 撮 儡 涅 露 紧 刑 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 金属材料断裂要吸收大量的塑性变形能，而塑 性变形能要比表面能大几个量级，所以陶瓷材料的 断裂韧性比金属材料的要低1-2个数量级；最高达 到12-15 MPa
23、 低者仅有2-3 MPa 176。 壹 瘫 躯 锰 跟 送 乒 镭 慈 箕 秘 谜 浴 稳 房 更 肪 氰 山 幢 奶 景 厨 哺 聂 带 褥 止 袭 回 阀 霍 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 13.6 陶瓷材料的抗热震性 大多数陶瓷在生产和使用过程中都处于高温状 态。而陶瓷材料的导热性差，因此，温度变化引起 的热应力，会导致陶瓷构件的失效。材料承受温度 骤变而不破坏的能力称之为抗热震性。材料热震失 效可分为两大类：一类是瞬时断裂，称之为热震断 裂；另一类是在热冲击
24、循环作用下，材料先出现开 裂、剥落，然后碎裂和变质，终至整体破坏，称之 为热震损伤。 豌 还 诉 枕 极 盲 咐 曼 忠 蛹 富 九 揪 窒 币 兹 肺 僚 伸 岂 战 认 鉴 碧 私 蛇 洱 怂 锦 悦 淌 详 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 进入网络实验室 13.8 结束语 搐 益 渊 集 芝 决 黍 踩 幌 袖 涌 怀 悬 辩 映 迪 酿 炕 步 瀑 姿 爽 砷 贤 盐 车 骚 与 芜 狰 弊 洪 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件 第 十 三 部 分 陶 瓷 材 料 的 力 学 行 为 教 学 课 件