第十章陶瓷材料的力学性能资料重点
陶瓷材料的力学性能
第三节、陶瓷材料的强度
一、抗弯强度
弯曲试验室评定工程陶瓷材料强度的 主要试验方法，可以采用三点弯曲或
者四点弯曲试验方法。
二、抗弯强度
• 设计陶瓷零件时常用其拉伸强度值作为判据。 为了保证正确进行陶瓷材料的拉伸试验，可以 在平行夹头中加橡胶垫固定薄片状式样，可防 止试样在夹持部位断裂，并利用试样的弹性变 形减少附加弯矩。
• 陶瓷材料的摩擦学特性，与对磨件的材料种类 和性能、摩擦条件、环境，以及陶瓷材料自身 的性能和表面状态等诸多因素有关，需要系统 地进行研究。
温度对陶瓷摩擦因数有重要的影响。 如下图所示
• 陶瓷材料在滑动摩擦条件下的磨损过程不同于 金属材料，其磨损机理主要是以微断裂方式导 致的磨粒磨损。有上图可知横向裂纹的形成， 并扩展至表面或与其他裂纹相交，即导致陶瓷 材料碎裂、剥落和流失。由于陶瓷料对环境介 质和气氛极为敏感，因此在特定条件下还可能 形成摩擦化学磨损。这是由于陶瓷材料特有的 磨损机理。这种磨损涉及表面、材料结构，热 力学与化学共同作用的摩擦化学问题。
比金属低1-2个数量级。
2、山形切口法
• 山形切口法中切口剩余部分为三角形，其顶点 处存在应力集中现象，易在较低载荷下产生裂 纹，所以不需要预制裂纹。当试验参数合适时， 这种方法能产生裂纹稳定扩展，直至断裂。切 口宽度对KIC值影响较小，测定值误差也较小， 也适用于高温和在各种介质中测定KIC值，但 是测试试样加工较困难，且需要专用的夹具。
第六节、陶瓷材料的疲劳
• 一、陶瓷材料的疲劳类型 • 陶瓷的疲劳包括循环疲劳、静态疲劳和动态疲
劳。 • （一）静态疲劳 • 这是在静载荷作用下，材料的承载能力随时间
延长而下降产生的断裂，对应于金属材料中的 应力腐蚀和高温蠕变断裂，包括四个区域 KI<Kth区、低速区、中速区、高速区
陶瓷材料的力学性能特点
陶瓷材料的力学性能特点
陶瓷材料是一类使用广泛的非金属材料，具有许多独特的力学性能特点。
相较于金属材料，陶瓷材料的硬度更高、耐磨性更好，但同时也具有脆性大、抗张强度低等特点，这使得陶瓷材料在工程应用中具有独特的优势和局限性。
强度和硬度
陶瓷材料的强度主要是指其破坏前的抗压、抗弯等性能。
一般而言，陶瓷材料的强度很高，具有很好的抗压性能，可以承受较大的外部压力。
而陶瓷材料的硬度通常也比较高，能够抵抗表面的划伤和磨损。
脆性
然而，陶瓷材料的脆性也是其在工程应用中需要考虑的重要问题。
陶瓷材料的断裂韧性很差，一旦受到较大冲击或弯曲力，则容易发生破裂。
这种脆性特点使得在设计和制造过程中需要特别小心处理，避免在使用过程中出现意外的破损情况。
热稳定性
另外，陶瓷材料还具有较好的耐高温性能，能够在高温下保持稳定的物理性质和力学性能。
这种热稳定性使得陶瓷材料在高温环境下有广泛的应用，比如航空航天领域的热屏障涂层、高温陶瓷窑炉等。
导热性和电绝缘性
陶瓷材料通常具有较高的绝缘性能，能够有效地阻止热量和电流的传导。
这使得陶瓷材料在电子元器件、绝缘材料等领域有着重要的应用。
同时，某些陶瓷材料也具有较好的导热性能，可用于制造散热元件等产品。
总的来说，陶瓷材料作为一类特殊的非金属材料，具有独特的力学性能特点。
在工程应用中，我们需要充分了解和利用陶瓷材料的各项性能，同时也要注意其脆性等缺点，以确保其在各个领域中都能发挥最佳的作用。
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陶瓷材料力学性能
第六节 陶瓷材料的疲劳
• 一、陶瓷材料的疲劳类型
• 陶瓷材料的疲劳，除在循环载荷作用下存 在机械疲劳效应外，其含义要比金属材料 的要广。
• 静态疲劳：在静载荷作用下，陶瓷承载能 力随着时间延长而下降的断裂现象；
• 动态疲劳：恒加载速率下，陶瓷承载能力 随着时间延长而下降的断裂现象。
1.静态疲劳
• 应力腐蚀定义：材料 在拉应力和特定的化 学介质共同作用下， 经过一段时间后所产 生的低应力断裂现象。
陶瓷材料的增韧
• 改善陶瓷显微结构
变相增韧
• 这是ZrO2陶瓷的典型增韧机理，通过四方相转变 成单斜相来实现。
• ZrO2陶瓷有三种晶型，从高温冷至室温时将发生 如下转变：
例如： • 热压烧结含钇的四方氧化锆多晶体，KIC值可达15.3MPa·m1/2； • 氧化锆增韧氧化铝陶瓷，KIC值可达15MPa·m1/2； • 热压烧结Si3N4，其中ZrO2的含量为20-25vol%时，KIC值可提高到
• 陶瓷材料的组成与结合键
负电性所体现的是一个原于吸住电子的能力，元素的负电性与其在 周期表中的位置有关，大约当负电性差∆X<0.4～0.5时，对形成固溶 体有利，当∆X增大时，则形成化合物的倾向增大。
• 陶瓷材料的显微结构
• 陶瓷材料由晶相、玻璃相和气孔组成。 • 如果玻璃相分布于主晶相界面，在高温下陶瓷材
抗压强度
第四节 陶瓷的硬度与耐磨度
陶瓷材料的硬度
陶瓷材料的耐磨性
• 1、陶瓷材料的表面接触特性 • 与金属相同，陶瓷表面也存在局部微凸起，
其外侧常有水蒸气或碳氢化合物形成的表 面层，而在内侧则可能有变形层，这是陶 瓷加工时形成的， • 陶瓷表面加工时还可能产生微裂纹或其它 缺陷，所以陶瓷的表面状况影响其摩擦磨 损行为。 • 陶瓷材料的摩擦副接触受载时，真实接触 面积上的局部应力一般引起弹性变形。
陶瓷的力学性能包括哪些内容
陶瓷的力学性能包括哪些内容
陶瓷作为一种常见材料，在工程领域中有着广泛的应用。
其独特的力学性能是其被广泛使用的重要原因之一。
陶瓷的力学性能主要包括硬度、抗弯强度、抗压强度、韧性等几个方面。
硬度
陶瓷通常具有较高的硬度，这使得陶瓷在抗磨损方面表现突出。
陶瓷的硬度主要取决于其晶体结构和化学成分。
硬度高意味着陶瓷在磨擦和表面损耗方面有着良好的表现，使其在耐磨领域得到广泛应用。
抗弯强度
陶瓷的抗弯强度是指陶瓷在受到弯曲载荷时抵抗变形和破坏的能力。
由于陶瓷在工程上通常用于承受一定的弯曲应力，其抗弯强度是评估其在这种情况下表现的重要参数。
抗压强度
陶瓷的抗压强度是指陶瓷在受到压缩载荷时抵抗破坏的能力。
在一些工程应用中，陶瓷可能需要承受来自各个方向的压力，因此抗压强度是评估陶瓷材料综合承载能力的重要指标之一。
韧性
尽管陶瓷通常以其高硬度和脆性著称，但某些陶瓷材料也具有一定的韧性。
韧性是指材料抵抗断裂的能力，而不是材料硬度。
在一些需要承受冲击或振动载荷的工程应用中，具有一定韧性的陶瓷材料表现出色。
综上所述，陶瓷的力学性能主要包括硬度、抗弯强度、抗压强度和韧性等方面。
根据不同的工程需求，选择合适的陶瓷材料可以充分发挥其优异的力学性能，实现更广泛的应用。
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陶瓷材料的制备及其力学性能研究
陶瓷材料的制备及其力学性能研究陶瓷是一种由非金属原料制成的硬质、脆性材料。
因其无毒、不易被腐蚀、耐高温、耐磨损、绝缘性能良好等优点，在工业、建筑、医疗等领域得到了广泛的应用。
本文将围绕陶瓷材料的制备方法和力学性能展开讨论。
一、陶瓷材料的制备方法1.干压成型法干压成型法是制备陶瓷材料最常用的方法之一。
该方法将陶瓷粉末直接放入模具中，通过定量的挤压和挤出，使粉末颗粒之间紧密结合。
该方法制备出的陶瓷材料具有密度高、强度大、尺寸精度高等特点。
2.注塑成型法注塑成型法是利用热塑性陶瓷通过熔融和挤出等工艺制备陶瓷材料的方法。
该方法制备出的陶瓷材料具有形状复杂度高、密度均匀、表面平滑等特点。
3.热压成型法热压成型法是利用热塑性陶瓷在高温高压下形成致密结构的方法。
该方法制备出的陶瓷材料具有密度高、强度大、结晶度高等特点。
4.电化学制备法电化学制备法是将陶瓷粉末固定在阴极上，通过电化学反应使其在电极表面沉积。
该方法制备出的陶瓷材料具有颗粒尺寸小、表面平滑、致密度高、结晶度高等特点。
5.溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是利用半水溶性溶胶在介质中形成凝胶，然后通过热处理或还原等方法制备陶瓷材料的方法。
该方法制备出的陶瓷材料具有纯度高、微观组织均匀、形态规矩等特点。
二、陶瓷材料的力学性能研究1.弹性力学性能弹性力学性能是指材料受力时发生弹性变形的能力。
陶瓷材料的弹性力学性能主要包括弹性模量、泊松比和剪切模量等。
弹性模量越高，材料的抗弯强度和抗压强度则越高。
2.破裂力学性能破裂力学性能是指材料在引起断裂的力学条件下的性能。
陶瓷材料的破裂力学性能主要包括断裂韧性、破裂强度和断裂模式等。
断裂韧性越高，材料越能抵抗破裂的扩展。
3.硬度性能硬度性能是指材料抵抗局部接触形成刻痕的能力。
陶瓷材料的硬度主要包括维氏硬度和洛氏硬度等。
维氏硬度越高，材料越难被划伤或切割。
4.磨损性能磨损性能是指材料受摩擦时的磨损情况。
陶瓷材料的磨损性能主要包括磨损系数、磨损率和摩擦系数等。
陶瓷材料的化学性能和力学性能
陶瓷的组织结构十分稳定，不但在室温下不会氧化，即使在1000℃以上的高温卜也不会氧化.由于陶瓷具有稳定的化学结构，因而对酸、碱、盐类以及熔融的有色金属均有较强的抵抗能力，所以在工业中得到广泛应用。
陶瓷是多晶固体资料，它多是由离子键构成的离子晶体，也有由共价键组成的共价晶体，这类晶体布局具有显着的方向性。
联系健和晶体构造决议了陶瓷具有很高的抗压强度和硬度，而抗拉强度和剪切强度则于刻氏，陶瓷的朔性变形才能极差，很容易发作脆性断裂，其抗冲击才能很低，耐疲惫的性能也很差，这是陶瓷资料在工程应用中的最大缺点。
陶瓷材猜中很多气孔的存在，也是陶瓷出现脆性的因素。
陶瓷资料的组成相不同时，其弹性模量也不相同.各类陶瓷资料弹性模量由大到小的排列顺序为:碳化物、氮化物、硼化物、氧化物。
陶瓷的弹性模量一般比金属高。
陶瓷资料的硬度值取决其内部组成和结构。
陶瓷资料常用的划痕硬度叫傲莫氏硬度，是以资料间彼此刻划能否发生划痕来测定的，由此反映资料抵抗破坏的才能，它只表明各种资料硬度的相对巨细。
莫氏硬度分为15级，莫氏硬度按照硬度由小到大的顺序排列，硬度等级高的资料能够划破低硬度的资料表面陶瓷资料的熔点高，大多在2000℃以上，有的可达3000℃以上。
而且具有优秀的高温强度。
大都陶瓷的高温抗端变才能较强，陶瓷是常用的耐高温工程资料。
陶瓷资料线胀系数一般都比较小.不同的陶瓷资料，其导热功能相差悬殊，有的是良导热体，有的则是绝热资料.热导率极低的陶瓷资料具有热安稳性好、耐高温、耐热冲击、红外线透过率高等许多特性，因此，可用于特殊冶金、高温模具、航天航空等各工业领域。
陶瓷的组织布局十分安稳，不但在室温下不会氧化，即便在1000℃以上的高温卜也不会氧化.因为陶瓷具有安稳的化学布局，因而对酸、碱、盐类以及熔融的有色金属均有较强的抵抗才能，所以在工业中得到广泛应用。
水泥垫块 1v1。
陶瓷材料的力学性能
式中，p为气孔率，σ0为p＝0时的强度，α为 常数，其值在4－7之间，许多试验数据与此式接近 。
根据上式可推断出当p＝10％时，陶瓷的强度 就下降到无气孔时的一半。陶瓷的气孔率约为 3％，陶器的气孔率约为10％－15％。当材料成分 相同，气孔率的不同将引起强度的显著差异。
图11－8示出AL2O3陶瓷的弯曲强度与气孔率之 间的关系。可以看出，试验与理论值符合较好。
由上述可知，为了获得高强度，应制备接近理 论密度的无气孔陶瓷材料。
图8 Al2O3的强度与气孔率的关系
2 晶体尺寸对强度的影响
陶瓷材料的强度与晶粒尺寸的关系与金属有类 似的规律，也符合Hall－Petch关系式
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。
3 晶界相的性质于厚度、晶粒形状对强度的影 响
• 陶瓷材料的烧结大都要加入助烧剂，因此形成 一定量的低熔点晶界相而促进致密化。晶界相的成 分、性质及数量（厚度）对强度有显著影响。晶界 相最好能起裂纹过界扩展并松弛裂纹尖端应立场的 作用。
• 晶界玻璃相的存在对强度是不利的，所以应通 过热处理使其晶化。对单相多晶陶瓷材料，晶粒形 成最好为均匀的等轴晶粒，这样承载时变形均匀而 不易引起应力集中，从而使强度得到充分发挥。
综上所述，高强度单相多晶陶瓷的显 微组织应符合如下要求：
①晶粒尺寸小，晶体缺陷少； ②晶粒尺寸均匀、等轴，不易在晶界处引起应 力集中； ③晶界相含量适当，并尽量减少脆性玻璃相含 量，应能阻止晶内裂纹过界扩展，并能松弛裂纹 尖端应力集中； ④减小气孔率，使其尽量接近理论密度。
工程材料力学性能各章节复习知识点
⼯程材料⼒学性能各章节复习知识点⼯程材料⼒学性能各个章节主要复习知识点第⼀章弹性⽐功：⼜称弹性⽐能，应变⽐能，表⽰⾦属材料吸收弹性变形功的能⼒。
滞弹性：对材料在弹性范围内快速加载或卸载后随时间延长附加弹性应变的现象。
包申格效应：⾦属材料经预先加载产⽣少量塑性变形（残余应变为1%~4%），卸载后再同向加载，规定残余伸长应⼒（弹性极限或屈服极限）增加，反向加载，规定残余伸长应⼒降低的现象。
塑性：指⾦属材料断裂前发⽣塑性变形的能⼒。
脆性：材料在外⼒作⽤下（如拉伸，冲击等）仅产⽣很⼩的变形及断裂破坏的性质。
韧性：是⾦属材料断裂前洗⼿塑性变形功和断裂功的能⼒，也指材料抵抗裂纹扩展的能⼒。
应⼒、应变；真应⼒，真应变概念。
穿晶断裂和沿晶断裂：多晶体材料断裂时，裂纹扩展的路径可能不同，穿晶断裂穿过晶内；沿晶断裂沿晶界扩展。
拉伸断⼝形貌特征？①韧性断裂：断裂⾯⼀般平⾏于最⼤切应⼒并与主应⼒成45度⾓。
⽤⾁眼或放⼤镜观察时，断⼝呈纤维状，灰暗⾊。
纤维状是塑性变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成的，⽽灰暗⾊则是纤维断⼝便⾯对光反射能⼒很弱所致。
其断⼝宏观呈杯锥形，由纤维区、放射区、和剪切唇区三个区域组成。
②脆性断裂：断裂⾯⼀般与正应⼒垂直，断⼝平齐⽽光亮，常呈放射状或结晶状。
板状矩形拉伸试样断⼝呈⼈字形花样。
⼈字形花样的放射⽅向也与裂纹扩展⽅向平⾏，但其尖端指向裂纹源。
韧、脆性断裂区别？韧性断裂产⽣前会有明显的塑性变形，过程⽐较缓慢；脆性断裂则不会有明显的塑性变形产⽣，突然发⽣，难以发现征兆拉伸断⼝三要素？纤维区，放射区和剪切唇。
缺⼝试样静拉伸试验种类？轴向拉伸、偏斜拉伸材料失效有哪⼏种形式？磨损、腐蚀和断裂是材料的三种主要失效⽅式。
材料的形变强化规律是什么？层错能越低，n越⼤，形变强化增强效果越⼤退⽕态⾦属增强效果⽐冷加⼯态是好，且随⾦属强度等级降低⽽增加。
在某些合⾦中，增强效果随合⾦元素含量的增加⽽下降。
材料的晶粒变粗，增强效果提⾼。
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三、陶瓷材料的断裂
陶瓷材料的断裂过程都是以材料内部或表面存在的缺 陷为起点发生的，晶粒和气孔尺寸在决定陶瓷材料强 度与裂纹尺寸方面具有等效作用。
陶瓷材料断裂概率以最弱环节理论为基础，按韦伯分 布函数考虑，韦伯分布函数表示材料断裂概率的一般 公式为：
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第二节 陶瓷材料的变形与断裂
一、陶瓷材料的弹性变形
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陶瓷与金属相比，其弹性变形具有如下特点： 1）弹性模量大
共价键具有方向性，使晶体具有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的能力。
离子键晶体结构的键方向不明显，但滑移系受原子密排方向的限制，还受静电作 用力的限制，其实际可动滑移系较少。
另外，陶瓷为多元化合物，晶体结构复杂，点阵常数较金属晶体大，所以弹性模 量较高。
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2）弹性模量不仅与结合键有关，还与组成相的种类、分 布比例及气孔率有关。
3）一般陶瓷材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性模量。
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二、陶瓷材料的塑性变形
近年的研究表明陶瓷材料在高温下可显示出超塑性： （1）晶粒细小（尺寸小于一微米） （2）晶粒为等轴结构 （3）第二相弥散分布，能有效抑制高温下基体晶粒
生长 （4）晶粒间存在液相或无定形相
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典型的超塑性陶瓷材料：
是用化学沉淀方法制备出来的含有Y2O3的ZrO2粉体，成 型后于1250 ℃左右烧结，可获得理论密度98%左右的烧 结体。
这种陶瓷在1250℃、3.5×10-2s-1应变速率下，最大应变量 可达400%。
陶瓷的超塑性是微晶超塑性，与晶界滑动或晶界液相流 动有关，属于扩散控制过程。
功能陶瓷
指具有优异的物理性能、化学性能及生物学性能， 如电、光、磁、热、声、化学、生物医学，且各种 功能之间可以相互转换的陶瓷材料，
应用主要取决于电绝缘性、半导体性、导电性、压 电性、铁电性、磁性及生物适应性、化学吸附性等。
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工程陶瓷的定义：
采用高纯、超细的人工合成材料，精确控制 化学组成，经过特殊工艺加工而得到的结构 精细、力学性能和热学性质优良的陶瓷材料。
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四点弯曲试验的最大弯矩范围较宽，其应力状 态接近实际零件的服役状态，所以较为实用。
由于四点弯曲试样工作部分缺陷存在的概率较 大，所以同一材料的四点抗弯强度比三点抗弯 强度低。
材料的韦伯常数越小，三点抗弯强度和四点抗 弯强度的差值就越大。
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二、抗拉强度
设计陶瓷零件时常用抗拉强度值作为判据； 陶瓷材料由于脆性大，在拉伸试验时易在夹持部
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在金属、聚合物因腐蚀和软化而不能使用的服役条件 下，工程陶瓷就显示出了其性能的优越性。
航天飞机顶部、高温燃烧室内壁温度均大于1500℃， 近年来美国已经研制出可以承受2760℃的耐超高温陶 瓷材料，可用于新一代宇宙飞船及导弹上。
核电站需要耐2000℃高温的耐热材料，但目前高温耐 热合金的极限温度仅为1100℃，能胜任上述服役条件 的就只有高温结构陶瓷。
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结构陶瓷
主要利用的是材料的耐高温、强度、硬度、韧性、 耐磨性等结构性能，
主要包括氧化物、非氧化物以及其两者的复合系统， 如氧化铝、氧化锆、碳化物、氮化物等材料。
应用：磨料、磨具、刀具，纺织瓷件、轴承、喷嘴、 人工关节以及航天材料（宇宙飞船的外保护装置） 等各个领域。
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解理是陶瓷材料的主要断裂机理，且很容易 从穿晶解理转变成沿晶断裂。
陶瓷材料的断裂以各种缺陷为裂纹源，在一 定拉伸应力作用下，从最薄弱环节处的微小 裂纹扩展，当裂纹尺寸达到临界值时陶瓷瞬 间断裂。
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第三节 陶瓷材料的抗拉强度
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一、抗弯强度
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韦伯模数的确定，一般来说须做一组至少16条以上试样的 相同试验才具 有可信度。
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第一节 陶瓷材料的结构
一、陶瓷材料的组成与结合键
负电性所体现的是一个原于吸住电子的能力，元素的负电性与其在 周期表中的位置有关，大约当负电性差∆X<0.4～0.5时，对形成固溶 体有利，当∆X增大时，则形成化合物的倾向增大。
第十章 陶瓷材料的力学性能
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陶瓷广泛应用于我们的日常生活，如建筑材料、饮食 餐具等以及国家战略战备设施，如武器装备、航天领 域上。
传统的陶瓷制品以天然粘土为原料，通过混料、成型、 烧结而成，性能特点是强度低、脆性高。
目前研究的陶瓷可以分为结构陶瓷和功能陶瓷。
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二、陶瓷材料的显微结构
如果玻璃相分布于主晶相界面，在高温下陶 瓷材料的强度下降，易于产生塑性变形。
对陶瓷烧结体进行热处理，使晶界玻璃相重 结晶或进入晶相固溶体，可显著提高陶瓷材 料的高温强度。
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(a)
(b)
腐蚀后微晶陶瓷的SEM图像. (a) 850℃、1h+900℃、1h，w(CaF2)=9%, (b) 1h+900℃、1h，w(CaF2)=9%
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工程陶瓷的局限：
塑性、韧性值比金属低得多，对缺陷很敏感，强 度可靠性较差，常用韦伯模数来表征其强度的均 匀性。
韦伯模数：韦伯，德数学家
统计断裂力学中Weibull概率分布的一个参数。
在工程陶瓷上，韦伯模数多用于反映强度的离散性，用字 母m表示。
m值越高，离散性越小，但在寿命统计分析中也可用韦伯 分布，这时m反映寿命的离散性，与强度分析中的韦伯的 模数不完全一致。
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在发动机上使用高性能结构工程陶瓷材料，除具有优 良的耐磨损、耐腐蚀性能外，还可将发动机的耐温能 力从900℃提高到1200-1300℃，且无需冷却系统，可 使热效率从30%提高到50%，发动机重量减轻20%， 耗油量降低30%以上。
国内天津新技术产业园合润公司研制出了高性能碳化 硅陶瓷密封件，其使用寿命比一般密封件长5到20倍， 这对于替代进口、节约资源和保护环境等意义重大， 具有较大的经济价值与社会效益。