第十三章-陶瓷材料的力学行为

第十三章陶瓷材料的力学行为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，对这些材料力学性能的研究报导也日益增多。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材料E/GPa材料E/GPa材料E/GPa金刚石1200W2C428NbC345WC717MoSi2380Be2C317TiB2648BeO352SiC485Al2O3510FeSi2345B4C455TiC490ZrC345ZrB2440表13-1典型陶瓷材料的弹性模量[165](2)气孔率对陶瓷材料弹性模量的影响)5.21()1(ppEEoeff(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。图13-1孔隙率对陶瓷材料弹性模量Eeff的影响[167](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σ-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。图13-2金属与陶瓷材料σ-e曲线的弹性部分。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δ和断面收缩率Ψ均近似为零。可以认为，陶瓷材料的抗拉强度σb,断裂强度σf和屈服强度在数值上是相等的。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。若按E/10估算陶瓷材料的理论强度（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])5.21()1(2/3ppof(13-2)式中σ0为无微孔洞材料的断裂强度。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]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]。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。图13-4因加工产生的表面伤痕与氮化铝AlN强度的关系[39]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分布[]。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tfbNK/tfbNKSS/(13-3)(13-4)式中.分别为弯曲强度和切口强度的平均值fbNSf、SbN分别为弯曲强度和切口强度的标准差。bNbN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。10-11001011021031040100200300400500Kt1.01.82.3σ/MPadσ/dt/MPas-1图13-7加载速率对陶瓷材料弯曲强度和切口强度的影响由此可见，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。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。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。图13-8Al2O3陶瓷具有给定存活率的循环疲劳寿命曲线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]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，即单位体积材料断裂前所吸收的功，可按下式计算，W=σf2/2E(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。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，即为形成新表面所需的表面能2γ。若已知表面能γ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=[2Eγ/（1-ν2）]1/2（13-7）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12-15MPa低者仅有2-3MPa[176]。mm13.6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。13.8结束语