陶瓷材料的力学性能特点

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为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划陶瓷材料的力学性能特点　　陶瓷材料的力学性能　　高分子091项淼学号17　　陶瓷材料　　陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料　　之间的主要区别在于化学键不同。　　金属：金属键　　高分子：共价键+范德瓦尔键　　陶瓷：离子键和共价键。　　普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。　　工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。　　工程陶瓷的性能：　　耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。　　硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差。　　常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。　　一、陶瓷材料的结构和显微组织　　1、结构特点目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划陶瓷材料的力学性能特点　　陶瓷材料的力学性能　　高分子091项淼学号17　　陶瓷材料　　陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料　　之间的主要区别在于化学键不同。　　金属：金属键　　高分子：共价键+范德瓦尔键　　陶瓷：离子键和共价键。　　普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。　　工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。　　工程陶瓷的性能：　　耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。　　硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差。　　常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。　　一、陶瓷材料的结构和显微组织　　1、结构特点目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以离子键和共价键为主要结合键。可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。　　如“六方氮化硼为松散的绝缘材料；立方结构是超硬材料”　　2、显微组织　　晶体相，玻璃相，气相　　晶界、夹杂　　陶瓷的分类　　※玻璃—工业玻璃(光学，电工，仪表，实验室用)；建筑玻璃；日用玻璃　　※陶瓷—普通陶瓷--日用，建筑卫生，电器，化工，多孔……　　特种陶瓷--电容器，压电，磁性，电光，高温……　　金属陶瓷--结构陶瓷，工具，耐热，电工……　　※玻璃陶瓷—耐热耐蚀微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，无线电透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷…　　2.陶瓷的生产　　(1)原料制备　　普通陶瓷　　特种陶瓷　　(2)坯料的成形　　(3)烧成或烧结　　3.陶瓷的性能目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　(1)硬度是各类材料中最高的。　　(2)刚度是各类材料中最高的；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。　　。耐压，抗弯，不耐拉较高的高温强度。　　(4)塑性：在室温几乎没有塑性。　　(5)韧性差，脆性大。是陶瓷的最大缺点。　　(6)热膨胀性低。导热性差，多为较好的绝热材料　　(7)热稳定性—抗热振性急冷到水中不破裂所能承受的最高温度。陶瓷的抗热振性很低　　(8)化学稳定性：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀　　(9)导电性—大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体　　(10)其它：不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。　　普通陶瓷　　一.传统陶瓷　　原料—　　长石，石英，粘土，高龄土，绢云母，滑石，石灰。　　加入提高强度；加入提高强度和热稳定性；　　加入提高导热性。　　1.日用陶瓷目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　性能要求：白度，光洁度，热稳定性，机械强度，热稳定性　　用途：日用器皿，工艺品艺术品等　　2.建筑陶瓷　　性能要求：强度，热稳定性　　用途：地面，墙壁，管道，卫生洁具等.　　3.电工陶瓷　　性能要求：强度，介电性能和热稳定性.　　用途：隔电，支持及连接，绝缘器件　　4.化工陶瓷　　性能要求：耐蚀性.　　用途：实验器皿，耐热容器，管道，设备。　　特种陶瓷　　1.氧化物陶瓷：　　※Al2O3—高的强度和高温强度又称刚玉-莫来石瓷；95瓷、99瓷，又称刚玉瓷。　　?Al2O3含量愈高，玻璃相愈少，气孔愈少，陶瓷的性能愈好，但工艺愈复杂，成本愈　　高。　　优势：氧化铝陶瓷的强度高，是普通陶瓷的2～6倍，抗拉强度可达250MPa；　　?耐磨性好，硬度次于金刚石、碳化硼、立方氮化硼和碳化硅，居第5；目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　?耐高温性能好，刚玉陶瓷可在1600℃下长期工作，在空气中的最高使用温度达　　1980℃；　　?耐蚀性和绝缘性好；　　?脆性大，抗热振性差，不能承受环境温度的突然变化。　　用途：工具，高温炉零件，空压机泵零件，内燃机火花塞，坩埚。　　微晶刚玉---工具,刀具。　　※BeO—导热性好，热稳定性较高，消散高能辐射的能力强，强度低　　用途：熔化某些纯金属的坩埚，真空陶瓷和原子反应堆用陶瓷　　※ZrO2——呈弱酸性或惰性，导热系数小/m·h·℃，使用温度XX-2200℃，抗压强度2060MN/m2　　※MgOCaO抗各种金属碱性渣的作用，热稳定性差，MgO高温易挥发，CaO在空气中易水化　　2.碳化物陶瓷：　　※碳化硅—弯曲强度200-250MN/m2，抗压强度1000-1500MN/m2，硬度高，抗氧化，不抗强碱。　　?主晶相SiC，有反应烧结和热压烧结两种碳化硅陶瓷；目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　?高温强度高，工作温度可达1600～1700℃1400℃时，抗弯强度为500～600MPa；?有很好的导热性、热稳定性、抗蠕变能力、耐磨性、耐蚀性，且耐辐射；　　?是良好的高温结构材料，主要用于制作火箭喷管的喷嘴，浇注金属的浇道口、热电　　偶套管、炉管，燃气轮叶片，高温轴承，热交换器及核燃料包封材料等。　　用途：加热元件，石墨的表面保护层，砂轮，磨料　　※碳化硼—硬度高，抗磨，熔点高2450℃　　用途：磨料，超硬质工具材料。　　3.氮化物陶瓷：　　※氮化硼—石墨类型六方结构----介电体和耐火润滑剂。　　立方结构、烧结钨、青铜－石墨、铁－石墨等　　?液相烧结：在烧结时形成部分液相的液-固共存状态。　　金属陶瓷硬质合金、高速钢－WC、铬钼钢－WC等　　4.后处理加工　　为改善或得到某些性能，有些粉末冶金制品在烧结后还要进行后处理加工。　　如齿轮、球面轴承等在烧结后再进行冷挤压，以提高其密度、尺寸精度等；铁基粉末冶金零件进行淬火处理，以提高硬度等等。　　陶瓷材料的力学性能　　强度韧性、硬度、断裂韧度、疲劳等。　　一、陶瓷材料的弹性变形、塑性变形与断裂目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　弹性　　A）弹性模量大　　是金属材料的2倍以上。　　∵共价键结构有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。　　晶体结构复杂，滑移系很少，位错运动困难。　　B）弹性模量呈方向性；压缩模量高于拉伸弹性模量　　结构不均匀性；缺陷　　C）气孔率↑，弹性模量↓　　塑性变形　　a）室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。　　b）1000℃以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形　　c）陶瓷的超塑性　　超细等轴晶，第二相弥散分布，晶粒间存在无定形相。　　-2-11250℃，×10S应变速率ε=400%。　　利用陶瓷的超塑性，可以对陶瓷进行超塑加工　　断裂　　以各种缺陷为裂纹源　　裂纹扩展，瞬时脆断。　　缺陷的存在是概率性的。　　用韦伯分布函数表示材料断裂　　??F(?)?1?exp??()??0m?v(?'m)dv??目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　F(ζ)—断裂概率　　m—韦伯模数　　ζ0—特征应力，该应力下断裂概率为　　ζ’、ζ—试样内部的应力及它们的最大值　　二、陶瓷材料强度和硬度　　陶瓷的实际强度比其理论值小1~2个数量级。　　弯曲强度　　三点弯曲、四点弯曲　　四点弯曲试样工作部分缺陷存在的几率较大。∴强度比三点的低。　　抗拉强度　　夹持部位易断裂　　∴常用弯曲强度代之，高20%~40%。　　抗压强度　　比抗拉强度高得多，10倍左右。　　硬度高HRA，AT45N小负荷的维氏硬度或努氏硬度。　　陶瓷材料的断裂韧度　　比金属的低1~2个数量级　　测定方法　　单边切口法、山形切口法、压痕法、双扭　　法、双悬臂梁法。　　∵KIC值受切口宽度的影响。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　金属材料：ζ↑、δ↓、KIC↓；　　陶瓷材料：ζ↑、KIC↑。∵尖端塑　　性区很小。　　陶瓷材料的增韧：　　改善组织　　相变增韧　　微裂纹增韧　　陶瓷材料的疲劳强度　　静态疲劳，动态疲劳，循环疲劳和热疲劳　　静态疲劳　　对应于金属材料的应力腐蚀和高温蠕变断裂。　　“温度、应力、环境介质”　　分成的个区　　孕育区　　低速区da/dt随K↑而↑　　中速区da/dt仅与环境介质有关，与K无关。　　陶瓷材料的力学性能　　陶瓷材料　　陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料之间的主要区别在于化学键不同。金属：金属键高分子：共价键范德瓦尔键目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　陶瓷：离子键和共价键。普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。　　工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。　　工程陶瓷的性能：耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。　　硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差。　　常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。　　一、陶瓷材料的结构和显微组织　　1、结构特点　　陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以离子键和共价键为主要结合键。可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。　　如“六方氮化硼为松散的绝缘材料；立方结构是超硬材料”　　2、显微组织　　晶体相，玻璃相，气相　　晶界、夹杂　　陶瓷的分类　　玻璃　　—　　工业玻璃目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　(光学，电工，仪表，实验室用)；建筑玻璃；日用玻璃　　陶瓷　　—普通陶瓷日用，建筑卫生，电器　　，化工，多孔　　??特种陶瓷　　-电容器，压电，磁性，电光，高温　　??　　金属陶瓷　　--　　结构陶瓷，工具　　，耐热，电工　　??　　玻璃陶瓷　　—　　耐热耐蚀微晶玻璃，光子玻璃陶瓷，无线电透明微晶玻璃，熔渣玻璃陶瓷　　?　　2.　　陶瓷的生产　　(1)原料制备普通陶瓷特种　　陶瓷　　(2)目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　坯料的成形　　(3)烧成或烧结　　3.陶瓷的性能　　(1)硬度　　是各类材料中最高的。　　(2)刚度是各类材料中最高的；由于晶界的存在，实际强度比理论值低的多。　　2。耐压，抗弯，不耐拉较高的高温强度。　　(4)塑性：在室温几乎没有塑性。　　(5)韧性差，脆性大。是陶瓷的最大缺点。　　(6)热膨胀性低。导热性差，多为较好的绝热材料　　(7)热稳定性　　—　　抗热振性急冷到水中不破裂所能承受的最高温度。陶瓷的抗热振性很低　　(8)化学稳定性　　：耐高温，耐火，不可燃烧，抗蚀　　(9)　　导电性　　—　　大多数是良好的绝缘体，同时也有不少半导体　　(10)目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　其它：　　不可燃烧，高耐热，不老化，温度急变抗力低。　　普通陶瓷　　一　　.　　传统陶瓷　　原料　　—　　长石，石英，粘土，高龄土，绢云母，滑石，石灰。　　加入提高强度；加入提高强度和热稳定性；加入提高导热性。　　1.　　日用陶瓷　　性能要求：　　白度，光洁度，热稳定性，机械强度，热稳定性　　用途：　　日用器皿，工艺品艺术品等　　2.　　建筑陶瓷　　性能要求：　　强度，热稳定性　　用途：目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　地面，墙壁，管道，卫生洁具等.　　3.　　电工陶瓷　　性能要求：　　强度，介电性能和热稳定性.　　用途：　　隔电，支持及连接，绝缘器件　　4.　　化工陶瓷　　性能要求：　　耐蚀性　　.　　用途：　　实验器皿，耐热容器，管道，设备。　　特种陶瓷　　1.　　氧化物陶瓷：　　※　　Al2O3　　—　　高的强度和高温强度。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　上述的应力计算公式仅适用于线弹性变形阶段。脆性材料一般塑性变形非常小，同弹性变形比较可以忽略不计，因此在断裂前都遵循上述公式。断裂载荷所对应的应力即为试样的弯曲强度。　　需要注意的是，一般我们要求试样的长度和直径比约为10，并且在支点的外伸部分留足够的长度，否则可能影响测试精度。另外，弯曲试样下表面的光洁度对结果可能也会产生显著的影响。粗糙表面可能成为应力集中源而产生早期断裂。所以一般要求表面要进行磨抛处理。当采用矩形试样时，也必须注意试样的放置方向，避免使计算中b、h换位得到错误的结果。　　2.断裂韧性　　应力集中是导致材料脆性断裂的主要原因之一，而反映材料抵抗应力集中而发生断裂的指标是断裂韧性，用应力强度因子表示。尖端呈张开型的裂纹最危险，其应力强度因子用KI表示，恰好使材料产生脆性断裂的KI称为临界应力强度因子，用KIC表示。金属材料的KIC一般用带边裂纹的三点弯曲实验测定，但在陶瓷材料中由于试样中预制裂纹比较困难，因此人们通常用维氏硬度法来测量陶瓷材料的断裂韧性。目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　陶瓷等脆性材料在断裂前几乎不产生塑性变形，因此当外界的压力达到断裂应力时，就会产生裂纹。以维氏硬度压头压入这些材料时，在足够大的外力下，压痕的对角线的方向上就会产生裂纹，如图2-1所示。裂纹的扩展长度与材料的断裂韧性KIC存在一定的关系，因此可以通过测量裂纹的长度来测定KIC。其突出的优点在于快速、简单、可使用非常小的试样。如果以PC作为可使压痕产生雷文的临界负荷，那么图中显示了不同负荷下的裂纹情况。　　由于硬度法突出的优点，人们对它进行了大量的理论和实验研究。推导出了各种半经　　验的理论公式。其中Blendell结合理论分析和实验数据拟合，给出下列方程：　　?　　?KIC?　　1??　　?Ha2　　?　　a????H?5　　????????E??c??????　　2　　图2-1P＜PC和P＞PC时压痕目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　KIC是I型应力强度因子，也就是断裂韧性；φ为一常数，约等于3；HV是维氏硬度；a为压痕对角线长度的一半；c为表面裂纹长度的一半，见图2-1。经过大量的研究表明，该公式至少在下列范围内是使用的：硬度=1~30GPa，断裂韧性=~16MPa·m1/2及泊松比=~。　　一系列的实验发现，这一公式和实验数据具有非常好的吻合。当使用这一方程时，一般所加的负荷要足够大，使c/a大于3左右。但是在某些时候，这意味着要加很高的负荷，在一般的显微硬度计上无法实现，并且使压头极易损坏，增加测试费用。后来Niihara等发现，当所加负荷较小时，上述的公式经过修正后仍旧适用。在脆性材料中，压痕下材料的断裂方式根据所加负荷的不同呈现两种形式，如图2-2所示。当负荷小时，所出现的裂纹称Palmqvist裂纹，而在负荷较高时，出现的裂纹称为Median裂纹。　　图2-2Palmqvist裂纹和Median裂纹　　阴影部分为裂纹扩展区　　理论分析和实验结果拟合表明，对于Palmqvist裂纹，用下列公式计算断裂韧性：　　?　　?KIC?　　1??　　?Ha2　　??52??HL???　　???????E?????a???　　2　　1目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　而对于Median裂纹，用下列公式计算：　　?　　?KIC?　　1??　　?Ha2　　??　　?c?2??H?5　　???????E?????a???　　2　　3　　也就是说只要能确定裂纹的形式，就可以用这些公式计算断裂韧性，并且曲线同实验数据吻合非常好。因而可以使用小负荷测断裂韧性，避免高负荷所带来的一系列技术上的困难。目前当确定裂纹的扩展方式困难或麻烦时，依旧倾向于使用高的负荷，使裂纹呈Median扩展形式。　　3.硬度　　陶瓷材料中，通常采用的是维氏硬度与莫氏硬度。　　维氏硬度的测量是将一个相对夹角为136°的正四棱锥金刚石压头在一定的负荷下压入试样表面，经过一定时间的保持后卸载，测定压痕两对面线的长度并取其平均值计算压痕的实际面积，负荷和所测面积的比值就是维氏硬度，用HV表示。经几何换算后得到：目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。 为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划　　HV??　　Pd　　2　　(P用N表示，d为mm）　　压痕的对角线长度一般通过显微镜测量，工作面要和底面平行，粗糙度分别在和以下，而实验力根据试样的厚度和硬度一般在~980N。一般要求试样的最小厚度至少为压痕对角线长度的倍，否则结果会有误差。为了保证所测数值的准确性，要求两对角线长度相差较小，加压保持时间在10~30s之间。　　另外，在陶瓷材料中经常使用到的硬度还有莫氏硬度。莫氏硬度是应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试试样的表面而发生划痕，其硬度值并非绝对硬度值，而是按硬度的顺序表示的值。莫氏硬度现在一般认定有15级，其中1级滑石最软，15级金刚石最硬，各级代表材料如表3-1所示：　　表3-1莫氏硬度表　　分级　　代表材料滑石萤石石英玻璃石榴石碳化硅　　分级　　代表材料石膏磷灰石石英熔融氧化铝碳化硼　　分级　　代表材料方解石正长石黄玉刚玉金刚石目的-通过该培训员工可对保安行业有初步了解，并感受到安保行业的发展的巨大潜力，可提升其的专业水平，并确保其在这个行业的安全感。