陶瓷及其陶瓷涂层材料的力学性能材料的宏微观力学性能讲课讲稿.ppt

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1、陶瓷及其陶瓷涂层材料的力学性能材料的宏微观力学性能13.1.2陶瓷材料微观结构陶瓷材料微观结构相分布晶粒尺寸晶粒形状气孔大小和分布杂质缺陷晶界陶瓷材料由晶相、玻璃相、气相组成。13.1.2陶瓷材料微观结构晶相是陶瓷材料的主要组成相，决定陶瓷材料的物理化学特性玻璃相是非晶态低熔点固体相，起黏结晶相、填充气孔、降低烧结温度等作用。气相和气孔是陶瓷材料在制备过程中由于原料微粒堆积不够致密而必然出现的现象。氧化物结构和硅酸盐结构是陶瓷晶体中最重要的两类结构。它们的共同特点是结合键主要是离子键，含一定比例的共价键；有确定的成分，可以用确定的分子式表示。不同种类、不同粒度、不同数量、不同形状和分布的主

2、晶相、非晶相和气相，就组成了具有不同物理化学性能的千百种陶瓷材料。13.1.3陶瓷材料的热物理性能1.密度2.热膨胀系数3.熔点4.导电性绝大多数陶瓷材料的相对密度在2.5～4.0之间由于陶瓷晶体是由共价键、离子键组成，故陶瓷材料的熔点一般很高。陶瓷材料的热膨胀系数一般都很小，进而可以体现其热稳定性和体积稳定性都很好。陶瓷材料电化学性能也是多种多样的，包括导电陶瓷、半导体陶瓷、绝缘或介电陶瓷以及超导陶瓷。13.2陶瓷材料的力学性能13.2.1陶瓷材料的弹性变形绝大多数陶瓷材料在室温下拉伸或弯曲，均不产生塑性变形，即弹性变形阶段结束后立即呈脆性断裂特征。13.2.2陶瓷材料的塑性变形1.常温

3、条件：一般的陶瓷材料由于晶体结构复杂，在室温下没有塑性；2.高温条件：由于温度升高，陶瓷材料的强度下降，因而表现出部分塑性变形。3.陶瓷材料超塑性变形1)定义：在一定的温度和应力作用下，材料显示出非常高的塑性变形率，其拉伸变形量可达百分之几百。2)类型一种是相变超塑性，它是由于温度变化经过相变点因相变而产生的超塑性行为，如方氧化铁多晶体(TZP)是最典型的超塑性陶瓷。另一种是结构超塑性，它是晶粒具有等轴形状的均匀细晶粒材料在应力作用下表现出的超塑性行为，故也称细晶超塑性。13.2.2陶瓷材料的超塑性变形3)产生超塑性条件晶粒细小，其临界尺寸范围约晶粒是等轴的；第二相弥散分布，能抑制高温下基

4、体晶粒生长；晶粒间存在液相或无定形相。13.2.2陶瓷材料的塑性变形晶粒尺寸和晶界的性质是影响陶瓷材料超塑性的主要因素。细晶粒超塑性机理是晶界滑移，晶粒尺寸越小，晶界越多，高温下越容易产生晶界滑移，变形量越大，表现出高的超塑性。在超塑性变形过程中，变形前后的超细晶粒并非保持不变，由于应变和高温的联合作用，材料显微结构出现晶粒长大现象。13.2.2陶瓷材料的塑性变形4)影响超塑性因素内在因素外在因素晶粒尺寸、显微结构的稳定性应变速率、变形温度13.2.3陶瓷材料的硬度与磨损13.2.3.1陶瓷材料硬度1.定义及类型它是材料抵抗局部压力而产生变形能力的表征。常见的硬度指标有布氏硬度(HB)、洛

5、氏硬度(HRC)、维氏硬度(HV)、显微硬度(HM)、莫氏硬度、努普硬度(HK)等。1)可沿用金属材料硬度测试方法；2)实验方法及设备简便，试样小而经济；3)硬度作为材料本身的物性参数，可以获得稳定的数值；4)维氏硬度测定的同时，可以测得断裂韧性。2.陶瓷材料硬度的测定方法有如下优点：在陶瓷材料中常用维氏硬度、显微硬度和莫氏硬度。3.陶瓷材料的硬度公式维氏硬度显微硬度4.莫氏硬度分级顺序表顺序材料顺序材料顺序材料1滑石6正长石11熔融氧化铝2石膏7玻璃12刚玉3方解石8石英13碳化硅4萤石9黄玉14碳化硼5磷灰石10石榴石15金刚石13.2.3.2陶瓷材料耐磨性1.定义耐磨性是指材料抵抗对

6、偶件摩擦或磨料磨损的能力。在任何运转的机器中，各部分部件之间发生相对运动，即彼此间发生滑动或滚动摩擦或两者并存的摩擦，在摩擦作用下发生—系列机械、物理、化学的相互作用，以致使机件表面发生尺寸变化和物质损耗，这种现象称为磨损。2.特点陶瓷材料磨损量的大小跟接触面的光滑度或颗粒尺寸、磨损面的正压力有关。表面越光滑，颗粒间的滑移运动越小。磨损率随撞击角度的增加而增加，随相对速度增加而增加。此外，陶瓷的磨损还与材料的相对硬度、强度、弹性模量、密度以及环境等因素有关。13.2.4陶瓷材料的断裂韧性及测试方法13.2.4.1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，可按照下式

7、计算：(13.4)特点：陶瓷材料的断裂强度并不比钢的屈服强度高，但是其弹性模量却比钢的高，因此陶瓷材料的静态韧性很低。13.2.4.2陶瓷材料的断裂韧性1.陶瓷材料裂纹扩展抗力可以按照下列公式估算：(13.5)2.陶瓷材料Ⅰ型裂纹的应力强度因子和断裂韧性可按下式计算Y为无量纲因子，取决于裂纹几何形状、试样形状及加载方式，为断裂韧性13.2.4.3陶瓷材料断裂韧性测试方法单边切口梁法(singleedgenotchedbe