陶瓷的性能

陶瓷的性能陶瓷的性能221 陶瓷材料的硬度陶瓷材料的硬度 硬度是材料的一种重要的力学性能，但在实硬度是材料的一种重要的力学性能，但在实际应用中由于测量方法不同，测得的硬度所代表际应用中由于测量方法不同，测得的硬度所代表的材料性能也各异。的材料性能也各异。常用的测量方法：常用的测量方法：划痕硬度划痕硬度和和静载压入硬度静载压入硬度 划痕硬度叫做莫氏硬度，用于陶瓷及矿物材料硬度测试。它只表示硬度由小划痕硬度叫做莫氏硬度，用于陶瓷及矿物材料硬度测试。它只表示硬度由小到大的顺序，不代表硬度的程度，后面的矿物可以划破前面的矿物表面。到大的顺序，不代表硬度的程度，后面的矿物可以划破前面的矿物表面。一般莫氏硬度分为一般莫氏硬度分为10级，后来因为有一些工人合成的硬度较大的材料出现，级，后来因为有一些工人合成的硬度较大的材料出现，又将莫氏硬度分为又将莫氏硬度分为15级以便比较，表级以便比较，表3-3莫氏硬度两种分级的顺序。莫氏硬度两种分级的顺序。表表3-3 莫氏硬度顺序莫氏硬度顺序 顺序顺序顺序顺序 材料材料材料材料 顺序顺序顺序顺序 材料材料材料材料 顺序顺序顺序顺序 材料材料材料材料 顺序顺序顺序顺序材料材料材料材料 1 1滑石滑石滑石滑石 8 8黄玉黄玉黄玉黄玉 5 5磷灰石磷灰石磷灰石磷灰石 12 12刚玉刚玉刚玉刚玉 2 2石膏石膏石膏石膏 9 9刚玉刚玉刚玉刚玉 6 6正长石正长石正长石正长石 13 13碳化硅碳化硅碳化硅碳化硅 3 3方解石方解石方解石方解石 10 10金刚石金刚石金刚石金刚石 7 7SiOSiO2 2玻璃玻璃玻璃玻璃 14 14碳化硼碳化硼碳化硼碳化硼 4 4萤石萤石萤石萤石 1 1滑石滑石滑石滑石 8 8石英石英石英石英 15 15金刚石金刚石金刚石金刚石 5 5磷灰石磷灰石磷灰石磷灰石 2 2石膏石膏石膏石膏 9 9黄玉黄玉黄玉黄玉 6 6正长石正长石正长石正长石 3 3方解石方解石方解石方解石 10 10石榴石石榴石石榴石石榴石 7 7石英石英石英石英 4 4萤石萤石萤石萤石 11 11熔融氧化锆熔融氧化锆熔融氧化锆熔融氧化锆 常用用静载压入的硬度实验常用用静载压入的硬度实验-布氏硬度、布氏硬度、维氏硬度及洛氏硬度。维氏硬度及洛氏硬度。原理都是将一硬的物体在静载下压入被测原理都是将一硬的物体在静载下压入被测物体表面，表面上被压入一凹面，以凹面单物体表面，表面上被压入一凹面，以凹面单位面积上的载荷表示被测物体的硬度。位面积上的载荷表示被测物体的硬度。布氏硬度法主要用来测定金属材料、较布氏硬度法主要用来测定金属材料、较软及中等硬度的材料，很少用于陶瓷；软及中等硬度的材料，很少用于陶瓷；维氏硬度法及洛氏硬度法都适于较硬的维氏硬度法及洛氏硬度法都适于较硬的材料，也用于测量陶瓷的硬度；材料，也用于测量陶瓷的硬度；硬度决定于矿物、晶体和陶瓷材料的硬度的因素硬度决定于矿物、晶体和陶瓷材料的硬度的因素硬度决定于矿物、晶体和陶瓷材料的硬度的因素硬度决定于矿物、晶体和陶瓷材料的硬度的因素-组成和结构。组成和结构。组成和结构。组成和结构。离子半径较小，离子电价越高，配位数越大，结合能就越大，抵抗外力离子半径较小，离子电价越高，配位数越大，结合能就越大，抵抗外力离子半径较小，离子电价越高，配位数越大，结合能就越大，抵抗外力离子半径较小，离子电价越高，配位数越大，结合能就越大，抵抗外力摩擦、刻划和压入的能力也就越强，所以硬度就较大。摩擦、刻划和压入的能力也就越强，所以硬度就较大。摩擦、刻划和压入的能力也就越强，所以硬度就较大。摩擦、刻划和压入的能力也就越强，所以硬度就较大。陶瓷材料的纤维组织、裂纹、杂质等都对硬度有影响。当温度升高时，陶瓷材料的纤维组织、裂纹、杂质等都对硬度有影响。当温度升高时，陶瓷材料的纤维组织、裂纹、杂质等都对硬度有影响。当温度升高时，陶瓷材料的纤维组织、裂纹、杂质等都对硬度有影响。当温度升高时，硬度将下降。硬度将下降。硬度将下降。硬度将下降。2.2.2 陶瓷材料的脆性断裂与强度陶瓷材料的脆性断裂与强度 脆脆性性断断裂裂：一一般般认认为为脆脆性性断断裂裂就就是是材材料料在在受受力力后后，将将在在低低于于其其本本身身结结合合强强度度的的情情况况下下作作应应力力再再分分配配，当当外外加加应应力力的的速速率率超超过过应应力力再再分分配配的的速速率率时时，就就发发生生断断裂裂。这这种种断断裂裂没没有有先先兆兆，是是突突然然发发生生的的，而而且且是是灾灾难性的。难性的。影影响响因因素素：材材料料呈呈现现出出脆脆性性或或延延性性并并不不是是绝绝对对的的，而而是是和和材材料料的的组组分分、结结构构、受受力力条条件件和和环环境境等等因因素有关。素有关。强度强度-材料的强度是抵抗外加负荷的能力。材料的强度是抵抗外加负荷的能力。对材料的强度进行大量研究的两个角度。对材料的强度进行大量研究的两个角度。以应用力学为基础，从宏观现象研究材料应力以应用力学为基础，从宏观现象研究材料应力应变状况，进行力学分析，应变状况，进行力学分析，总结出经验规律，作为设计、使用材料的依据，这是力学工作者的任务。总结出经验规律，作为设计、使用材料的依据，这是力学工作者的任务。从材料的微观结构来研究材料的力学性质，也就是研究材料宏观力学性能的从材料的微观结构来研究材料的力学性质，也就是研究材料宏观力学性能的微观机理，从而找出改善材料性能的途径，为工程设计提供理论依据。微观机理，从而找出改善材料性能的途径，为工程设计提供理论依据。以材料脆性断裂的主要根源以材料脆性断裂的主要根源-微裂纹缺陷为研究对象发展出一门新的学科微裂纹缺陷为研究对象发展出一门新的学科断裂力学。断裂力学。一、裂纹的起源与扩展一、裂纹的起源与扩展 二、静态疲劳二、静态疲劳 三、蠕变断裂三、蠕变断裂 四、显微组织对材料脆性断裂的影响四、显微组织对材料脆性断裂的影响 一、裂纹的起源与扩展一、裂纹的起源与扩展 1裂纹的起源裂纹的起源 2裂纹的快速扩展裂纹的快速扩展 3影响裂纹扩展的因素影响裂纹扩展的因素 1 裂纹的起源裂纹的起源（）由于晶体微观结构中存在缺陷，当受到外（）由于晶体微观结构中存在缺陷，当受到外力作用时，在这些缺陷处就引起应力集中，导致裂纹力作用时，在这些缺陷处就引起应力集中，导致裂纹成核，位错在材料中运动会受到各种阻碍：成核，位错在材料中运动会受到各种阻碍：.由于晶粒取向不同，位错运动会受到晶界的由于晶粒取向不同，位错运动会受到晶界的障碍，而在晶界产生位错塞积；障碍，而在晶界产生位错塞积；.材料中的杂质原子引起应力集中而成为位错材料中的杂质原子引起应力集中而成为位错运动的障碍。运动的障碍。.热缺陷，交叉（指位错组合、位错线与位错热缺陷，交叉（指位错组合、位错线与位错或位错线与其它缺陷相互交叉）都能使位错运动受到或位错线与其它缺陷相互交叉）都能使位错运动受到阻碍。阻碍。当位错运动受到各种障碍时，就会在障碍前当位错运动受到各种障碍时，就会在障碍前塞积起来，导致微裂纹形成。塞积起来，导致微裂纹形成。图图2-2-1就是位错形成微裂纹示意图就是位错形成微裂纹示意图图图2-2-1 位错形成微裂纹示意图位错形成微裂纹示意图（a）位错组合形成的微裂纹；（）位错组合形成的微裂纹；（b）位错在晶界前塞积形成的微）位错在晶界前塞积形成的微裂纹；（裂纹；（c）位错交截形成的微裂纹）位错交截形成的微裂纹（）材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面（）材料表面的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹，这种表面裂纹最危险，裂纹的扩展常常由表面裂纹，这种表面裂纹最危险，裂纹的扩展常常由表面裂纹开始。裂纹开始。（）由于热应力而形成裂纹。（）由于热应力而形成裂纹。此外，温度变化时有晶型转变的材料也会因体此外，温度变化时有晶型转变的材料也会因体积变化而引起裂纹。积变化而引起裂纹。图图2-2-2 由于热应力形成的裂纹由于热应力形成的裂纹 2裂纹的快速扩展裂纹的快速扩展 格格里里菲菲斯斯裂裂纹纹理理论论：材材料料的的断断裂裂强强度度不不是是取取决决于于裂裂纹纹的的数数量量，而而是是决决定定于于裂裂纹纹的的大大小小，即即是是由由最最危危险险的的裂裂纹纹尺尺寸寸（临临界界裂裂纹纹尺尺寸寸）决决定定材材料料的的断断裂裂强强度度，一一旦旦裂裂纹纹超超过过临临界界尺尺寸寸，裂裂纹纹就就迅迅速速扩扩展展而断裂。而断裂。对对于于脆脆性性材材料料，裂裂纹纹的的起起始始扩扩展展就就是是破破坏坏过过程程的的临临界界阶阶段段，因因为为脆脆性性材材料料基基本本上上没没有有吸吸收收大大量量能量的塑性形变。能量的塑性形变。3、影响裂纹扩展的因素、影响裂纹扩展的因素 外界作用应力；外界作用应力；材材料料中中吸吸收收能能量量的的机机构构。例例如如金金属属陶陶瓷瓷和和复复合合材材料料、此此外外人人为为地地在在材材料料中中造造成成大大量量极极微微细细的的裂裂纹纹（小小于于临临界界尺尺寸寸）也也能能吸吸收收能能量，阻止裂纹扩展。量，阻止裂纹扩展。二、静态疲劳二、静态疲劳 静静态态疲疲劳劳：裂裂纹纹在在使使用用应应力力下下，随随着着时时间间的的推推移移而而缓缓慢慢扩扩展展，这这种种缓缓慢慢扩展也叫亚临界扩展，或称为静态疲劳。扩展也叫亚临界扩展，或称为静态疲劳。材材料料在在循循环环应应力力作作用用下下的的破破坏坏叫叫做动态疲劳。做动态疲劳。裂纹缓慢扩展的结果是裂逐渐加裂纹缓慢扩展的结果是裂逐渐加大，一旦达到临界尺寸就会失稳扩展而破大，一旦达到临界尺寸就会失稳扩展而破坏。坏。材料的断裂强度取决于时间，即构材料的断裂强度取决于时间，即构件的寿命问题。就是在使用应力下，构件件的寿命问题。就是在使用应力下，构件能用多少时间将要破坏。能用多少时间将要破坏。如果能事先知道构件能用多少时间如果能事先知道构件能用多少时间将要破坏，就可以限制使用应力延长寿命，将要破坏，就可以限制使用应力延长寿命，或用到一定时间就进行检修，撤换构件。或用到一定时间就进行检修，撤换构件。裂纹缓慢扩展本质的几种观点：裂纹缓慢扩展本质的几种观点：1应力腐蚀理论应力腐蚀理论 该理论认为环境对裂纹端部应力集中区域的腐蚀该理论认为环境对裂纹端部应力集中区域的腐蚀比对裂纹侧面的腐蚀要严重得多，这种腐蚀使裂纹端比对裂纹侧面的腐蚀要严重得多，这种腐蚀使裂纹端部原子间的化学键受到破坏，导致裂纹缓慢扩展，一部原子间的化学键受到破坏，导致裂纹缓慢扩展，一旦达到临界尺寸就失稳而断裂。旦达到临界尺寸就失稳而断裂。因此，环境对疲劳寿命影响很大，环境愈恶劣因此，环境对疲劳寿命影响很大，环境愈恶劣（如水蒸汽分压高），裂纹扩展速度愈快，温度愈高、（如水蒸汽分压高），裂纹扩展速度愈快，温度愈高、化学反应愈烈，裂纹扩展速度也愈快。化学反应愈烈，裂纹扩展速度也愈快。应力腐蚀理论的局限性：这一理论能解释许多实应力腐蚀理论的局限性：这一理论能解释许多实验数据，但有人在真空中实验，也发现了疲劳现象，验数据，但有人在真空中实验，也发现了疲劳现象，说明单纯用应力腐蚀来说明疲劳现象是不够的。说明单纯用应力腐蚀来说明疲劳现象是不够的。自由表面能降低自由表面能降低 环境中的表面活性物质吸附在裂纹表面上使裂纹表面的自由表面能降低，这环境中的表面活性物质吸附在裂纹表面上使裂纹表面的自由表面能降低，这就降低了断裂表面能。就降低了断裂表面能。自由表面能降低的局限性：自由表面能仅为断裂表面能的一小部分，即使像自由表面能降低的局限性：自由表面能仅为断裂表面能的一小部分，即使像硅酸盐玻璃这样的脆性材料，自由表面能也大约只有断裂表面能的硅酸盐玻璃这样的脆性材料，自由表面能也大约只有断裂表面能的30%，所以只，所以只从自由表面能的降低来说明疲劳现象也是不够满意的。从自由表面能的降低来说明疲劳现象也是不够满意的。能量分布状态变化能量分布状态变化 裂纹附近由于应力集中，晶格结点能量分布状态发生变化，这些地方的裂纹附近由于应力集中，晶格结点能量分布状态发生变化，这些地方的原子处于高能量状态，这就加速了空位运动和原子扩散传质。同时，环境影原子处于高能量状态，这就加速了空位运动和原子扩散传质。同时，环境影响断裂表面能，从而影响空位的运动和原子传质。响断裂表面能，从而影响空位的运动和原子传质。大多数氧化物陶瓷由于含有大量碱性硅酸盐玻璃相，通常也有疲劳现象。大多数氧化物陶瓷由于含有大量碱性硅酸盐玻璃相，通常也有疲劳现象。疲劳过程还受加载速率的影响，加载速率愈慢，裂纹缓慢扩展的时间愈长，疲劳过程还受加载速率的影响，加载速率愈慢，裂纹缓慢扩展的时间愈长，在较低的应力下就能达到临界尺寸。在较低的应力下就能达到临界尺寸。三、蠕变断裂三、蠕变断裂 多多晶晶材材料料在在高高温温时时，在在恒恒定定应应力力作作用用下下由由于于形变不断增加而导致断裂称为蠕变断裂。形变不断增加而导致断裂称为蠕变断裂。高高温温下下形形变变的的主主要要部部分分是是晶晶界界滑滑动动，因因此此蠕蠕弯断裂的主要形式是沿晶界断裂。弯断裂的主要形式是沿晶界断裂。蠕蠕变变断断裂裂的的两两种种理理论论：粘粘性性流流动动理理论论和和空空位位聚积理论聚积理论 粘性流动理论：高温下晶界要发生粘性流动，在晶界交界处产生应力集中，粘性流动理论：高温下晶界要发生粘性流动，在晶界交界处产生应力集中，如果应力集中使得相邻晶粒发生塑性形变而滑移，则将使应力弛豫，如果不能使如果应力集中使得相邻晶粒发生塑性形变而滑移，则将使应力弛豫，如果不能使邻近晶粒塑性形变，则应力集中将使晶界交界处产生裂纹。这种裂纹逐步扩展导邻近晶粒塑性形变，则应力集中将使晶界交界处产生裂纹。这种裂纹逐步扩展导致断裂。致断裂。空位聚积理论：在应力及热波动的作用下，受拉的晶界上空位浓度空位聚积理论：在应力及热波动的作用下，受拉的晶界上空位浓度大大增加（回忆扩散蠕变理论），这些空位大量聚积，可形成可观的的大大增加（回忆扩散蠕变理论），这些空位大量聚积，可形成可观的的裂纹，这种裂纹逐步扩展就导致断裂。裂纹，这种裂纹逐步扩展就导致断裂。综上：蠕变断裂明显地取决于温度和外加应力。综上：蠕变断裂明显地取决于温度和外加应力。温度愈低，应力愈小，则蠕变断裂所需的时间愈长。蠕变断裂过程中裂温度愈低，应力愈小，则蠕变断裂所需的时间愈长。蠕变断裂过程中裂纹的扩展属于亚临界扩展。纹的扩展属于亚临界扩展。四、显微组织对材料脆性断裂的影响四、显微组织对材料脆性断裂的影响 1晶粒尺寸晶粒尺寸 对多晶材料，晶粒愈小，强度愈高。对多晶材料，晶粒愈小，强度愈高。由于晶界比晶粒内部弱，所以多晶材料破坏多由于晶界比晶粒内部弱，所以多晶材料破坏多是沿晶界断裂。是沿晶界断裂。细晶材料晶界比例大，裂纹的扩展要走迂回曲细晶材料晶界比例大，裂纹的扩展要走迂回曲折的道路，晶粒愈细，此路程愈长。折的道路，晶粒愈细，此路程愈长。此外，多晶材料中初始裂纹尺寸与晶粒度相当，此外，多晶材料中初始裂纹尺寸与晶粒度相当，晶粒愈细，初始裂纹尺寸就愈小，这样就提高了临晶粒愈细，初始裂纹尺寸就愈小，这样就提高了临界应力。界应力。2气孔的影响气孔的影响 大多数陶瓷材料的强度和弹性模量都随气孔率的增加而降低。大多数陶瓷材料的强度和弹性模量都随气孔率的增加而降低。气孔不仅减小了负荷面积，而且在气孔领近区域产生应力集中，减弱材料的负气孔不仅减小了负荷面积，而且在气孔领近区域产生应力集中，减弱材料的负荷能力。一般情况下，气孔率越高，强度越低。荷能力。一般情况下，气孔率越高，强度越低。气孔有利的一面，就是当存在高的应力梯度时（例如由热震引起的应力）气孔气孔有利的一面，就是当存在高的应力梯度时（例如由热震引起的应力）气孔能起到阻止裂纹扩展的作用。能起到阻止裂纹扩展的作用。除晶粒尺寸、气孔对强度有重要影响外，除晶粒尺寸、气孔对强度有重要影响外，其它如杂质的存在，也会由于应力集中而降低其它如杂质的存在，也会由于应力集中而降低强度；当存在弹性模量较低的第二相时也会使强度；当存在弹性模量较低的第二相时也会使强度降低。强度降低。2.2.3 陶瓷材料的透光性陶瓷材料的透光性研研究究近近年年来来迅迅速速发发展展起起来来的的以以高高纯纯物物质质为为原原料料、基基本本上上为为单单一一晶晶相相的的多多晶晶材材料料“透透明明陶陶瓷瓷”。这这类类材材料料1毫毫米米厚厚的的试试片片其其透透光率可以达到光率可以达到80%以上。以上。一、透明瓷具有良好透光性的主要原因一、透明瓷具有良好透光性的主要原因 透明陶瓷为要获得高度透光性的必要透明陶瓷为要获得高度透光性的必要条件主要是：条件主要是：1.高密度，尽可能接近理论密度；高密度，尽可能接近理论密度；2.晶界处无气孔和空洞，或其尺寸晶界处无气孔和空洞，或其尺寸比入射的可见光波长小得多，即使发生散射比入射的可见光波长小得多，即使发生散射现象其所引起的损失也很轻微；现象其所引起的损失也很轻微；3.晶界无杂质和玻璃相或它们与主晶界无杂质和玻璃相或它们与主晶相的光学性质差别很小；晶粒细小，尺寸晶相的光学性质差别很小；晶粒细小，尺寸接近均一，晶粒内无气泡封入等。接近均一，晶粒内无气泡封入等。二提高陶瓷材料透光性的措施二提高陶瓷材料透光性的措施 1.采用高纯度原料；采用高纯度原料；2.适当的转相（或预烧）温度；适当的转相（或预烧）温度；.充分排除气孔；充分排除气孔；.细晶化；加入适当的添加物以细晶化；加入适当的添加物以抑制晶粒长大。抑制晶粒长大。