第十三章 陶瓷材料的力学行为 anc 程 材料科学与工程学院王泓主编
第十三章 陶瓷材料的力学行为
131言 陶材料大部是脆性材桦,对缺陷十分数感 故其捆度试验累的分散性大。要使陶宽村料作为 结构材料在工程中茯得应用,需要对其力学性能做 能更∮的研宪,开对其力学性能的试验猎果做f计 折。此外,破媾,光导纤,电,红外窗口材 风并也属于的笔材料,对述些材料力学性能的研笔娘 寻也日威增多。 程 材料科学与工程学院王泓主编
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
的132陶繁村料畅弹性量 除少数几个具育简单的晶体构,如MgO KC,KBr芋,在室温下稍具塑性以外,一般陶瓷 能的晶体猎扮杂,室湿下有塑性,因而是脆性材 。脆性材料的拉伸试验只能测定其弹性棋重和断 裂据度。 POLYTCHA 程 材料科学与工程学院王泓主编
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
1陶宽材料啪弹性摸量 陶邀材坪的弹性棋望比金属的大得多,带高出 俗至瓜俗。陶瓷材料弹性棋望列子表13-1。陶材 料的原子键主要有离子键和共价键雨大类,且多数 具有重性。共价键晶体拘的主要持点是键具育 能方向性。它使晶体有餐方的花易指时或和阻碍丝 动的能力,使共价被陶慾具寶比金属高得的 网硬质和弹性接量。离子键晶体猎物的键才向性不明 显,但滑移系不仅要受到密掀面与密掀古向的很, 课而星要受到静电作用力的限删,因比实际可移 焊勇餐少,弹性挨量餐志。 材料科学与工程学院王泓主编
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
表(3-1型陶宽村料帕弹性摸量15 材料EGPa材料E/GPa材料|E/GPa 金刚石1200W2C 428 NbC 345 WC 717 MoSi 380 Bec 317 能网络课程 TIB2 648 Beo 352 SiC 485 ALO 510 Fesh 345 B,C 455mc TiC 490 ZrC 345 OrB 440 材料科学与工程学院王泓主编
材 料 E/GPa 材 料 E/GPa 材 料 E/GPa 金刚石 1200 W2C 428 NbC 345 WC 717 MoSi2 380 Be2C 317 TiB2 648 BeO 352 SiC 485 Al2O3 510 FeSi2 345 B4C 455 TiC 490 ZrC 345 ZrB2 440 表13-1 典型陶瓷材料的弹性模量 [165]
l2气孔对陶蔻材料弹性望的影响 E=E2(-p) (1+2.5p) 13-1 式屮E0无孔隙时陶瓷材桦的弹性摸量,p 能网络课程 为孔隙单。孔隙率对弹性摸量Ee的影响示于固 13-1:囤中曲残按式(13-1)画出。 anc 材料科学与工程学院王泓主编
(2) 气孔率对陶瓷材料弹性模量的影响 (1 2.5 ) (1 ) p E p E o eff + − = (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
1.0 o Si3N4 by Larsen [8] Si3N, by Eddington [9] O Si, N, by Rice [10 e Mgo by Janowski [1l O O3 By Porter [12] 0.5 能网络课程 0.20.40.60.8 1.0 Y口C 姆13-1孔隙率对陶瓷材抖弹性模Eef升帕影啪16 材料料学与工程学院王泓主编
图13-1 孔隙率对陶瓷材料弹性模量Eeff的影响[167]
的()我,屈力状下的界雀费 众所周知,金属不伦是在拔伸还是在压痞收态下 其弹性摸相等,即拉伸与瓜两部尔曲线为一冬 廈线,如因13-2(日)所示。而陶宽材压箱时弹性摸 望一高于拨伸时弹性摸望,即的O-θ曲线斜 网要比益价的的大,的1321b)听示。这与胸笔的群 是微结拘的烹亲性和不均性有关。 POLYTCHA 程 材料科学与工程学院王泓主编
(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
能网络课程 (a) 13-2金属与陶宽村帆-e曲线的弹性部分。 材料科学与工程学院王泓主编
图13-2 金属与陶瓷材料σ-e曲线的弹性部分
13.3陶材邮质 13.3.1陶材料的裂 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:延仲率δ和 新面收输9均近似为乘。可以认为,陶材样的抗按强度C 能网络课程 断裂强度O和屈服强度在数值上是相条的。而且,陶材料不 论在按伸、萼曲、扭转,或轴向压縮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 轴向压縮强度比抗拉强度大得多。这是脆性材料的一个精点或 仇点。和全属材科和地,陶瓷材料在高属下具有良好的北变 性能,而且在高温下也具有一定的塑性。 材料料学与工程学院王泓主编
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