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第十三章 陶瓷材料的力学行为

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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。

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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

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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

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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]

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(2) 气孔率对陶瓷材料弹性模量的影响

)5.21(

)1(

p

pEE oeff

(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。

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图 13-1 孔隙率对陶瓷材料弹性模量 Eeff 的影响 [167]

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(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。

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图 13-2 金属与陶瓷材料 σ-e 曲线的弹性部分。

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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。

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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( 2/3

p

pof

(13-2)

式中 σ0 为无微孔洞材料的断裂强度。

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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]

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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。

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图 13-4 因加工产生的表面伤痕与氮化铝 AlN 强度的关系 [39]

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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 [ ] 。

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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

tfbN K/

tfbN KSS /

(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

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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。

10-1 100 101 102 103 1040

100

200

300

400

500

Kt

1.0 1.8 2.3

σ /

MP

a

dσ / dt / MPa s -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

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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。

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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。

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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。

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图 13-8 Al2O3 陶瓷具有给定存活率的循环疲劳寿命曲线

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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]

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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。

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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 ）

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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 12-15 MPa 低者仅有 2-3 MPa [176] 。 m m

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13.6 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。

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13.8 结束语