2011-电子陶瓷第四章第二讲

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1、第四章电子陶瓷基本性质§4.2.2.机械强度机械强度是材料其抵抗外加机械负荷的能力，是材料重要的力学性能，是设计和使用材料的重要指标之一。根据使用要求，机械强度可以分为抗压强度、抗拉强度、抗折强度、抗剪切强度、抗冲击强度和抗循环负荷强度等。一般材料抗压强度远大于抗拉强度。陶瓷材料抗压强度约为抗拉强度的10倍。第四章电子陶瓷基本性质强度大多指抗拉强度。电子陶瓷材料的强度常用抗折强度表示。材料的实际强度比理论强度低得多。如烧结氧化铝的E＝3.66×1011N/m2,由式(4.5)，估算其理论强度σth=6.05×1010N/m2，但实测强度σ=2.66×108N/m2σ只有σth的

2、1/277。第四章电子陶瓷基本性质对实际材料强度低的原因有很多理论解释，格里菲斯（Griffith）的微裂纹理论比较成功。微裂纹理论：实际材料中有许多微裂纹，在外力作用下，裂纹尖端附近产生应力集中。当这种局部应力超过材料强度时，裂纹扩展，最终导致断裂。第四章电子陶瓷基本性质设将一单位厚度的薄板拉长到l+l，然后将两端固定，此时，板中存储的弹性应变能为：人为在板上割一条长度为2c的裂纹，则弹性应变能为：第四章电子陶瓷基本性质2cFl+l第四章电子陶瓷基本性质要使裂纹进一步扩展，应变能将进一步下降。应变能降低的数值等于形成新表面所需的表面能。由弹性理论，当人为在板上割开长2c的

3、裂纹时，平面应力（薄板）状态下应变能降低的值为：第四章电子陶瓷基本性质平面应变（厚板）状态下应变能降低的值为：式中：c为裂纹半长；为外加应力；E为弹性模量；为泊松比。第四章电子陶瓷基本性质产生长度为c；厚度为1的两个新断面所需的表面能为：第四章电子陶瓷基本性质当裂纹变化d(2c)时，单位面积所释放的能量为dWe/d(2c)；形成新表面所需表面能为：dWs/d(2c)第四章电子陶瓷基本性质对平面应力（薄板）状态下：第四章电子陶瓷基本性质因此，对于平面应力（薄板）状态下：同理，对平面应变（厚板）状态下：第四章电子陶瓷基本性质平面应力状态裂纹扩展的临界应力为：（2.3.2）平面应

4、变状态裂纹扩展的临界应力为(2.3.3)式中c为裂纹的半长度。第四章电子陶瓷基本性质例：如裂纹半长为0.5m，原子间距为10-8Cm,试估算该材料的实际强度与理论强度之间的关系。解：第四章电子陶瓷基本性质若能控制材料中裂纹长度2c与原子间距a接近，就能达到理论强度。微裂纹理论提出了要提高材料强度必须:1)减小裂纹尺寸;2)提高弹性模量；3)提高断裂表面能。陶瓷的断裂表面能比单晶的大，故其强度也较高。如果陶瓷和适当的金属制成复合材料，由于金属的塑性形变吸收了陶瓷晶相中裂纹扩展释放出的能量，使裂纹终止在相界上，提高了复合材料断裂表面能（比陶瓷），因而获得较高的强度和韧性。可以用其

5、它法阻止裂纹扩展，提高断裂表面能，以提高材料的强度，增加韧性。第四章电子陶瓷基本性质第四章电子陶瓷基本性质例如，在陶瓷中形成大量小于临界长度（达到临界应力时的裂纹长度）的微细裂纹，以吸收裂纹扩展时积蓄的弹性应变能，阻止裂纹扩展。增韧陶瓷即是依此原理研制而成的。第四章电子陶瓷基本性质陶瓷材料微晶化后可以提高其强度：当晶相中的微裂纹受到与其长度方向垂直的应力作用时，裂纹扩展到晶界时强度较低，形成沿晶界方向的裂纹。由于作用于此晶粒的外力与晶界平行，裂纹尖端的应力降低了，裂纹扩展后即停止。第四章电子陶瓷基本性质由于细晶粒陶瓷中垂直于裂纹扩展方向的晶界数比粗晶粒陶瓷中的多，所以，当晶粒尺

6、寸减小时陶瓷强度增大。Griffith的微裂纹理论在陶瓷、玻璃中获得了很大的成功，但对金属、高聚物不太适用。第四章电子陶瓷基本性质Orowan认为，主要因为金属等受力时会产生塑性形变，消耗了大量的能量使断裂强度提高。Orowan引入了扩展单位面积裂纹所需的塑性功p，具有延展性的材料的断裂强度f为：第四章电子陶瓷基本性质由于p»，即p控制着断裂的过程。一般，陶瓷、玻璃等脆性材料有m级的裂纹会断裂，金属、高聚物有mm级裂纹才会断裂！第四章电子陶瓷基本性质§4.2.3断裂韧性断裂是裂纹扩展的结果。根据断裂力学，裂纹尖端应力场的强度可用应力强度因子表示，即:K1=Yσ(4-

7、8)第四章电子陶瓷基本性质式中Y为几何形状因子，是与裂纹型式、试样几何形状有关的量。Y值可从断裂力学及有关手册中查到。对于大薄平板中间有穿透裂纹的情况，对于大薄平板边缘穿透的裂纹，Y=1.1；对三点弯曲的长条试样有穿透的边缘裂纹，Y在1.7~3.4范围，与裂纹长度和试样厚度比值有关。第四章电子陶瓷基本性质K1是外施应力与裂纹半长的函数，随外施应力增加或裂纹扩展而增加。K1值小于或等于某临界时不会发生断裂。此临界值叫断裂韧性，即(4-9)式中c为临界应力。第四章电子陶瓷基本性质防止脆性断裂的