陶瓷材料的超塑

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1、陶瓷材料的超塑性刘文娣齐鲁工业大学材料科学与工程学院材工10-2班山东济南250353摘要：虽然陶瓷材料在本质上是种脆性材料；然而研究匕表明细品陶瓷材料具侑超塑性,在高温卜能产生很人的拉伸形变。陶瓷材料的超塑性可以定义为在拉伸载荷下显示异常高的延仲率，断裂前无颈缩发牛。通过对超塑性晶界滑移微观机理的解释，J'解超塑性产牛的原因，进而分析一下陶瓷材料的形变特征参数，最后简单介绍纳米陶瓷材料，及陶瓷材料超塑性的发展前景。关键词：陶瓷材料；超塑性；晶界滑移；相变超塑性；陶瓷应用引言：陶瓷材料由于具有优良的性能，如高强度、耐高温、耐腐蚀、

2、耐磨、比重小等，因而得到越来越广泛的应用，尤其适合用于在高温、摩擦和腐蚀介质的场合取代金属部件。陶瓷很容易获得细晶结构，而且结构比较稳眾，即使在较高的温度时晶粒长大也不是很明显，这显示了陶瓷具有超塑性变形的潜力，但陶瓷材料在常温下几乎不产生塑性变形，实现超塑性形变要比金属材料困难得多。陶瓷材料的超塑性可以定义为在拉伸载荷下显示界常高的延伸率，断裂前无颈缩发生。陶瓷的超犁性要求1•试验温度应达到材料熔化温度的一半以上；2晶粒尺寸要很小，通常应小于

3、界滑移的发生；5.能抑制空洞的产生和连接以及晶界分离。一.陶瓷材料超塑性介绍1.1超塑性的分类细晶超塑性：晶粒尺寸通常小于10微米；变形温度T>0.5Tm,并在变形过程中保持恒沱应变速率较低。相变超塑性：并不要求具有超细晶粒组织，而是在一定的温度和应力条件卜•，经过多次循环相变或同素异构转变而获得人延伸率。1.2陶瓷材料超塑性变形的结构特征晶界滑动是人们普遍接受的变形机制，从晶界的纽织结构出发，可以将晶界滑动分为三种类型：第一，界面结构使晶界上的原子比在晶格内的扩散快得多，这种类型的界面一般來说是大角度晶界；第二种类型，晶界间存在

4、少量液相，如果晶相在液相中有一点溶解度，就可以增强晶间的扩散作用；第三种类型，主耍是小角度晶界，推测是晶间位错而产生的超塑性，它具有最大的变形速率，在工艺技术上最有意义。对于受扩散控制的形变过程，高温超塑性形变的特征方程可表达为：D式中：£为应变速率;A为常数;G为剪切模量;b为伯氏矢量;k为玻尔兹曼常数;T为绝对温度;d为晶粒大小;p为晶粒尺寸指数;”为应力;n为应力指数;D为扩散系数。D=D°Exp(-Q/RT)，其中°。为频率因子;Q为激活能;R为气体常数;n,p和Q是描写形变过程的特征参数。在温度和晶粒尺寸不变的条件下，方

5、程述可进一步简化为:式中B为常数，m=l/n,称为应变速率敏感性因子。通常当m>0.3(或n<3)Hj,由于流动局部化和颈缩受到有效的抑制，材料才能产生明显的超塑性・。品体受力时，品体的一部分相对另一部分发生平移滑动，叫做滑移。滑移是在剪应力作用下在一定滑移系统上进行的。晶体形变后，表面岀现一些条纹，在显微镜下可以看到这些条纹组成一些滑移带，图n10鼎体的滑移示意图至于多晶陶瓷，其晶粒在空间随机分布，不同方向的晶粒，其滑移面上的剪应力差别很人。即使个别晶粒已达临界剪应力而发生滑移，也会受到周用晶粒丄何(C)的制约，使滑移受到阻碍而

6、终止。所以多晶材料更不容易产生滑移。1.20滑移时存在一位错宽度1.3滑移机制晶体中已滑移的部分和未滑移部分的分界线是以位错作为表征的。但这种分界并不是有一个鲜明的界线，实际上是一过渡区域，这个过渡区域称为位错的宽度，如图1.2所示。位错之所以有一定宽度，是两种能屋平衡的结果。从界面能来看，位错宽度越窄界面能越小，但弹性畸变能很高。反之，位错宽度增加，将集屮的弹性畸变能分摊到较宽区域内的各个原子面上，使每个原子列偏离其平衡位置较小，这样，单位体积内的弹性畸变能减小了。位错宽度是影响位错是否容易运动的重要参数。位错宽度越人，位错就越

7、易运动。1.4陶瓷材料的形变特征参数应力指数n,含有玻璃相时一般为2以下•粗晶粒的n二1,属于纯扩散蠕变，是受晶格扩散控制的晶界滑移。n二2时的晶界滑移，是受界面反应控制的扩散；无玻璃相时为3左右；当晶粒尺寸由0.2微米增加到1.5微米时，应力指数由2.6减为1.6.高温下的晶粒生长引起应变硬化，含有玻璃相时使流动应力下降，强化了超塑性流动，最大变形量增加，形变温度下降。活化能涉及到变形机理和离子的扩散过程，一•般为500-600KJ/molo随着晶粒尺寸的增加而下降，例如当及晶粒尺寸有0.3增加到1.33微米时，活化能由580降

8、低为500KJ/mol.o在高温超塑性变形过程中，由于品界滑移在晶界处产生应力集中，当应力集屮超过临界值时，空洞就成核。空洞主要在应力集屮最严重的三晶交汇处成核，随应变的增大而长大，并沿着晶界发展，部分空洞连结在一起形成裂纹，成为断裂的起源，降低了