陶瓷材料的脆性和克服脆性的途径

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1、材料物理性能无机材料2004级教师:邓承继博士陶瓷材料的脆性和克服脆性的途径材料强度的本质(根本):内部质点间的结合力--各种化学键的综合表现,在“固体材料结构基础中已经学习.同学们应该把原来的知识和现在的学习结合起来.材料的“表观”强度是由材料的本征强度和材料的各种“结构”--包括缺陷和强化无机材料物理性能2邓承继博士脆性是陶瓷的特征，亦是陶瓷的致命弱点，它间接地反映在陶瓷较低的抗机械冲击强度和较差的抗温度骤变性，直观地表现在一旦受到临界的外加负荷，陶瓷的断裂则具有爆发性的特征和灾难性的后果无机材料物理性能3邓承继博士实际材料的强度接近理

2、论强度的途径:提高晶体的完整度，消除缺陷：细：细晶微晶密：高密度匀：均匀无机材料物理性能4邓承继博士晶须(Whisker)：和理论强度在一个数量级纤维(fiber)：低于理论强度一个数量级单晶(Crystal)：接近理论强度氧化铝：抗拉强度(GPa)，particle-0.28，fiber-2.1，whisker-21无机材料物理性能5邓承继博士晶体尺寸和强度关系Hull-Petch公式(经验公式)，晶体尺寸和强度成反比关系Strength∝(GrainSize)-1/2，见下面的图无机材料物理性能6邓承继博士GrainSizeStreng

3、th(GrainSize)-1/2无机材料物理性能7邓承继博士陶瓷脆性的量度多晶体的脆性断裂经历着裂纹在晶内形成、扩展、越过晶界至相邻晶粒内等三个步骤，而裂纹扩展速度决定着是否能发生消除应力集中的塑性流动，因为引起塑性形变需要一定的起始时间。所以裂纹扩展是脆性的一种量度无机材料物理性能8邓承继博士改善陶瓷韧性与提高其强度的关系从断裂力学的观点来看，克服陶瓷的脆性和提高其强度的关键是：1）提高陶瓷材料抵抗裂纹扩展的能力；2）减缓裂纹尖端的引力集中效应。前者主要是提高材料的断裂性，后者的关键在于减小材料内部所含裂纹缺陷的尺度无机材料物理性能9邓

4、承继博士克服陶瓷脆性的途径陶瓷体中的韧性相——金属与陶瓷复合在裂纹扩展过程中，弥散于陶瓷基体中的韧性相起着附加的能量吸收作用，从而使裂纹尖端区域高度集中的应力得以部分消除，抑制了原先可能达到的临界状态，提高了材料裂纹扩展的抗力，相对改善了材料的韧性无机材料物理性能10邓承继博士陶瓷体内中裂纹尖端的增韧作用——相变粒子弥散相变增韧：MgO-ZrO2的相关系图表明，往ZrO2中掺入8mol%MgO，可在1800℃获得全稳定的ZrO2立方固溶体相，将其冷却至1500℃，就出现弥散于ZrO2立方基体中的四方ZrO2相。从能量平衡条件进行分析，可以看

5、到几种影响ZrO2相变的因素无机材料物理性能11邓承继博士1）ZrO2颗粒在陶瓷基体中相变的能量条件2）ZrO2弥散粒子的相变临界直径3）化学因素的影响。基体的化学组分和ZrO2弥散相的含量对ZrO2粒子的相变温度有一定影响。凡是能固溶于ZrO2中的其他掺杂物都或多或少地减少ZrO2的相变自由能差，相对降低其相变温度无机材料物理性能12邓承继博士主裂纹尖端增韧作用区的控制原则韧化作用区为陶瓷断裂韧性的提高做出贡献的理论基础是，ZrO2弥散粒子由四方相向单斜相转化引起的体积膨胀，以及由之诱发的弹性压变能或激发产生的微裂纹。因此，合理地控制Zr

6、O2弥散粒子的相变过程就能达到提高韧化效果的目的无机材料物理性能13邓承继博士1）控制ZrO2弥散粒子的尺寸D2）控制ZrO2颗粒的分布状态3）最佳的ZrO2体积分数和均匀的ZrO2弥散程度4）陶瓷基体和ZrO2粒子热膨胀系数的匹配5）控制ZrO2基弥散粒子的化学性质无机材料物理性能14邓承继博士表面韧化表面韧化是相变韧化的一种特殊形式，借助于表面处理的特殊技术，其目的在于陶瓷基体表面层在一定深度之内有四方ZrO2弥散相无机材料物理性能15邓承继博士陶瓷体内设置的裂纹扩展势垒——纤维与陶瓷复合高强度和高模量的纤维既能为基体分担大部分外加应力

7、，又可阻碍裂纹的扩展，并能在局部纤维发生断裂时以“拔出功”的形式消耗的部分能量，起到提高断裂能并克服脆性的效果无机材料物理性能16邓承继博士减缓裂纹尖端的应力集中效应1）采用化学抛光净化陶瓷表面，去除加工损伤，可大幅度减小实际强度和理论值之间的差别2）细化晶粒，既减小了晶内裂纹的尺度，又降低裂纹出现的几率，并且减小了多晶陶瓷坯体中由于晶粒的弹性和热性各向异性引起的残余应力，有利于克服脆性和提高强度3）裂纹尖端钝化或裂纹愈合无机材料物理性能17邓承继博士提高抗裂能力与预加应力在材料表面预加压应力压，材料在断裂时的应力断--拉应力，引起材料

8、断裂的应力为：压+断，提高材料抗断裂能力实际是：玻璃钢化--安全玻璃，航空玻璃Quenchingmethod无机材料物理性能18邓承继博士复合材料及其力学性能复合材料的定义：