1、材料合成與制備材料合成與制備 第二章第二章 材料的性能材料的性能 2 材料的性能材料的性能 2.0 引言引言 材料的性能泛指其力學性能、材料的性能泛指其力學性能、物理性能和化學性能。性能提供了材物理性能和化學性能。性能提供了材料的使用性。研究材料性能時通常將料的使用性。研究材料性能時通常將其分為三類其分為三類: 力學性能力學性能(機械性能機械性能):包括強度、硬度、包括強度、硬度、剛度、彈性、韌性、疲勞等。剛度、彈性、韌性、疲勞等。 物理性能物理性能:主要包括熱性能主要包括熱性能(熱容熱容/比熱比熱,熱熱傳導傳導,熱輻射熱輻射,耐熱耐熱(溫溫)性性,抗熱震性等抗熱震性等)、電性能電性能(導電性

2、導電性,介電性介電性,半導電性半導電性,超導電超導電性性,抗電性抗電性,壓電性壓電性,鐵電性鐵電性,熱釋電性熱釋電性,電光電光性等性等)、磁性能、磁性能(鐵磁性鐵磁性,順磁性順磁性,抗磁性、抗磁性、壓磁效應壓磁效應,旋磁效應等旋磁效應等)、光性能、光性能(反射反射,折折射射,散射散射,衍射衍射,色散色散,光吸收光吸收,顏色顏色,發光發光,熒熒光光,激光激光,光電光電,磁光磁光,聲光等聲光等)、聲學性能、聲學性能(傳導傳導,吸收吸收,反射反射,散射等散射等)等。等。 化學性能化學性能:化學穩定性化學穩定性(在使用環境中組在使用環境中組成及相的穩定性、耐酸性、耐堿性、成及相的穩定性、耐酸性、耐堿性

3、、耐熔渣性、抗氧化還原性等耐熔渣性、抗氧化還原性等)、化學活、化學活性、催化活性、生物相容性等。性、催化活性、生物相容性等。 研究性能的意義在于研究性能的意義在于: (1) 解析材料各種物理化學性能的本質解析材料各種物理化學性能的本質,研究性能的描述研究性能的描述(表征表征)、測量與評價、測量與評價、性能的實際應用等性能的實際應用等; (2) 解析材料性能與其組成、結構、解析材料性能與其組成、結構、制造加工工藝以及使用環境等間的制造加工工藝以及使用環境等間的相互關系和規律相互關系和規律,為在最優條件下為在最優條件下使用材料、高效利用材料的單項或使用材料、高效利用材料的單項或組合性能提供科學依據

4、組合性能提供科學依據; (3) 為新材料的研制、設計、加工為新材料的研制、設計、加工和應用提供科學依據和應用提供科學依據; 2.1 陶瓷材料的力學性能陶瓷材料的力學性能 力學性能是工程材料或結構材料的主力學性能是工程材料或結構材料的主要物理性質要物理性質,是材料選擇與結構設計的基本是材料選擇與結構設計的基本依據。本節的主要討論與材料力學性能有依據。本節的主要討論與材料力學性能有關的基本術語、理論、試驗及評價方法。關的基本術語、理論、試驗及評價方法。2.1.1 彈性彈性2.1.1.1 應力與應變應力與應變 (a ) 圖圖2.1 拉伸形變拉伸形變 (b) l0/m l/mPS0S 應力與應變是衡量

5、固體材料在外應力與應變是衡量固體材料在外力作用下受力狀態與變形的尺度力作用下受力狀態與變形的尺度,對于對于受拉應力的棒受拉應力的棒(圖圖2.1): 應力應力: ( Nm2 ) (2.1.1) 應變應變: (無因次無因次) (2.1.2) 2.1.1.2 應力應變曲線應力應變曲線 材料在應力材料在應力作用下產生應變作用下產生應變,作作-圖即得應力圖即得應力-應變曲線應變曲線(-曲線曲線)。SP/00/lll 典型材料在拉伸應力作用下的典型材料在拉伸應力作用下的-曲線如圖曲線如圖2.1.2所示所示:對于一般的金屬材料對于一般的金屬材料,-曲線如圖曲線如圖2.1.2中中所所b示示.一般可分為四一般可

6、分為四個階段個階段: 彈性階段彈性階段:相應于曲線相應于曲線OA段段,-為線性關系為線性關系,可用虎克定律可用虎克定律(Hooks Law)描述描述: (2.1.3) a (脆性材料) D B C b (金屬) A C(橡膠) O 圖2.1.2 典型材料應力-應變曲線tgE. 式 中式 中 E 稱 為 彈 性 模 量 或 楊 氏 模 量稱 為 彈 性 模 量 或 楊 氏 模 量(Youngs modulus)。其物理意義是指材料。其物理意義是指材料產生單位應變所需的應力產生單位應變所需的應力,反映了材料內部反映了材料內部原子間結合力的大小原子間結合力的大小,ISO單位為單位為Nm-2(Pa,常

7、常用用MPa),也反映了材料在應力作用下變形能也反映了材料在應力作用下變形能力力(彈性彈性)的大小的大小,也即表示了材料彈性的大也即表示了材料彈性的大小。對于剪切應力小。對于剪切應力,則有則有: (2.1.4) 式中式中G為剪切模量為剪切模量(shear modulus);為剪切為剪切應力應力(Pa,MPa);為剪切應變為剪切應變,無量綱。無量綱。G 對于靜水壓力對于靜水壓力,則有則有: (2.1.5) 式中式中K為體積模量為體積模量(bulk modulus);為為剪切應力剪切應力(Pa,MPa);為體積應變為體積應變,無量綱。無量綱。E、G、K三者的關系為三者的關系為: K12EG(2.1

8、.6)213EK(2.1.6)(2.1.7) 式中式中 為泊松比。為泊松比。 當應力超過當應力超過A后后,從從A到到B,不再是直線關系不再是直線關系,但材料變形仍但材料變形仍然是彈性的。所以然是彈性的。所以,把把B點所對應的應點所對應的應力力B稱為材料的彈性極限。又因稱為材料的彈性極限。又因A、B兩點很近兩點很近,工程上常不予區分。當應力工程上常不予區分。當應力超過超過B時時,材料開始產生部分塑性材料開始產生部分塑性(不可不可逆逆)變形變形,并很快進入屈服階段。并很快進入屈服階段。 GKKGE39(2.1.8) 屈服階段屈服階段:當應力達到當應力達到C后后,會出現一段應會出現一段應變增加較快變

9、增加較快,而應力則在很小范圍內波動而應力則在很小范圍內波動(震震蕩蕩)的所謂屈服階段的所謂屈服階段,曲線上會出現一段很小曲線上會出現一段很小的、接近水平的鋸齒狀曲線的、接近水平的鋸齒狀曲線,也稱為屈服或也稱為屈服或流動流動,C則稱為屈服應力。對于一般金屬而則稱為屈服應力。對于一般金屬而言言,相應于相應于C的永久變形量約的永久變形量約為為0.05%。 強化階段強化階段:屈服階段后屈服階段后,材料又開始恢復材料又開始恢復(增加增加)抵抗變形的能力抵抗變形的能力,曲線呈現出隨增加曲線呈現出隨增加而上升的趨勢而上升的趨勢,此現象稱為強化。此階段曲此現象稱為強化。此階段曲線的最高點線的最高點D所對應的應

10、力稱為強度極限所對應的應力稱為強度極限(D)。 局部變形階段局部變形階段:越過越過D點以后點以后,曲線由上升曲線由上升轉為下降轉為下降,具體表現為受拉伸材料的某一局部具體表現為受拉伸材料的某一局部范圍內應力截面將突然減小范圍內應力截面將突然減小,產生所謂的產生所謂的“縮縮頸頸”現象現象,最后導致材料在縮頸處斷裂。最后導致材料在縮頸處斷裂。 脆性材料脆性材料,如玻璃、陶瓷等如玻璃、陶瓷等,常溫下沒有常溫下沒有屈服以及以后個階段屈服以及以后個階段,往往在應變很小往往在應變很小(約約0.0001)的狀態下突然斷裂的狀態下突然斷裂,也即脆性斷裂。但也即脆性斷裂。但當溫度升高到一定值以后當溫度升高到一定

11、值以后(玻璃約為玻璃約為tg點點,陶瓷陶瓷約為約為1000左右左右),則會出現由脆性到半脆性再則會出現由脆性到半脆性再到塑性的的轉變到塑性的的轉變,圖圖2.1.3。有些材料則會在特。有些材料則會在特定溫度范圍出現超可塑性現象。定溫度范圍出現超可塑性現象。 D TA TB TC A B C TAB TBC T/K (a) (b) 圖2.1.3 材料強度及應變與溫度的關系 2.1.1.3 影響材料彈性的因素影響材料彈性的因素 (1) 溫度溫度:原子間結合力隨溫度升高而改原子間結合力隨溫度升高而改變變,E對對T很敏感。固體材料的彈性模量很敏感。固體材料的彈性模量一般隨溫度升高而降低。如果材料的熔一般

12、隨溫度升高而降低。如果材料的熔點點Tm,300K以下以下,彈性模量與熔點的關系彈性模量與熔點的關系為為: (經驗式經驗式) (2.1.9) 式中式中Va為原子體積為原子體積,k為波爾滋曼常數。為波爾滋曼常數。 amVkTE/100 (2) 材料氣孔率材料氣孔率(密度密度) (2.1.10) 式中式中p為材料氣孔率為材料氣孔率,E0為為p=0時的彈性時的彈性模量模量,f1、f2為由氣孔形狀決定的常數。為由氣孔形狀決定的常數。對于球形氣孔對于球形氣孔, f1=1.9 ,f2=0.9,Frost給出給出下述經驗式下述經驗式: E=E0exp(-BP) (2.1.11)22101pfpfEE (3)晶

13、體結構晶體結構 對于晶體材料來說對于晶體材料來說,E是各向異是各向異性的。性的。E的值需用張量來描述。對的值需用張量來描述。對于多晶材料來說于多晶材料來說,則可認為則可認為E是各向是各向同性的同性的(統計性的統計性的)。具有密堆積結。具有密堆積結構且鍵能大的材料通常具有較大的構且鍵能大的材料通常具有較大的熱膨脹系數。熱膨脹系數。 2.1.1.4 復合材料的彈性模量復合材料的彈性模量 復合材料的彈性模量與復合材料的復合材料的彈性模量與復合材料的復合相類型以及復合方式等有關。對于復合相類型以及復合方式等有關。對于規則規則(取向一致取向一致)復合材料來說復合材料來說,復合材料復合材料的彈性模量的彈性

14、模量EC與復合相的彈性模量與復合相的彈性模量EP間間具有簡單的數學關系。以最簡單的二相具有簡單的數學關系。以最簡單的二相理想三明治復合材料理想三明治復合材料(圖圖2.1.4)為例為例,EC可可以用混合定律來描述。在平行復合界面以用混合定律來描述。在平行復合界面的方向上的方向上,材料處于等應變狀態材料處于等應變狀態,應力主應力主要由彈性模量大的物相承受。要由彈性模量大的物相承受。 根據理想二相復合模型Voigt給出: E=E1V1+E2V2 (2.1.12) 式中E1、E2分別為材料1和2的彈性摸量;V1、V2分別為材料1和2的體積分數。 E E E E圖2.1.4 二相理想三明治復合材料模型

15、G、K類似表達式,在此不再贅述。在垂直復合界面上,各相所受的應力相同,材料處于等應力狀態。Reuss給出的表達式為: (2.1.13) 顯然,E和E分別代表了兩相理想復合材料彈性模量的上限和下限值,與實際材料有出入,如圖2.1.5 圖2.1.5 WC-Co兩相復合材料實驗值 Voigt界 Reuss界221121VEVEEEE 2.1.2 材料強度材料強度 2.1.2.1 理論斷裂強度理論斷裂強度 理想晶體常溫脆性(完全彈性體)斷裂時,其理論斷裂強( )度主要取決于原子間力,可以近似表示為: (2.1.14) 式中 為理論斷裂強度(Nm2,Pa,MPa);E為彈性模量(Nm2,Pa,MPa);

16、 為材料斷裂表面能(Jmm),a為原子間距(m)。aEththth 其中其中 可以用下式近似表示可以用下式近似表示: (2.1.15) 由式由式(2.1.14)和和(2.1.15)可得可得: th=E/10 (2.1.16) 實驗結果表明實驗結果表明,實際材料的強度都明顯實際材料的強度都明顯低于低于(脆性材料更明顯脆性材料更明顯)理論強度理論強度,表表2.1.1為某些材料強度的理論值與實驗為某些材料強度的理論值與實驗值。值。100/Ea 表2.1.1 典型材料斷裂強度理論值與實驗值序號材 料th(Mpa)實測f(MPa)th/f 1Al2O3晶須5000015400 3.3 2鐵晶須30000

17、13000 2.3 3奧氏體鋼204803200 6.4 4高碳鋼琴絲1400025005.6 5硼34800240014.5 6玻璃693010566.0 7Al2O3單晶5000064477.6 8BeO35700 238150.0 9MgO2450030181.4 10 Si3N4(熱壓)38500100028.5 11Si3N4(反應燒結)38500295130.5 12AlN(熱壓)28000600100046.728.0 由表中數據可見由表中數據可見,金屬材料的實際強金屬材料的實際強度一般較度一般較th低數倍低數倍,陶瓷、玻璃等脆性材陶瓷、玻璃等脆性材料則低一到兩個數量級。產生此結

18、果的料則低一到兩個數量級。產生此結果的本質原因是材料內部及表面存在各種各本質原因是材料內部及表面存在各種各樣的缺陷樣的缺陷,如熱缺陷、加工缺陷、合成或如熱缺陷、加工缺陷、合成或制作工藝過程中形成或保留下的氣孔、制作工藝過程中形成或保留下的氣孔、夾雜物、晶界、相界等夾雜物、晶界、相界等,導致在應力作用導致在應力作用下材料內部或表面形成非均勻力場下材料內部或表面形成非均勻力場,即所即所謂的應力集中謂的應力集中,使材料在遠遠低于理論強使材料在遠遠低于理論強度的宏觀應力狀態下斷裂或破壞。度的宏觀應力狀態下斷裂或破壞。 3.1.2.2 格里非斯格里非斯(Griffith)微裂紋理論微裂紋理論 格里非斯格

19、里非斯(Griffith)認為認為,實際材料實際材料的內部和表面存在著各種各樣的微裂紋的內部和表面存在著各種各樣的微裂紋,這些微裂紋是材料的結構缺陷這些微裂紋是材料的結構缺陷,也是材也是材料強度的薄弱環節。這些缺陷可以是晶料強度的薄弱環節。這些缺陷可以是晶體缺陷、局部應力缺陷、微孔、環境介體缺陷、局部應力缺陷、微孔、環境介質侵蝕損傷以及材料加工損傷等質侵蝕損傷以及材料加工損傷等,其尺其尺寸可以從納米到微米級或更大。寸可以從納米到微米級或更大。 由于微裂紋的存在由于微裂紋的存在,一方面減少一方面減少了材料承受應力的有效截面了材料承受應力的有效截面,另一方另一方面造成應力在微裂紋面造成應力在微裂紋

20、(microcracks)尖端尖端(邊緣邊緣,edge)形成應力集中形成應力集中,當這當這種集中的應力大于材料內部原子間種集中的應力大于材料內部原子間結合力時結合力時,微裂紋就會擴展微裂紋就會擴展,導致應力導致應力進一步集中進一步集中,繼而加速裂紋的擴展繼而加速裂紋的擴展,如如此循環作用此循環作用,最后導致材料斷裂。最后導致材料斷裂。 2C 圖2.1.6 缺陷材料應力分布 根據上述解釋根據上述解釋, Griffith從能量準則出發從能量準則出發,給出給出了實際材料斷裂強度的了實際材料斷裂強度的理論計算式。他認為理論計算式。他認為,帶有長度為帶有長度為2C(圖圖2.1.6)的穿透裂紋的脆性無限的

21、穿透裂紋的脆性無限平板材料平板材料(平面應力狀平面應力狀態態)的斷裂強度為的斷裂強度為: (2.1.17a) 2CCEf 2 對于厚板對于厚板(平面應變狀態平面應變狀態),則有則有: (2.1.17b) 并且認為并且認為,裂紋擴展的條件為物體內部裂紋擴展的條件為物體內部儲存的彈性應變能的降低應當大于等于儲存的彈性應變能的降低應當大于等于由于材料開裂而形成的兩個新表面所需由于材料開裂而形成的兩個新表面所需的表面能。的表面能。CEf 122 比較比較 (2.1.17a) 與與(2.1.14)兩式兩式,即用即用C/2取取代代(2.1.14)式中的式中的a即得到即得到(2.1.17a)式。式中的式。式

22、中的a通常小于通常小于1nm,而式而式(2.1.17a)中的中的C通常是通常是m級級,甚至可達到甚至可達到mm級級,所以所以,fth。 式式(2.1.17)是實際估算脆性材料斷裂應力是實際估算脆性材料斷裂應力的基本公式。但不適合用來估算金屬、非晶的基本公式。但不適合用來估算金屬、非晶態聚合物等非脆性材料的一般性斷裂應力。態聚合物等非脆性材料的一般性斷裂應力。這是因為這是因為,材料的裂紋形狀以及裂紋尖端區的材料的裂紋形狀以及裂紋尖端區的塑性變形塑性變形(產生應力松弛產生應力松弛)等因素等因素,都會使表面都會使表面能發生變化。能發生變化。 Orowan考慮到上述因素考慮到上述因素,給出一般材料的給

23、出一般材料的斷裂應力表達式為斷裂應力表達式為: (2.1.18a) (2.1.18b) 式中式中 為裂紋擴展單位面所需的塑性變形功。為裂紋擴展單位面所需的塑性變形功。延性材料延性材料 ,高強度合金高強度合金 103 ,普通強普通強度鋼度鋼 (104106) 。ppppCEpf 2CEpf 122 上述兩式可簡化為上述兩式可簡化為: (2.1.19a) (2.1.19b) CEf 2CEf 122裂紋模型根據固體的受力狀態和形變方式裂紋模型根據固體的受力狀態和形變方式,分為分為三種基本的裂紋模型三種基本的裂紋模型,其中最危險的是張開型其中最危險的是張開型,一般在計算時一般在計算時,按最危險的計算

24、。按最危險的計算。張開型張開型錯開型錯開型撕開型撕開型裂紋模型裂紋模型2.1.2.3 應力強度因子與斷裂韌性應力強度因子與斷裂韌性應力強度因子與斷裂韌性應力強度因子與斷裂韌性 實際材料一般都具有或大或小的塑實際材料一般都具有或大或小的塑性性(plasticity),含微裂紋含微裂紋(MC)材料的斷材料的斷裂是由于裂是由于MC尖端應力場超過了一定極尖端應力場超過了一定極限。斷裂限。斷裂(fracture)過程中過程中MC尖端存在尖端存在不同程度的塑性變形區不同程度的塑性變形區,引起應力松弛引起應力松弛(relax)。根據彈性力學理論。根據彈性力學理論,對于張開型對于張開型MC,其尖端區的應力集中

25、場強弱可以用其尖端區的應力集中場強弱可以用下述公式描述下述公式描述: (2.1.20) 式中式中,KI為應力強度因子為應力強度因子,也即應力場也即應力場強弱強弱,描述了描述了MC尖端區的應力環境。尖端區的應力環境。Y為形狀因子為形狀因子,又稱柔性系數又稱柔性系數,是由是由MC形狀、尺寸及載荷形式所決定形狀、尺寸及載荷形式所決定的無量綱系數的無量綱系數,無限平板無限平板Y= , 為為應力應力(Jmm);C為為MC半長半長(m)。CYKI/1 當當MC尖端區的應力場強度達到某一臨界尖端區的應力場強度達到某一臨界值值C,也即應力強度因子達到某一臨界值也即應力強度因子達到某一臨界值KIC時時,MC失穩

26、擴展失穩擴展,最終導致材料斷裂最終導致材料斷裂(破壞破壞)。KIC稱為斷裂韌性稱為斷裂韌性(fracture toughness)。 KIC是一個對材料結構及是一個對材料結構及MC類型敏感的類型敏感的材料常數材料常數(指標指標),表示材料對表示材料對MC起始擴展的起始擴展的抵抗力抵抗力,可用實驗方法檢測。常見的可用實驗方法檢測。常見的KIC測試測試方法有單邊直通切口粱法方法有單邊直通切口粱法(SENB)、雙扭法、雙扭法(DT)、Knoop壓痕三點彎曲粱法、山形切口壓痕三點彎曲粱法、山形切口劈裂試件法等。劈裂試件法等。 對于張開型對于張開型MC,材料中失穩擴展材料中失穩擴展并導致斷裂的條件可以表

27、示為并導致斷裂的條件可以表示為: (2.1.21)或或 (2.1.22) (2.1.23)CYKICfCYKKCICICECYKICC2 無限平板無限平板: (2.1.24) 表表2.1.2 為某些典型材料的為某些典型材料的KIC值。值。 表2.1.2某些典型材料的KIC值 材 料KIC(Mpam1/2)材 料KIC(Mpam1/2)Al2O3 4405Sialon 57Al2O3-ZrO244.5C(f)/ Si3N4 28.1ZrO212C(f)/ A3S2 18.0ZrO2-Y2O3615馬氏體時效鋼100Si3N4(熱壓燒結)56Ni-Cr-Mn鋼 45SiC3.56Ti6Al4V 4

28、07075鋁合金 50EKIC2 綜上所述綜上所述,陶瓷材料與金屬材料相比陶瓷材料與金屬材料相比,具有以下特點具有以下特點: (1) 陶瓷材料理論上具有很高的斷裂強度陶瓷材料理論上具有很高的斷裂強度,但其實際斷裂強度卻比金屬低得多但其實際斷裂強度卻比金屬低得多,其主其主要原因是要原因是:陶瓷的多相結構或多晶結構、陶瓷的多相結構或多晶結構、相分布不均勻、晶粒尺寸大且不均勻、相分布不均勻、晶粒尺寸大且不均勻、晶粒性質各向異性、含不等量氣孔以及晶粒性質各向異性、含不等量氣孔以及低的可塑性等低的可塑性等; (2) 金屬金屬KIC通常比陶瓷通常比陶瓷KIC大一個數量級大一個數量級; (3) 陶瓷陶瓷(脆

29、性脆性)材料的抗壓強度遠材料的抗壓強度遠大于抗張強度大于抗張強度,其差值遠遠超過金屬。其差值遠遠超過金屬。金 屬 抗 拉 強 度 與 抗 壓 強 度 之 比 為金 屬 抗 拉 強 度 與 抗 壓 強 度 之 比 為1/31/4,而陶瓷等脆性材料的相應比值而陶瓷等脆性材料的相應比值超過超過1/10。主要原因是陶瓷等脆性材料。主要原因是陶瓷等脆性材料內部各種缺陷對張應力敏感內部各種缺陷對張應力敏感,而對壓應而對壓應力不敏感。部分材料的相應數據見表力不敏感。部分材料的相應數據見表2.1.3。 表2.1.3 某些材料的抗張強度(S)與抗壓強度(P) 材 料S(MPa)P(MPa)S /P鑄鐵FC101

30、001504006001/4鑄鐵FC2525030085010001/(3.33.4)石英玻璃 50 2001/40鋁紅柱石(Al2O3.SiO2)1251350 1/10.899 Al2O3瓷2652900 1/11.3燒結BC30030001/10 2.1.2.4 影響材料強度的因素影響材料強度的因素顯微結構顯微結構: 氣孔率氣孔率: (2.1.25) 式中式中:a為常數為常數,取值范圍為取值范圍為47;p為氣孔為氣孔率率;此式適用于氣孔率低于此式適用于氣孔率低于50%的材料。的材料。 晶粒尺寸晶粒尺寸: (Hall Pitch關系關系) (2.1.26) 式中式中:0為無限大單晶的強度為

31、無限大單晶的強度;k為系為系數數;d為晶粒直徑為晶粒直徑,材料中微裂紋的尺寸材料中微裂紋的尺寸與晶粒尺寸相當。與晶粒尺寸相當。 apfexp0210kdf 晶界與相界晶界與相界:其種類、性質、結其種類、性質、結構、尺寸、結構狀態等都會影響材構、尺寸、結構狀態等都會影響材料強度。料強度。 晶粒形狀晶粒形狀:多相材料最好是小而多相材料最好是小而均勻的等軸晶粒或復合有纖維或晶均勻的等軸晶粒或復合有纖維或晶須相。須相。 晶粒種類晶粒種類:本身的結構強度、化本身的結構強度、化學鍵類型、晶體結構特征以及對稱學鍵類型、晶體結構特征以及對稱性等。性等。 復合材料強度復合材料強度:針針/棒狀晶粒、纖維及棒狀晶粒

32、、纖維及其織物、晶須、第二相微粒彌散等。其織物、晶須、第二相微粒彌散等。 高強單相多晶材料的顯微結構應符高強單相多晶材料的顯微結構應符合下述要求合下述要求:晶粒尺寸小、晶體缺陷少、晶粒尺寸小、晶體缺陷少、晶粒尺寸均勻等軸、晶界或相界含量晶粒尺寸均勻等軸、晶界或相界含量適當并減少脆性玻璃相含量、低氣孔適當并減少脆性玻璃相含量、低氣孔率或采用纖維率或采用纖維/晶須補強等晶須補強等。 纖維及晶須的增強作用除了其本纖維及晶須的增強作用除了其本身具有高強度外身具有高強度外,還增加了額外的拔出還增加了額外的拔出功。功。溫度的影響溫度的影響 溫度對彈性模量的影響溫度對彈性模量的影響:影響原子間影響原子間距距

33、,因而影響原子間結合力。因而影響原子間結合力。 溫度對強度的影響溫度對強度的影響:有兩類斷裂模式有兩類斷裂模式,一類是材料強度隨著溫度的升高持續一類是材料強度隨著溫度的升高持續下降下降,另一類是材料強度隨著溫度的升另一類是材料強度隨著溫度的升高先開始持續增大高先開始持續增大,達到一極限值后再達到一極限值后再隨溫度升高而下降隨溫度升高而下降(圖圖2.1.7)。 T 圖2.1.7 抗彎強度與溫度關系的兩種模式 對于陶瓷材料對于陶瓷材料,Brown等人給出等人給出圖圖2.1.8所示的所示的f-T曲線。強度與溫度曲線。強度與溫度的關系一般可劃分為三個區域。的關系一般可劃分為三個區域。 A區區:當當T0

34、.5Tm時時,陶瓷強度基本不陶瓷強度基本不隨溫度改變或略有升高隨溫度改變或略有升高;當當T0.5Tm時時,強度隨溫度升高而明顯降低。強度隨溫度升高而明顯降低。 T/K 圖2.1.7 陶瓷的-T關系 A B C 塑性變形應力 斷裂前無 內在裂紋 塑性變形 擴展應力 斷裂應力 交滑移應力 B區區:斷裂前產生明顯的塑性變形。斷裂前產生明顯的塑性變形。強度對即存缺陷的敏感性降低。斷強度對即存缺陷的敏感性降低。斷裂主要受塑性變形控制裂主要受塑性變形控制,隨溫度的隨溫度的升高升高,強度明顯降低。共價鍵及離強度明顯降低。共價鍵及離子鍵晶體由于位錯而產生塑性變形子鍵晶體由于位錯而產生塑性變形時時,強度對溫度很

35、敏感強度對溫度很敏感,此時強度受此時強度受位錯塞積控制位錯塞積控制,可用式可用式(2.1.26)描述。描述。210kdf C區區:當溫度進一步升高到當溫度進一步升高到C區時區時,二二維滑移系開動維滑移系開動,位錯塞積群中的部分位錯塞積群中的部分位錯產生交滑移而沿另外的滑移面位錯產生交滑移而沿另外的滑移面繼續滑移繼續滑移,松馳了應力集中松馳了應力集中,因而抑制因而抑制了微裂紋的萌生和發展了微裂紋的萌生和發展,且由于位錯且由于位錯的交滑移隨溫度升高而變得活躍的交滑移隨溫度升高而變得活躍,由由此產生更強的對位錯塞積群前端應此產生更強的對位錯塞積群前端應力松弛作用力松弛作用,所以在此區域所以在此區域,

36、強度隨溫強度隨溫度升高而呈上升趨勢。度升高而呈上升趨勢。 上述觀點并非對所有陶瓷都符合得上述觀點并非對所有陶瓷都符合得很好很好,不同的陶瓷材料也并非都存在不同的陶瓷材料也并非都存在A、B和和C三個區域。共價鍵很強的三個區域。共價鍵很強的Si3N4很很難產生位錯運動難產生位錯運動,因此在很寬的溫度范因此在很寬的溫度范圍內為圍內為A區特性區特性,在很高的溫度下在很高的溫度下,強度強度也下降很少。也下降很少。Al2O3陶瓷在陶瓷在1000以下以下為為A區特性區特性,約在約在1000以上進入以上進入B區。區。很容易產生塑性變形的很容易產生塑性變形的MgO陶瓷無陶瓷無A區區,在在1700以下均為以下均為

37、B區區,約在約在1700以上進入以上進入C區。區。 材料表面狀態對強度的影響材料表面狀態對強度的影響 制作缺陷、加工缺陷、外力損傷制作缺陷、加工缺陷、外力損傷以及腐蝕缺陷等。此類缺陷往往尺寸以及腐蝕缺陷等。此類缺陷往往尺寸較大較大,常是影響材料強度的重要因數。常是影響材料強度的重要因數。荷載性質對材料強度的影響荷載性質對材料強度的影響 荷載大小、作用速度、靜載荷與震荷載大小、作用速度、靜載荷與震動載荷等。另外動載荷等。另外,小應力特別是周期性小應力特別是周期性應力的長時間持續作用會使材料在遠應力的長時間持續作用會使材料在遠低于實際強度的條件下疲勞破壞。低于實際強度的條件下疲勞破壞。 2.1.3

38、 材料硬度材料硬度 材料的硬度無統一定義材料的硬度無統一定義,通常因測試方通常因測試方法而異。不同的測試方法得到的硬度通常法而異。不同的測試方法得到的硬度通常物理意義也有區別。常用的有劃痕硬度、物理意義也有區別。常用的有劃痕硬度、壓入硬度與研磨硬度。用劃痕法測試硬度壓入硬度與研磨硬度。用劃痕法測試硬度時時,如莫氏硬度如莫氏硬度,表示材料抵抗剪切破壞的能表示材料抵抗剪切破壞的能力。用壓入法測試硬度時力。用壓入法測試硬度時,則表示材料抵抗則表示材料抵抗塑性變形的能力。例如維氏硬度塑性變形的能力。例如維氏硬度(HV)、洛、洛氏硬度氏硬度(HR、HRC,Rockwell hardness)、布、布氏硬

39、度氏硬度(HB, Brinell hardness)等。等。 HB主要用于測試較軟及中等主要用于測試較軟及中等硬度的金屬材料硬度的金屬材料,很少用于陶瓷。很少用于陶瓷。HV及及HK適用于較硬材料適用于較硬材料,包括陶瓷包括陶瓷材料的硬度測試。通常材料的硬度測試。通常,還用顯微還用顯微硬度測試無機非金屬材料的硬度。硬度測試無機非金屬材料的硬度。 2.1.3.1 維氏硬度維氏硬度(HV,Vikers hardness) HV硬度測試是用對面角為硬度測試是用對面角為136的 金 剛 石 正 四 棱 錐 體 作 為 壓 頭的 金 剛 石 正 四 棱 錐 體 作 為 壓 頭(indenter),在在9.

40、807490.3N的載荷作用的載荷作用下下,壓入材料表面壓入材料表面,保持一定時間后卸除保持一定時間后卸除載荷載荷,材料表面會留下一個截面為正方材料表面會留下一個截面為正方形的壓痕形的壓痕(indentation)(下圖下圖),測量壓痕測量壓痕的對角線長度的對角線長度,并計算壓痕的內表面積并計算壓痕的內表面積,便可求出單位面積上的載荷便可求出單位面積上的載荷,也即應力也即應力,此即為此即為HV硬度值。硬度值。HV的計算式為的計算式為: F (MPa) (2.1.27) 式中式中:P為壓頭載荷為壓頭載荷(N);S為壓痕表面積為壓痕表面積(mm2);為金剛石壓頭對面角為金剛石壓頭對面角(136);

41、 d為壓頭對角線平均長度為壓頭對角線平均長度(最大值最大值,mm)。HV與強度具有相同的量綱與強度具有相同的量綱,按按SI單位制單位制,一般為一般為MPa或或GPa。 221855.182/sin2/dPdPSPHV 對于脆性材料對于脆性材料,多數情況下壓痕邊多數情況下壓痕邊緣會產生破碎緣會產生破碎(裂紋裂紋),同時壓痕角上沿同時壓痕角上沿對角線延長方向也會產生裂紋對角線延長方向也會產生裂紋,因此因此,壓壓痕形狀不如金屬規整痕形狀不如金屬規整,給給d值的測量帶值的測量帶來一定困難。所以來一定困難。所以,在進行試樣制備時在進行試樣制備時,其測試表面需用金剛石研磨拋光成鏡其測試表面需用金剛石研磨拋

42、光成鏡面。在面。在HV測定的同時測定的同時,可根據壓痕角部可根據壓痕角部產生的微裂紋長度估算材料的產生的微裂紋長度估算材料的KIC值。值。因此因此,HV測試是一種簡單、經濟、一舉測試是一種簡單、經濟、一舉多得的方法。多得的方法。 2.1.3.2 顯微硬度顯微硬度(microhardness) 顯微硬度的測試原理同顯微硬度的測試原理同HV,但使用的載但使用的載荷較小荷較小,為為0.49039.807N(501000g)。另外。另外,壓頭尺寸也較小壓頭尺寸也較小,因此因此,壓痕尺寸也小壓痕尺寸也小,需用顯需用顯微鏡來測量壓痕的尺寸微鏡來測量壓痕的尺寸,因此而稱為顯微硬因此而稱為顯微硬度。度。 利用

43、顯微硬度儀利用顯微硬度儀,可對材料顯微組織中不可對材料顯微組織中不同的相或晶粒的硬度分別進行測試。顯微同的相或晶粒的硬度分別進行測試。顯微硬度根據壓頭的形狀不同又可分為維氏顯硬度根據壓頭的形狀不同又可分為維氏顯微硬度微硬度(Vikers microhardness,HVm)和努普和努普顯微硬度顯微硬度(Knoop microhardness,HKm)。 HVm的壓頭形狀與的壓頭形狀與HV相同相同,而而HKm的形的形狀為菱形截面金剛石錐狀為菱形截面金剛石錐,壓頭的對面角壓頭的對面角分別為分別為17230和和130。HVm及及HKm的計算公式如下的計算公式如下: (MPa) (2.1.28) (M

44、Pa) (2.1.29) 式中式中:P為載荷為載荷,(N);d對于對于HVm為壓痕對為壓痕對角線長度角線長度(mm),而對于而對于HKm為長對角線為長對角線長度。長度。2/1855.18dPHVm2/229.14dPHKm 在顯微硬度使用的載荷范圍內在顯微硬度使用的載荷范圍內,當用小載荷測定高硬度材料的硬度當用小載荷測定高硬度材料的硬度時時,硬度值與硬度值與P值有一定依賴關系。值有一定依賴關系。因此因此,測定時應盡量使用大載荷。另測定時應盡量使用大載荷。另外外,HK比比HV的載荷依賴性更明顯。的載荷依賴性更明顯。所以所以,不管采用何種方法不管采用何種方法,測量硬度測量硬度時都應注明載荷值。另外

45、時都應注明載荷值。另外,HV測試測試時時,由于壓痕彈性變形會帶來一定誤由于壓痕彈性變形會帶來一定誤差差,而而HK的誤差相對較小。的誤差相對較小。 2.1.3.3 劃痕硬度劃痕硬度(莫氏硬度莫氏硬度,Mohs hardness) 1812年由年由F.Mohs 創立。莫氏硬度創立。莫氏硬度(HM)是一種相對硬度表示法是一種相對硬度表示法,常用于礦物、地質、常用于礦物、地質、珠寶等行業。其測試方法是用事先規定好珠寶等行業。其測試方法是用事先規定好硬度等級的標準材料依次刻劃被測材料硬度等級的標準材料依次刻劃被測材料,如如果某一種材料剛好能劃傷被測材料果某一種材料剛好能劃傷被測材料,則其低則其低一級別的

46、材料的硬度即為被測試樣的硬度。一級別的材料的硬度即為被測試樣的硬度。 HM標準材料一般分為標準材料一般分為10級和級和15級兩類級兩類,詳見表詳見表2.1.4。 表表2.1.4 標準莫氏硬度材料順序標準莫氏硬度材料順序材 料硬度級(順序)材 料硬度級(順序)滑石 1滑石 1石膏 2石膏 2 方解石 3 方解石 3螢石 4螢石 4 磷灰石 5 磷灰石 5 正長石 6 正長石 6石英 7 石英玻璃 7石英 8黃玉 8黃玉 9 石榴石10 熔融ZrO211剛玉 9剛玉12SiC13 立方BC14 金剛石10 金剛石15 在選擇材料硬度測試方法時在選擇材料硬度測試方法時,應盡可應盡可能地反映材料的使用

47、性能。另外能地反映材料的使用性能。另外,HM值只能比較材料硬度的相對大小值只能比較材料硬度的相對大小,而且而且,任意兩相鄰硬度級間的實際硬度差并任意兩相鄰硬度級間的實際硬度差并不相等。不相等。 應當指出的是應當指出的是,采用不同方法側得采用不同方法側得的硬度值之間沒有可比性。對于結構的硬度值之間沒有可比性。對于結構陶瓷陶瓷,E20HV,且當溫度升高時且當溫度升高時,E/ HV比比值通常也升高。值通常也升高。 2.2 材料的熱性能材料的熱性能 陶瓷材料的熱性能可以分為陶瓷材料的熱性能可以分為基本熱性能基本熱性能(熱物性熱物性)和使用熱性能和使用熱性能兩大類。基本熱性能包括熱容兩大類。基本熱性能包

48、括熱容(比比熱熱)、熱導率和熱膨脹性等。使用、熱導率和熱膨脹性等。使用熱性能則主要包括耐火度、荷重軟熱性能則主要包括耐火度、荷重軟化溫度、高溫蠕變、抗熱震性等。化溫度、高溫蠕變、抗熱震性等。 2.2.1 基本熱學性能基本熱學性能 2.2.1.1 熱容熱容 (1)定義定義:材料溫度升高材料溫度升高(或降低或降低)1K所吸所吸收收(或放出或放出)的熱量的熱量,ISO單位為單位為Jmol-1K-1.根據過程的特征根據過程的特征,又可分為恒壓熱容與恒又可分為恒壓熱容與恒容熱容。容熱容。 (2.2.1)THCTHCPPP/ (2.2.2) 恒壓是實際生產中常見情況恒壓是實際生產中常見情況,因此因此恒壓熱

49、容應用較為廣泛。為了應用的恒壓熱容應用較為廣泛。為了應用的方便方便,工程應用中還將恒壓條件下單位工程應用中還將恒壓條件下單位質量的材料溫度變化質量的材料溫度變化1K時所吸收或放時所吸收或放出的熱量定義為比熱容的出的熱量定義為比熱容的,即即: (2.2.3)TUCTUCVVV/TmHCP/ 恒容條件下恒容條件下,可以從理論上導出可以從理論上導出CV-T關系。關系。0K時時CV=0,在極低溫度區在極低溫度區(2000)1550158030影響因素影響因素: 組成組成:包括化學組成和礦物組成包括化學組成和礦物組成,尤其尤其是礦物組成是礦物組成,玻璃相通常降低材料的高溫玻璃相通常降低材料的高溫荷重軟化

50、溫度荷重軟化溫度,影響的程度還與玻璃相種影響的程度還與玻璃相種類有關類有關,見表見表2.2.6; 材料的顯微結構材料的顯微結構:晶粒種類、晶粒大晶粒種類、晶粒大小、相對數量、形狀尺寸、交織關系等小、相對數量、形狀尺寸、交織關系等; 升溫速度升溫速度:升溫速度越快升溫速度越快,測得的高溫測得的高溫荷重軟化溫度值越高荷重軟化溫度值越高; 氣氛氣氛:含鐵、鈦等變價元素的材料含鐵、鈦等變價元素的材料,還原氣氛下通常具有較低的高溫荷還原氣氛下通常具有較低的高溫荷重軟化溫度重軟化溫度; 玻璃相玻璃相:數量、種類、分布形式及數量、種類、分布形式及其隨溫度的變化特性等其隨溫度的變化特性等; 氣孔率氣孔率:統常

51、降低高溫荷重軟化溫統常降低高溫荷重軟化溫度。度。 特別值得指出的是特別值得指出的是,熔點高的材料熔點高的材料TH 、TK不一定高不一定高,詳見表詳見表2.2.6及圖及圖2.2.3。另。另外外,組成越簡單組成越簡單(物相數量少物相數量少,主相多主相多,玻璃相玻璃相少少),通常高溫荷重軟化溫度范圍窄。對通常高溫荷重軟化溫度范圍窄。對于粘土磚來說于粘土磚來說,其相組成大約為其相組成大約為:主相為主相為A3S2(50%),其余部分為石英、氣孔和其余部分為石英、氣孔和硅酸玻璃相。通常具有較低的硅酸玻璃相。通常具有較低的TH,但因但因硅酸鹽玻璃相的高溫粘度隨溫度的變化硅酸鹽玻璃相的高溫粘度隨溫度的變化率較

52、小率較小,因而具有很寬的高溫荷重軟化溫因而具有很寬的高溫荷重軟化溫度范圍。度范圍。 硅磚的主相為鱗石英硅磚的主相為鱗石英,形成三微骨形成三微骨架架,少量玻璃相少量玻璃相(1015%)主要填充于空主要填充于空隙之中隙之中,因此而具有高的荷重軟化溫度因此而具有高的荷重軟化溫度和窄的軟化溫度范圍。鎂磚雖然具有和窄的軟化溫度范圍。鎂磚雖然具有特別高的耐火度特別高的耐火度,但其主相方鎂石沒有但其主相方鎂石沒有形成支撐骨架結構形成支撐骨架結構,而是為耐火度較低而是為耐火度較低的鎂橄欖石和鎂薔薇輝石等所包裹的鎂橄欖石和鎂薔薇輝石等所包裹(高高溫時熔融成潤濕性好的鎂硅酸鹽玻璃溫時熔融成潤濕性好的鎂硅酸鹽玻璃)

53、,因此其高溫荷重軟化溫度較低因此其高溫荷重軟化溫度較低,高溫荷高溫荷重軟化溫度范圍也窄。重軟化溫度范圍也窄。 2.2.2.3 高溫荷重軟化溫度高溫荷重軟化溫度概念概念:指耐火制品、高溫結構材料等在指耐火制品、高溫結構材料等在一定溫度和恒定應力同時作用下隨時間一定溫度和恒定應力同時作用下隨時間變化而發生的等溫變形變化而發生的等溫變形,也是耐火材料以也是耐火材料以及其它高溫結構材料的一項重要性能指及其它高溫結構材料的一項重要性能指標標,基本反映了高溫材料在高溫使用條件基本反映了高溫材料在高溫使用條件下的強度性質。下的強度性質。測試方法測試方法:根據外加應力的方式根據外加應力的方式,可分為可分為壓縮

54、蠕變、拉伸蠕變、彎曲蠕變和扭轉壓縮蠕變、拉伸蠕變、彎曲蠕變和扭轉蠕變蠕變,其中最為常用的是高溫壓縮蠕變。其中最為常用的是高溫壓縮蠕變。 國家標準國家標準(GB/T5073-1985)規定了規定了耐火制品壓縮蠕變的測試方法。其基本耐火制品壓縮蠕變的測試方法。其基本原理是原理是:在恒定壓應力下在恒定壓應力下,以一定的升溫以一定的升溫速率加熱規定尺寸的試樣速率加熱規定尺寸的試樣,在指定的實驗在指定的實驗溫度下恒溫溫度下恒溫,記錄試樣隨時間變化而發生記錄試樣隨時間變化而發生的變形的變形,而蠕變速率按下式計算而蠕變速率按下式計算: (2.2.20)1000inLLLP 式中式中:P為蠕變速率為蠕變速率,

55、%;Li為試樣原為試樣原始高度始高度,mm;L0試樣在恒溫開始時的試樣在恒溫開始時的高度高度,mm;Ln是樣恒溫是樣恒溫n小時后的高小時后的高度度,mm。實際應用中。實際應用中,通常還用高溫通常還用高溫蠕變曲線表示。典型的高溫蠕變曲蠕變曲線表示。典型的高溫蠕變曲線如圖線如圖2.2.4所示所示,可分為可分為4個蠕變階個蠕變階段段: OA段段:瞬時彈性變形階段瞬時彈性變形階段,應變與應變與時間無關時間無關; AB段段:一次蠕變一次蠕變,也稱減速蠕變階段也稱減速蠕變階段( ,蠕變速率隨時間增加而減小蠕變速率隨時間增加而減小)。此階段的持續時間與材料的本質、溫度此階段的持續時間與材料的本質、溫度以及應

56、力大小有關。在減速蠕變階段往以及應力大小有關。在減速蠕變階段往往伴隨有晶內亞結構的形成。往伴隨有晶內亞結構的形成。 B C 段段 : 二 次 蠕 變二 次 蠕 變 , 也 稱 等 速 蠕 變也 稱 等 速 蠕 變( ),蠕變率與時間成線性關系蠕變率與時間成線性關系,在此蠕變過程中在此蠕變過程中,材料一般無結構變化材料一般無結構變化;0/22dtd0/22dtd CD段段:三次蠕變,也稱加速蠕變( ),材料最后在D點破壞。此階段往往與材料內部各種缺陷的成核、生長與合并有關。0/22dtd蠕變機理蠕變機理:材料的蠕變從機理上可以材料的蠕變從機理上可以分為分為擴散蠕變、位錯蠕變擴散蠕變、位錯蠕變和和

57、晶界蠕晶界蠕變變三類。三類。擴散蠕變也稱為納巴羅擴散蠕變也稱為納巴羅-赫赫潤潤(Nabarro-Hering)蠕變蠕變,其本質為其本質為材料晶格中質點材料晶格中質點(原子、離子等原子、離子等)由由受壓晶面向受拉晶面擴散的過程受壓晶面向受拉晶面擴散的過程,屬屬于晶界機制。在外界應力的作用下于晶界機制。在外界應力的作用下,多晶固體內部自擴散會隨應力的方多晶固體內部自擴散會隨應力的方向形成定向擴散流向形成定向擴散流(圖圖2.2.5)。 圖2.2.5 蠕變機理 例如例如,空位將從受壓晶界流向張應力晶空位將從受壓晶界流向張應力晶界界,其濃度將增加到其濃度將增加到 (為空為空位體積位體積;C0為平衡濃度為

58、平衡濃度),而受壓晶界的空而受壓晶界的空位濃度將降低到位濃度將降低到 ,原子和原子和離子也有類似的定向流離子也有類似的定向流,結果產生晶界結果產生晶界的滑移和晶粒形狀的改變。按上述模型的滑移和晶粒形狀的改變。按上述模型,納巴羅和赫潤得出蠕變速率為納巴羅和赫潤得出蠕變速率為: (2.2.21)213/kTdDdtdkTCC/exp0kTCC/exp0 式中式中:t為時間為時間;D為原子自擴散系數為原子自擴散系數;d為為晶粒尺寸晶粒尺寸;為應力。為應力。 如果擴散只沿晶界進行如果擴散只沿晶界進行,Coble給出的給出的蠕變速率公式為蠕變速率公式為: (2.2.22) 式中式中:為晶界寬度為晶界寬度

59、,Db為晶界擴散系數為晶界擴散系數.347/kTdDdtdb 位錯蠕變位錯蠕變則是由于位錯運動而產生則是由于位錯運動而產生的變形。位錯運動可以有滑移的變形。位錯運動可以有滑移(沿滑移面沿滑移面的運動的運動)和攀移和攀移(運動到滑移面以外運動到滑移面以外,高溫高溫時起重要作用時起重要作用)兩種形式。位錯的攀移過兩種形式。位錯的攀移過程取決于晶格空位的擴散。因此程取決于晶格空位的擴散。因此,擴散也擴散也控制著變形的速率。威爾特曼給出小應控制著變形的速率。威爾特曼給出小應力下的穩態應變速率公式為力下的穩態應變速率公式為: (2.2.23) 式中式中:b為柏格斯矢量為柏格斯矢量;G為剪切模量為剪切模量

60、;N為為位錯源密度。位錯源密度。kTNGbDdtd5 . 05 . 35 . 05 . 42/ 位錯通過攀移移出滑移面常形成小角晶位錯通過攀移移出滑移面常形成小角晶界界(15)。溫度對位錯攀移有顯著影響。在。溫度對位錯攀移有顯著影響。在多晶陶瓷等材料中多晶陶瓷等材料中,晶界會阻止位錯的運動晶界會阻止位錯的運動(塞積和釘扎塞積和釘扎),從而減緩蠕變速率。晶粒尺寸從而減緩蠕變速率。晶粒尺寸也會影響材料蠕變。配奇也會影響材料蠕變。配奇(Petch)方程給出了方程給出了由于位錯滑移而導致的屈服強度和晶粒尺寸由于位錯滑移而導致的屈服強度和晶粒尺寸的關系為的關系為: (2.2.24) 式中式中:B為常數為