1、. .陶瓷材料的超塑性X文娣齊魯工業(yè)大學 材料科學與工程學院 材工10-2班 * 250353摘要：雖然陶瓷材料在本質上是一種脆性材料；然而研究已說明細晶陶瓷材料具有超塑性，在高溫下能產生很大的拉伸形變。陶瓷材料的超塑性可以定義為在拉伸載荷下顯示異常高的延伸率，斷裂前無頸縮發(fā)生。通過對超塑性晶界滑移微觀機理的解釋，了解超塑性產生的原因，進而分析一下陶瓷材料的形變特征參數(shù)，最后簡單介紹納米陶瓷材料，及陶瓷材料超塑性的開展前景。關鍵詞： 陶瓷材料；超塑性；晶界滑移；相變超塑性；陶瓷應用引言：陶瓷材料由于具有優(yōu)良的性能,如高強度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨、比重小等,因而得到越來越廣泛的應用,尤其適合用于

2、在高溫、摩擦和腐蝕介質的場合取代金屬部件。陶瓷很容易獲得細晶構造，而且構造比較穩(wěn)定，即使在較高的溫度時晶粒長大也不是很明顯，這顯示了陶瓷具有超塑性變形的潛力，但陶瓷材料在常溫下幾乎不產生塑性變形，實現(xiàn)超塑性形變要比金屬材料困難得多。 陶瓷材料的超塑性可以定義為在拉伸載荷下顯示異常高的延伸率，斷裂前無頸縮發(fā)生。陶瓷的超塑性要求1.試驗溫度應到達材料熔化溫度的一半以上；2晶粒尺寸要很小，通常應小于<1m；3.能穩(wěn)定保持細晶構造，沒有或只有輕微的晶粒生長;4晶粒具有等軸粒狀，以利于晶界滑移的發(fā)生；5.能抑制空洞的產生和連接以及晶界別離。一陶瓷材料超塑性介紹1.1超塑性的分類細晶超塑性：晶粒尺寸

3、通常小于10微米；變形溫度T>0.5Tm,并在變形過程中保持恒定應變速率較低。相變超塑性：并不要求具有超細晶粒組織，而是在一定的溫度和應力條件下，經過屢次循環(huán)相變或同素異構轉變而獲得大延伸率。1.2 陶瓷材料超塑性變形的構造特征晶界滑動是人們普遍承受的變形機制，從晶界的組織構造出發(fā)，可以將晶界滑動分為三種類型：第一，界面構造使晶界上的原子比在晶格內的擴散快得多，這種類型的界面一般來說是大角度晶界；第二種類型，晶界間存在少量液相，如果晶相在液相中有一點溶解度，就可以增強晶間的擴散作用；第三種類型，主要是小角度晶界，推測是晶間位錯而產生的超塑性，它具有最大的變形速率，在工藝技術上最有意義。對

4、于受擴散控制的形變過程，高溫超塑性形變的特征方程可表達為：式中：為應變速率;A為常數(shù);G為剪切模量;b為伯氏矢量;k為玻爾茲曼常數(shù);T為絕對溫度;d為晶粒大小;p為晶粒尺寸指數(shù);為應力;n為應力指數(shù);D為擴散系數(shù)。，其中為頻率因子;Q為激活能;R為氣體常數(shù);n，p和Q是描寫形變過程的特征參數(shù)。在溫度和晶粒尺寸不變的條件下，方程還可進一步簡化為:或式中B為常數(shù)，m=l/n，稱為應變速率敏感性因子。通常當m>0.3(或n3)時，由于流動局部化和頸縮受到有效的抑制，材料才能產生明顯的超塑性.。晶體受力時，晶體的一局部相對另一局部發(fā)生平移滑動，叫做滑移?；剖窃诩魬ψ饔孟略谝欢ɑ葡到y(tǒng)上進展的

5、。晶體形變后，外表出現(xiàn)一些條紋，在顯微鏡下可以看到這些條紋組成一些滑移帶，至于多晶陶瓷，其晶粒在空間隨機分布，不同方向的晶粒，其滑移面上的剪應力差異很大。即使個別晶粒已達臨界剪應力而發(fā)生滑移，也會受到周圍晶粒的制約，使滑移受到阻礙而終止。所以多晶材料更不容易產生滑移。1.20滑移時存在一位錯寬度1.3 滑移機制晶體中已滑移的局部和未滑移局部的分界限是以位錯作為表征的。但這種分界并不是有一個鮮明的界限，實際上是一過渡區(qū)域，這個過渡區(qū)域稱為位錯的寬度，如圖1.2所示。位錯之所以有一定寬度，是兩種能量平衡的結果。從界面能來看，位錯寬度越窄界面能越小，但彈性畸變能很高。反之，位錯寬度增加，將集中的彈性

6、畸變能分攤到較寬區(qū)域內的各個原子面上，使每個原子列偏離其平衡位置較小，這樣，單位體積內的彈性畸變能減小了。位錯寬度是影響位錯是否容易運動的重要參數(shù)。位錯寬度越大，位錯就越易運動。1.4 陶瓷材料的形變特征參數(shù)應力指數(shù)n，含有玻璃相時一般為2以下.粗晶粒的n=1，屬于純擴散蠕變，是受晶格擴散控制的晶界滑移。n=2時的晶界滑移，是受界面反響控制的擴散；無玻璃相時為3左右；當晶粒尺寸由0.2微米增加到1.5微米時，應力指數(shù)由2.6減為1.6.高溫下的晶粒生長引起應變硬化，含有玻璃相時使流動應力下降，強化了超塑性流動，最大變形量增加，形變溫度下降?；罨苌婕暗阶冃螜C理和離子的擴散過程，一般為500-6

7、00KJ/mol。隨著晶粒尺寸的增加而下降，例如當及晶粒尺寸有0.3增加到1.33微米時，活化能由580降低為500 KJ/mol.。在高溫超塑性變形過程中，由于晶界滑移在晶界處產生應力集中，當應力集中超過臨界值時，空洞就成核。空洞主要在應力集中最嚴重的三晶交匯處成核，隨應變的增大而長大，并沿著晶界開展，局部空洞連結在一起形成裂紋，成為斷裂的起源，降低了材料的力學性能?？斩吹漠a生意味著擴散過程來不及松弛晶界滑移所產生的局部應力集中，限制了斷裂前的最大變形量。在受壓條件下，晶間脆性的影響不能得到有效的反映，晶間空洞和晶界別離或裂紋受到一定程度的壓抑，故所表現(xiàn)出的塑性形變不能嚴格地表達真正的超塑性

8、行為，只能說明具有高的延展性。嚴格地說，按傳統(tǒng)習慣把超塑性限定為材料具有異常大的拉伸延展性。但是過去有許多試驗是在受壓條件下進展，而且也應用壓縮成形，如鍛造、擠壓等的超塑性加工，故從實際出發(fā)，應把異常大的壓縮延展性也認為是超塑性. 二納米陶瓷的構造與超塑性納米陶瓷的顯微構造特征是，晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是處于納米量級的水平。超塑性要求晶粒細小，納米材料完全符合這一要求，預計納米陶瓷應該具有很好的超塑性。納米材料的晶界層所占的體積分數(shù)可能接近于晶粒的體積，晶界便具有舉足輕重的作用，許多界相的結合時不對稱和松散的，容易在外力作用下產生相對位移。納米陶瓷在高溫下具有類似于金屬的

9、超塑性。擴散系數(shù)比普通材料提高了3個數(shù)量級，晶粒尺寸降低了3個數(shù)量級，擴散蠕變速率高出1012倍。因此，在較低的溫度下，納米陶瓷材料因其高的擴散蠕變速率可對外力作出迅速反響，造成晶界方向的平移，從而出現(xiàn)超塑性。納米氧化鋯陶瓷在1250下，施加不太大的力就約有400%的形變。三陶瓷材料超塑性的開展前景 超塑性陶瓷材料的未來應用既取決于它在變形過程中是否成功，也取決于在長期使用中有沒有過早破壞的可能性。迄今為止，已經報道過Al2O3。ZrO2和Al2O3-ZrO2陶瓷的熱鍛造；把Y-TZP燒結坯料鍛至凈形和完全致密化，擠壓加工Y-TZP，擴散連接Y-TZP/Al2O3復合材料。通過對陶瓷材料超塑性的研究，進而可在一些領域如航天等高新技術領域取代金屬或金屬合金，推動陶瓷材料更廣泛的應用。文獻：楊斌 X小珍 "Al2O3陶瓷及其復合材料的超塑性研究" "中國陶瓷工業(yè)"2006年4月 第13卷第2期胡士廉 "