陶瓷材料的结构与强化.ppt

陶瓷材料的结构与强化一、陶瓷材料强度的影响因素一般规律：

2.显微结构的影响：
材料性能决定于组成和结构。对于一定组成的多晶材料来说，就是决定于材料的结构，包括晶体结构和显微结构。

晶体结构的影响主要体现在两个方面：
(1)结合键的强度：决定了E和sth
(2)各向异性：产生内应力，在大多数情况下对性能不利。对于具体的材料来说，材料的强度在很大程度上取决于显微结构。实际上，所有显微结构因素都会对材料强度产生影响，如：晶粒大小、形状、取向，气孔的大小、形状、含量和分布，晶相、晶界、杂质，缺陷（表面、内部、裂纹）等等。

下面主要讨论晶粒大小和形状、气孔的影响以及多相材料中不同相的影响。（1）晶粒大小及其分布对强度的影响：
一般来说，多晶的断裂能比单晶大许多，最主要的原因是裂纹在多晶体内扩展是曲折不平的。因此，实际断裂表面积要比单晶大许多。
晶粒大小对强度的影响比较复杂的，因此无法在理论上建立一个明确的关系式，只能是从实验中总结出一条经验公式：
多晶材料断裂方式：由于晶界比晶粒内部弱，所以多晶材料破坏多是沿晶界断裂。如多晶氧化铝的晶粒断裂表面能微46J/m2,而晶界的为18J/m2。晶粒大小大多是指平均晶粒尺寸。但实际上，对强度的影响只有最大的晶粒尺寸才是重要的。因此，即使平均晶粒尺寸一样，如果晶粒尺寸的分布不同，则强度是有差异的，分布宽的材料性能要低于分布窄的。
多晶材料中初始裂纹尺寸与晶粒度相当，晶粒越细，初始裂纹尺寸越小，临界应力越高。
细晶材料晶界比例大，沿晶界破坏时，裂纹的扩展要走迂回曲折的道路。晶粒越细，路程越长。（2）气孔对强度的影响：
材料的强度随气孔率的提高而下降，这主要是由于：
气孔的存在减小了承受应力的有效截面积，结果导致实际应力大于外加应力。
气孔的存在使E下降。
气孔的存在使减小。
强度与气孔率之间的经验关系式为：

p－气孔率；n－常数事实上除了气孔率外，气孔的大小也有影响的。对于相同的气孔率，气孔越大，产生应力集中就越大，而且最大的结构特征尺寸就越大，出现危险裂纹的机会就越大，强度就越低。
气孔形状的影响：球状气孔产生应力集中最小，对强度的影响最小；气孔越尖就影响越大。
气孔分布的影响：如果气孔分布不均匀，局部聚集则会对强度造成显著的影响。
例外：当存在高应力梯度时(例如由热震引起的应力），气孔能起到容纳变形，阻止裂纹扩展的作用。（3）多相材料中物相的影响：
物相的影响主要使来自于不同物相之间热膨胀系数和弹性模量的差异会产生内应力。因此，影响的程度取决于各物相的a和E。还有它们的晶粒大小。

（4）杂质的影响
杂质的存在会由于应力集中而降低强度。

二、提高无机材料强度改进材料韧性的途径陶瓷材料和金属材料的抗拉或抗弯屈服强度并不存在很大差异。陶瓷材料的屈服强度虽比高强度与超高强度钢低，但一般高于或相当于中低强度钢；但是反映材料裂纹扩展阻力的断裂韧性值却差别甚大。其断裂韧性与金属材料相比，低1～2个数量级。克服陶瓷材料的脆性，可以从两个方面加以考虑：一是在裂纹扩展过程中使之产生有其他能量消耗机构，从而使外加负载的一部分或大部分能量消耗掉，而不致集中于裂纹的扩展上，其次是在陶瓷体中设置能阻碍裂纹扩展的物质场合，使裂纹不能再进一步扩展。根据断裂力学，抗弯强度和断裂韧性可由下式表示：

式中 为抗弯强度，E为弹性模量，为断裂能，c为裂纹尺寸，KIC为断裂韧性。
从上式可以看出：要达到提高陶瓷材料强度的目的，必须提高断裂能和弹性模量以及减小裂纹尺寸；要达到提高陶瓷材料韧性的目的，必须提高断裂能和弹性模量；因此可见，对于相同的裂纹尺寸，增大则也相应增大，增韧的同时也达到增强的目的。 减小裂纹尺寸可以采取以下措施：
（1）晶粒细化；
（2）避免晶粒异常长大；
（3）排除气孔，实现全致密；
（4）减少和避免工艺缺陷；
（5）减少和避免表面损伤；
（6）选择适当的组成，避免因热膨胀系数相差过大或发生不需要的相变而产生危险裂纹。提高弹性模量的措施有：
（1）排除气孔，提高致密度；
（2）加入高弹性模量的第二相组成复合材料。断裂能是裂纹扩展的阻力，是陶瓷材料强韧化的主攻方向，在裂纹扩展过程中，任何为断裂能的提高做出贡献的能量损耗机制都有助于克服材料的脆性。断裂能是由材料断裂过程中所消耗的各项能量所组成：

式中：gf为断裂能，gs为热力学表面能,gp为塑性形变能，gT为微裂纹形成能。
断裂能对材料的组成和显微结构敏感，可以通过材料的组成和结构设计，增加断裂过程中的能量消耗项数以及增大各项的大小来提高断裂能。2材料增强与增韧的途径热韧化化学强化将表面抛光及化学处理以消除表面缺陷也能提高强度。
相变增韧 氧化锆四方相与单斜相间的转变是马氏体相变，属于一级相变，仅存在固态