郑州大学陶瓷工艺原理第七.pptxVIP

会计学第1页/共37页7.1陶瓷材料强度的特征1. 陶瓷材料的强度Orowan提出，固体材料的理论强度σth ：E — 材料的弹性模量，Pa；γ — 材料的表面断裂能，J/m2；a — 原子间的平衡距离或晶格常数。σth ≈ 0.1 E 实验表明，陶瓷材料的实际强度远小于其理论强度。? 第2页/共37页Griffith微裂纹理论： 材料中总存在着许多细小的裂纹或缺陷，在外力作用下裂纹或缺陷处易产生应力集中，当达到一定程度时（远小于原子间的结合力），裂纹扩展连接而导致材料整体破坏。裂纹扩展的动力是材料内弹性应变能的释放或降低。裂纹扩展的临界应力：E — 材料的弹性模量，Pa；γ — 材料的表面断裂能，J/m2；c — 裂纹长度的一半。第3页/共37页2.陶瓷材料中裂纹产生的原因（1）因动力学条件不满足，晶体生长存在着许多缺陷，如位错，它们在运动过程中受晶界制约形成塞积，产生应力集中而形成裂纹。（2）陶瓷材料的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹。（3）陶瓷多相体热性质的不同引起裂纹。晶相各向异性与晶粒取向不同产生应力，晶相与玻璃相的膨胀系数差异等。（4）不规则气孔的存在，其作用相当于裂纹。这与烧结程度、密度有关。（5）材料表面的粗糙度会影响表面裂纹的大小变化。第4页/共37页7.2 影响常温强度的因素(一) 显微结构与常温强度的关系1. 气孔对陶瓷强度的影响 陶瓷强度总是随气孔率升高而下降。坯体越致密，气孔愈少，则强度愈高。原因：气孔（1）降低了承受载荷作用的有效横截面积；（2）引起应力集中而使强度下降；（3）气孔率升高能造成材料的弹性模量降低，从而影响强度。σ ＝ σ0 exp(-b p)p－气孔率,％；σ0－ p＝0时的强度, MPa；b－常数。 第5页/共37页气孔的大小、形状及分布都会对陶瓷强度产生影响。 气孔率10%，强度基本不变；气孔率10%，强度下降。原因：气孔率10%时，主要为闭口气孔，尺寸小，呈圆形，阻止裂纹扩展。气孔率10%时，开口气孔增多，呈狭长的通道，类似裂纹，成为断裂的引发剂，造成强度下降。第6页/共37页2. 晶相对陶瓷强度的影响主晶相不同及含量不同对强度有影响。普通陶瓷：晶相越多，玻璃相越少，强度越高。晶相种类及含量对陶瓷强度的影响瓷质长石质瓷强化长石质瓷刚玉瓷主晶相及含量莫来石20～30%莫来石、刚玉40～60%刚玉90%抗折强度/MP7页/共37页（1）晶粒尺寸对强度的影响 多晶陶瓷强度σf与晶粒直径d的关系符合半经验公式： σf ＝ Kd-α K — 与晶体结构及材料显微结构有关的比例常数；α — 与材料特性和实验常数有关的经验常数。 部分研究结果显示，α的取值为α＝1/8～1；当d值小时，α的取值也小；当d值大时，α的取值也大。因此，陶瓷强度对晶粒尺寸的依赖性很强。第8页/共37页坯体中出现的裂纹往往和晶粒尺寸呈正比。 a. 裂纹长度大，则出现断裂所需的负荷小；b. 裂纹有一定长度时，尖端部分出现应力集中，尖端的曲率半径愈小则应力愈集中，小的负荷即可使裂纹扩展断裂。 第9页/共37页晶粒尺寸增大对强度影响的原因：①大晶粒出现裂纹的几率增大；②大晶粒的各向异性导致内应力加剧。 晶粒尺寸减小，为什么会使陶瓷材料的强度提高？①晶粒尺寸减小，比表面积增加，晶界面积增加，裂纹扩 展的阻力愈大，或者说外加破坏负荷衰减愈多，因此强 度增加；②细晶粒的应力集中效应小于粗晶粒的；③非立方结构的陶瓷材料中，粗颗粒的各向异性使晶界产 生裂纹，增大内应力，降低断裂能，从而降低强度。第10页/共37页 玻璃相含量多的三组分陶瓷中，晶粒大小也会影响其机械强度。玻璃相和石英的热膨胀系数存在差异，随着石英颗粒尺寸的增加，玻璃相由承受压应力转变为承受张应力，故其强度下降。第11页/共37页通过讨论晶粒大小对强度的影响，可以从以下几方面提高陶瓷强度：①提高原料微粉的品质，特别是对氧化物与非氧化物陶瓷。要求粉体尽量细；大小、形状均一，化学纯度和相结构的单一性好；②科学选择烧结温度，选择最佳工艺条件，防止晶粒长大；③选择适当的添加物质和加入量，抑制晶粒异常长大，促进致密化。第12页/共37页（2）晶型和晶粒形貌对强度的影响晶型：滑石瓷，正常生成情况下，主晶相为原顽辉石（斜方晶系），控制不当时会转变为斜顽辉石（单斜晶系），伴随着2.8% 的体积变化，并产生裂纹，导致坯体碎裂、粉化。 晶粒形貌的影响： α-Si3N4，低温稳定型，六方晶系，等轴状、短柱状晶体。 β-Si3N4，高温稳定型，六方晶系，针状、长柱状晶体。 热压烧结，加入5% MgO为烧结促进剂第13页/共37页第14页/共37页（3） 晶界对强度的影响 由单一晶相组成的陶瓷材料，在外力作用下扩展的裂纹遇到晶界往往会终止。如晶界上有气孔存在而出现应