脆性材料的屈服强度 陶瓷材料的强度及其影响因素

2017-03-31 - 应用心理学

    强度与塑性是材料的基本力学性能。但陶瓷材料是脆性材料,在常温下基本上不出现或极少出现塑性变形,因而其塑性指标:延伸率 和断面收缩率 均近似为零。因此,可以认为,陶瓷材料的抗拉强度 、断裂强度 和屈服强度 在数值上是相等的。

脆性材料的屈服强度 陶瓷材料的强度及其影响因素
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此外,由图25-2b可见,陶瓷材料压缩时的强度比拉伸时大得多。这是脆性材料的一个特点或优点。和金属材料相比,陶瓷材料在高温下具有良好的抗蠕变性能,而且在高温下也具有一定的塑性。

脆性材料的屈服强度 陶瓷材料的强度及其影响因素
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    陶瓷材料本身的脆性来自于其化学键的种类,实际陶瓷晶体中大都以方向性较强的离子键和共价键为主,多数晶体的结构复杂,平均原子间距大,因而表面能小,很容易由表面或内部存在的缺陷引起应力集中而产生脆性破坏。这是陶瓷材料脆性原因所在,也是其强度值分散性较大的原因所在。影响陶瓷强度的主要因素如下:

脆性材料的屈服强度 陶瓷材料的强度及其影响因素
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    (1)气孔率对强度的影响 

    气孔是绝大多数陶瓷的主要组织缺陷之一,气孔明显地降低了载荷作用横截面积,同时气孔也是引起应力集中的地方(对于孤立的球形气孔,应力增加一倍)。由试验数据和经验公式可知,当气孔率为10%时,陶瓷的强度降低到无气孔时的一半。

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硬陶瓷的气孔率约为3%,陶器的气孔率约为10%~15%。当材料成分相同,气孔率的不同将引起强度的显著差异。为了获得高强度,应制备接近理论密度的无气孔陶瓷。

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    (2)晶粒尺寸对陶瓷强度的影响 

    从定性角度来说,实验研究已经得到了强度极限与晶粒尺寸的关系式: ∝ 。但对烧结陶瓷来说,要作出只有晶粒尺寸大小不同,而其他组织参量都相同的试样是很困难的,因此,往往其他因素与晶粒尺寸因素同时对强度起影响作用。但无论如何,室温断裂强度无疑随晶粒尺寸的减小而增高。所以,对结构陶瓷材料来说,努力获得细晶粒组织,对提高室温强度是有利而无害的。

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    (3)晶界相的性质、厚度、晶粒形状对强度的影响 

    陶瓷材料的烧结大都要加入助烧剂,因此形成一定量的低熔点晶界相而促进致密化。晶界相的成分、性质及数量(厚度)对强度有显著影响。晶界相最好能起到阻止裂纹过界扩展并松弛裂纹尖端应力场的作用。晶界玻璃相的存在对强度是不利的,所以,应通过热处理使其晶化。对单相多晶陶瓷材料,晶粒形状最好为均匀的等轴晶体,这样承载时变形均匀而不易引起应力集中,从而使强度得到充分发挥。

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    (4)温度对强度的影响 

    陶瓷材料的一个最大特点就是高温强度比金属大得多。汽车用燃气发动机的预计温度为1370℃,这样的工作温度,Ni、Cr、Co系的超耐热合金已无法承受,但Si3N4、SiC陶瓷却大有希望。

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