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第十三章 陶瓷材料的力学行为. 13.1 前言 陶瓷材料大都是脆性材料，对缺陷十分敏感，故其强度试验结果的分散性大。要使陶瓷材料作为结构材料在工程中获得应用，需要对其力学性能做更多的研究，并对其力学性能的试验结果做统计分析。此外，玻璃、光导纤维、电瓷、红外窗口材料等也属于陶瓷材料，对这些材料力学性能的研究报导也日益增多。. 13.2 陶瓷材料的弹性模量. 除少数几个具有简单的晶体结构，如 MgO ， KCl ， KBr 等，在室温下稍具塑性以外，一般陶瓷的晶体结构复杂，室温下没有塑性，因而是脆性材料。脆性材料的拉伸试验只能测定其弹性模量和断裂强度。.
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第十三章 陶瓷材料的力学行为
13.1 前言 陶瓷材料大都是脆性材料，对缺陷十分敏感，故其强度试验结果的分散性大。要使陶瓷材料作为结构材料在工程中获得应用，需要对其力学性能做更多的研究，并对其力学性能的试验结果做统计分析。此外，玻璃、光导纤维、电瓷、红外窗口材料等也属于陶瓷材料，对这些材料力学性能的研究报导也日益增多。
13.2 陶瓷材料的弹性模量 除少数几个具有简单的晶体结构，如MgO，KCl， KBr等，在室温下稍具塑性以外，一般陶瓷的晶体结构复杂，室温下没有塑性，因而是脆性材料。脆性材料的拉伸试验只能测定其弹性模量和断裂强度。
（1）陶瓷材料的弹性模量 陶瓷材料的弹性模量比金属的大得多，常高出一倍至几倍。陶瓷材料弹性模量列于表13-1。陶瓷材料的原子键主要有离子键和共价键两大类，且多数具有双重性。共价键晶体结构的主要特点是键具有方向性。它使晶体拥有较高的抗晶格畸变和阻碍位错运动的能力，使共价键陶瓷具有比金属高得多的硬度和弹性模量。离子键晶体结构的键方向性不明显，但滑移系不仅要受到密排面与密排方向的限期，而且要受到静电作用力的限制，因此实际可动滑移系较少，弹性模量较高。
(2) 气孔率对陶瓷材料弹性模量的影响 (13-1) 式中E0为无孔隙时陶瓷材料的弹性模量，p为孔隙率。孔隙率对弹性模量Eeff的影响示于图13-1；图中曲线按式（13-1）画出。
图13-1 孔隙率对陶瓷材料弹性模量Eeff的影响[167]
(3) 拉、压应力状态下的弹性模量 众所周知，金属不论是在拉伸还是在压缩状态下，其弹性模量相等，即拉伸与压缩两部分曲线为一条直线，如图13-2(a)所示。而陶瓷材料压缩时弹性模量一般高于拉伸时弹性模量，即压缩时σ-e 曲线斜率比拉伸时的大，如图13-2(b)所示。这与陶瓷材料显微结构的复杂性和不均性有关。
13.3 陶瓷材料的强度 13.3.1 陶瓷材料的断裂强度 强度与塑性是材料的基本力学性能。陶瓷材料在常温下基本上不出现和极少出现塑性变形，因而其塑性指标：延伸率δ和断面收缩率Ψ均近似为零。可以认为，陶瓷材料的抗拉强度σb,断裂强度σf和屈服强度在数值上是相等的。而且，陶瓷材料不论在拉伸、弯曲、扭转，或轴向压缩应力状态下均发生脆性断裂。因此，陶瓷材料可认为是本征脆性材料。此外,陶瓷材料的轴向压缩强度比抗拉强度大得多。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。
若按E/10估算陶瓷材料的理论强度（见6.2节）[6]，则理论强度和实际断裂强度差别达1-3个数量级。这是因为实际的陶瓷组织结构中存在工艺缺陷，若其中的缺陷是裂纹，则其真实断裂强度应采用Griffith公式，即式（6-11）估算；若其中的缺陷是微孔洞，则其真实断裂强度可按下式估算[168]若按E/10估算陶瓷材料的理论强度（见6.2节）[6]，则理论强度和实际断裂强度差别达1-3个数量级。这是因为实际的陶瓷组织结构中存在工艺缺陷，若其中的缺陷是裂纹，则其真实断裂强度应采用Griffith公式，即式（6-11）估算；若其中的缺陷是微孔洞，则其真实断裂强度可按下式估算[168] (13-2) 式中σ0为无微孔洞材料的断裂强度。
图13-3为孔隙率对陶瓷材料断裂强度的影响，图中曲线按式（13-2）画出。由式（13-1）和式（13-2）可见，应减小结构陶瓷中的孔隙率，以提高材料的弹性模量和强度。图13-3为孔隙率对陶瓷材料断裂强度的影响，图中曲线按式（13-2）画出。由式（13-1）和式（13-2）可见，应减小结构陶瓷中的孔隙率，以提高材料的弹性模量和强度。 图13-3 孔隙率对陶瓷材料断裂强度的影响[168]
试样的表面粗糙度对陶瓷材料的弯曲断裂强度有很大的影响，如图13-4所示[39]。而且，试样加工方向对抗弯强度也有影响，尤其是磨削方向与拉伸应力方向垂直时，会因加工伤痕而使强度降低很多；在平行于拉伸轴的方向磨削时，影响较小。试样的表面粗糙度对陶瓷材料的弯曲断裂强度有很大的影响，如图13-4所示[39]。而且，试样加工方向对抗弯强度也有影响，尤其是磨削方向与拉伸应力方向垂直时，会因加工伤痕而使强度降低很多；在平行于拉伸轴的方向磨削时，影响较小。
图13-4 因加工产生的表面伤痕与氮化铝AlN强度的关系[39]
13.3.2 陶瓷材料强度的概率分布 测定陶瓷材料的抗拉强度比较困难，主要是因为陶瓷材料硬而脆，难以加工出高精度的拉伸试样，而且要求试验机具有高的同心度。故目前主要以测定弯曲强度作为评价陶瓷强度性能指标[ ]。为得到可靠的试验结果，最好能从同质坯料上切出尽可能多的小试样，进行大子样试验，然后对试验结果进行统计分析。 陶瓷材料的强度试验结果不仅遵循威布尔（Weibull）分布，也遵循正态分布和对数正态分布[ ]。
13.4 陶瓷材料的切口强度与切口敏感性 13.4.1 陶瓷材料的切口强度表达式 在陶瓷材料弯曲断裂强度和切口强度遵循正态分布的情况下，其平均值和标准差可分别用下式表示 (13-3) (13-4) 式中 . 分别为弯曲强度和切口强度的平均值 Sf、SbN分别为弯曲强度和切口强度的标准差。
13.4.2 加载速率对陶瓷材料强度和切口强度的影响 加载速率对陶瓷材料弯曲强度和切口强度的影响，如图13-7所示。 图13-7 加载速率对陶瓷材料弯曲强度和切口强度的影响
由此可见，当加载速率较低时，加载速率对陶瓷材料弯曲强度和切口强度的影响不大；当加载速率高于某一数值时，陶瓷材料弯曲强度和切口强度随加载速率的升高而急剧下降。这与加载速率对金属拉伸强度的影响刚好相反。这是研究和应用陶瓷材料时，应予以考虑的另一个重要特点；也可能是制约陶瓷材料用作高速运动机械结构件的另一个因素。在高温下，提高加载速率也降低陶瓷材料的强度和切口强度。由此可见，当加载速率较低时，加载速率对陶瓷材料弯曲强度和切口强度的影响不大；当加载速率高于某一数值时，陶瓷材料弯曲强度和切口强度随加载速率的升高而急剧下降。这与加载速率对金属拉伸强度的影响刚好相反。这是研究和应用陶瓷材料时，应予以考虑的另一个重要特点；也可能是制约陶瓷材料用作高速运动机械结构件的另一个因素。在高温下，提高加载速率也降低陶瓷材料的强度和切口强度。
13.4陶瓷材料的疲劳 陶瓷材料疲劳的概念，与金属材料的疲劳有所不同。陶瓷材料的疲劳分为静态疲劳、动态疲劳和循环疲劳。陶瓷材料的静态疲劳是在持久载荷的作用下发生的失效断裂，对应于金属材料中的应力腐蚀和高温蠕变。陶瓷材料的动态疲劳，是以恒定的速率加载，研究材料的失效断裂对加载速率的敏感性，类似于金属材料应力腐蚀研究中的慢应变速率拉伸。陶瓷材料的循环疲劳，是在循环应力作用下发生的失效断裂，对应于金属中的疲劳。下面简要介绍循环疲劳与静态疲劳。
13.4.1 陶瓷材料的循环疲劳寿命 陶瓷材料循环疲劳的一个主要特点，是疲劳寿命的试验结果非常分散，最长与最短的疲劳寿命相差达5-6个数量级[172]。因此，陶瓷材料循环疲劳寿命的试验结果，必须进行统计分析。统计分析表明，陶瓷材料循环疲劳寿命的试验结果也遵循对数正态分布，如图13-8所示。
图13-8 Al2O3陶瓷具有给定存活率的循环疲劳寿命曲线
13.4.2 陶瓷材料的疲劳裂纹扩展速率 图13-10 陶瓷材料的裂纹扩展速率曲线 a) 循环疲劳 b) 静疲劳[174]
13.5 陶瓷材料的韧性 13.5.1 陶瓷材料的静态韧性 陶瓷材料的静态韧性，即单位体积材料断裂前所吸收的功，可按下式计算， W=σf2/2E (13-6) 而陶瓷材料的断裂强度并不比钢的屈服强度高，但其弹性模量却比钢的高，见表13-1。因此，陶瓷材料的静态韧性很低。
13.5.2 陶瓷材料的断裂韧性 因为陶瓷材料是脆性材料，故含裂纹的陶瓷试件或零件的裂纹扩展阻力，即断裂抗力，即为形成新表面所需的表面能2γ。若已知表面能γ之值，则陶瓷材料断裂韧性KIC值可按下式估算（见式（5-11）和（7-17）） （13-7） KIC=[ 2Eγ/（1-ν2）]1/2
金属材料断裂要吸收大量的塑性变形能，而塑性变形能要比表面能大几个量级，所以陶瓷材料的断裂韧性比金属材料的要低1-2个数量级；最高达到12-15 MPa 低者仅有2-3 MPa [176]。
13.6 陶瓷材料的抗热震性 大多数陶瓷在生产和使用过程中都处于高温状态。而陶瓷材料的导热性差，因此，温度变化引起的热应力，会导致陶瓷构件的失效。材料承受温度骤变而不破坏的能力称之为抗热震性。材料热震失效可分为两大类：一类是瞬时断裂，称之为热震断裂；另一类是在热冲击循环作用下，材料先出现开裂、剥落，然后碎裂和变质，终至整体破坏，称之为热震损伤。
