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陶瓷的性能:弹性、滞弹性和断裂过程
2022年07月28日 发布 分类:粉体入门 点击量:66
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陶瓷未能得到更广泛应用的主要原因之一是由于它们呈“玻璃状”脆断而破坏。陶瓷通常不呈现出明显的塑性形变,而且它们的抗冲击能力差。陶瓷在许多用途上受到这些比较差的力学性能的限制。例如氧化铝陶瓷广泛用作电介质材料,通常确定这一选择不是由于其优越的电性能,而是由于氧化铝陶瓷比其他现有材料的力学性能优越,因而它们可以用在自动机械中而不像其他竞争者那样严重地散碎或破裂。

同样,虽然陶瓷的高温蠕变强度和形变性能是最有利的,但低的抗冲击性能限制了它们在喷气发动机上的应用,因为在这种地方一次冲击破坏就是灾难性的。还可以举出许多类似的例子。同时,通常能得到的实际强度水平和在一些情况下证实了的潜在理论强度之间的差别,对断裂特性来说与其他性能一样是巨大的或者说更大。因此,对将来的发展来说这是一个特别有吸引力的领域。


陶瓷材料的抗断裂能力是由应力的某个临界值来定量地衡量的。对于所有的材料和条件,断裂并不是通过一种简单的过程发生,而是有许多十分不同的机理导致材料由于机械应力而破坏,这就使得对这些现象的分析和研究复杂化。此外,一种给定的材料可能由于不同的机理而发生破坏,这取决于应力水平、应变速率、先前的经历、环境条件和温度水平,所有这些又使分析和研究更加复杂。

弹性

一个物体在外力作用下改变其形状和大小,当外力卸除后物体又可回复到原始的形状和大小;这个特性称为弹性。弹性(英文elastic)一词源于希腊,十七世纪英国科学家玻意耳 (R.Boyle)赋予其科学意义并用到物理学中。弹性是各种工程材料的一项重要的物理性能(或列为力学性能),是材料科学的研究领域之一。固体的弹性理论是介于数学和物理学之间的一个分支学科,是近代力学的基础(见金属力学性能的表征)。

滞弹性

在许多应用中,例如在玻璃转变点附近的玻璃形成液体及高温下的多晶材料中,弹性模量不能取做常数而明显地表现出和时间有关。这种性能称为滞弹性或黏弹性,它表征应力移去后能够恢复但不是立即恢复的形变。

滞弹性性状常常由弹簧及黏性缓冲器系统组成的力学模型表示,如图所示。


滞弹性变形,即弹性后效,指的是材料在弹性范围内受某一不变载荷作用,其弹性变形随时间缓缓增长的现象。在去除载荷后,不能立即恢复而需要经过一段足够时间之后才能逐渐恢复原状。材料越均匀,弹性后效越小。高熔点的材料,弹性后效极小。弹性后效是弹性材料的非弹性性能之一,对仪表精度有着直接的影响。对于仪表用弹性敏感元件的设计和制造,具有其特殊的重要。

断裂过程

大多数陶瓷以脆性方式破坏,也就是以很小或者没有塑性形变的过程发生断裂。像玻璃之类的非晶态材料是大多数陶瓷的主要成分,在软化温度以下总是脆性的,其断裂表面的形状称为贝壳状。对于晶态成分,脆性断裂通常沿特定的结晶学平面解理而发生。高温时晶态成分能在晶粒间破坏。当晶界发生剪切而裂纹在晶粒间张开导致局部应力集中而最终断裂时,就出现这种晶粒间破坏。

和大多数陶瓷的脆性断裂相反,延性金属和某些陶瓷的破坏起因于颈缩或一个截面连续变细。在极端情况中颈缩可以一直进行到沿一尖镜边缘或沿一点分离。对于这一过程,没有可以引用的临界断裂应力。通常,延性金属的断裂发生在颈内,留下杯类型和锥类型的断裂表面。在杯的底部,端口垂直于张应力,表面呈锯齿状,这种模式叫做纤维状断口;杯及锥的边沿着最大剪应力表面而形成,十分光滑,这种模式叫做剪切断口。

在张应力作用的过程中,面积局部减小(颈缩)使得由总荷载及初始试样尺寸计算得到的标称应力小于实际应力。因而,工程抗张强度以初始尺寸为基础表示的最大应力低于真正的断裂应力。

在重复循环应力作用下,由于试样表面强烈经受冷加工的面积内裂纹的成核和扩展,金属会发生疲劳断裂;疲劳断裂在陶瓷中较为军见。然而,静态疲劳或延迟断裂在陶瓷中却是常见的;在这种情况下,在静态应力作用下,应力腐蚀优先在裂纹端部出现,以至于在荷载作用一段时间后断裂发生。这种断裂对环境条件特别敏感。

对机械应力引起的以区在不同环境下发生的破坏进行分析,关键取决于所观测到的特定的断裂形式。陶瓷材料中脆性断裂是最为重要的,也是我们主要关注的。


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