陶瓷材料的变形

一、陶瓷材料的弹性变形

材料在静拉伸载荷下，一般都要经过弹性变形、塑性变形及断裂三个阶段。然而陶瓷材料在室温静拉伸（或静弯曲）载荷下，不出现塑性变形阶段，即弹性变形阶段结束后，立即发生脆性断裂。描述弹性变形阶段材料力学行为的重要性能指标为σ—ε曲线中直线部分的斜率，即弹性模量E。

与金属材料相比，陶瓷材料的弹性模量有如下特点：

1．陶瓷材料的弹性模量比金属大得多，常相差数倍，这是因为陶瓷材料具有强固的离子键和共价键的缘故。

2．与金属材料不同，陶瓷材料的弹性模量，不仅与结合键有关，而且还与构成陶瓷材料的种类、分布比例及气孔率有关。金属材料的弹性模量是一个极为稳定的力学性能指标，合金化、热处理、冷热加工等均难以改变其数值。但是陶瓷的工艺过程却对陶瓷材料的弹性模量有着重大影响。例如气孔率P较小时，弹性模量随气孔率的增加而线性降低，可用下面的经验公式表示：，式中E0是无气孔时的弹性模量，K为常数。

3．陶瓷材料压缩状态的弹性模量（E压）一般大于拉伸状态的弹性模量。一般说来，在弹性范围内，金属的σ—ε曲线，无论是拉还是压，其弹性模量相等，即拉伸与压缩两部分的σ—ε曲线为一条直线。而陶瓷材料压缩时的弹性模量一般大于拉伸时的弹性模量，这与陶瓷材料显微结构的复杂性和不均匀性有关。二、陶瓷材料的塑性变形及蠕变

由于陶瓷材料脆性大，在常温下基本不出现或极少出现塑性变形。金属材料容易滑移而产生塑性变形，原因是金属键没有方向性。陶瓷材料的结合键是共价键和离子键，共价键有明显的方向性和饱和性，而离子键的同号离子接近时斥力很大，所以主要由离子晶体和共价晶体组成的陶瓷，滑移系很少，一般在产生滑移以前就发生断裂。因而大多数陶瓷在室温下几乎不能产生塑性变形，这是陶瓷力学行为的最大特点。

随着温度的升高和时间的延长，有些陶瓷材料可表现出一定的塑性变形能力。此时，陶瓷材料的塑性变形主要是以蠕变的形式发生。通常，含有玻璃相的陶瓷材料，在高温下承受一定载荷时，会发生蠕变现象，这种行为对于高温结构陶瓷是非常重要的。三、陶瓷材料的强度、硬度和断裂

结合键和晶体构造决定了陶瓷具有很高的抗压强度和硬度，而抗拉强度和剪切强度则很低。陶瓷的实际断裂强度小得多，一般差2～3个数量级，主要原因是内部存在许多不同大小、形状和分布的裂纹。由于陶瓷的塑性变形能力极差，所以受力时在裂纹尖端容易产生很高的应

力集中，并且材料的裂纹扩展抗力很低，在应力峰值超过一定

的大小时，裂纹很快扩展，发生脆性断裂。为了提高陶瓷材料的实际强度，改善其脆性，目前有以下几种办法：

1．制造颗粒细的、致密度高的、均匀的、较纯净的陶瓷，以尽量减少组织中的各种杂质和缺陷。例如用热压法制造的Si3N4陶瓷，几乎没有气孔，密度和强度都接近于理论值。

2．将陶瓷制成纤维，甚至晶须，可以大大减小各种缺陷产生的机率，能使强度提高1～2个数量级。3．在陶瓷表面造成一个残余应力层，在某些受力情况下（可承受横向弯曲载荷的板材），可以抵消一部分表面拉应力，从而降低了材料表面实际承受的拉应力峰值。由于断裂往往从表面的受拉应力处开始，所以这种残余压应力可以提高陶瓷的强度。制造钢化玻璃就是利用这种方法。

硬度也是陶瓷材料的一个重要性能指标。陶瓷材料的硬度一般都很高，典型的共价键晶体金刚石的硬度最高。陶瓷和矿物常采用莫氏硬度，或叫划痕硬度，它只反映材料硬度的相对大小。硬度按大小顺序分十级或十五级。滑石最软，金刚石最硬。石英为十级莫氏硬度中的第七级。