第十三章陶瓷材料的力學行為13.1前言陶瓷材料大都是脆性材料，對缺陷十分敏感，故其強度試驗結果的分散性大。要使陶瓷材料作為結構材料在工程中獲得應用，需要對其力學性能做更多的研究，并對其力學性能的試驗結果做統(tǒng)計分析。此外，玻璃、光導纖維、電瓷、紅外窗口材料等也屬于陶瓷材料，對這些材料力學性能的研究報導也日益增多。

除少數(shù)幾個具有簡單的晶體結構，如MgO，KCl，KBr等，在室溫下稍具塑性以外，一般陶瓷的晶體結構復雜，室溫下沒有塑性，因而是脆性材料。脆性材料的拉伸試驗只能測定其彈性模量和斷裂強度。

13.2陶瓷材料的彈性模量材料E/GPa材料E/GPa材料E/GPa金剛石1200W2C428NbC345WC717MoSi2380Be2C317TiB2648BeO352SiC485Al2O3510FeSi2345B4C455TiC490ZrC345ZrB2440表13-1典型陶瓷材料的彈性模量[165](2)氣孔率對陶瓷材料彈性模量的影響

(13-1)

式中E0為無孔隙時陶瓷材料的彈性模量，p為孔隙率。孔隙率對彈性模量Eeff的影響示于圖13-1；圖中曲線按式（13-1）畫出。圖13-1孔隙率對陶瓷材料彈性模量Eeff的影響[167]圖13-2金屬與陶瓷材料σ-e曲線的彈性部分。13.3陶瓷材料的強度13.3.1陶瓷材料的斷裂強度強度與塑性是材料的基本力學性能。陶瓷材料在常溫下基本上不出現(xiàn)和極少出現(xiàn)塑性變形，因而其塑性指標：延伸率δ和斷面收縮率Ψ均近似為零。可以認為，陶瓷材料的抗拉強度σb,斷裂強度σf和屈服強度在數(shù)值上是相等的。而且，陶瓷材料不論在拉伸、彎曲、扭轉，或軸向壓縮應力狀態(tài)下均發(fā)生脆性斷裂。因此，陶瓷材料可認為是本征脆性材料。此外,陶瓷材料的軸向壓縮強度比抗拉強度大得多。這是脆性材料的一個特點或優(yōu)點。和金屬材料相比，陶瓷材料在高溫下具有良好的抗蠕變性能，而且在高溫下也具有一定的塑性。若按E/10估算陶瓷材料的理論強度（見6.2節(jié)）[6]，則理論強度和實際斷裂強度差別達1-3個數(shù)量級。這是因為實際的陶瓷組織結構中存在工藝缺陷，若其中的缺陷是裂紋，則其真實斷裂強度應采用Griffith公式，即式（6-11）估算；若其中的缺陷是微孔洞，則其真實斷裂強度可按下式估算[168](13-2)

式中σ0為無微孔洞材料的斷裂強度。試樣的表面粗糙度對陶瓷材料的彎曲斷裂強度有很大的影響，如圖13-4所示[39]。而且，試樣加工方向對抗彎強度也有影響，尤其是磨削方向與拉伸應力方向垂直時，會因加工傷痕而使強度降低很多；在平行于拉伸軸的方向磨削時，影響較小。圖13-4因加工產生的表面?zhèn)叟c氮化鋁AlN強度的關系[39]13.3.2陶瓷材料強度的概率分布測定陶瓷材料的抗拉強度比較困難，主要是因為陶瓷材料硬而脆，難以加工出高精度的拉伸試樣，而且要求試驗機具有高的同心度。故目前主要以測定彎曲強度作為評價陶瓷強度性能指標[]。為得到可靠的試驗結果，最好能從同質坯料上切出盡可能多的小試樣，進行大子樣試驗，然后對試驗結果進行統(tǒng)計分析。陶瓷材料的強度試驗結果不僅遵循威布爾（Weibull）分布，也遵循正態(tài)分布和對數(shù)正態(tài)分布[]。13.4.2加載速率對陶瓷材料強度和切口強度的影響加載速率對陶瓷材料彎曲強度和切口強度的影響，如圖13-7所示。圖13-7加載速率對陶瓷材料彎曲強度和切口強度的影響

由此可見，當加載速率較低時，加載速率對陶瓷材料彎曲強度和切口強度的影響不大；當加載速率高于某一數(shù)值時，陶瓷材料彎曲強度和切口強度隨加載速率的升高而急劇下降。這與加載速率對金屬拉伸強度的影響剛好相反。這是研究和應用陶瓷材料時，應予以考慮的另一個重要特點；也可能是制約陶瓷材料用作高速運動機械結構件的另一個因素。在高溫下，提高加載速率也降低陶瓷材料的強度和切口強度。13.4陶瓷材料的疲勞陶瓷材料疲勞的概念，與金屬材料的疲勞有所不同。陶瓷材料的疲勞分為靜態(tài)疲勞、動態(tài)疲勞和循環(huán)疲勞。陶瓷材料的靜態(tài)疲勞是在持久載荷的作用下發(fā)生的失效斷裂，對應于金屬材料中的應力腐蝕和高溫蠕變。陶瓷材料的動態(tài)疲勞，是以恒定的速率加載，研究材料的失效斷裂對加載速率的敏感性，類似于金屬材料應力腐蝕研究中的慢應變速率拉伸。陶瓷材料的循環(huán)疲勞，是在循環(huán)應力作用下發(fā)生的失效斷裂，對應于金屬中的疲勞。下面簡要介紹循環(huán)疲勞與靜態(tài)疲勞。

圖13-8Al2O3陶瓷具有給定存活率的循環(huán)疲勞壽命曲線

13.4.2陶瓷材料的疲勞裂紋擴展速率圖13-10陶瓷材料的裂紋擴展速率曲線a)循環(huán)疲勞b)靜疲勞[174]13.5陶瓷材料的韌性13.5.1陶瓷材料的靜態(tài)韌性陶瓷材料的靜態(tài)韌性，即單位體積材料斷裂前所吸收的功，可按下式計算，W=σf2/2E

(13-6)

而陶瓷材料的斷裂強度并不比鋼的屈服強度高，但其彈性模量卻比鋼的高，見表13-1。因此，陶瓷材料的靜態(tài)韌性很低。金屬材料斷裂要吸收大量的塑性變形能，而塑性變形能要比表面能大幾個量級，所以陶瓷材料的斷裂韌性比金屬材料的要低1-2個數(shù)量級；最高達到12-15MPa低者僅有2-3MPa[176]。13.6陶瓷材料的抗熱震性大多數(shù)陶瓷在生產和使用過程中都處于高溫狀態(tài)。而陶瓷材料的導