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陶瓷材料的力學性能檢測方法

提供來源:上海百賀 日期:2017年02月06日

        為了有效而合理的利用材料,對材料的性能充分的了解。材料的性能包括物理性能、化學性能、機械性能和工藝性能等方面。物理性能包括密度、熔點、導熱性、導電性、光學性能、磁性等。化學性能包括耐氧化性、耐磨蝕性、化學穩定性等。工藝性能指材料的加工性能,如成型性能、燒結性能、焊接性能、切削性能等。機械性能亦稱為力學性能,主要包括強度、彈性模量、塑性、韌性和硬度等。而陶瓷材料通常來說在彈性變形后立即發生脆性斷裂,不出現塑性變形或很難發生塑性變形,因此對陶瓷材料而言,人?對其力學性能的分析主要集中在彎曲強度、斷裂韌性和硬度上,本文在此基礎上對其力學性能檢測方法做了簡單介紹。

        1.彎曲強度

        彎曲實驗一般分三點彎曲和四點彎?兩種,如圖1-1所示。四點彎曲的試樣中部受到的是純彎曲,彎曲應力計算公式就是在這種條件下建立起來的,因此四點彎曲得到的結果比較。而三點彎曲時梁各個部位受到的橫力彎曲,所以計算的結果是近似的。但是這種近似滿足大多數工程要求,并且三點彎曲的夾具簡單,測試方便,因而也得到廣泛應用。

 

        由材料力學得到,在純彎曲且彈性變形范圍內,如果指定截面的彎矩為M,該截面對中性軸的慣性矩為Iz,那么距中性軸距離為y點的應力大小為:

        在圖1-1的四點彎曲中,大應力出現在兩加載點之間的截面上離中性軸遠的點,其大小為:

        其中P為載荷的大小,a為兩個加載點中的任何一個距支點的距離,b和h分別為矩形截面試樣的寬度和高度,而D為圓形截面試樣的直徑。因此當材料斷裂時所施加載荷所對應的應力就材料的抗彎強度。

        而對于三點彎曲,大應力出現在梁的中間,也就是與加載點重合的截面上離中性軸遠的點,其大小為:

 

        式中l為兩個支點之間的距離(也稱為試樣的跨度)。

        上述的應力計算公式僅適用于線彈性變e階段。脆性材料一般塑性變形非常小,同彈性變形比較可以忽略不計,因此在斷裂前都遵循上述公式。斷裂載荷所對應的應力即為試樣的彎曲強度。

        需要注意的是,一般我們要求試樣的長度和直徑比約為10,并且在支點的外伸部分留足夠的長度,否則可能影響測試精度。另外,彎曲試樣下表面的光潔度對結果可能也會產生顯著的影響。粗糙表面可能成為應力集中源而產生早期斷裂。所以一般要求表面要進行磨拋處理。當采用矩形試樣時,也注意試樣的放置方向,避免使計算中b、h換位得到錯誤的結果。

        2.斷裂韌性

        應力集中是導致材料脆性斷裂的主要原因之一,而反映材料抵抗應力集中而發生斷裂的指標是斷裂韌性,用應力強度因子(K)表示。呈張開型(I型)的裂紋危險,其應力強度因子用KI表示,恰好使材料產生脆性斷裂的KI稱為臨界應力強度因子,用KIC表示。金屬材料的KIC一般用帶邊裂紋的三點彎曲實驗測定,但在陶瓷材料中由于試樣中預制裂紋比較困難,因此人們通常用維氏硬度法來測量陶瓷材料的斷裂韌性。

        陶瓷等脆性材料在斷裂前幾乎不產生塑性變形,因此當外界的壓力達到斷裂應力時,就會產生裂紋。以維氏硬度壓頭壓入這些材料時,在足夠大的外力下,壓痕的對角線的方向上就會產生裂紋,如圖2-1所示。裂紋的擴展長度與材料的斷裂韌性KIC存在一p的關系,因此可以通過測量裂紋的長度來測定KIC。其突出的優點在于快速、簡單、可使用非常小的試樣。如果以PC作為可使壓痕產生雷文的臨界負荷,那么圖中顯示了不同負荷下的裂紋情況。

        由于硬度法突出的優點,人們對它p行了大量的理論和實驗研究。推導出了各種半經驗的理論公式。其中Blendell結合理論分析和實驗數據擬合,給出下列方程:

        KIC是I型應力強度因子,也就是斷裂韌性;φ為一常數,約等于3;HV是維氏硬度;a為壓痕對角線長度的一半;c為表面裂紋長度的一半,見圖2-1。經過大量的研究表明,該公式至少在下列范圍內是使用的:硬度(HV)=1~30GPa,斷裂韌性(KIC)=0.9~16MPa·m1/2及泊松比bμ)=0.2~0.3。

        一系列的實驗發現,這一公式和實驗數據具有非常好的吻合。當使用這一方程時,一般所加的負荷要足夠大,使c/a大于3左右。但是在某些時候,這意味著要加很高的負荷,在一般的顯微硬度計上無法實現,并且使壓頭易損壞,增加測試費用。后來Niihara等發現,當所加負荷較小時,上述的公式經過修正后仍舊適用。在脆性材料中,壓痕下材料的斷裂方式根據所加負荷的不同呈現兩種形式,如圖2-2所示。當負荷小時,所出現的裂紋稱Palmqvist裂紋(左圖),而在負荷較高時,出現的裂紋稱為Median裂紋(右圖)。

 

        理論分析和實驗結果擬合表明,對于Palmqvist裂紋(0.25≤L/a≤25或1.25≤c/a≤3.5),用下列公式計算斷裂韌性:

        而對于Median裂紋(c/a≥2.5),用下列公式計算:

        也就是說只要能確定裂紋的形式,就可以用這些公式計算斷裂韌性,并且曲線同實驗數據吻合非常好。因而可以使用小負荷測斷裂韌性,避免高負荷所帶來的一系列技術上的困難。目前 確定裂紋的擴展方式困難或麻煩時,依舊傾向于使用高的負荷,使裂紋呈Median擴展形式。

        3.硬度

        陶瓷材料中,通常采用的是維氏硬度與莫氏硬度。

        維氏硬度的測量是將一個相對夾角為136°的正四棱錐金剛石壓頭在一定的負荷下壓入試樣表面,經過一定時間的保持后卸載,測定壓痕兩對面線的長度并取其平均值(d)計算壓痕的實際面積,負荷和所測面積的比值就是維氏硬度,用HV表示。經幾何換算后得到:

        壓痕的對角線長度一般通過顯微鏡測量,工作面要和底面平行,粗糙度分別在Ra0.1和Ra0.8以下,而實驗力根據試樣的厚度和硬度一般在9.8~980N。一般要求試樣的小厚度至少為壓痕對角線長度的1.5倍,否則結果會有誤差。為了保證所測數值的準確性,要求兩對角線長度相差較小,加壓保持時間在10~30s之間。

        另外,在陶瓷材料中經常使用到的硬度還有莫氏硬度。莫氏硬度是應用劃痕法將棱錐形金剛鉆針刻劃所試試樣的表面而發生劃痕,其硬度值并非硬度值,而是按硬度的順序表示的值。莫氏硬度現在一般認定有15級,其中1級滑石軟,15級金剛石硬,各級代表材料如表3-1所示:

(資料來源于網絡-百度搜索)

 

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