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如“六方氮化硼为松散的绝缘材料;
立方结构是超硬材料”
2、显微组织
晶体相,玻璃相,气相
晶界、夹杂
(种类、数量、尺寸、形态、分布、影响材料的力学性能。
(可通过热处理改善材料的力学性能)
陶瓷的分类
※玻璃—工业玻璃(光学,电工,仪表,实验室用);
建筑玻璃;
日用玻璃
※陶瓷—普通陶瓷--日用,建筑卫生,电器(绝缘),化工,多孔……
特种陶瓷--电容器,压电,磁性,电光,高温……
金属陶瓷--结构陶瓷,工具(硬质合金),耐热,电工……
※玻璃陶瓷—耐热耐蚀微晶玻璃,光子玻璃陶瓷,无线电透明微晶玻璃,熔渣玻璃陶瓷…
2.陶瓷的生产
(1)原料制备(拣选,破碎,磨细,混合)
普通陶瓷(粘土,石英,长石等天然材料)
特种陶瓷(人工的化学或化工原料---
各种化合物如氧、碳、氮、硼化合物)
(2)坯料的成形(可塑成形,注浆成形,压制成形)
(3)烧成或烧结
3.陶瓷的性能
(1)硬度是各类材料中最高的。
(高聚物<
20HV,淬火钢500-800HV,陶瓷1000-5000HV)
(2)刚度是各类材料中最高的(塑料1380MN/m2,钢207000MN/m2)
(3)强度理论强度很高(E/10--E/5);
由于晶界的存在,实际强度比理论值低的多。
(E/1000--E/100)。
耐压(抗压强度高),抗弯(抗弯强度高),不耐拉(抗拉强度很低,比抗压强度低一个数量级)较高的高温强度。
(4)塑性:
在室温几乎没有塑性。
(5)韧性差,脆性大。
是陶瓷的最大缺点。
(6)热膨胀性低。
导热性差,多为较好的绝热材料(λ=10-2~10-5w/m﹒K)
(7)热稳定性—抗热振性(在不同温度范围波动时的寿命)急冷到水中不破裂所能承受的最高温度。
陶瓷的抗热振性很低(比金属低的多,日用陶瓷220℃)
(8)化学稳定性:
耐高温,耐火,不可燃烧,抗蚀(抗液体金属、酸、碱、盐)
(9)导电性—大多数是良好的绝缘体,同时也有不少半导体(NiO,Fe3O4等)
(10)其它:
不可燃烧,高耐热,不老化,温度急变抗力低。
普通陶瓷
一.传统陶瓷
原料—
长石,石英,粘土,高龄土,绢云母,滑石,石灰。
加入(MgO,ZnO,BaO,Cr2O3等)提高强度;
加入(Al2O3,ZrO2等)提高强度和热稳定性;
加入(SiC等)提高导热性。
1.日用陶瓷
性能要求:
白度,光洁度,热稳定性,机械强度,热稳定性
用途:
日用器皿,工艺品艺术品等
2.建筑陶瓷
强度,热稳定性
地面,墙壁,管道,卫生洁具等.
3.电工陶瓷(高压瓷)
强度,介电性能和热稳定性.
隔电,支持及连接,绝缘器件
4.化工陶瓷
耐蚀性.
实验器皿,耐热容器,管道,设备。
特种陶瓷
1.氧化物陶瓷:
※Al2O3—高的强度和高温强度(抗压2493MN/m2),高化学稳定性和介电性能
•以Al2O3为主要成分,含少量SiO2的陶瓷。
•根据Al2O3含量不同,分为75瓷(Al2O3含量为75%)又称刚玉-莫来石瓷;
95瓷、99瓷,又称刚玉瓷。
•Al2O3含量愈高,玻璃相愈少,气孔愈少,陶瓷的性能愈好,但工艺愈复杂,成本愈高。
优势:
氧化铝陶瓷的强度高,是普通陶瓷的2~6倍,抗拉强度可达250MPa;
•耐磨性好,硬度次于金刚石、碳化硼、立方氮化硼和碳化硅,居第5;
•耐高温性能好,刚玉陶瓷可在1600℃下长期工作,在空气中的最高使用温度达1980℃;
•耐蚀性和绝缘性好;
•脆性大,抗热振性差,不能承受环境温度的突然变化。
用途:
工具,高温炉零件,空压机泵零件,内燃机火花塞,坩埚。
微晶刚玉(弯曲强度5000MN/m2,HRA92-93红硬性1200℃)---工具,刀具。
※BeO—导热性好(180kcal/m·
h·
℃),热稳定性较高,消散高能辐射的能力强,强度低(抗压强度(785MN/m2)
熔化某些纯金属的坩埚,真空陶瓷和原子反应堆用陶瓷
※ZrO2——呈弱酸性或惰性,导热系数小1.5-1.7kcal/m·
℃,使用温度2000-2200℃,抗压强度2060MN/m2
※MgOCaO抗各种金属碱性渣的作用,热稳定性差,MgO高温易挥发,CaO在空气中易水化
2.碳化物陶瓷:
※碳化硅—弯曲强度200-250MN/m2,抗压强度1000-1500MN/m2,硬度高,抗氧化,不抗强碱。
•主晶相SiC,有反应烧结和热压烧结两种碳化硅陶瓷;
•高温强度高,工作温度可达1600~1700℃1400℃时,抗弯强度为500~600MPa;
•有很好的导热性、热稳定性、抗蠕变能力、耐磨性、耐蚀性,且耐辐射;
•是良好的高温结构材料,主要用于制作火箭喷管的喷嘴,浇注金属的浇道口、热电偶套管、炉管,燃气轮叶片,高温轴承,热交换器及核燃料包封材料等。
加热元件,石墨的表面保护层,砂轮,磨料
※碳化硼—硬度高,抗磨,熔点高2450℃
磨料,超硬质工具材料。
3.氮化物陶瓷:
※氮化硼—石墨类型六方结构(白石墨)----介电体和耐火润滑剂。
立方结构(β-BN)----极高硬度,抗加热温度2000℃,是金刚石的代用品。
•主晶相BN,共价晶体,晶体结构为六方结构,有白石墨之称;
•良好的耐热性和导热性,热导率与不锈钢相当,热胀系数比金属和其它陶瓷低得多,故抗热振性和热稳定性好;
•高温绝缘性好,2000℃仍是绝缘体,是理想的高温绝缘材料和散热材料;
•化学稳定性高,能抗Fe、Al、Ni等熔融金属的侵蚀;
•硬度较其它陶瓷低,可切削加工;
•有自润滑性,耐磨性好。
氮化硼陶瓷常用于制作热电偶套管,熔炼半导体、金属的坩埚和冶金用高温容器和管道,高温轴承,下班制品成型模,高温绝缘材料;
因BN中含wB=43%,有很大的吸收中子的截面,可作核反应堆中吸收热中子的控制棒。
4.金属陶瓷
以金属氧化物或碳化物为主要成分,加入适量的金属粉末,通过粉末冶金的方法制成的,具有某些金属性质的陶瓷。
金属陶瓷是金属切削刀具、模具和耐磨零件的重要材料。
粉末冶金方法及其应用
•金属材料的制备:
熔炼、铸造
高熔点的金属及金属化合物难以通过熔炼或铸造的方法制备
粉末冶金:
陶瓷生产工艺在冶金中的应用
粉末制备----压制成型----烧结成零件或毛坯
粉末冶金法的基本工艺过程
1.粉末制备
包括粉末制取、配料、粉料混合等步骤。
粉末的纯度、粒度、混合的均匀程度等对粉末冶金制品的质量有重要影响。
粉末愈细、愈均匀、纯度愈高,陶瓷的性能愈好。
2.压制成型
多采用冷压法,即将粉料装入模具型腔内,在压力机下压制成致密的具有一定强度的坯体。
为了改善粉末的可塑性和成型性,通常在粉料中会加入一定比例的增塑剂,如汽油橡胶溶液、石蜡等。
3.烧结
将压制成型的坯体放入通过保护气氛的高温炉或真空炉中进行烧结,在保持至少一种组元仍处于固态的烧结温度下,长时间保温,通过扩散、再结晶、化学反应等过程,获得与一般合金相似的组织,并存在一些微小的孔隙的粉末冶金制品。
根据烧结过程中有无液相产生,烧结分为:
固相烧结和液相烧结。
•固相烧结:
在烧结时不形成液相。
无偏析高速钢、烧结铝(Al-Al2O3)、烧结钨、青铜-石墨、铁-石墨等
•液相烧结:
在烧结时形成部分液相的液-固共存状态。
金属陶瓷硬质合金(WC-Co、WC-TiC-Co等)、高速钢-WC、铬钼钢-WC等
4.后处理加工
为改善或得到某些性能,有些粉末冶金制品在烧结后还要进行后处理加工。
如齿轮、球面轴承等在烧结后再进行冷挤压,以提高其密度、尺寸精度等;
铁基粉末冶金零件进行淬火处理,以提高硬度等等。
陶瓷材料的力学性能
强度(高温、低温、室温)韧性、硬度、断裂韧度、疲劳等。
一、陶瓷材料的弹性变形、塑性变形与断裂(图9-23)
(1)弹性
A)弹性模量大
是金属材料的2倍以上。
∵共价键结构有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。
晶体结构复杂,滑移系很少,位错运动困难。
B)弹性模量呈方向性;
压缩模量高于拉伸弹性模量
结构不均匀性;
缺陷
C)气孔率↑,弹性模量↓
(2)塑性变形
a)室温下,绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。
b)1000℃以上,大多数陶瓷材料可发生塑性变形(主滑移系运动)
c)陶瓷的超塑性
超细等轴晶,第二相弥散分布,晶粒间存在无定形相。
1250℃,3.5×
10-2S-1应变速率ε=400%。
利用陶瓷的超塑性,可以对陶瓷进行超塑加工(包括扩散焊接)
(3)断裂
以各种缺陷(表面或内部)为裂纹源
裂纹扩展,瞬时脆断。
缺陷的存在是概率性的。
用韦伯分布函数表示材料断裂
F(σ)—断裂概率
m—韦伯模数
σ0—特征应力,该应力下断裂概率为0.632
σ’、σ—试样内部的应力及它们的最大值
二、陶瓷材料强度和硬度
陶瓷的实际强度比其理论值小1~2个数量级。
(1)弯曲强度
三点弯曲、四点弯曲
四点弯曲试样工作部分缺陷存在的几率较大。
∴强度比三点的低。
(2)抗拉强度
夹持部位易断裂(加橡胶垫)
∴常用弯曲强度代之,高20%~40%。
(3)抗压强度
比抗拉强度高得多,10倍左右。
(4)硬度高HRA,AT45N小负荷的维氏硬度或努氏硬度。
陶瓷材料的断裂韧度
比金属的低1~2个数量级
测定方法(图)
单边切口法、山形切口法、压痕法、双扭法、双悬臂梁法。
∵KIC值受切口宽度的影响。
金属材料:
σ↑、δ↓、KIC↓;
陶瓷材料:
σ↑、KIC↑。
∵尖端塑性区很小。
陶瓷材料的增韧:
(1)改善组织(细密、纯、匀)
(2)相变增韧
(3)微裂纹增韧
陶瓷材料的疲劳强度
静态疲劳,动态疲劳,循环疲劳和热疲劳
(1)静态疲劳
对应于金属材料的应力腐蚀和高温蠕变断裂。
“温度、应力、环境介质”
分成的个区(图10-11)
孕育区(低于应力强度因子门槛值)
低速区da/dt随K↑而↑
中速区da/dt仅与环境介质有关,与K无关。
高速区da/dt随K↑而呈指数关系↑
(2)动态疲劳
类似于金属材料应力腐蚀研究中的慢应变速率拉伸。
(3)循环疲劳
疲劳破坏以慢速龟裂扩展的方式发生。
陶瓷材料是脆性材料。
(4)热疲劳
低周疲劳
金属的疲劳寿命通常用循环周次表示
陶瓷材料的疲劳寿命则用断裂时间表示
疲劳特性评价,同样符合paris公式
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