Механические свойства. При комнатной температуре под действием механических напряжений для керамик характерно хрупкое разрушение

При комнатной температуре под действием механических напряжений для керамик характерно хрупкое разрушение, наступающее после незначительной упругой деформации. Этим керамика резко отличается от металлов, для которых характерна значительная величина пластической деформации. Для оценки прочностных свойств керамики используются величины предела прочности при сжатии s_сж и изгибе s_изг, причем прочность конструкционной и инструментальной керамики чаще оценивается пределом прочности при изгибе.

Механическая прочность керамики существенно зависит от объема испытуемого изделия. У изделий большего объема выше вероятность наличия опасных дефектов, их средняя прочность меньше. По теории Вейбулла соотношение значений прочности при растяжении двух образцов, имеющих объемы V₁ и V₂, будет следующим:

s₁/s =(V₂/V₁)^1/m, (1)

где m – константа, характеризующая однородность материала.

Чем выше m, тем однороднее материал.

Значительное влияние на прочность керамики оказывает микроструктура: количественное соотношение кристаллических фаз, содержание и состав стеклофазы, размер зерна, пористость. Увеличение содержания кристаллических фаз и уменьшение размера зерна ведет к росту прочности. Наличие стеклофазы в керамике в большинстве случаев приводит к снижению прочности. Поры не только уменьшают площадь поперечного сечения, но и действуют как концентраторы напряжений. Зависимость прочности керамики от пористости описывается формулой Рышкевича:

s = s₀exp(-nП), (2)

где n – постоянная, изменяющаяся от 4 до 7, П – пористость в долях, s₀ – прочность беспористой керамики.

Из этой зависимости следует, что при пористости 5% прочность снижается на 25–40% по сравнению с прочностью материала, полностью свободного от пор, а при пористости 10% прочность снижается примерно в два раза.

Важной прочностной характеристикой керамики является способность противостоять распространению в материале трещин – трещиностойкость, которая количественно определяется критическим коэффициентом интенсивности напряжений К_1с, имеющим размерность МПа×м^1/2. Трещиностойкость определяется по специальным методикам, среди которых наиболее широко применяется метод отпечатков алмазной пирамиды.

Третьей важной характеристикой, которая определяет уровень механических свойств керамики, является твердость. Хотя при обычной температуре керамические материалы не испытывают пластической деформации при нагружении, тем не менее при вдавливании алмазного индентора в поверхность керамики возникает пластическая деформация в прилегающих к индентору микрообъемах материала. Сопротивление материала этой деформации оценивается твердостью. Для определения твердости керамики в основном используется метод Виккерса (HV) и метод определения микротвердости (H_m).

Помимо изгибной прочности, трещиностойкости и твердости механические свойства керамик оцениваются также модулем упругости Е, модулем сдвига G и коэффициентом Пуассона.

Модуль упругости определяется по формуле

e = s/Е, (3)

где e – упругая деформация, s - нормальное напряжение.

Модуль сдвига G входит в аналогичную формулу, связывающую деформацию сдвига и касательное напряжение:

g = t/G, (4)

где g – упругая деформация сдвига, t – максимальное касательное напряжение.

Коэффициент Пуассона определяется по формуле

n = (Dd/d)/(Dl/l), (5)

где Dd/d – относительное сужение, Dl/l – относительное удлинение испытуемого образца.

Для большинства керамик n колеблется в пределах 0,2 – 0,25, при пластической деформации обычно n = 0,5. Между модулями Е и G существует зависимость:

G = Е/2(1+n). (6)

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 438; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!