中國(guó)粉體網(wǎng)訊 陶瓷材料通常分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷,，結(jié)構(gòu)陶瓷一般為作為工程結(jié)構(gòu)材料使用的一類陶瓷材料。與功能陶瓷不同,，既然是作為工程結(jié)構(gòu)材料使用,，那我們往往會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)陶瓷的力學(xué)性能有著苛刻的要求。
說(shuō)到力學(xué)性能,，我們通常在強(qiáng)度,、剛度、硬度,、脆性等方面拿陶瓷材料與其他材料做對(duì)比,，那強(qiáng)度,、剛度、硬度到底指什么,，今天我們一探究竟,。
硬度
我們先通過(guò)視頻來(lái)看看京瓷對(duì)陶瓷材料硬度的演示。
硬度高是陶瓷材料最突出的特點(diǎn)之一,，那硬度到底指什么,？通俗地講，硬度是指物質(zhì)的堅(jiān)硬程度,，它是材料抵抗局部壓力而產(chǎn)生變形能力的表征,。一般使用尖銳的金剛石用力下壓，通過(guò)形成的劃痕大小檢測(cè)物質(zhì)的硬度,。而陶瓷高硬度背后的原理即陶瓷材料具有離子鍵,，或共價(jià)鍵的鍵合結(jié)構(gòu)，高的鍵合能致使其不能被輕易破壞,。
不同材料的維氏硬度,，來(lái)源：京瓷
高硬度往往會(huì)帶來(lái)高耐磨性，京瓷在將很小的玻璃珠長(zhǎng)時(shí)間用力吹在精密陶瓷和金屬上,，檢查其磨損程度的磨損測(cè)試中,，先進(jìn)陶瓷的磨損程度僅為不銹鋼的十分之一左右。此外,，在將安裝了精密陶瓷和金屬的圓盤(pán)在濕砂中進(jìn)行8小時(shí)連續(xù)旋轉(zhuǎn)的測(cè)試中,，也得到了先進(jìn)陶瓷更不易磨損的結(jié)果。同時(shí),，高硬度也賦予了陶瓷很高的切削性能,，利用這些特性，先進(jìn)陶瓷被廣泛應(yīng)用于泵零部件,、切削刀具,、密封圈、軸承零部件等用途,。
剛度
我們先通過(guò)視頻來(lái)看看京瓷對(duì)陶瓷材料剛度的演示,。
表面上講，剛度指抵抗彈性變形的能力,。在材料上施加載荷,，通過(guò)材料在該載荷下彎曲的變形量來(lái)表示剛性。材料的彎曲度越小,，表示剛性越高,，越不易變形。使用該方法檢測(cè)剛性時(shí),，氧化鋁和碳化硅的數(shù)值相當(dāng)于不銹鋼的兩倍左右,。
圖片來(lái)源：京瓷
對(duì)陶瓷材料加工而言,，一般剛性越高越好。例如,，在切削成目標(biāo)形狀時(shí),，陶瓷材料的剛性越高，如果施加較大的力,，越不容易變形,，加工出的零部件精度越高。
同樣,，材料剛度高低背后的機(jī)理又是什么呢,？
首先我們了解一個(gè)概念——彈性模量。通常情況下,，物體所受力與長(zhǎng)度變化量成正比的變形稱為彈性變形,，其比值就是彈性模量。更嚴(yán)格的定義,，在彈性范圍內(nèi),，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率即是彈性模量。而剛度即是彈性模量大小的外在反映,，即抵抗變形的能力,。
通過(guò)對(duì)陶瓷材料的了解，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象,，陶瓷材料剛度的高低,，和前面我們講的硬度的高低甚至熔點(diǎn)的高低幾乎是一致的，這又是為什么呢,？
其實(shí),，硬度、剛度,、熔點(diǎn)等均是陶瓷材料結(jié)合鍵能高低的外在反映，由于陶瓷材料具有離子鍵,，或共價(jià)鍵的鍵合結(jié)構(gòu),，因此陶瓷材料表現(xiàn)出高彈性模量，即陶瓷材料具有了高剛度的同時(shí)也具備了高硬度及高熔點(diǎn)等特性,。
強(qiáng)度
下圖是陶瓷材料與金屬的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,，可以發(fā)現(xiàn)陶瓷材料在室溫受到應(yīng)力時(shí)，幾乎沒(méi)有塑性變形,，屬于典型的“脆斷”,，所以我們平常說(shuō)的陶瓷材料的強(qiáng)度主要是指它的斷裂強(qiáng)度，主要包括彎曲強(qiáng)度,，拉伸強(qiáng)度,、壓縮強(qiáng)度等,。
一個(gè)有趣的現(xiàn)象是，陶瓷的理論斷裂強(qiáng)力非常高,，但是往往我們測(cè)得的陶瓷材料實(shí)際斷裂強(qiáng)度比理論強(qiáng)度低很多很多,，甚至是比金屬還低，而上面我們不是說(shuō)了陶瓷材料的離子鍵或共價(jià)鍵鍵合能比較高嗎,，那這又是如何導(dǎo)致的呢,？
從微觀概念出發(fā)，陶瓷的理論強(qiáng)度是其原子間的結(jié)合力發(fā)揮到臨界點(diǎn)時(shí)的強(qiáng)度值,。根據(jù)原子一分子論,，理想晶體的斷裂強(qiáng)度σth和屈服強(qiáng)度分別以式（1）和式（2）表示：
其中E、rs ,、G,、a分別為彈性模量、表面能,、切變模量和原子半徑,。通過(guò)此公式可預(yù)測(cè)出陶瓷材料的理論斷裂強(qiáng)度。
至于實(shí)際斷裂強(qiáng)度比理論強(qiáng)度低很多的原因在于：陶瓷并不是完全致密的,，內(nèi)部會(huì)存在一些不規(guī)則形狀的氣孔,，這些氣孔相當(dāng)于裂紋，而且陶瓷內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，且分布不均勻,，最終導(dǎo)致了陶瓷材料實(shí)際的斷裂強(qiáng)度低。
此外,，不同的陶瓷材料其抗彎或抗拉強(qiáng)度不同,，即使是同一種陶瓷往往也不相同，例如氧化鋯陶瓷,，還受到制備工藝和強(qiáng)化手段的影響,。通過(guò)對(duì)陶瓷材料與金屬材料抗壓強(qiáng)度的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，陶瓷材料的斷裂強(qiáng)度雖然比金屬低,，但是它的抗壓強(qiáng)度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬,。另外，陶瓷材料的抗壓能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其抗拉能力,，我們生活中常見(jiàn)的石拱橋便是利用材料抗壓能力強(qiáng)的原理,。
脆性
斷裂韌性是一種表示表面或內(nèi)部有龜裂的材料（龜裂材料）的斷裂強(qiáng)度的度量。斷裂韌性是材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力,，是本征屬性,，與裂紋的大小、形狀以及外力大小無(wú)關(guān)。陶瓷材料對(duì)裂紋的敏感性很強(qiáng),，斷裂韌性是評(píng)價(jià)陶瓷材料力學(xué)性能的重要指標(biāo),，常用線彈性力學(xué)研究裂紋擴(kuò)展和斷裂的問(wèn)題。下式用來(lái)評(píng)價(jià)材料的斷裂韌性：
KIC＝Y(jié)σf a1/2
式中KIC為斷裂韌性,；σf為臨界應(yīng)力,，即材料的斷裂強(qiáng)度；Y為裂紋的幾何形狀因子,；a為1/2裂紋長(zhǎng)度,。陶瓷材料的韌性很差，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),，陶瓷材料的斷裂韌性只有金屬的1/60—1/100,，這說(shuō)明陶瓷材料的沖擊韌性和斷裂韌性都很差，即脆性很高,，這是陶瓷作為工程材料最大的短板,。
總結(jié)
強(qiáng)度：反映抗拉抗壓抗彎能力；
剛度：反映抗變形能力,；
硬度：反映抗磨損能力,；
脆性：當(dāng)外力達(dá)到一定限度時(shí)，材料發(fā)生無(wú)先兆的突然破壞,，且破壞時(shí)無(wú)明顯塑性變形,，即抗動(dòng)荷載或抗沖擊能力。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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