陶瓷材料的強度及其影響因素

　　強度與塑性是材料的基本力學性能。但陶瓷材料是脆性材料，在常溫下基本上不出現或極少出現塑性變形，因而其塑性指標：延伸率 和斷面收縮率 均近似為零。因此，可以認為，陶瓷材料的抗拉強度 、斷裂強度 和屈服強度 在數值上是相等的。此外，由圖25－2b可見，陶瓷材料壓縮時的強度比拉伸時大得多。這是脆性材料的一個特點或優點。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。

　　陶瓷材料本身的脆性來自於其化學鍵的種類，實際陶瓷晶體中大都以方向性較強的離子鍵和共價鍵為主，多數晶體的結構複雜，平均原子間距大，因而表面能小，很容易由表面或內部存在的缺陷引起應力集中而產生脆性破壞。這是陶瓷材料脆性原因所在，也是其強度值分散性較大的原因所在。影響陶瓷強度的主要因素如下：

　　（1）氣孔率對強度的影響 

　　氣孔是絕大多數陶瓷的主要組織缺陷之一，氣孔明顯地降低了載荷作用橫截面積，同時氣孔也是引起應力集中的地方（對於孤立的球形氣孔，應力增加一倍）。由試驗數據和經驗公式可知，當氣孔率為10％時，陶瓷的強度降低到無氣孔時的一半。硬陶瓷的氣孔率約為3％，陶器的氣孔率約為10％～15％。當材料成分相同，氣孔率的不同將引起強度的顯著差異。為了獲得高強度，應製備接近理論密度的無氣孔陶瓷。

　　（2）晶粒尺寸對陶瓷強度的影響 

　　從定性角度來說，實驗研究已經得到了強度極限與晶粒尺寸的關係式： ∝ 。但對燒結陶瓷來說，要作出只有晶粒尺寸大小不同，而其他組織參量都相同的試樣是很困難的，因此，往往其他因素與晶粒尺寸因素同時對強度起影響作用。但無論如何，室溫斷裂強度無疑隨晶粒尺寸的減小而增高。所以，對結構陶瓷材料來說，努力獲得細晶粒組織，對提高室溫強度是有利而無害的。

　　（3）晶界相的性質、厚度、晶粒形狀對強度的影響 

　　陶瓷材料的燒結大都要加入助燒劑，因此形成一定量的低熔點晶界相而促進緻密化。晶界相的成分、性質及數量（厚度）對強度有顯著影響。晶界相最好能起到阻止裂紋過界擴展並鬆弛裂紋尖端應力場的作用。晶界玻璃相的存在對強度是不利的，所以，應通過熱處理使其晶化。對單相多晶陶瓷材料，晶粒形狀最好為均勻的等軸晶體，這樣承載時變形均勻而不易引起應力集中，從而使強度得到充分發揮。

　　（4）溫度對強度的影響 

　　陶瓷材料的一個最大特點就是高溫強度比金屬大得多。汽車用燃氣發動機的預計溫度為1370℃，這樣的工作溫度，Ni、Cr、Co系的超耐熱合金已無法承受，但Si3N4、SiC陶瓷卻大有希望。