陶瓷力學(xué)性能的測(cè)試方法

以材料受力的情況為主線，分別是材料的彈性變形、塑性變形和斷裂

彈性變形----可逆、虎克定律

塑性變形----特點(diǎn)是不可逆、機(jī)制是滑移和孿晶，陶瓷中特色還有：蠕變和高溫粘性流動(dòng)

斷裂----理論、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、方式和加載方式.

脆性材料的強(qiáng)度測(cè)試可能成為派生的應(yīng)力源而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的誤差。要求對(duì)各種試樣幾何形狀和各種加載方式下的應(yīng)力分布有一定了解，對(duì)一些引入誤差的根源亦應(yīng)有合理的估計(jì)，由于陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的微不勻性，尚應(yīng)考慮到基于宏觀連續(xù)介質(zhì)的線彈性力學(xué)解來(lái)處理陶瓷力學(xué)性能問(wèn)題時(shí)，所存在的實(shí)際與理論之間的差別.

抗張強(qiáng)度:

夾持試樣的卡頭應(yīng)力集中效應(yīng)：抗張?jiān)嚇友b置到測(cè)試系統(tǒng)中去，需要采用夾具卡住試樣的端部或肩部，導(dǎo)致接觸點(diǎn)附近的應(yīng)力集中，這種應(yīng)力集中效應(yīng)隨著與加載區(qū)距離的增大而減弱，至工作段達(dá)到簡(jiǎn)單的靜態(tài)平衡應(yīng)力分布。解決的辦法是用階梯式試樣

偏心度的影響：受卡端部所承受的載荷在端部截面上產(chǎn)生了非均勻的應(yīng)力分布，直到工作段截面上應(yīng)力趨于均勻.

在給定的外應(yīng)力條件下，偏心效應(yīng)系數(shù)隨著試樣截面積增大而減少，另一方面，試樣的截面積愈大，欲使試樣破壞所需的載荷亦愈大，并愈有利于減少?gòu)澢鷮?dǎo)致的額外偏心應(yīng)力.

測(cè)試原理：1）當(dāng)一個(gè)矩形截面的梁承受彎曲載荷，其截面上就出現(xiàn)應(yīng)力，從三點(diǎn)抗彎和四點(diǎn)抗彎的彎矩分布和切力分布對(duì)照來(lái)看，四點(diǎn)抗彎法具有一定的恒彎矩范圍，而且在這一范圍內(nèi)不存在截面的切應(yīng)力，能較全面地反映純彎曲應(yīng)力狀態(tài)下的材料強(qiáng)度 .

2）支點(diǎn)的楔入作用：在梁處于承受載荷的狀態(tài)下，支撐的刃口或小圓棒與試樣表面呈線接觸，所形成的高度應(yīng)力集中可能使試樣局部受剪切或壓碎，更嚴(yán)重的是支撐點(diǎn)的楔入作用引起了半圓狀分布的附加應(yīng)力，脆性陶瓷材料抗彎試樣的斷面往往偏離彎矩zui大的加載點(diǎn)就是這個(gè)緣故.

3）扭曲作用：抗彎試樣的支撐點(diǎn)重心不處于同一Z面上，就將引起沿試樣寬度方向的載荷不均勻分布，導(dǎo)致試樣扭曲。

4)試樣支撐點(diǎn)處的摩擦效應(yīng)：在抗彎試驗(yàn)中，試樣中和面以下的受張力側(cè)沿長(zhǎng)度方向伸長(zhǎng)，而中和面以上的受壓力側(cè)沿長(zhǎng)度方向縮短，結(jié)果引起了兩對(duì)摩擦作用力以及相應(yīng)的力矩，從而影響了原始的靜態(tài)平衡應(yīng)力分布.

5）彎曲試樣的影響

6）試樣支撐點(diǎn)的非對(duì)稱分布：誤差根源對(duì)四點(diǎn)抗彎加載形式的影響較為嚴(yán)重.

抗彎試樣的合理選擇1)幾何形狀：圓形截面的三點(diǎn)抗彎試樣上的zui大彎距僅在一點(diǎn)，而矩形截面試樣的zui大彎距處在一條線上；圓形截面的四點(diǎn)抗彎試樣上的zui大彎距處在一條線上，而矩形截面試樣的zui大彎距處在一條面上．因此矩形截面試樣更能顯示由zui危險(xiǎn)缺陷所決定的材料強(qiáng)度本質(zhì).

2）試樣高度：抗彎試樣截面各點(diǎn)的正應(yīng)力與該點(diǎn)至中和面的垂距成正比，因而同樣的缺陷尺度由于在試樣中所處的位置不同而導(dǎo)致破壞的幾率是不相等的，并且破壞幾率隨著缺陷離表面層間距的增長(zhǎng)而減少。減少試樣的厚度可降低支點(diǎn)的楔入作用和原始試樣彎曲所導(dǎo)致的實(shí)際應(yīng)力偏差.

3）試樣長(zhǎng)度：為了得到較大范圍的zui大應(yīng)力等值面，四點(diǎn)抗彎試樣的兩個(gè)內(nèi)支點(diǎn)間距L要求長(zhǎng)一些，為了緩和支點(diǎn)非對(duì)稱分布的影響，同側(cè)的內(nèi)外支點(diǎn)間距K亦需要大一點(diǎn)，因此抗彎試樣應(yīng)具有足夠的長(zhǎng)度。從上報(bào)道的資料來(lái)看，新型陶瓷材料研究領(lǐng)域中所采用的小型試樣一般處于〔3~5）´（3~5） ´（20~30）mm3，內(nèi)支點(diǎn)間距為10~20mm的范圍.

徑向加載的張力破壞強(qiáng)度:徑向加載的張力破壞強(qiáng)度測(cè)試法主要用于進(jìn)行薄壁管狀陶瓷的強(qiáng)度試驗(yàn)。薄壁管狀試樣承受了徑向載荷，就在試樣外表面與上下壓頭的接觸處，以及與之成正交的內(nèi)壁處產(chǎn)生zui大壓應(yīng)力；而在前一方位的內(nèi)壁和后一方位的外壁產(chǎn)生zui大的張應(yīng)力。從而導(dǎo)致了試樣沿垂直方向或水平方向斷裂.

陶瓷材料的斷裂韌性測(cè)試:

陶瓷材料力學(xué)行為的某些特點(diǎn)，要求進(jìn)行斷裂力學(xué)參數(shù)測(cè)量時(shí)應(yīng)考慮某些特殊的問(wèn)題：

1）陶瓷材料的塑性極其有限，在裂紋擴(kuò)展之前不易偏離線彈性力學(xué)關(guān)系，一般可以斷裂的zui大載荷代替開裂點(diǎn)的載荷來(lái)進(jìn)行斷裂韌性K1c的計(jì)算，免去在裂紋根部測(cè)量張開位移的程序.

2）由于陶瓷材料的塑性很小，其屈服強(qiáng)度比值相應(yīng)很低，因而斷裂韌性測(cè)試樣品的厚度邊界條件b>2.5總是能夠滿足。但由于陶瓷顯微結(jié)構(gòu)方面的微不均性，仍需要試樣截面有足夠的范圍以表征結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

3）試樣預(yù)制尖形裂紋是一種難度較大的技術(shù)，鋸切缺口的方法比較容易掌握，但需力求缺口的曲率半徑小于臨界值，以保證測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性和精度.

4）陶瓷體內(nèi)起始裂紋的尺度與mm級(jí)的顯微結(jié)構(gòu)尺度相當(dāng)，但進(jìn)行斷裂力學(xué)參數(shù)測(cè)定所采用的卻是mm級(jí)尺度的人工裂紋，這對(duì)測(cè)量的難免有些影響

5）陶瓷高溫測(cè)試過(guò)程中的應(yīng)力傳遞、應(yīng)變測(cè)量以及裂紋觀察都有一定難度，因此對(duì)測(cè)試方程的選擇更需慎重.