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陶瓷力学性能的测试方法

时间:2014-01-08      阅读:2273

以材料受力的情况为主线,分别是材料的弹性变形、塑性变形和断裂

弹性变形----可逆、虎克定律

塑性变形----特点是不可逆、机制是滑移和孪晶,陶瓷中特色还有:蠕变和高温粘性流动

断裂----理论、强度、结构、方式和加载方式.

脆性材料的强度测试可能成为派生的应力源而导致测试结果的误差。要求对各种试样几何形状和各种加载方式下的应力分布有一定了解,对一些引入误差的根源亦应有合理的估计,由于陶瓷显微结构的微不匀性,尚应考虑到基于宏观连续介质的线弹性力学解来处理陶瓷力学性能问题时,所存在的实际与理论之间的差别.

抗张强度:

夹持试样的卡头应力集中效应:抗张试样装置到测试系统中去,需要采用夹具卡住试样的端部或肩部,导致接触点附近的应力集中,这种应力集中效应随着与加载区距离的增大而减弱,至工作段达到简单的静态平衡应力分布。解决的办法是用阶梯式试样

偏心度的影响:受卡端部所承受的载荷在端部截面上产生了非均匀的应力分布,直到工作段截面上应力趋于均匀.

在给定的外应力条件下,偏心效应系数随着试样截面积增大而减少,另一方面,试样的截面积愈大,欲使试样破坏所需的载荷亦愈大,并愈有利于减少弯曲导致的额外偏心应力.

测试原理:1当一个矩形截面的梁承受弯曲载荷,其截面上就出现应力,从三点抗弯和四点抗弯的弯矩分布和切力分布对照来看,四点抗弯法具有一定的恒弯矩范围,而且在这一范围内不存在截面的切应力,能较全面地反映纯弯曲应力状态下的材料强度 .

2)支点的楔入作用:在梁处于承受载荷的状态下,支撑的刃口或小圆棒与试样表面呈线接触,所形成的高度应力集中可能使试样局部受剪切或压碎,更严重的是支撑点的楔入作用引起了半圆状分布的附加应力,脆性陶瓷材料抗弯试样的断面往往偏离弯矩zui大的加载点就是这个缘故.

 

3)扭曲作用:抗弯试样的支撑点重心不处于同一Z面上,就将引起沿试样宽度方向的载荷不均匀分布,导致试样扭曲。

4)试样支撑点处的摩擦效应:在抗弯试验中,试样中和面以下的受张力侧沿长度方向伸长,而中和面以上的受压力侧沿长度方向缩短,结果引起了两对摩擦作用力以及相应的力矩,从而影响了原始的静态平衡应力分布.

5)弯曲试样的影响

6)试样支撑点的非对称分布:误差根源对四点抗弯加载形式的影响较为严重.

抗弯试样的合理选择1)几何形状:圆形截面的三点抗弯试样上的zui大弯距仅在一点,而矩形截面试样的zui大弯距处在一条线上;圆形截面的四点抗弯试样上的zui大弯距处在一条线上,而矩形截面试样的zui大弯距处在一条面上.因此矩形截面试样更能显示由zui危险缺陷所决定的材料强度本质.

2)试样高度:抗弯试样截面各点的正应力与该点至中和面的垂距成正比,因而同样的缺陷尺度由于在试样中所处的位置不同而导致破坏的几率是不相等的,并且破坏几率随着缺陷离表面层间距的增长而减少。减少试样的厚度可降低支点的楔入作用和原始试样弯曲所导致的实际应力偏差.

3)试样长度:为了得到较大范围的zui大应力等值面,四点抗弯试样的两个内支点间距L要求长一些,为了缓和支点非对称分布的影响,同侧的内外支点间距K亦需要大一点,因此抗弯试样应具有足够的长度。从上报道的资料来看,新型陶瓷材料研究领域中所采用的小型试样一般处于〔3~5´3~5 ´20~30mm3,内支点间距为10~20mm的范围.

径向加载的张力破坏强度:径向加载的张力破坏强度测试法主要用于进行薄壁管状陶瓷的强度试验。薄壁管状试样承受了径向载荷,就在试样外表面与上下压头的接触处,以及与之成正交的内壁处产生zui大压应力;而在前一方位的内壁和后一方位的外壁产生zui大的张应力。从而导致了试样沿垂直方向或水平方向断裂.

陶瓷材料的断裂韧性测试:

陶瓷材料力学行为的某些特点,要求进行断裂力学参数测量时应考虑某些特殊的问题:

1)陶瓷材料的塑性极其有限,在裂纹扩展之前不易偏离线弹性力学关系,一般可以断裂的zui大载荷代替开裂点的载荷来进行断裂韧性K1c的计算,免去在裂纹根部测量张开位移的程序.

2)由于陶瓷材料的塑性很小,其屈服强度比值相应很低,因而断裂韧性测试样品的厚度边界条件b>2.5总是能够满足。但由于陶瓷显微结构方面的微不均性,仍需要试样截面有足够的范围以表征结构的特点

3)试样预制尖形裂纹是一种难度较大的技术,锯切缺口的方法比较容易掌握,但需力求缺口的曲率半径小于临界值,以保证测试结果的稳定性和精度.

 

4)陶瓷体内起始裂纹的尺度与mm级的显微结构尺度相当,但进行断裂力学参数测定所采用的却是mm级尺度的人工裂纹,这对测量的难免有些影响

5)陶瓷高温测试过程中的应力传递、应变测量以及裂纹观察都有一定难度,因此对测试方程的选择更需慎重.

 

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