Wykłady
 Nauka o materiałach
I Rok WIMiR
WA
AŚCIWOŚCI CERAMIKI
WA
AŚCIWOŚCI MECHANICZNE CERAMIKI
wytrzymałość na zginanie
�rozciąganie<�zginanie<�ściskanie
�r E" 0,5 � 0,7�
zg
� E" 7 �9�
śczg
WYTRZYMAA
OŚĆ TEORETYCZNA
E H" 103GPa
Eł
J
ł H" 0,8 - 6
�T =
m2
r0
r0 H" 2 - 3�"10-10 m
�T H"10 -102GPa
Monokryształy włoskowate:
Al2O3 ~15 GPa
SiC ~35 GPa
WYTRZYMAA
OŚĆ RZECZYWISTA
� H" 102 MPa
M
?
�T
� H"
M
100
defekty mikrostruktury
WYTRZYMAA
OŚĆ RZECZYWISTA
� = � [1+ 2 a / �]E" 2� [ a / �]
max śr śr
Mikrostruktura spieku SiC
� H" 450MPa
zg
PRZYCZYNY WYST
POWANIA DEFEKTÓW MIKROSTRUKTURY
" twarde aglomeraty ziarnowe,
" niewłaściwe upakowanie ziaren
(dwumodalny rozkład wielkości porów),
" niewłaściwy przebieg procesu spiekania,
ODPORNOŚĆ NA KRUCHE P
KANIE
*
ń#
�max E" 2�śr Ą# a / � / �" Ą�
Ł#Ś#
1/ 2� Ą� = � Ąa
max śr
KI = � Ąa
śr
pęknięcie może rozwijać się samoczynnie gdy KI osiągnie wartość krytyczną KIc
KIc = � Ąac
śr
NIEZAWODNOŚĆ
Statystyka Weibulla
Badania wytrzymałości ceramiki pozwalają stwierdzić, że:
" próbki wykazują znaczny rozrzut wyników
" wartość mierzona zależy od rozmiarów próbek
W materiale ceramicznym istnieją defekty o zróżnicowanym kształcie i
zróżnicowanej wielkości  istnieje statystyczny rozkład defektów
Wytrzymałość ceramiki podlega rozkładowi statystycznemu
Nie można określić wytrzymałości danego materiału, lecz tylko
prawdopodobieństwo, że próbka będzie posiadać pewną określoną
wytrzymałość.
Weibull zaproponował sposób statystycznego określania wytrzymałości na
podstawie oceny prawdopodobieństwa przetrwania.
m
ż# �#
�# ś#
�
�#
ś# ź#
Ps(V0) = exp�#-
�# Ź#
ś# ź#
�0 �#
�# �# # �#
�#
�0 i m  stałe
Jeżeli � = 0, żadna próbka nie ulega zniszczeniu PS(V0) = 1
W miarę wzrostu naprężenia coraz większa ilość próbek ulega zniszczeniu i
PS(V0) maleje. Gdy wszystkie próbki ulegają zniszczeniu � " i PS(V0) 0
a) funkcja rozkładu Weibula b) zmiany PS w zależności od zmian modułu m
Gdy � = �0 wówczas PS(V0) = 1/e = 0,37 to oznacza, że 37% próbek
wytrzymuje obciążenie
Stała m  moduł Weibulla określa szybkość zmniejszania się
wytrzymałości w miarę wzrostu obciążenia
TYPOWE WARTOŚCI MODUA
ÓW WEIBULLA
Rodzaj materiałuModuł Weibulla
Mg-PSZ ~30
Si3N4 10-20
SiC 10-20
B4C10
SiC-(20)B4C  (15)TiB2 ~30
stal 50-100
ODPORNOŚĆ MATERIAA
ÓW CERAMICZNYCH NA ZUŻYCIE
Korozyjne działanie środowiska
Sublimacja:
MO(s) MO(g)
Rozkład:
MN(s)M(g)+ 1/2N2(g)
Al2O3Al2O(g)+O2(g)
Utlenianie aktywne:
Utlenianie pasywne:
MC(s)+O2(g)MO(g)+CO(g)
SiC +2O2 SiO2(s)+CO2
produkty korozji ulegają
usunięciu z powierzchni
ZUŻYCIE EROZYJNE
Zużycie cierne w temperaturze pokojowej
Zespół
Współczynnik
Współczynnik
zużycia
Próbka Próbka
tarcia
10-6mm3/N�m
nieruchoma obrotowa
Stal 1%C 760HV Stal 1%C 760HV 0,5 2
PTFE Stal 1%C 760HV 0,27 210
Al2O3 Al2O3 0,4 0,04
Si3N4 Si3N4 0,5 6
SiC SiC 0,4 0,6
Zużycie cierne w temperaturze 800oC
Zespół
Współczynnik
Współczynnik
zużycia
Próbka Próbka
tarcia
10-6mm3/N�m
nieruchoma obrotowa
Al2O3 Al2O3 0,68 97
Si3N4 Si3N4 0,58 500
SiC SiC 0,67 150
SiC-TiB2 SiC-TiB2 0,52 31
TiN- Si3N4 TiN- Si3N4 0,8 6,1
WA
AŚCIWOSCI CIEPLNE
Temperatury topnienia wybranych materiałów ceramicznych
Materiał Temperatura topnienia [OC]
Al2O3 2050
BeO 2530
Ca0 2590
MgO 2800*
ZrO2 2770
AlN 2500*
Si3N4 1900*
TiN 3200
B4C 3920
SiC 2760*
TaC 3990
TiC 3450
*)
rozkład termiczny lub sublimacja,
ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA
ąL = (1/ r0)dr / dT
ąV = (1/V0 )dV / dT
Materiały o dominującym charakterze kowalencyjnym wiązań
chemicznych wykazują małe współczynniki rozszerzalności cieplnej
ąLH" 3,5~4,5�10-6 1/K
(AlN, SiC, B4C, Si3N4 ....)
Materiały o dominującym charakterze jonowym wiązań chemicznych
posiadają większe współczynniki rozszerzalności cieplnej
ąLH" 7,5~15�10-6 1/K
(Al2O3, BeO, MgO, ZrO2, .....)
dt
�#ś#
dQ =- d�
PRZEWODNOŚĆ CIEPLNA
ś#ź#
dx
�# #
Materiał - Przewodność cieplna [W/m�K]
Ag 406
Cu 385
Al 205
C (diament) 2000
AlN 150-200
SiC 100-160
Si3N4 35
ZrO2 2
Beton 0,8
Cegła0,6
Drewno 0,04-0,12
Kaowool 0,05-0,1
ODPORNOŚĆ NA NAPR
ŻENIA CIEPLNE
Przy gwałtownym ogrzewaniu lub studzeniu naprężenia powstające wskutek
rozszerzalności cieplnej mogą przekroczyć wytrzymałość materiału.
Rozkład temperatury i naprężeń cieplnych
a) w materiale chłodzonym b) w materiale ogrzewanym
ODPORNOŚĆ NA NAPR
ŻENIA CIEPLNE
Wielkość naprężeń uzależniona jest od rozszerzalności cieplnej,
przewodności cieplnej oraz od kształtu i wymiarów materiału
LITERATURA do wykładu
1. R. Pamuch, Materiały Ceramiczne. Zarys nauki o materiałach
nieorganiczno-niemetalicznych., PWN, Warszawa, 1988
2. M. Szutkowska, Odporność na kruche pękanie spieków ceramicznych
stosowanych na ostrza narzędzi skrawających, Zeszyty Naukowe
Instytutu Obróbki Skrawaniem nr 85, Kraków, 2005
3. M. F. Ashby, D. Jones, Materiały inżynierskie, Wyd. Nauk.-Techn.,
Warszawa, 1995