Московский государственный институт

Стали и сплавов.

(технологический университет)

Факультет: Полупроводниковых материалов и приборов.

Кафедра: технологии материалов электроники.

Лабораторная работа 2

«Измерение и расчёт механической прочности керамических материалов».

2002

Содержание:

1. Теоретическое введение. ----------------------------------------------3

1. Зависимость  от технологических факторов. --------3

2. Области применения высокопрочных ферритов.-----7

2. Расчёт теоретической прочности. -----------------------------------8

3. Экспериментальные методики. --------------------------------------9

3.1. Методика измерения механической прочности по схеме чистого изгиба. ------------------------------------------------------------- 9

3.2. Определение плотности твёрдых тел методом гидростатического взвешивания. ---------------------------------------11

4. Расчёт прочности по известным значениям D и Р. -------------16

4.1. Выбор формулы для расчёта механической прочности керамических материалов. ---------------------------------------16

Приложение 1. -------------------------------------------------------------21

Приложение 2. --------------------------------------------------------------22

Порядок выполнения работы. -------------------------------------------25

Требования к отчёту. ------------------------------------------------------25

Контрольные вопросы. ----------------------------------------------------25

Список использованных источников. ----------------------------------26

Лабораторная работа 2

Цель работы: научить методикам оценки теоретических и реальных значений прочности керамических материалов.

1. Теоретическое введение:

Применение ферритов в нагруженных конструкциях ограниченно из-за высокой хрупкости. По своим механическим свойствам ферриты относятся к хрупким материалам, они разрушаются при деформации порядка 0.03 – 0.2 и разрушение имеет типично хрупкий хорактер.

Наибольшую опасность представляют деформации растяжения, изгиба и кручения, предел прочности при которых примерно в 10 – 20 раз меньше чем при сжатие (см. табл. 1.1).

Таблица 1.1

Основные механические свойства ферритов.

Марка феррита_р кг/см² _сж кг/см² _н кг/см² Е кг/см²

2000 НМ 100 5000 400 1*10⁶

2000 НН 350 5500 500 1.8*10⁶

10 СЧ 150 4500 250 1.5*10⁶

20 ВЧ 50 1500 130 --------

1.1. Зависимость  от технологических факторов.

Многочисленные испытания различных групп ферритов в условиях сжатия, растяжения, изгиба и кручения показывают, что их физико-механические характеристики зависят от состава и параметров микроструктуры. Прочность образцов ферритов, имеющих одинаковый химический состав, тем больше, чем меньше средняя величина зерна и чем выше однородность зерен по размерам. Увеличение пористости во всех случаях приводят к ухудшению физико-механических характеристик ферритов. Характер зависимости свойств от пористости аналогичен представленному на рис.1.1.

Зависимость прочности на сжатие ₁ и разрыв ₂ никель-цинковых ферритов от пористости Р.

Кг*мм^-2

200

100

₁

50

20

10

5

₂

2

1

%

10 20 30 40 60

Пористость

Рис.1.1.

Прочность ферритов существенно зависит от температуры. Во всех случаях наблюдается снижение пределов прочности с ростом температуры.

Важным свойством ферритов является зависимость прочностных характеристик от масштабно-технологического фактора: с увеличением размеров образца, его прочность уменьшается. Это объясняется увеличением вероятности появления «сильных» микродефектов с увеличением объема, подверженного действию механических напряжений. Влияние масштабно-технологического фактора на прочность магнитомягкого феррита показано на рис.1.2.

Влияние масштабно-технологического фактора на прочность магнитомягкого феррита.

Кг*мм^-2

2400

2000

_сж1600

1200

800

400

см³

0 2 4 6 8 10

Рис.1.2.

Прочность ферритов, как и других керамических материалов, зависит от способа нагружения и чистоты поверхности.

Учитывая статистический характер, прочность керамических материалов превращается максимально безопасной конструкции нужно использовать кривые распределения значений прочности и отношение средней прочности к минимальной. Попытки исследователей описать статистику прочностных характеристик керамики с помощью распределения Гаусса не увенчались успехом.

Стоит отметить тот факт, что наиболее распространенный способ измерения прочности – четырех точечный изгиб даёт результаты, допускающие разную интерпретацию, а метод одноосного растяжения, дающий наиболее полную информацию о прочностных свойствах материала, требует изготовление образца специальной формы, тщательной юстировки при закрепление и соблюдения режима нагружения образца при растяжение.

Теоретический расчет прочности возможен либо в рамках эмпирического подхода, развитого Кнудсеном, либо в пределах теории хрупкого излома Гриффитса и Орована.

Главное достоинство эмпирического метода – возможность путем несложных математических расчетов связать прочность с двумя фундаментальными характеристиками керамического материала: пористостью и размером зерна, и обеспечить при этом приемлемое соответствие между теоретическими экспериментальными данными. Недостаток метода в том, что он не обладает универсальностью, и константы изменяются от одного материала к другому. Он не позволяет прогнозировать прочность и не дает представления о механизмах разрушения керамики.

Теория хрупкого излома Гриффитса и Орована получила свое развитие у британских исследователей Эванса и Дэвидта. Прочность по Эвансу

^1/2

2  E  _i

 =  (1.1)

  C

Е- модуль Юнга

С- длинна трещины (50 мкм)

_i - поверхностная энергия разрушения

Более точно: _i – эффективная поверхностная энергия, необходимая для инициирования разрушения материала. Данный метод позволяет рассчитывать прочность керамики, исходя из физической природы процесс её разрушения и прогнозировать прочность даже в условиях недостаточного количества данных. Существенно затрудняет практическое применение и неоднозначность расчета эффективной поверхностной энергии разрушения.