Прочность керамики на растяжение

Механические свойства керамических материалов.

Механическая прочность определяется работой, кото­рую необходимо затратить, чтобы разрушить изделие с по­мощью свободно падающего на его дно стального шарика стандартных размеров. Механическая прочность зависит от наличия микротрещин, пор, тонины помола сырья, со­отношения различных фаз строения. Самыми прочными видами керамики являются твердый фарфор и полуфар­фор, затем фаянс, майолика и мягкий фарфор.

­Основные физико-механические свойства керамических материалов — прочность при изгибе, растяжении и сжатии, модуль упругости и коэффициент Пуассона. Предел прочности при изгибе при Т = 293° К равен 2460-2600 кг/(кв.см). Стабилизированная двуокись циркония имеет при Т = 293К предел прочности при изгибе равный 1830 кг/(кв.см). Для предела прочности при растяжении наблюдается еще больший разброс, чем при изгибе. Средние значения предела прочности при растяжении для керамик из чистых окислов приведены: значения предела прочности при сжатии у керамических материалов очень высоки, поэтому желательно, чтобы в изделиях, содержащих керамику, она находилась в сжатом состоянии. В любом металлокерамическом спае под действием термомеханических напряжений в керамике имеет место упругая деформация. Поэтому существенное значение имеет модуль упругости, который для различных керамических материалов колеблется в больших пределах и зависит от химического состава, температуры, пористости и т. д.

Температурная зависимость модуля упругости керамических материалов на основе чистых окислов: керамические материалы мало деформируются под нагрузкой, поэтому значения коэффициента Пуассона лежат в узких пределах 0,2-0,25. Более подробные сведения о свойствах керамических материалов на основе чистых окислов приведены в работе. Облучение потоком нейтронов влияет на механические свойства изоляционных материалов. При облучении оксида бериллия интегральным потоком тепловых нейтронов 1,5 • 1020 нейтрон/(квадр. см) при 773-923К происходит разбухание окиси бериллия. Первоначально наблюдается разрушение структуры по граням зерен, что является следствием анизотропности линейного расширения материала, а также появления гелия в решетке. Разрушение усиливается с увеличением дозы нейтронов и уменьшается с повышением температуры. Например, при облучении окиси бериллия при 773-873К разбухание в три раза меньше, чем при облучении при 350-373° К при одной и той же дозе нейтронов. При повышенных температурах возникающие при облучении напряжения частично снимаются в результате высокотемпературного отжига.

Это интересно: современные технологии в производстве позволяют для каждого вида обрабатываемого материала подобрать соответствующее оборудование. Обрабатывающие центры с ЧПУ практически полностью заменили свои механические аналоги, делая возможным реализацию любой поставленной задачи по обработке того или иного вида материала. ­

Термические свойства.

Термическая стойкость керамики — это ее способность выдерживать, не разрушаясь, значительные перепады температур. Разрушение изделий при температурных пе­репадах происходит в результате возникновения напря­жений в материале из-за различия коэффициентов терми­ческого расширения черепка и глазури. Определенное влияние на термическую стойкость изделий оказывают их размер и форма. Чем больше размеры и сложнее форма, тем ниже термическая стойкость изделий.

Огнеупорность — способность материала противостоять, не расплавляясь, действию высоких температур.

Характеризуется она температурой, при которой стандартный образец в виде трехгранной усеченной пирамиды при нагревании в печи но заданному режиму размягчается и, оседая, касается своей вершиной подставки, на которой он укреплен.

Характеризуемые этим показателем материалы подразделяются на легкоплавкие (менее 1350°), тугоплавкие (1350-1580°) и огнеупорные (более 1580°), которые в свою очередь подразделяются на собственно огнеупорные (от 1580 до 1770°), высокоогнеупорные (от 1770 до 2000°) и высшей огнеупорности (выше 2000°).

Из керамических материалов и изделий к огнеупорным можно отнести шамотные (огнеупорность 1610-1750°) огнеупоры.

Термостойкость — свойство материала не растрескиваться при резких и многократных изменениях температуры.

Она повышается по мере уменьшения относительного температурного коэффициента линейного расширения материала и приобретения им однородной структуры.

Термостойкость усиливается глазурованием. Надлежащей термической стойкостью должны обладать плитки для внутренней облицовки стен, встроенные детали, канализационные трубы и др.

Морозостойкость — способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать требуемое по условиям долговечности число циклов попеременного замораживания и оттаивания. Материал считается морозостойким, если он после испытания по заданному режиму не утратил своей прочности или снизил ее не более чем на 25% и потерял в весе не более 5%.

Оценка по морозостойкости имеет большое значение для стеновых, кровельных, дорожных материалов, а также для материалов, применяемых при устройстве наружной облицовки. Этот показатель свойств регламентируется соответствующими нормативными документами.

Например, морозостойкость кирпича строительного легкого должна быть не менее 10 циклов, кирпича глиняного обыкновенного, лекального, а также стеновых камней — не менее 15 циклов и т. д.

Для повышения морозостойкости кирпича весьма важное значение имеют однородность глиняной массы, отсутствие в ней легкорастворимых солей, отсутствие свилеватости (волнообразной слоистости) при формовании, правильно выбранные режимы сушки и обжига, обеспечивающие получение изделий без трещин. Морозостойкость может быть повышена также введением в шихту выгорающих добавок, переходом на изготовление пустотелого кирпича. Испытание на морозостойкость является обязательным для всех фасадных облицовочных материалов.

Термическое расширение керамические бытовые изде­лия претерпевают в процессе эксплуатации многократно. Оно характеризуется коэффициентом линейного терми­ческого расширения черепка и глазури при нагревании керамики на 1 °С. Очень важно, чтобы этот показатель совпадал для черепка и глазури, так как в противном слу­чае будет образовываться сетка трещин на глазури или ее отслаивание. Соответствие коэффициентов термического расширения черепка и глазури достигается подбором сос­тавов, повышением температуры обжига и фриттованием (сплавлением) компонентов глазури.

Термическое расширение — свойство материала увеличивать свои размеры при нагревании. Это свойство керамических материалов встречается при устройстве футеровок вращающихся печей, вагранок, сводов туннельных, кольцевых и других печей с применением при этом глин, каолинов, различных видов шамотных изделий.

При подборе керамических масс и глазурей для них одним из основных параметров является относительный температурный коэффициент линейного расширения (v), а также относительный температурный коэффициент объемного расширения материалов (?), определяемые по формулам:

где l0, l1, v0, v1 — соответственно начальные и конечные линейные размеры и объемы образца в температурном диапазоне определения v0 и v1; t0. t1 —начальная и конечная температура в диапазоне определения.

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Электрическая прочность (Епр) — способность керамического материала или изделия выдерживать действие приложенного к нему электрического напряжения. За пределом этой способности происходит пробой. Наибольшее напряжение, при котором осуществляется пробой, называется пробивным (пробойным) напряжением и количественно определяет электрическую прочность материала или изделия (например, керамического изолятора).

Электрическая прочность измеряется в киловольтах на миллиметр (кв/мм), на сантиметр (кв/см) и других единицах. Пористые диэлектрики имеют значительно меньшую Епр, чем диэлектрики со сплошной структурой. Такой керамический материал, как фарфор и изделия из него, имеют очень высокую электрическую прочность и соответственно малую электропроводность — основное свойство этой группы материалов. Рабочее напряжение керамического изолятора должно быть меньше его пробивного напряжения. Поэтому у каждого керамического изолятора должен быть определенный запас электрической прочности, определяемый коэффициентом запаса электрической прочности изоляции, равный отношению пробивного напряжения к рабочему.

Фарфоровые и фарфороподобные изолирующие изделия характеризуются средним пробивным напряжением (при 50 Гц) в пределах 20-250 кв/см.

Электрическое сопротивление — физическая величина, измеряемая в омах, характеризующая противодействие керамики электрическому току, определяется как отношение приложенной к материалу электродвижущей силы

к силе тока. Удельное электрическое сопротивление при 100° фарфоровых и фарфороподобных изолирующих изделий 1011-1015 Ом/см2.

Диэлектрическая проницаемость — величина, показывающая, во сколько раз ослабевают силы взаимодействия точечных электрических зарядов, помещенных в данное вещество, по сравнению с силами взаимодействия их в вакууме. Это одна из важнейших физических характеристик керамики как диэлектрика.

Диэлектрическая проницаемость фарфоровых и фарфороподобных изолирующих изделий, применяемых в разных областях электро- и радиотехники, находится в пределах от 4 до 10 000.

Диэлектрические потери — явление выделения тепла в диэлектрике, находящемся в переменном электрическом поле, вследствие превращения электрической энергии в тепловую. Диэлектрические потери могут вызвать перегрев изоляционного материала, вследствие чего может произойти ухудшение его изолирующих свойств, преждевременный износ и даже разрушение. Отношение диэлектрических потерь к реактивной мощности, потребляемой диэлектриком как конденсатором, характеризует свойства диэлектрика в отношении диэлектрических потерь. Величина этого отношения в фарфоровых и фарфороподобных изолирующих изделиях при частоте 50 гц находится в пределах от 0,0003 до 0,032.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Химическая стойкость — способность материала в течение длительного времени сопротивляться действию химически активных веществ — кислот, щелочей, агрессивных газов, солей. Химически стойкие материалы должны обладать достаточными механической прочностью, газонепроницаемостью и термостойкостью.

Из керамических материалов химически стойкими являются фарфор, кислотоупорный кирпич (за исключением щелочестойкости), канализационные трубы и другие глазурованные изделия. Кирпич глиняный обыкновенный, так же как и другие обычные керамические материалы и изделия, стоек только к действию неполярных растворителей (жидкостей, состоящих из неполярных молекул, у которых общая электронная пара расположена симметрично между двумя атомами) и не стоек к действию кислот и солей.

Кислотостойкость большинства химически стойких керамических изделий составляет 90-98%, термостойкость — 1-10 теплосмен. Щелочестойкость действующими стандартами на кислотостойкие изделия не предусматривается. Химически стойкая керамика, работающая при отрицательных температурах, должна быть достаточно морозостойкой и выдерживать 25-кратное замораживание и оттаивание.

Основные понятия, которые необходимо знать после изучения материала данной лекции

Прочность при изгибе, термическое расширение, электрическая прочность

Вопросы для самоконтроля

1. Основные физико-механические свойства керамических материалов?

2. Термические свойства керамики?

3. Термическое расширение керамических изделий?

4. Относительный температурный коэффициент объемного расширения материалов?

5. Кислотостойкость и щелочестойкость керамических изделий?