陶瓷材料加工時(shí)的高硬度、高脆性與其物理化學(xué)結(jié)構(gòu)性能有關(guān)。研究表明，陶瓷晶體的化學(xué)鍵主要由共價(jià)鍵和離子鍵混合組成，如氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷等都是由共價(jià)鍵和離子鍵混合組成。含離子鍵較多的材料易受溫度影響，而共價(jià)鍵在溫度變化過(guò)程中較為穩(wěn)定，也就是說(shuō)，共價(jià)鍵材料具有低的熱膨脹率和高的熱傳導(dǎo)性。化學(xué)鍵類型的不同還影響材料的彈性模量(E)和硬度（維氏硬度，Hv）的比值，如金屬鍵1-./Hv= 250，離子鍵F./Hv=50- 120，共價(jià)鍵1-./Hv= 20。比值越小．脆性越大。當(dāng)材料加工工程中考慮其微觀塑性變形時(shí)，其比值大小對(duì)加工工程影響很大。
研究表明，陶瓷材料低密度和低的晶體位移率是其高硬度的主要原因。由于其原子間距較大，電子密度小，使得陶瓷表面能比金屬等材料低，大多數(shù)陶瓷材料的表面能為10- 151/mz。由于陶瓷材料較大的原子間隙，低的表面能和較大的彈性模量使陶瓷呈現(xiàn)出高的脆性。區(qū)別塑性和脆性的簡(jiǎn)單方法之一可以用材料的理論拉伸強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度之比來(lái)標(biāo)志。對(duì)金屬材料，其值大于10．而陶瓷材料則小于2。材料的脆性與材料的彈性模量和其表面能密切相關(guān)。彈性模量是原子間結(jié)合強(qiáng)度的一種量度。共價(jià)鍵、離子鍵結(jié)合的晶體其結(jié)合力比金屬鍵要強(qiáng)，彈性模量亦較大。
對(duì)于陶瓷材料來(lái)說(shuō)，原子間距變化幅度很小，在較小的拉應(yīng)力作用下就容易斷裂。
在加工程中，溫度變化也會(huì)使彈性模量發(fā)生變化。在磨削過(guò)程中，溫度升高，熱膨脹增加，原子間距增大，彈性模量降低；而在冷卻后，彈性模量又升高。陶瓷材料的脆性還可由斷裂韌性估計(jì)出來(lái)。實(shí)際陶瓷在加工和使用中受到一定的外力作用下發(fā)生開(kāi)裂，而此時(shí)的應(yīng)力往往是低于許用應(yīng)力的，所以要解釋低應(yīng)力開(kāi)裂這種現(xiàn)象必須引入斷裂韌性這個(gè)概念，其判據(jù)為：K[1≤K1t一ycjCi
式中，Kc為實(shí)際應(yīng)力強(qiáng)度因子；K1c、為斷裂韌性；y為幾何形狀因子，與裂紋形狀、試件形式有關(guān)；盯為應(yīng)力；C為最大裂紋半長(zhǎng)度。
只要滿足上式，就不會(huì)發(fā)生低應(yīng)力開(kāi)裂現(xiàn)象。K1c反映具有裂紋的陶瓷材料對(duì)外界的一種抵抗能力，實(shí)質(zhì)為阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是陶瓷的內(nèi)在特性。陶瓷材料的高硬度和低斷裂韌性使得其難于加工，即切削刀易破損和磨損。
材料在加工過(guò)程中由于切削溫度的急劇變化要求陶瓷具有較好的抗熱震性。一般地，陶瓷的抗熱震性比金屬差。抗熱震性又分為抗熱震斷裂性和抗熱震損傷性兩種性能。對(duì)陶瓷而言，主要是抗熱震斷裂性。材料在不受其它外力作用時(shí)，僅因受熱沖擊而斷裂，這是由于材料在溫度作用下產(chǎn)生很大內(nèi)應(yīng)力致使超過(guò)強(qiáng)度極限造成的。
實(shí)際加工中，材料是否出現(xiàn)熱應(yīng)力斷裂，除了與熱應(yīng)力有關(guān)，還與材料中應(yīng)力分布、應(yīng)力產(chǎn)生的速率和持續(xù)時(shí)間、材料的脆性、均勻性、內(nèi)部缺陷等有關(guān)。
“加工單位”這個(gè)概念近年來(lái)在陶瓷的精密加J：中使用得越來(lái)越廣泛。其含義在于：在討論陶瓷材料加工過(guò)程時(shí)，確定材料變形和斷裂的臨界應(yīng)力或臨界尺寸。材料的去除方式和去除量取決于材料的缺陷尺寸和缺陷密度。如果由磨粒切削刃引起的應(yīng)力場(chǎng)小于缺陷尺度，材料去除將大部分以塑性變形方式進(jìn)行；如果應(yīng)力場(chǎng)比缺陷尺寸大，則切削點(diǎn)主要呈微斷裂去除方式。因此對(duì)于陶瓷這類硬脆材料而言，“加工單位”這個(gè)概念由于材料對(duì)缺陷極為敏感而具有重要意義。
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本文“陶瓷材料可加工性差的理論基礎(chǔ)”由科眾陶瓷編輯整理，修訂時(shí)間：2019-03-16 16:33:49
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