為了有效而合理的利用材料，對(duì)材料的性能充分的了解。材料的性能包括物理性能、化學(xué)性能、機(jī)械性能和工藝性能等方面。物理性能包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、光學(xué)性能、磁性等?；瘜W(xué)性能包括耐氧化性、耐磨蝕性、化學(xué)穩(wěn)定性等。工藝性能指材料的加工性能，如成型性能、燒結(jié)性能、焊接性能、切削性能等。機(jī)械性能亦稱為力學(xué)性能，主要包括強(qiáng)度、彈性模量、塑性、韌性和硬度等。而陶瓷材料通常來說在彈性變形后立即發(fā)生脆性斷裂，不出現(xiàn)塑性變形或很難發(fā)生塑性變形，因此對(duì)陶瓷材料而言，人?對(duì)其力學(xué)性能的分析主要集中在彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性和硬度上，本文在此基礎(chǔ)上對(duì)其力學(xué)性能檢測方法做了簡單介紹。
1.彎曲強(qiáng)度
彎曲實(shí)驗(yàn)一般分三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎?兩種，如圖1-1所示。四點(diǎn)彎曲的試樣中部受到的是純彎曲，彎曲應(yīng)力計(jì)算公式就是在這種條件下建立起來的，因此四點(diǎn)彎曲得到的結(jié)果比較。而三點(diǎn)彎曲時(shí)梁各個(gè)部位受到的橫力彎曲，所以計(jì)算的結(jié)果是近似的。但是這種近似滿足大多數(shù)工程要求，并且三點(diǎn)彎曲的夾具簡單，測試方便，因而也得到廣泛應(yīng)用。
由材料力學(xué)得到，在純彎曲且彈性變形范圍內(nèi)，如果指定截面的彎矩為M，該截面對(duì)中性軸的慣性矩為Iz，那么距中性軸距離為y點(diǎn)的應(yīng)力大小為：
在圖1-1的四點(diǎn)彎曲中，大應(yīng)力出現(xiàn)在兩加載點(diǎn)之間的截面上離中性軸遠(yuǎn)的點(diǎn)，其大小為：
其中P為載荷的大小，a為兩個(gè)加載點(diǎn)中的任何一個(gè)距支點(diǎn)的距離，b和h分別為矩形截面試樣的寬度和高度，而D為圓形截面試樣的直徑。因此當(dāng)材料斷裂時(shí)所施加載荷所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力就材料的抗彎強(qiáng)度。
而對(duì)于三點(diǎn)彎曲，大應(yīng)力出現(xiàn)在梁的中間，也就是與加載點(diǎn)重合的截面上離中性軸遠(yuǎn)的點(diǎn)，其大小為：
式中l(wèi)為兩個(gè)支點(diǎn)之間的距離（也稱為試樣的跨度）。
上述的應(yīng)力計(jì)算公式僅適用于線彈性變e階段。脆性材料一般塑性變形非常小，同彈性變形比較可以忽略不計(jì)，因此在斷裂前都遵循上述公式。斷裂載荷所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為試樣的彎曲強(qiáng)度。
需要注意的是，一般我們要求試樣的長度和直徑比約為10，并且在支點(diǎn)的外伸部分留足夠的長度，否則可能影響測試精度。另外，彎曲試樣下表面的光潔度對(duì)結(jié)果可能也會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。粗糙表面可能成為應(yīng)力集中源而產(chǎn)生早期斷裂。所以一般要求表面要進(jìn)行磨拋處理。當(dāng)采用矩形試樣時(shí)，也注意試樣的放置方向，避免使計(jì)算中b、h換位得到錯(cuò)誤的結(jié)果。
2.斷裂韌性
應(yīng)力集中是導(dǎo)致材料脆性斷裂的主要原因之一，而反映材料抵抗應(yīng)力集中而發(fā)生斷裂的指標(biāo)是斷裂韌性，用應(yīng)力強(qiáng)度因子（K）表示。呈張開型（I型）的裂紋危險(xiǎn)，其應(yīng)力強(qiáng)度因子用KI表示，恰好使材料產(chǎn)生脆性斷裂的KI稱為臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，用KIC表示。金屬材料的KIC一般用帶邊裂紋的三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)測定，但在陶瓷材料中由于試樣中預(yù)制裂紋比較困難，因此人們通常用維氏硬度法來測量陶瓷材料的斷裂韌性。
陶瓷等脆性材料在斷裂前幾乎不產(chǎn)生塑性變形，因此當(dāng)外界的壓力達(dá)到斷裂應(yīng)力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂紋。以維氏硬度壓頭壓入這些材料時(shí)，在足夠大的外力下，壓痕的對(duì)角線的方向上就會(huì)產(chǎn)生裂紋，如圖2-1所示。裂紋的擴(kuò)展長度與材料的斷裂韌性KIC存在一p的關(guān)系，因此可以通過測量裂紋的長度來測定KIC。其突出的優(yōu)點(diǎn)在于快速、簡單、可使用非常小的試樣。如果以PC作為可使壓痕產(chǎn)生雷文的臨界負(fù)荷，那么圖中顯示了不同負(fù)荷下的裂紋情況。
由于硬度法突出的優(yōu)點(diǎn)，人們對(duì)它p行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。推導(dǎo)出了各種半經(jīng)驗(yàn)的理論公式。其中Blendell結(jié)合理論分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，給出下列方程：
KIC是I型應(yīng)力強(qiáng)度因子，也就是斷裂韌性；φ為一常數(shù)，約等于3；HV是維氏硬度；a為壓痕對(duì)角線長度的一半；c為表面裂紋長度的一半，見圖2-1。經(jīng)過大量的研究表明，該公式至少在下列范圍內(nèi)是使用的：硬度（HV）=1~30GPa，斷裂韌性（KIC）=0.9~16MPa·m1/2及泊松比bμ）=0.2~0.3。
一系列的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這一公式和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有非常好的吻合。當(dāng)使用這一方程時(shí)，一般所加的負(fù)荷要足夠大，使c/a大于3左右。但是在某些時(shí)候，這意味著要加很高的負(fù)荷，在一般的顯微硬度計(jì)上無法實(shí)現(xiàn)，并且使壓頭易損壞，增加測試費(fèi)用。后來Niihara等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)所加負(fù)荷較小時(shí)，上述的公式經(jīng)過修正后仍舊適用。在脆性材料中，壓痕下材料的斷裂方式根據(jù)所加負(fù)荷的不同呈現(xiàn)兩種形式，如圖2-2所示。當(dāng)負(fù)荷小時(shí)，所出現(xiàn)的裂紋稱Palmqvist裂紋（左圖），而在負(fù)荷較高時(shí)，出現(xiàn)的裂紋稱為Median裂紋（右圖）。
理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合表明，對(duì)于Palmqvist裂紋（0.25≤L/a≤25或1.25≤c/a≤3.5），用下列公式計(jì)算斷裂韌性：
而對(duì)于Median裂紋（c/a≥2.5），用下列公式計(jì)算：
也就是說只要能確定裂紋的形式，就可以用這些公式計(jì)算斷裂韌性，并且曲線同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合非常好。因而可以使用小負(fù)荷測斷裂韌性，避免高負(fù)荷所帶來的一系列技術(shù)上的困難。目前 確定裂紋的擴(kuò)展方式困難或麻煩時(shí)，依舊傾向于使用高的負(fù)荷，使裂紋呈Median擴(kuò)展形式。
3.硬度
陶瓷材料中，通常采用的是維氏硬度與莫氏硬度。
維氏硬度的測量是將一個(gè)相對(duì)夾角為136°的正四棱錐金剛石壓頭在一定的負(fù)荷下壓入試樣表面，經(jīng)過一定時(shí)間的保持后卸載，測定壓痕兩對(duì)面線的長度并取其平均值（d）計(jì)算壓痕的實(shí)際面積，負(fù)荷和所測面積的比值就是維氏硬度，用HV表示。經(jīng)幾何換算后得到：
壓痕的對(duì)角線長度一般通過顯微鏡測量，工作面要和底面平行，粗糙度分別在Ra0.1和Ra0.8以下，而實(shí)驗(yàn)力根據(jù)試樣的厚度和硬度一般在9.8~980N。一般要求試樣的小厚度至少為壓痕對(duì)角線長度的1.5倍，否則結(jié)果會(huì)有誤差。為了保證所測數(shù)值的準(zhǔn)確性，要求兩對(duì)角線長度相差較小，加壓保持時(shí)間在10~30s之間。
另外，在陶瓷材料中經(jīng)常使用到的硬度還有莫氏硬度。莫氏硬度是應(yīng)用劃痕法將棱錐形金剛鉆針刻劃所試試樣的表面而發(fā)生劃痕，其硬度值并非硬度值，而是按硬度的順序表示的值。莫氏硬度現(xiàn)在一般認(rèn)定有15級(jí)，其中1級(jí)滑石軟，15級(jí)金剛石硬，各級(jí)代表材料如表3-1所示：
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