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)鍵在溫度變化過程中較為穩(wěn)定，也就是說，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)度之比來標(biāo)志。對金屬材料，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。
對于陶瓷材料來說，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。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為最大裂紋半長度。
只要滿足上式，就不會(huì)發(fā)生低應(yīng)力開裂現(xiàn)象。K1c反映具有裂紋的陶瓷材料對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)概念近年來在陶瓷的精密加J：中使用得越來越廣泛。其含義在于：在討論陶瓷材料加工過程時(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)力場比缺陷尺寸大，則切削點(diǎn)主要呈微斷裂去除方式。因此對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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