如何衡量材料刚度:弹性模量的作用及应用

（1）刚度 由材料的弹性模量衡量，弹性模量反映结合键的强度，所以具有强大化学键的陶瓷都有很高的弹性模量，是各类材料中最高的材料，比金属高若干倍，比聚合物高2～4个数量级。各种常见材料的弹性模量和硬度见表7-1。

表7-1 各种常见材料的弹性模量和硬度

弹性模量对晶粒大小和晶体形态不敏感，但受气孔率的影响很大。气孔降低材料的弹性模量，温度的升高也会使弹性模量降低。

（2）硬度 和刚度一样，硬度也决定于键的强度，所以陶瓷也是各类材料中硬度最高的，这是陶瓷的最大特点。例如，各种陶瓷的硬度多为1000～5000HV，淬火钢为500～800HV，聚合物最硬不超过20HV。陶瓷的硬度随温度的升高而降低，但在高温下仍有较高的数值。

（3）强度 按照理论计算，陶瓷的强度应该很高，为E/10～E/5，但实际上一般只为E/1000～E/100，甚至更低。例如普通玻璃的强度约为70MPa，均约为其弹性模量的千分之一的数量级。表7-2给出了几种典型陶瓷的弹性模量和强度数据。

表7-2 几种典型陶瓷的弹性模量和强度(www.xing528.com)

陶瓷的实际强度受致密度、杂质和各种缺陷的影响很大。热压氧化硅陶瓷，在致密度增大，气孔率近于零时，强度可接近理论值，刚玉陶瓷纤维，因为减少了缺陷，强度提高了1～2个数量级；而微晶刚玉由于组织细化，强度比一般刚玉高许多倍。

陶瓷对压力状态特别敏感，同时强度具有统计性质，与受力的体积或表面有关，所以它的抗拉强度很低，抗弯强度较高，而抗压强度非常高，一般比抗拉强度高一个数量级。

（4）塑性、韧性或脆性 陶瓷在室温下几乎没有塑性。陶瓷塑性开始的温度约为0.5Tm（Tm为熔点的热力学温度，K），例如Al₂O₃为1237℃，SiO₂为1038℃。由于开始塑性变形的温度很高，所以陶瓷都有较高的高温强度。

脆性极高是陶瓷的最大缺点，为了改善陶瓷脆性，可以从以下几个方面去努力：第一，预防在陶瓷中特别是表面产生缺陷；第二，在陶瓷表面造成压应力；第三，消除表面的微裂纹。目前，在这些方面已取得了一定的成果。例如，在表面加预压应力，能降低工作中承受的拉应力，而可作为“不碎”的陶瓷。