Керамика и стекло

Урок объясняет, почему керамика тверда и тугоплавка, но хрупка, и чем аморфное стекло отличается от кристаллов.

Керамика — неметаллический неорганический материал с ионно-ковалентной связью, обычно твёрдый, тугоплавкий и хрупкий.

Кирпич, фарфор, режущие пластины, изоляторы, абразивы — всё это керамика. Её свойства — прямое следствие прочной направленной связи, которая даёт твёрдость, но не прощает дефектов.

Зачем это инженеру

Керамика работает там, где металл сдаётся: при высоких температурах, в агрессивных средах, под абразивным износом. Но из-за хрупкости её нельзя нагружать на растяжение и удар — это нужно учитывать в конструкции.

Свойства и их причина

Ионно-ковалентная связь прочна и направленна, поэтому керамика твёрдая и тугоплавкая. Но та же направленность не даёт дислокациям двигаться — пластичности нет, и любая трещина становится фатальной. Прочность керамики на сжатие в разы выше, чем на растяжение, поэтому её нагружают сжатием (как кирпич в арке).

Стекло как аморфное тело

Стекло — это переохлаждённая жидкость без кристаллической решётки. Атомы образуют беспорядочную сетку, поэтому у стекла нет чёткой температуры плавления — оно размягчается в интервале. Прозрачность объясняется отсутствием границ зёрен, рассеивающих свет.

Как работает под капотом

Прочность хрупкой керамики разбросана из-за случайных дефектов и описывается статистикой Вейбулла: чем больше образец, тем вероятнее опасный дефект и тем ниже прочность. Промоделируем, как растёт вероятность встретить критический дефект с объёмом образца.

import math

# Вероятность разрушения по Вейбуллу при напряжении sigma
def P_fail(sigma, sigma0, m, V, V0):
    return 1 - math.exp(-(V/V0) * (sigma/sigma0)**m)

sigma0, m, V0 = 300.0, 10.0, 1.0
sigma = 200.0
for V in (1, 10, 100, 1000):
    P = P_fail(sigma, sigma0, m, V, V0)
    print("Объём x", V, "  ->  вероятность разрушения =",
          round(P*100, 2), "%")

Вывод:

Объём x 1   ->  вероятность разрушения = 1.71 %
Объём x 10   ->  вероятность разрушения = 15.93 %
Объём x 100   ->  вероятность разрушения = 81.45 %
Объём x 1000   ->  вероятность разрушения = 100.0 %
Объём x 1   ->  вероятность разрушения = 1.71 %

Большой керамический элемент при том же напряжении куда вероятнее разрушится, чем маленький — в нём статистически найдётся опасный дефект. Поэтому прочность керамики задают вероятностно, а не одним числом.

Хрупкость керамики не приговор: с ней борются конструктивно и технологически. Уменьшают размер и число дефектов тщательным спеканием и очисткой сырья; создают композиты с керамической матрицей и волокнами, тормозящими трещину; вводят упрочняющие фазы, отклоняющие трещину (трансформационное упрочнение в диоксиде циркония). Стекло закаливают, создавая на поверхности сжимающие напряжения, которые «закрывают» поверхностные трещины — отсюда прочное закалённое стекло. Так понимание механизма разрушения подсказывает способы его обойти. Современная техническая керамика на основе нитрида кремния и оксида алюминия работает в подшипниках, режущем инструменте и деталях двигателей, где металл бы не выдержал температуры и износа.

Частые ошибки

• Нагружать керамику на растяжение или удар — она работает на сжатие.
• Считать стекло кристаллом — это аморфное тело без решётки.
• Указывать «одну» прочность керамики — она статистична и зависит от размера.

Итоги

• Керамика тверда и тугоплавка из-за прочной направленной связи, но хрупка.
• Прочность на сжатие у керамики намного выше, чем на растяжение.
• Стекло — аморфное тело, размягчается в интервале температур.
• Прочность керамики описывается статистикой и падает с размером образца.