МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА № 6 • 2014
УДК 539.3
© 2014 г. Г. В. ГАРКУШИН, С. В. РАЗОРЕНОВ, В. И. РУМЯНЦЕВ,
А. С. САВИНЫХ
ДИНАМИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ РЕАКЦИОННОСПЕЧЕННОЙ КЕРАМИКИ
КАРБИДА КРЕМНИЯ
Представлены результаты измерений волновых профилей ударного сжатия трех модификаций керамики карбида кремния в диапазоне напряжений сжатия 3—19 ГПа. Определены значения динамических пределов упругости и откольной прочности материалов. Показано, что эти характеристики чувствительны к особенностям структуры реакционноспеченной керамики, связанных с технологическими параметрами процесса их изготовления. Подтверждено, что откольная прочность высокотвердой керамики немонотонно изменяется с увеличением напряжения сжатия в ударной волне.
Ключевые слова: карбид кремния, ударные волны, откольная прочность, разрушение, динамический предел упругости.
1. Введение. Высокотвердые керамики используются в условиях, сопряженных с интенсивными ударными воздействиями, в связи с чем необходимо знать их прочностные свойства при ударных нагрузках с параметрами, сравнимыми с ожидаемыми в реальных ситуациях. На практике применяются керамические материалы, изготавливаемые по различным технологиям и отличающиеся, с одной стороны, плотностью, размером зерна, составом и твердостью, а с другой — стоимостью и возможностью массового изготовления. Для оптимального выбора материала и совершенствования технологии изготовления высокотвердых керамик важно иметь возможность сопоставления не только их интегральных служебных характеристик, таких, как, например, предел пробития, но и первичных механических свойств, в частности — динамических пределов упругости и прочности. Модули упругости и скорости звука также являются важными характеристиками высокотвердых керамических материалов, поскольку они определяют скорость делокализации ударной нагрузки и динамический импеданс материала, а, следовательно — оказываемое керамической пластиной давление на ударник. Помимо прочего, эти характеристики необходимы для калибровки моделей и определяющих соотношений, используемых в расчетах высокоскоростных соударений.
Прочностные характеристики материалов в условиях ударных нагрузок малой длительности определяются методами механики ударных волн в твердом теле. Измерения основываются на том, что процессы упругопластического деформирования и разрушения приводят к появлению специфических особенностей в структуре интенсивных волн сжатия и разрежения. Обзор результатов ранних ударно-волновых экспериментов с керамическими материалами можно найти в монографии [1].
В данной статье представлены результаты динамических прочностных свойств ре-акционноспеченной керамики на основе карбида кремния, изготовленной при различных параметрах технологических процессов и несколько различающихся структурой, размером зерна и прочностными характеристиками в обычных условиях.
Таблица 1
Р0, г/см3 с,, км/с ст^, МПа Е, ГПа 2
81С-1 3.039 11.213 ± 11 330 382 11
81С-2 3.053 11.446 ± 16 430 387 21
81С-3 3.058 11.451 ± 20 350 390 12
Метод реакционного спекания карбида кремния в настоящее время широко применяется в промышленности и достаточно полно описан еще в 70-е годы прошлого века [2, 3]. Процесс реакционного спекания карбида кремния включает обычные стадии процессов получения керамики: смешение определенных фракций исходных карбидов с углеродными компонентами и связующим, формование, сушку-полимеризацию и собственно — реакционное спекание, т.е. пропитку сформованных заготовок парами и расплавом кремния. При реакционном спекании карбида кремния углеродные компоненты реагируют с кремнием с образованием вторичного карбида вокруг зерен первичного карбида кремния. Таким образом, конечная структура реакционноспеченно-го карбида кремния состоит из первичного карбида (а-81С), вторичного карбида (Р-81С) и остаточного кремния.
Структуру реакционноспеченных материалов можно охарактеризовать безразмерным параметром Ъ [4]:
2 = (Н)/а1
где а — объемная доля кремния или бора; (ЯН)— средняя хорда карбидного каркаса; I — средний линейный размер зерен кремния.
Поведение керамик карбида кремния в условиях ударного сжатия ранее исследовалось в работах [5—11]. Найдено, что с увеличением плотности керамики от 3.09 до 3.24 г/см3 динамический предел упругости керамики возрастает от 6.5 ГПа до 16 ГПа. В процессе сжатия при напряжениях выше динамического предела упругости имеет место значительное деформационное упрочнение. При разгрузке из ударно-сжатого состояния материал ведет себя как упругопластическое тело с сильным эффектом Бау-шингера [12]. Величина динамической прочности на разрыв (откольной прочности) варьируется в пределах 0.3—1.3 ГПа [5, 11, 13]. В работах [14—16] на основании результатов ударно-волновых измерений развиты математические модели поведения керамики карбида кремния при высокоскоростном ударе, пригодные для компьютерного моделирования высокоскоростных соударений.
2. Материал и постановка экспериментов. Исследовалось три типа керамик карбида кремния, изготовленных с использованием различных вариантов процесса реакционного спекания и отличающихся размером зерна и морфологическими особенностями структуры. В табл. 1 представлены измеренные значения плотности, продольной скорости звука, прочности на изгиб, модуля Юнга и безразмерного комплексного параметра 2 исследованных материалов. Образцы представляли собой плоскопараллельные пластины с размерами 6 х 50 х 50 мм3 со шлифованными поверхностями. Поперечные размеры пластин были достаточными для обеспечения условия одномерной деформации в течение всего времени регистрации.
Комплексный параметр 2 был введен для номинально двухфазной системы 81С—81 реакционноспеченного карбида кремния. Одна из его составляющих (Н) — средняя хорда карбидокремниевого каркаса.
В табл. 2 приведены количественные характеристики условий ударно-волнового нагружения такие как, толщины ударника (й;шр), экрана (\р) и скорость ударника К[шр.
Таблица 2
^ мм V мм ^ м/с
Al/2 Al/2 1800
ПММА/1.6 ПММА/3.9 850
Al/2 Al/2 500
ПММА/1.1 - 650 ± 50
Интенсивные волны сжатия в образцах генерировались ударом пластины из алюминия или полиметилметакрилата (ПММА) через промежуточный экран из того же материала. Экран использовался для отсечения воздушной волны, образующейся перед летящим ударником. Метание ударников осуществлялось с применением взрывных устройств [17]. Использованные конфигурации разгонных устройств позволили получать напряжения сжатия в исследуемой керамике в диапазоне 3—19 ГПа. Этот диапазон включает параметры значительно ниже предела упругости керамики и область неупругого деформирования при напряжениях близких или значительно выше предела упругости.
В экспериментах регистрировалась профили ufs(t) скорости свободной поверхности образца как функции времени. Измерения проводились с использованием лазерного Доплеровского измерителя скорости VISAR [18], имеющего в использовавшейся конфигурации временное разрешение 0.8 нс. В качестве отражателя лазерного излучения использовался слой алюминия, нанесенный на поверхность образца вакуумным напылением.
3. Результаты измерений. На фиг. 1 измеренные значения продольной скорости звука сопоставлены с известными из литературы данными в зависимости от начальной плотности керамики карбида кремния: 1 — данные, полученные в этой работе; 2 — ре-акционноспеченный [5]; 3 — синтезированный, размер зерна 4.5 мкм [6]; 4 — реакци-онноспеченный, размер зерна 1.2 мкм [6]; 5 — горячепрессованный, размер зерна 2.9 мкм [6]; 6 — горячепрессованный, Cercom SiC—B, размер зерна 2 мкм, 99.3% SiC [7]; 7 — Eagle-Picher a-SiC, размер зерна 7 мкм [8]; 8 — Carborundum Co тип KT, 99.2% SiC [9]; 9 — горячепрессованный, SiC—B, размер зерна 4 мкм [10]; 10 — горячепрессованный, SiC—N, размер зерна 4 мкм [10]; 11 — горячепрессованный [11]. Видно, что
3.0 3.1 3.2 р0
Фиг. 1
1200
800
HEL У* HEL
400
300
(а)
Ii. . .
0 200 400 600 t
1 1 1 1
200
100
(с)
300
600
900
600
400
200
150
100
50
t
Фиг. 2
3.2
300
600
(b)
0 200 400 600 t
1 UH^fs. .
_ IA а г
2.2 3 te Л. /Li iiblAlL. 1
*» » ^ U i/^N 3.4
J i (d) 1
900
зависимость скорости звука от плотности практически одна и та же для спеченной, го-рячепрессованной и реакционноспеченной керамик, имеющих разную пористость и существенно разную долю примесей. Вероятно, это объясняется тем, что плотность основных примесей в реакционноспеченном карбиде кремния — остаточных кремнии и углероде, составляет 2.2—2.3 г/см3 и значительно меньше плотности SiC; скорость звука в них также много меньше скорости звука в карбиде кремния.
На фиг. 2 представлены результаты измерений профилей скорости свободной поверхности ufs(t) образцов керамики SiC при различных значениях скорости удара и, соответственно, максимального напряжения сжатия в ударной волне. При максимальных параметрах нагрузки, соответствующим скорости алюминиевого ударника 1800 м/с, волновые профили (фиг. 2, а) фиксируют выход на поверхность упругого предвестника с резким скачком напряжения до величины динамического предела упругости (HEL), следующей за ним пластической волны сжатия и небольшого начального участка волны разрежения. При данных параметрах нагрузки пластическая волна имеет вид плавного нарастания скорости и, соответственно, напряжения сжатия, что свидетельствует о значительном деформационном упрочнении материала непосредственно после достижения предела упругости. После отражения импульса сжатия от свободной поверхности внутри образца генерируются растягивающие напряжения, что приводит к его откольному разрушению. Величина откольной прочности пропорциональна декременту скорости от ее максимального значения до минимума перед фронтом откольного импульса; малое уменьшение скорости до момента отколь-ного разрушения и практически неразличимый откольный импульс указывают на низкое сопротивление откольному разрушению (откольную прочность) керамики.
u
u
fs
fs
0
0
u
u
fs
fs
0
0
0
0
t
Таблица 3
№ ^атр1е, мм с1, км/с Р0, г/см3 °тах, ГПа "ИЕЬ м/с 0ИEL, ГПа Дий, м/с ^ ГПа
1.1 5.949 11.224 18.6 400 6.82 31 0.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.