НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2015, том 51, № 6, с. 609-613
УДК 620.178.152:546.03
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ ЧАСТИЧНО СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ МЕТОДОМ КИНЕТИЧЕСКОГО МИКРОИНДЕНТИРОВАНИЯ
© 2015 г. В. В. Алисин*, М. А. Борик**, А. В. Кулебякин**, Е. Е. Ломонова**, В. А. Мызина**, О. А. Нелюбова**, Н. Ю. Табачкова***, О. Н. Чурляева*
*Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук, Москва
**Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва ***Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", Москва
e-mail: borik@lst.gpi.ru Поступила в редакцию 10.11.2014 г.
Методом кинетического микроиндентирования исследованы прочностные и упругие характеристики кристаллов частично стабилизированного диоксида циркония (ЧСЦ). Показано, что механические свойства кристаллов зависят от концентрации стабилизирующего оксида иттрия. Установлено также, что дополнительное легирование оксидом церия приводит к увеличению кинетической твердости, кинетического модуля Юнга и пластичности кристаллов и, таким образом, позволяет повысить их механические характеристики. Кристаллы ЧСЦ характеризуются высокой пластичностью для неметаллических материалов.
DOI: 10.7868/S0002337X15060019
ВВЕДЕНИЕ
Кристаллы частично стабилизированного диоксида циркония (ЧСЦ), как и керамика аналогичного состава, имеют широкие перспективы применения в технике и медицине [1—4]. Механические характеристики этих материалов могут меняться в широких пределах в зависимости от химического состава, технологии и условий синтеза. Для использования их в качестве конструкционных материалов, обрабатывающего и медицинского инструмента, деталей машиностроения необходима точная и достоверная оценка свойств материала. Так, повышение точности и достоверности количественной оценки долговечности узлов трения, содержащих кристаллы ЧСЦ, требует уточнения значений параметров, характеризующих механические свойства поверхностных слоев материала.
Практически единственным методом оценки прочностных и упругопластических свойств поверхностных слоев материала является метод кинетического микроиндентирования, основанный на непрерывной регистрации параметров процесса вдавливания индентора при определенной скорости нагружения. Подробное описание различных аспектов применения метода кинетического индентирования приводится в ряде обзоров [5—8]. Этот метод широко используется, в том числе и для исследования керамических материалов на основе диоксида циркония [9—11]. В указанных работах были определены значения модуля Юнга и кинетической микротвердости в зави-
симости от размера зерен, пористости и других характеристик керамических материалов фиксированного состава (в основном с содержанием 3 мол. % Y2O3). Однако данные по исследованиям этим методом монокристаллов ЧСЦ отсутствуют.
Целью данной работы является исследование влияния химического состава на механические характеристики кристаллов ЧСЦ.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Монокристаллы ЧСЦ с содержанием 2.8 и 3.7 мол. % Y2O3, а также дополнительно легированные CeO2, выращивали методом направленной кристаллизации расплава в холодном контейнере диаметром 130 мм со скоростью роста 10 мм/ч [12]. Из выращенных кристаллов были изготовлены плоскопараллельные пластины размерами 10 х 10 х 4 мм, ориентированные по кристаллографической плоскости (100), а также по (110) и (111). Составы и кристаллографическая ориентация образцов приведены в табл. 1.
Исследования по кинетическому индентирова-нию кристаллов ЧСЦ проводились на кинетическом микротвердомере MNT-Z-AE-000 фирмы С8М Instruments (Швейцария) согласно международному стандарту ISO/DIS 14577-1:2002. В качестве индентора использовали алмазную четырехгранную пирамиду Виккерса. Измерения проводились при следующих условиях: нагрузка — 3 Н, скорость нагрузки и разгрузки — 2 Н/мин, пауза — 3 с.
610
АЛИСИН и др.
Таблица 1. Состав и кристаллографическая ориентация образцов
Образец ZrO2, мол. % У2Оз, мол. % CeO2, мас. % (сверх 100%) Ориентация
1 97.2 2.8 0 (100)
1А 97.2 2.8 0 (110)
1В 97.2 2.8 0 (111)
2 96.3 3.7 0 (100)
3 97.2 2.8 0.1 (100)
4 97.2 2.8 0.6 (100)
5 97.2 2.8 1.0 (100)
Перед проведением измерений проводили калибровку прибора по эталонному образцу, в качестве которого использовали плавленый кварц. Полученные значения модуля Юнга (68.5 ГПа) и твердости (10.0 ГПа) находились в хорошем соот-
ветствии с известными данными (72.0 и 9.5 ГПа соответственно).
На рисунке приведена типичная диаграмма кинетического индентирования одного из исследованных образцов по методу Оливера—Фарра [13], который общепризнан как наиболее универсальный и удобный для корректного определения твердости, модуля Юнга, упругих и пластических характеристик материала при использовании пирамидальных инденторов в широком диапазоне нагрузок.
Обработка первичных кривых индентирова-ния проводилась по методу Оливера—Фарра с использованием соответствующего программного обеспечения.
Ниже приведены основные формулы, используемые для расчетов.
P, H
3.6
3.2 2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4
0
0.4 0.8 h,
2.4 2.8
К
Диаграмма кинетического индентирования, где hr — глубина остаточного отпечатка, he — упругое восстановление, hc — контактная глубина отпечатка при максимальной нагрузке на индентор, ha — упругий прогиб поверхности образца, Ктах — максимальная глубина отпечатка при максимальной нагрузке Ртах, Ксг — ползучесть при P = const, Wp — работа пластической деформации при формировании отпечатка, We — работа упругой деформации, dP/dh = S — жесткость в контакте индентор—образец.
h
cr
h
h
c
a
h
max
h
мкм
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ 611
Таблица 2. Прочностные и упругие характеристики образцов
Образец Твердость индентирования Ии, ГПа Модуль Юнга Е и, ГПа Коэффициент пластичности Кр
1 15.89 ± 0.37 172 ± 7 0.512 ± 0.003
1А 15.94 ± 0.09 195 ± 1 0.523 ± 0.002
1В 16.23 ± 0.51 175 ± 1 0.496 ± 0.001
2 18.53 ± 0.06 220 ± 2 0.513 ± 0.004
3 16.65 ± 0.24 197 ± 3 0.526 ± 0.003
4 16.36 ± 0.24 205 ± 2 0.532 ± 0.005
5 17.03 ± 0.34 234 ± 2 0.552 ± 0.003
Кинетическая твердость (Н) определяется отношением приложенной силы (Р) к контактной площади (Ас) и рассчитывается по формуле
Ни = Р/Ас,
где Ас = 24.5йс (для идеального индентора Вик-керса).
Кинетический модуль Юнга (Ен) определяется выражением
Еи = (1 - V? )/(1/Е. - (1 - у?)/Д.),
где V — коэффициент Пуассона, Ег — приведенный модуль Юнга, определяемый из уравнения
^ = йР/йк = (2/ТП) Ег 4лс, индексы s и I относятся к исследуемому материалу и материалу индентора соответственно. Значения VI и Е I в случае алмазного индентора составляют 0.07 и 1160 ГПа соответственно [13].
Коэффициент упругости (Ке) оценивается отношением работы, производимой при разгруже-нии, к работе упругопластической деформации (Щ0 = Щ + Щр) по формуле Ке = Ще/Щ0, а коэффициент пластичности Кр =1 — Ке.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Значения механических характеристик кристаллов ЧСЦ Ни, Еи и Кр, приведены в табл. 2. Кристаллические материалы принципиально отличаются от керамики анизотропией механических свойств в зависимости от кристаллографической ориентации. Зависимость этих характеристик от ориентации образца исследовали для кристаллов состава ZrO2—2.8 мол. % У203 (образцы 1, 1А, 1В). Как видно из результатов, значения Н для трех ориентаций практически не меняется (лежит в пределах погрешности измерений), что согласуется с результатами измерения микротвердости по Виккерсу, которые также свидетельствуют об изотропном характере этой характеристики для кристаллов ЧСЦ [14]. При этом значения таких упругих характеристик кристаллов, как Ец и Кр проявляют зависимость от кристаллогра-
фической ориентации: наибольшее их значение характерно для кристаллографической плоскости (110). Это находится в противоречии с результатами работы по исследованию упругих констант монокристаллов твердых растворов на основе диоксида циркония с концентрациями оксида иттрия от 1.7 до 20 мол. %, в соответствии с которыми высокомодульным направлением является направление (100), а низкомодульным — (111) [15]. Указанное несоответствие может быть вызвано тем, что при микроиндентировании деформация осуществляется не только перпендикулярно к ориентированной поверхности образца, но и под углом к ней, зависящим как от геометрии индентора, так и от ориентации диагоналей индентора относительно кристаллографических направлений на поверхности образца. В наших экспериментах ориентация диагоналей индентора была одинаковой для одного образца и произвольной от образца к образцу.
Увеличение содержания У203 от 2.8 до 3.7 мол. % (образцы 1 и 2) приводит к увеличению Н и, и Еи, в то время как значение Кр практически не меняется. В работе [16] методом просвечивающей электронной микроскопии изучали особенности формирования двойниковой наноструктуры кристаллов ЧСЦ с содержанием 2.8 и 3.7 мол. % У203. Установлено, что при увеличении концентрации стабилизирующего У203 двойниковая наноструктура кристалла становится более однородной и дисперсной. Возможно, наблюдаемые изменения прочностных и упругих свойств кристаллов обусловлены структурными факторами.
Следует отметить, что нелегированные кристаллы ЧСЦ обладают достаточно высокой пластичностью для неметаллических материалов (керамики и кристаллов); значения Кр кристаллов ЧСЦ близки к значениям лучших карбидных и нитридных конструкционных материалов (Кр №С (100) = 0.56, Кр ZrN = 0.64), уступая только WC(0001), для которого Кр = 0.83 [17].
Изучение влияния легирования оксидом церия проводили на образцах с концентрацией
612
АЛИСИН и др.
Таблица 3. Ионные радиусы некоторых ионов (координационное число катиона по кислороду — 8) [18]
Порядковый номер элемента Элемент Ионный радиус, А
3+ 4+
58 Церий 1.143 0.97
39 Иттрий 1.019
40 Цирконий 0.84
2.8 мол. % У2О3, дополнительно легированных оксидом церия (образцы 3—5). Из результатов, приведенных в табл. 2, видно, что с увеличением концентрации оксида церия наблюдается тенденция увеличения Ни, Еи, и Кр по сравнению с нелегированным образцом. Эти в
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.