научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ ЧАСТИЧНО СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ МЕТОДОМ КИНЕТИЧЕСКОГО МИКРОИНДЕНТИРОВАНИЯ Химия

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ ЧАСТИЧНО СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ МЕТОДОМ КИНЕТИЧЕСКОГО МИКРОИНДЕНТИРОВАНИЯ»

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.

Показать целиком