Последовательность процесса откольного разрушения

Процесс хрупкого разрушения при микровдавливании можно условно разделить на две стадии. На первой стадии происходит зарождение и рост трещин в районе отпечатка, протяженность этой стадии определяется величиной нагрузки (Р) и зависит от хрупких и прочностных свойств материала (чем более хрупок и менее прочен материал, тем нагрузка Р завершения этой стадии меньше). На второй стадии в районе отпечатка процесс хрупкого разрушения сопровождается смыканием магистральных трещин и локальным отслоением поверхностных участков вокруг отпечатка. Образуется скол [80]. В основном полагают, что нарушения вследствие укола в керамике могут быть моделированы по идеализированной системе трещин, создаваемых острым индентором Виккерса: радиальные трещины, ответственные за сильную деградацию, и латеральные трещины, способствующие удалению материала [83].

Последовательность образования трещин представлена на рис. 4.4.

Экспериментальное исследование откольного разрушения поверхности керамики из карбида бора и кремния

При определении твердости и трещиностойкости методом ин- дентирования на поверхности образцов керамических материалов остается отпечаток, соответствующий форме индентора. Однако в ряде случаев наблюдается сложная картина разрушения поверхности образцов, сопровождаемая образованием между радиальными трещинами четко выраженных областей разрушения (сколов или отслоений материала).

Исследование процессов разрушения поверхности керамики было проведено на керамических образцах карбида бора и кремния, В4С, SiC.

Образцы В4С изготавливались из промышленного порошка карбида бора марки М-5-П (ГОСТ 3647-80) со средним размером частиц 3-5 мкм с добавлением 10 мае. % субмикронного порошка карбида бора той же марки со средним размером частиц 0,43 мкм. Субмикронный порошок был получен диспергированием стандартного порошка на пневматическом циркуляционном аппарате по технологии, изложенной в [87]. Смешивание порошков до получения гомогенной смеси проводилось в магнитной мешалке марки МТ-2.

Керамика SiC изготавливалась из порошка карбида кремния гексагональной модификации с размером частиц в диапазоне от 0,1 до 4 мкм (средний размер частиц 0,9 мкм).

Образцы керамик из порошка B4CmjX и SiC спекались в плазме искрового разряда на установке SPS 515S (SPS SYNTEX INC) в Нано-центре Национального исследовательского Томского политехнического университета при различных технологических режимах: температурах спекания - Тса, давлениях подпрессовки - Рпр. Длительность спекания составляла 10 минут при всех технологических режимах.

Измерения микротвердости и твердости образцов проводили на микротвердомере ПМТ-ЗМ при нагрузках Р до 4,9 Н; на микротвердомере Micromet при нагрузках Р, равных 9,8-11,77 Н, и твердомере ТП-7Р-1 при нагрузках 49-294,3 Н. Индентирование проводилось при комнатной температуре на воздухе при обычной влажности. Нанесение отпечатка, выдержка и снятие нагрузки проводилось стандартным методом в течение 30—40 секунд. Глубину внедрения индентора оценивали как величину, равную 1/7 размера диагонали отпечатка [1]. Расчет микротвердости проводили по формуле (2.9).

Характер разрушения поверхности изучали методами сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на микроскопе JSM-7500FA (JEOL, Япония) и атомно-силовой микроскопии (ACM) с использованием приборов NTEGRA Aura (NT-MDT, Россия) и Nanoeducator (NT-MDT, Россия).

Локальное разрушение поверхности керамики карбида бора изучали на образцах, изготовленных из порошка (B4C)mjx при температуре спекания Тс„ = 1950 °С, давлении подпрессовки Рпр = 90 МПа, длительности спекания tcn = 10 мин [88]. При измерении микротвердости на нагрузках, меньших 11,77 Н, на поверхности этих образцов наблюдались следы деформации материала от четырехгранной пирамиды Виккерса с трещинами, расходящимися от углов отпечатка (рис. 5.1).

Изображение отпечатка пирамиды Виккерса с трещинами на поверхности керамики (BC) при нагрузке 9,8 Н

Рис. 5.1. Изображение отпечатка пирамиды Виккерса с трещинами на поверхности керамики (B4C)mix при нагрузке 9,8 Н

Для проверки факта, происходит ли вдавливание пирамиды Виккерса перпендикулярно поверхности образца при больших нагрузках, провели индентирование пирамидой Виккерса поверхности пластины стали со строго параллельными поверхностями (рис. 5.2).

Изображение отпечатка индентора Виккерса на поверхности стали марки 440А-23 при нагрузке индентирования Р = 196,2 Н (размер диагонали отпечатка 420мкм)

Рис. 5.2. Изображение отпечатка индентора Виккерса на поверхности стали марки 440А-23 при нагрузке индентирования Р = 196,2 Н (размер диагонали отпечатка 420мкм)

Из рис. 5.2 видно, что отпечаток пирамиды Виккерса имеет осевую симметрию, что свидетельствует о перпендикулярном вдавливания пирамиды Виккерса в поверхность образца.

Локальные разрушения поверхности керамики у грани отпечатка индентора в виде областей, напоминающих «лепестки», между радиальными трещинами, распространяющимися из углов отпечатка, наблюдались при нагрузках от 11,77 до 196,2 Н и имели разнообразные формы и размеры (рис. 5.3, а, б, в).

Изображение характера локального разрушения поверхности керамики

Рис. 5.3. Изображение характера локального разрушения поверхности керамики (В4С)тЬо изготовленной при Тс„=1950 °С, давлении подпрессовки Р„р ~ 90 МПа, длительности спекания tc = 10 мин, при нагрузке индентирования Р = 98,1 Н:

а, б, в - разные уколы индентора на одной поверхности образца

На рис. 5.4 показаны области разрушения поверхности керамики (B4C)mjX, изготовленной при температуре SPS-спекания 2050 °С. Сравнение рис. 5.3 и 5.4 показывает различие областей разрушения поверхностей керамик, изготовленных при разных температурах, и требует дальнейшего изучения. На рис. 5.5 представлены области разрушения керамики карбида бора, изготовленной из промышленного порошка.

Изображение характера разрушения поверхности керамики (BC), изготовленной при Ten = 2050 °С, Р„ = 90 МПа, t = 10 мин, вокруг отпечатка индентора; нагрузка

Рис. 5.4. Изображение характера разрушения поверхности керамики (B4C)mix, изготовленной при Ten = 2050 °С, Р„р = 90 МПа, tcn = 10 мин, вокруг отпечатка индентора; нагрузка: а) Р = 49,05 Н, б) Р = 98,1 Н

Характер деформирования вокруг отпечатка индентора поверхности керамики ВС без субмикронной добавки

Рис. 5.5. Характер деформирования вокруг отпечатка индентора поверхности керамики В4С без субмикронной добавки, изготовленной при Тсп = 1950 °С, давлении подпрессовки Р„р = 90 МПа, длительности спекания tc = 10 мин, при Р = 98,1Н

В ряде случаев образование подобных областей разрушения наблюдается примерно через несколько секунд (примерно 20 с) после снятия нагрузки. Наблюдаемое запоздалое разрушение поверхности, видимо, можно связать с процессами релаксации полей механических напряжений в их концентраторах на концах радиальных трещин.

Методами СЭМ и ACM исследованы области откольного разрушения, дающие информацию о морфологических особенностях разрушений при образовании сколов в исследуемой керамике (см. ниже, раздел 5.5.2) [89].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >