Определение глубины откола поверхности разрушения керамик

Профили поверхности отколов определили интерференционным методом [90]. Для определения глубины отколов на интерферометре измерили величину искривления интерференционных полос в области деформирования. Это искривление определяется разницей высот недеформированной области и области деформирования. Результаты измерений глубин отколов поверхности образцов при индентировании представлены на рисунках: 5.6, а, б (нижний ряд); 5.7, б; 5.8, б; 5.9, б.

Рис. 5.6. Изображение характера разрушения поверхности и профили поверхности отколов керамики (B₄C)_mix, изготовленной методом SPS: нагрузка индентирования: а) Р = 49 Н, б) Р= 98,1 Н (начало координат по оси абсцисс совпадает с краем «лепестка»).

На рис. 5.7−5.10 представлены фотографии отколов, образующихся вокруг отпечатка индентора, и профили поверхности отколов, измеренные от грани отпечатка, для образцов карбида бора с 1,5, 10% мае.

Рис. 5.7. Профши поверхности вокруг отпечатка от внедрения пирамиды Виккерса при нагрузке Р =196,2 Н: образец В₄С1% субмикронной добавкой: а — микрофотография, б — профиль поверхности откола большого «лепестка», в, гинтерференционная картина лепестка.

Рис. 5.8. Профили поверхности вокруг отпечатка от внедрения пирамиды Виккерса при нагрузке Р = 196,2 Н: образец В₄С 5% субмикронной добавкой: а — микрофотография, б-профиль поверхности откола большого «лепестка», в, г — интерференционная картина «лепестка».

Рис. 5.9. Профили поверхности вокруг отпечатка от внедрения пирамиды Виккерса при нагрузке Р = 196,2 Н: образец В₄С10% субмикронной добавкой: а — микрофотография, б — профиль поверхности откола большого «лепестка», в, г — интерференционная картина «лепестка».

Одним из перспективных и экономически целесообразных способов улучшения физико-механических свойств конструкционных керамических материалов является введение нанои субмикронных добавок порошков к крупнодисперсному промышленному порошку. Указанный прием позволяет снизить средний размер зерна спеченной керамики путем увеличения доли субмикронных зерен, на границах которых происходит эффективное торможение трещин при разрушении.

Влияние ультрадиспсрсных добавок на физико-механические характеристики карбида бора и огкольное разрушение исследовались на образцах, изготовленных из промышленных порошков (F-2000 и М-5) карбида бора.

Образцы первой партии были изготовлены из промышленного порошка карбида бора марки F-2000 со средним размером частиц 3−5 мкм с добавлением 1−10 мае. % ультрадисперсного порошка карбида бора той же марки со средним размером частиц 0,43 мкм. Ультрадисперсный порошок был получен диспергированием стандартного порошка на пневматическом циркуляционном аппарате [87]. Смешивание порошков до получения гомогенной смеси проводилось в магнитной мешалке марки МТ-2. Прессовки из этих смесей спекались SPS-методом при оптимальном технологическом режиме, определенном как: температуре спекания — Т_сп= 1950 °C, давление подпрессовки Р"_р = 30 МРа, длительность спекания 5 мин [88].

Вторая партия образцов была изготовлена из порошка карбида бора со средним размером частиц 0,8 мкм и с добавлением от 1 до 10 мае. % нанопорошка карбида бора со средним размером частиц 40 нм. Порошок-основа получен диспергированием промышленного порошка карбида бора марки М-5 (ГОСТ 3647 — 80) на пневматическом циркуляционном аппарате. Режим спекания был таким же, как для первой партии образцов.

Коэффициент вязкости разрушения (трещиностойкость) определяли методом индентирования пирамидой Виккерса с последующим измерением радиальных трещин, образующихся из углов отпечатка индентора. Расчет этого коэффициента проводили по формуле (4.9).

При определении вязкости разрушения подбирали нагрузку на индентор, при которой из углов отпечатка образуются трещины, но сколов поверхности не происходит.

Экспериментальные результаты сведены в табл. 5.1, из которой выявляется связь прочностных характеристик (#_v, К_с) с глубиной откола поверхности для образцов с различным содержанием субмикронных добавок.

Таблица 5.1.

Физико-механические характеристики величины, глубины внедрения индентора и максимального откола при индентировании нагрузкой Р = 196,2 Н для образцов керамики В₄С F-2000 с субмикронными добавками

На рис. 5.10−5.12 представлены фотографии отколов, образующихся вокруг отпечатка индентора, и профили поверхности отколов (условно названных автором «лепестками»), измеренные от области, примыкающей к грани отпечатка для этих образцов карбида бора с 1,5, 10 мае. % добавки нанопорошка при индентировании Р = 196,2 Н.

Рис. 5.10. Изображение локального разрушения поверхности керамики В₄С с 1 мае. % нанодобавкой вокруг отпечатка индентора при нагрузке.

Р = 196,2 Н

Рис. 5.11. Изображение локального разрушения поверхности керамики В₄С с 5 мае. % нанодобавкой вокруг отпечатка индентора при нагрузке Р = 196,2 Н.

Рис. 5.12. Изображение локального разрушения поверхности керамики В₄С с 10 мае. % нанодобавкой вокруг отпечатка индентора при Р = 196,2 И.

Экспериментальные результаты сведены в табл. 5.2 для образцов керамики В₄С (марки М-5) с различным содержанием нанодобавок.

Таблица 5.2.

Физико-механические характеристики диагонали и глубины отпечатков при индентировании нагрузкой Р = 196,2 Н для образцов керамики В₄С М-5 (ГОСТ 3647−80) с нанодобавками

Для этих же образцов с нанодобавками приведены зависимости величин максимального откольного разрушения поверхности при индентировании Р = 196,2 Н от процентного содержания нанодобавок (рис. 5.13).

Рис. 5.13. Зависимость величин максимального откола (Ь) от процентного содержания нанодобавок (НП) В₄С в керамиках В₄С промышленных марок F-2000 и М-5.

Из данных, представленных в табл. 5.1 и 5.2 и на рис. 5.13 следует, что глубина откола поверхности уменьшается с увеличением доли нанодобавок в керамике, изготовленной из промышленных порошков карбида бора. Минимальные значения величины откола поверхности выявлены в образцах с 10 мае. % нанодобавок.

Из сравнения рисунков видно, что по мере увеличения микротвердости образцов уменьшается глубина откола, что видно по профилям отколов, измеренным с помощью интерферометра. Неоднородность картины откола связана, по-видимому, с неоднородностью материала.

Поликристаллическая керамика содержит много геометрических особенностей, которые можно считать дефектами. Эти особенности могут быть различными для разных материалов, партий материала и образцов в зависимости от способа приготовления, пористости, размера зерна и распределения фаз.

Разрушение хрупких тел, как и в случае растяжения, начинается у наиболее растянутого (напряженного) места — у края отпечатка [1]. Если разрушение все же происходит, то соответствующая нагрузка отвечает разрывному усилию Р_х, а отвечающая ей твердость может быть названа истинным пределом прочности при контактном сжатии.