Влияние технологии спекания нанопорошков на трещиностойкость тетрагонального диоксида циркония

Е.Е. Дерюгин, Н.А. Наркевич, И.А. Даниленко, Г.В. Ласко, З. Шмаудер показать трудоустройства и электронную почту
Получена 22 июля 2021; Принята 08 октября 2021;
Цитирование: Е.Е. Дерюгин, Н.А. Наркевич, И.А. Даниленко, Г.В. Ласко, З. Шмаудер. Влияние технологии спекания нанопорошков на трещиностойкость тетрагонального диоксида циркония. Письма о материалах. 2021. Т.11. №4. С.409-415
BibTex   https://doi.org/10.22226/2410-3535-2021-4-409-415

Аннотация

Фазовая трансформация типа t → m определяет неупругую стадию деформации керамики на основе диоксида циркония, стабилизированного добавками оксида иттрия. Максимум силы прогиба консолей двухконсольного образца с шевронным надрезом, испытанного расклиниванием, определяет критические характеристики трещиностойкости керамики ZrO2 + 3mol%Y2O3: скорости высвобождения энергии Gc при распространении трещины (удельной энергии разрушения) и коэффициента интенсивности напряжений KIc. Максимальная вязкость характерна для керамики состава ZrO2 + 3mol%Y2O3, отклонение от которого уменьшает показатели трещиностойкости. Повышению трещиностойкости благоприятствует измельчение порошка на планетарной мельнице.Исследовано влияние различных технологических условий приготовления образцов из керамики ZrO2, стабилизированной различными добавками оксида иттрия Y2O3, на трещиностойкость материала. Произведены различные режимы спекания образцов, полученных методом совместного осаждения нанопорошков диоксида циркония ZrO2 и оксида иттрия Y2O3. Описана оригинальная методика расчета критического коэффициента интенсивности напряжений по данным испытаний двухконсольных образцов с шевронным надрезом методом расклинивания. Характерной особенностью диаграмм нагружения керамик на основе диоксида циркония, стабилизированных добавками оксида иттрия, является наличие стадии неупругой деформации. Неупругая стадия развивается без образования трещин. В основе механизма неупругой деформации лежит фазовый переход тетрагональной модификации в моноклинную модификацию кристаллической структуры. Для каждого режима определены значения характеристик трещиностойкости. Максимальную трещиностойкость проявляет керамика состава ZrO2 + 3 мол% Y2O3 (KIc = 6.86 МПа · м1 / 2) при температуре спекания Тsint =1500°С в течение часа. Отклонение от состава 3 мол% Y2O3 уменьшает показатели трещиностойкости. Повышению трещиностойкости благоприятствует измельчение порошка на планетарной мельнице. Принято считать, что возникающие у вершины растущей микротрещины механические напряжения вызывают напряжения всестороннего сжатия, поскольку фазовая трансформация сопровождается увеличением объема элементарной ячейки на 4 %. Это стабилизирует микротрещину, замедляя её рост. Такая точка зрения утвердилась благодаря известному факту, что при охлаждении диоксида циркония от 950°С до комнатной температуры в процессе t → m перехода в объеме материала происходит интенсивное образование микротрещин. Однако при расклинивании двухконсольного образца с шевронным надрезом вероятность образования напряжений сжатия мала. Об этом же свидетельствует и отсутствие трещинообразования на всем протяжении неупругой стадии деформации материала. В мелкокристаллической структуре циркониевой керамики при нагружении возникают благоприятные условия для релаксации сдвиговых напряжений путем t → m перехода.

Ссылки (24)

1. T. Zhao, J. Zhu, J. Luo. Engineering Fracture Mechanics. 159, 155 (2016). Crossref
2. V. P. Gorelov. Physics of the Solid State. 61, 1288 (2019). Crossref
3. R. H. J. Hannink, P. M. Kelly, B. C. Muddle. J. Am. Ceram. Soc. 83 (3), 461 (2000). Crossref
4. F. Kern, R. Gadow. Journal of the Ceramic Society of Japan. 124 (10), 1083 (2016). Crossref
5. J. Pelleg. Mechanical Properties of Ceramics. Springer, Cham (2014) 761 p. Crossref
6. L. F. Guilardi, G. K. R. Pereira, V. F. Wandscher et al. Braz. Oral Res. 31, 94 (2017). Crossref
7. N. Zhang, M. A. Zaeem. J. Mater. Sci. 53, 5706 (2018). Crossref
8. I. Danilenko, O. Gorban, A. Shylo et al. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 213, 012016 (2017). Crossref
9. F. F. Lange. Journal of Materials Science. 17, 240 (1982). Crossref
10. J. Chevalier, L. Gremillard, A. V. Virkar, D. R. Clarke. J. Am. Ceram. Soc. 92 (9), 1901 (2009). Crossref
11. C. Piconi, G. Maccauro. Biomaterials. 20 (1), 1 (1999). Crossref
12. S. Mahalaxmi, V. Sujatha, R. Babu, A. G. Mohan. International Journal of Research and Discovery (IJRD). 3 (1), 1 (2014).
13. M. Díaz, A. Smirnov, C. F. Gutiérrez-González, D. Estrada, J. F. Bartolomé. Ceramics. 3 (1), 53 (2020). Crossref
14. M. Golieskardi, M. Satgunam, D. Ragurajan. Journal of the Australian Ceramic Society. 53, 1001 (2017). Crossref
15. D. Broek. Elementary engineering fracture mechanics. Noordhoff International Publishing, London (1974) 408 p.
16. S. Timoshenko, J. N. Goodier. Theory of Elasticity. New York, Toronto, McGraw Hill Book Co. (1951) 519 p.
17. T. L. Anderson. Fracture Mechanics. Third edition. CRC Press, Boca Raton (2005) 611 p. Crossref
18. S. T. Sun, Z. H. Jin. Fracture Mechanics. Kilington, Oxford, Academic Press (2012) 336 p.
19. Ye. Deryugin. Determination of Fracture Toughness Characteristics of Small-Size Chevron-Notched Specimens. In: Contact and Fracture Mechanics. Chapter 11. IntechOpen (2018) pp. 215 - 234. Crossref
20. E. E. Deryugin, N. A. Narkevich, G. V. Lasko, I. A. Danilenko, S. Schmauder. AIP Conf. Proc. 2310, 020073 (2020). Crossref
21. W. E. Luecke et al. Mechanical Properties of Structural Steels. Chapter 2. Elastic Properties. National Institute of Standards and Technology, US (2005) 324 p.
22. E. E. Deryugin, B. I. Suvorov. Problems of Atomic Science and Technology. Series: Physics of radiation damage and radiation materials science. 98 (4), 123 (2011). (in Russian) [Е. Е. Дерюгин, Б. И. Суворов. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. 98 (4), 123 (2011).].
23. S. N. Kulkov, V. I. Maslovsky, S. P. Buyakova, D. S. Nikitin. Journal of technical physics. 72 (3), 38 (2002). (in Russian) [С. Н. Кульков, В. И. Масловский, С. П. Буякова, Д. С. Никитин. Журнал технической физики. 72 (3), 38 (2002).].
24. H. Liu, W. Zhao, Y. Ji, J. Cui, Y. Chu, P. Rao. Ceramics International. 43 (13), 10572 (2017). Crossref

Финансирование на английском языке

1. Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, 634055, Томск, Россия - тема № FWRW-2021-0009
2. Программе финансирования исследований Фонда Volkswagen (VW) «Трехстороннее партнерство между Украиной, Россией и Германией» - Project a.z. 90355-1