Фізичні закономірності механічної поведінки і властивості композитів з керамічною матрицею при локальному навантаженні

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут проблем матеріалознавства

ім. І.М. Францевича

УДК 539.2:621.762:539.4

Автореферат

на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Фізичні закономірності механічної поведінки і властивості композитів з керамічною матрицею при локальному навантаженні

Спеціальність: 01.04.07 - фізика твердого тіла

Котенко Валерій Антонович

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України.

Науковий керівник: член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук Григорьєв Олег Миколайович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, завідувач відділу.

Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Красовський Арнольд Янович, Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, головний науковий співробітник;

член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Макара Володимир Арсенійович, Київський національний університет ім. Т.Г. Шевченка, завідувач кафедри.

Захист відбудеться «15» жовтня 2008 р. о 14⁰⁰ год на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.207.01 в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, вул. Кржижанівського, 3.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, вул. Кржижанівського, 3.

Автореферат розіслано «28» серпня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.207.01

кандидат технічних наук Н.П. Коржова

керамічний індентування композит абразивний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з найважливіших завдань фізики міцності крихких тіл є встановлення закономірностей руйнування в неоднорідних полях напружень, зокрема при локальному навантаженні. З прогресом досліджень в цій галузі пов'язане вирішення однієї з основних проблем фізичного матеріалознавства - створення матеріалів, які мають високу надійність при дії локальних статичних і квазістатичних навантажень, при високих температурах і в агресивних середовищах. У таких екстремальних умовах крихкі керамічні матеріали часто виявляються ефективнішими у порівнянні з металевими.

Разом з тим відомо, що в умовах дії контактних напружень кераміка схильна до істотних пошкоджень, бо саме пошкоджуваність знижує її надійність і обмежує перспективи конструкційного використання. При локальному навантаженні в умовах дії неоднорідних полів напружень більшою мірою виявляється висока чутливість мод і характеру контактного руйнування до структурного стану кераміки - збільшення характеристик неоднорідності матеріалу істотно змінює його механічну поведінку. Для керамічних матеріалів із збільшенням рівня статичних і квазістатичних навантажень руйнування часто стає домінуючим фактором, і опір втіленню визначається не пластичними, а міцностними характеристиками.

Сучасні фізичні уявлення про закономірності локальної взаємодії твердих тіл склалися завдяки роботам таких відомих зарубіжних і вітчизняних дослідників, як Г. Герц, Д.М. Марш, К.Л. Джонсон, Ф. Франк, Б.Р. Лоун, Т.Р. Вілшоу, К. Танака, А.Г. Еванс, Ю.В. Колесніков, Е.М. Морозов, В.Ф. Бердиков, Ю.В. Мільман, Б.О. Галанов.

Однак до теперішнього часу залишається малодослідженим вплив дефектності на процес руйнування при локальному навантаженні, залишаються невідомими фізичні принципи, на основі яких можна здійснювати управління механічною поведінкою крихких матеріалів у процесах ударної взаємодії та формувати службові властивості броньових чи зносостійких керамічних матеріалів.

З огляду на вищезазначене особливо важливого і актуального значення набувають модельні уявлення про фізичні закономірності процесів деформації і руйнування крихких тіл у неоднорідних полях напружень, а також вивчення на цій основі структурної чутливості характеристик міцності і механічної поведінки керамічних матеріалів за умови дії локальних статичних і квазістатичних навантажень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відділі конструкційної кераміки та керметів Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича в рамках держбюджетних науково-дослідницьких робіт: 1) № 0100U003200 “Перспективні ударо-, зносо- і корозійностійкі композиційні матеріали з керамічною матрицею; взаємозв'язок їх механічної поведінки із структурним станом та умовами їх виготовлення” (2002 р.); 2) № 01020000015 „Розробка фізичних основ створення композитів з керамічною матрицею з високою контактною міцністю” (2001-2006 р.р.); 3) № 0103U003760 „Закономірності структуроутворення та фазових взаємодій в композитах на основі безкисневих тугоплавких сполук бору, алюмінію, кремнію і структурна чутливість їх контактної міцності та опору абразивному зносу” (2002-2005 р.р.); 4) № 0102U001261 „Функціонально-градієнтні і шаруваті структури на основі тугоплавких сполук титану, бору, кремнію” (2001-2006 р.р.).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи було встановлення закономірностей і механізмів руйнування крихких керамічних матеріалів при індентуванні, вивчення структурної чутливості їх характеристик міцності, а також розробка фізичних принципів формування властивостей і управління механічною поведінкою композитів з керамічною матрицею у процесах ударної взаємодії і абразивного зношування.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі завдання:

1. Провести аналіз сучасних уявлень і моделей контактного руйнування і адаптувати аналітичні моделі руйнування, макротвердості і міцності крихких тіл при локальному навантаженні до досліджуваного класу матеріалів;

2. Дослідити структуру композитів з керамічною матрицею і керметів, встановити зв'язок між рівнем їх структурної неоднорідності і параметрами контактного руйнування;

3. Дослідити вплив температури на процеси контактного руйнування крихких матеріалів та їх характеристики міцності;

4. Встановити зв'язок між фізико-механічними властивостями і контактною міцністю композитів і на цій основі розробити методи прогнозування їх службових характеристик (масової ефективності керамічної броні, зносостійкості при абразивному зношуванні);

Об'єкти дослідження: структура, механізми руйнування і особливості механічної поведінки крихких керамічних матеріалів на основі тугоплавких сполук B₄C, SiC, WC, TiN, AlN, (Ti,Cr)B₂, W₂B₅ при різних видах локального навантаження.

Предмет дослідження: нові зносо- та ударостійкі композити з керамічною матрицею B₄C-МеB₂ (Mе-Ti, Zr, V, Cr), B₄C-SiC, B₄C-AlN, TiN-AlN, розроблені в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, а також ряд важливих з огляду на технічний аспект керамічних (ЦН232, ВК-94) і металокерамічних (Н3М, DZ05, ВК6, Н5М, H10N) матеріалів промислового виробництва.

Методи дослідження: аналітичні розрахунки на основі моделей контактного руйнування, експериментальні дослідження міцності, твердості, тріщиностійкості, стійкості при абразивному зношуванні і ерозії, а також методи структурного аналізу - рентгенівська дифрактометрія, растрова електронна і оптична мікроскопія, Оже-аналіз поверхневих структур.

Наукова новизна роботи.

1. Випробувано нові моделі контактного руйнування, аналітичні моделі макротвердості і контактної міцності розроблені, Б.О. Галановим і О.М. Григорьєвим для крихких матеріалів, на широкому колі композитів з керамічною матрицею і керметів. Експериментально досліджена структура приконтактної зони руйнування і механізми її утворення, і на цій основі розвинуто нові підходи стосовно дослідження характеристик міцності матеріалів при індентуванні.

2. Розроблено нові методики визначення контактної міцності при розтягуванні і при стисканні крихких матеріалів, а також важливого параметра статистичного розподілу міцності - модуля Вейбулла за допомогою індентування. Встановлено області застосування методик і інтервали можливих значень контактної міцності різних крихких матеріалів. Показано зв'язок між параметрами структурної неоднорідності кераміки і статистичними характеристиками контактної міцності (модулем Вейбулла). Встановлено залежність між характеристиками структури (об'ємний вміст фаз, дисперсність структури, пористість), рівнем внутрішніх напружень композитів з керамічною матрицею B₄C-МеB₂ (Mе-Ti, Zr, V, Cr), B₄C-SiC, B₄C-AlN і контактною міцністю.

3. Вперше проаналізовано масштабний ефект для контактної міцності та запропоновано співвідношення, які виражають характерну залежність контактної міцності у_f від навантаження: із зменшенням навантаження, і, відповідно, області руйнування, контактна міцність матеріалу збільшується. Показано, що масштабний ефект контактної міцності є наслідком статистичної природи міцності крихких тіл, яка описується, зокрема, за допомогою моделі Вейбулла.

4. Вперше встановлено аналітичний зв'язок між критичним коефіцієнтом інтенсивності напружень К_1с і контактною міцністю у_f. Це дозволяє дати повнішу характеристику механічній поведінці крихких і малопластичних матеріалів при локальному навантаженні і за довжиною радіальних тріщин з єдиної позиції визначити статистично обґрунтовані значення контактної міцності і/або тріщиностійкості матеріалу.

5. На основі даних про вплив температури на руйнування крихких матеріалів при їх локальному навантаженні вперше розраховано значення контактної міцності при розтягуванні залежно від температури випробувань. Встановлено, що для досліджених матеріалів температурна область максимальної „крихкості” (мінімальних значень контактної міцності) є дещо нижчою від температури крихко-пластичного переходу. Падіння контактної міцності в інтервалі температур ідеально-крихкого руйнування випробуваних матеріалів обумовлене збільшенням критичного розміру дефектів, які пропорційні розміру відбитків твердості.

6. Вперше показано, що при локальному навантаженні загальна робота втілення може бути визначена як сума робіт, затрачених на пружну деформацію, руйнування й ущільнення зруйнованого під площадкою контакту пористого матеріалу в ядрі. Встановлено, що внески відповідних складових в загальну роботу визначаються параметром матеріалу НМ/Е. Внесок роботи руйнування в загальну роботу для досліджених композитів з керамічною матрицею не перевищує 20%, тому після стадії пружного навантаження головну роль в опорі втіленню індентора відіграє ущільнення матеріалу в ядрі і його околі.

7. Вперше показано, що підвищення зносостійкості керамічних матеріалів пов'язане з підвищенням їх контактної міцності. Встановлено, що величина абразивного зношування досліджених матеріалів лінійно залежить від величини оберненої до контактної міцності і визначається їх схильністю до руйнування в макро- і мікрооб'ємах при локальному навантаженні.

Практичне значення та реалізація отриманих результатів. Розроблені оригінальні методики атестації міцності крихких матеріалів при індентуванні (контактні міцності при розтягуванні і стисканні), які дозволяють давати комплексну характеристику їх механічній поведінці при зовнішніх впливах. Отримані результати суттєво доповнюють уявлення про механізми руйнування крихких керамічних матеріалів при їх локальному навантаженні, зокрема, при ударі та абразивному зношуванні. Насамперед це стосується аналізу впливу рівня структурної неоднорідності композитів з керамічною матрицею на параметри статистичного розподілу їх контактної міцності (модуль Вейбулла). На основі отриманих залежностей контактної міцності крихких матеріалів від температури можуть бути підібрані найбільш ефективні режими їх механічної обробки.

Результати дисертаційної роботи стали основою розробки нових бронезахисних і зносостійких матеріалів на основі карбідів (B₄C, SіC), боридів (TiB₂, W₂B₅), нітридів (TіN, AlN і Si₃N₄) у відділі конструкційної кераміки і керметів ІПМ НАНУ і можуть бути успішно використані для оптимізації структурного стану, а також для прогнозування властивостей (масової ефективності керамічної броні, зносостійкості при абразивному зношуванні) інших композиційних керамічних матеріалів.

Особистий внесок здобувача. Автор роботи приймав безпосередню участь у розробці підходів і методів розв'язання поставленої задачі, обробці отриманих результатів і їх обговоренні, у написанні наукових статей і підготовці доповідей на конференції. Здобувачем виконано експериментальне дослідження структури зони контактного руйнування композитів з керамічною матрицею і керметів та випробувано нову модель індентування крихких матеріалів. Крім того, автором проаналізовано масштабний ефект для контактної міцності, встановлено зв'язок між контактною міцністю і тріщиностійкістю, а також іншими фізико-механічними властивостями композитів; на ряді модельних матеріалів розраховано залежність контактної міцності від температури.

За участю співавторів проведено ряд експериментальних досліджень, результати яких відображено у спільних публікаціях. Разом з д.ф.-м.н. Б.О. Галановим, чл.-кор. НАН України О.М. Григорьєвим та С.М. Івановим використано нову характеристику - контактну міцність, для аналізу процесу проникнення ударника в крихкі керамічні матеріали. На основі розробленого С.М. Івановим програмного забезпечення розраховано значення масової ефективності керамічної броні. Спільно з к.ф.-м.н. М.Д. Бегою і А.О. Рогозинською виконано рентгеноструктурні дослідження зразків. Вимірювання пружних характеристик досліджених матеріалів було проведено д.ф.-м.н. О.І. Запорожцем і М.А. Дордієнко (ІМФ НАН України). З участю к.т.н. І.О. Косска було виконано Оже-спектральний аналіз вторинних структур на поверхні керамічних матеріалів, що формуються при сухому терті. Спільно з П.В. Мазуром та О.Д. Костенком проведено випробування зразків на тертя і абразивне зношування. Спільно з науковим керівником сформульовано основні узагальнюючі положення і висновки дисертаційної роботи.

Автор висловлює подяку к.т.н. Т.М. Євтушок, к.т.н. В.В.Ковальчуку, к.т.н. Т.В. Дубовик, к.т.н. О.Д. Щербині, к.т.н. І.І. Івановій, В.Б. Винокурову, які любязно надали зразки для проведення випробувань, а також акад. НАН України С.О. Фірстову, чл.-кор. НАН України В.Ю. Мільману, д.ф.-м. н. Е.П. Пічковському, д.ф.-м. Б.О. Галанову, к.т.н. Г.Л. Жунківському, к.ф.-м.н. В.В. Картузову, які прийняли активну участь у обговоренні отриманих дисертантом результатів.

Апробація результатів роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на Другій міжнародній конференції „Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий” (16-20 вересня 2002, Кацивелі, Крим), Міжнародній науковій конференції „Новейшие технологии в порошковой металлургии и керамике” (8-12 вересня 2003, Київ), Третій міжнародній конференції „Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий” (13-17 вересня 2004, Кацивелі-Понизівка, Крим), Міжнародній науковій конференції „Современное материаловедение: достижения и проблемы” (26-30 вересня 2005, Київ), Четвертій міжнародній конференції „Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий” (17-22 вересня 2006, Кацивелі-Понизівка, Крим).

Публікації на тему дисертації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 8 доповідях на міжнародних конференціях і в 8 статтях, з них 5 у фахових наукових виданнях.

Об'єм і структура дисертації. Робота складається із вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаної літератури зі 174-х найменувань. Повний обсяг роботи складає 186 сторінок, включаючи 60 рисунків і 15 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету та основні завдання дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, показано зв'язок з науковими темами, висвітлено особистий внесок здобувача в роботу, а також наведені відомості про обсяг проведених досліджень і кількість публікацій.

У першому розділі показано, що структурний стан крихких тіл (монофазна однорідна або гетерофазна неоднорідна кераміка) обумовлює їх різну поведінку при локальному навантаженні - змінюються моди і закономірності руйнування (герцівське руйнування змінюється радіальним розтріскуванням і фрагментацією матеріалу). Тому створення нових високоміцних матеріалів з тугоплавких сполук пов'язане з необхідністю оптимізації полів внутрішніх напружень, а також вивченням закономірностей контактного руйнування і структурної чутливості їх механічної поведінки при локальному навантаженні.

З огляду на це у межах фізики руйнування проведено аналіз наявних аналітичних моделей міцності крихких тіл і механізмів їх руйнування при локальному навантаженні. Наведено декілька найбільш зручних для використання ядерних моделей контактної взаємодії індентора зі зразком, які ґрунтуються на запропонованому Хілом розв'язку задачі про розширення сферичної порожнини в пружно-пластичному матеріалі. Показано, що моделі індентування крихких матеріалів є складнішими, ніж моделі індентування пластичних матеріалів. Остання обставина зумовлена утворенням при індентуванні крихких матеріалів в околі контакту індентора із зразком областей, в яких домінують процеси руйнування.

Окремо проведено аналіз моделей ударної взаємодії. При цьому показано, що найбільш повний опис процесу проникнення ударника у крихкі тіла можливий на основі модифікованої гідродинамічної моделі Алексєєвського-Тейта [Галанов Б.О., Картузов В.В., Іванов С.М.], яка дозволяє розглядати проникнення ударника в часі. Проте замість традиційно використовуваних статичних границь міцності при стисканні і розтягуванні за умов одноосного навантаження, які входять у структуру «статичної» компоненти, повинні бути запропоновані нові характеристики міцності, що враховують специфіку процесів руйнування в неоднорідних полях напружень при локальному навантаженні.

Огляд літературних джерел з проблеми тертя і зношування твердих тіл показав, що оцінка і зіставлення наявних даних істотно ускладнені різноманітністю методів і засобів визначення зносостійкості матеріалів (відмінність схем контакту, систем навантажень і вимірювань), а також відсутністю єдиної теорії процесів тертя і зношування. Загалом зношування складним чином залежить як від властивостей самого керамічного матеріалу (тріщиностійкість, твердість, щільність дефектів), так і від властивостей абразивних частинок (швидкість, твердість, розмір і ін.).

Таким чином, у розділі було показано, що модельні уявлення про закономірності процесів деформації і контактного руйнування крихких керамічних матеріалів у неоднорідних полях напружень, а також вивчення структурної чутливості характеристик міцності композитів з керамічною матрицею за умови дії локальних навантажень можуть бути основою для розуміння фізичних принципів формування властивостей і управління механічною поведінкою композитів з керамічною матрицею у процесах ударної взаємодії і абразивного зношування.

У другому розділі наведені характеристики об'єктів дослідження, а також описані методи отримання зразків і стандартні методики їх механічних випробувань.

Зразки композиційних матеріалів отримували методами порошкової металургії, використовуючи вільне спікання або гаряче реакційне пресування. Після розмірної механічної обробки зразків, полірування і остаточної доводки шорсткість відповідала ГОСТу 2789-73 (R_a=0,02-0,012 мкм), глибина дефектного шару поверхні знаходилась в межах 0,2-0,1 мкм.

Рентгенофазовий аналіз проводили на дифрактометрах ДРОН-2,0 і HZG-4 у Cu_k випромінюванні з використанням інформаційно-пошукової системи, побудованої на базі рентгенографічних даних JCPDS. Дослідження мікроструктури проводились за допомогою методів оптичної (Neophot-21) та растрової електронної мікроскопії (СТЕРЕОСКАН), при цьому кількісний структурний аналіз був виконаний традиційними методами стереометричної металографії. Оже-спектральний аналіз поверхонь тертя здійснювали за допомогою мікрозонду JAMP-10S, який був оснащений циліндричним дзеркальним аналізатором (СМА).

Пружні характеристики зразків (модулі Юнга, зсуву і всебічного стискання, а також коефіцієнт Пуассона) розраховувались за результатами вимірювань густини і швидкості поширення повздовжніх і поперечних ультразвукових коливань. Швидкості ультразвукових коливань вимірювались імпульсним методом на частотах 10-30 МГц.

Міцність зразків визначали при кімнатній температурі методом трьохточкового згину з дотриманням вимог ГОСТу 18228-72. Для тестових випробувань крихких матеріалів на тріщиностійкість використовували SEVNB-метод, а також традиційний IF-метод.

Оцінка зносостійкості в умовах ерозійного зношування проводилась за допомогою установки ЦУК-3М відповідно до ГОСТу 23.201-78. Дослідження зносостійкості матеріалів в умовах абразивного зношування проводили на установці типу НК (нерухоме кільце) конструкції ДержНДІ машинознавства на зразках спеціальної форми.

У третьому розділі виконано експерименти з контактного руйнування крихких тіл, досліджено структуру приконтактної зони і механізми руйнування, розроблено підходи стосовно дослідження характеристик міцності матеріалів при індентуванні, апробовано моделі контактного руйнування, аналітичні моделі макротвердості і контактної міцності, розроблені Б.О. Галановим і О.М. Григорьєвим, для композитів з керамічною матрицею і керметів.

Замість традиційно використовуваної статичної границі міцності при розтягуванні за умов одноосного навантаження для крихких тіл застосовано нову характеристику - контактну міцність при розтягуванні _f, яка визначається за величиною напружень розтягу в точці зупинки радіальних тріщин:

(1)

де с - середня довжина тріщини, відрахована від центра відбитка і у_и- ободові приповерхневі напруження розтягу поза відбитком. Останні визначаються співвідношенням:

(2)

де НM=N/(a²) - твердість за Мейєром, N - навантаження на індентор, а - радіус області контакту (рис. 1).

Статистичний аналіз процесів утворення радіальних тріщин на основі гіпотези «слабкої ланки» Вейбулла показав, що ймовірність руйнування при напруженні розтягу, яке менше у, визначається функцією розподілу:

, де (3)

Відповідні параметри розподілу m і _о визначали шляхом побудови графіків для масиву даних по контактній міцності в координатах lnln(1-F)^-1 - ln_f. На практиці для цього експериментально визначали ймовірність руйнування Р_і=(і-0,5)/n для кожного значення (_f)_i (n - число виміряних значень контактної міцності), що послідовно зростало і будували графік ln ln(1- Р_і)^-1- ln _f . Величини b і _о розраховували за значенням Р_і = 0,63. Параметр (m-1) шукали за тангенсом кута нахилу прямої, апроксимуючої експериментальні дані.

Досліджено комплекс механічних властивостей, важливих з технічного погляду композитів на основі Al₂O₃ (ЦМ232 і ВК94-1), (Ti,Cr)B₂, SiC, B₄C, TiN-AlN, а також твердих сплавів вітчизняного (ВК6, ТНМ20) і зарубіжного (Н3М, Н5М, DZ05, H10N) виробництва у зіставленні з їх контактною міцністю. На прикладі твердих сплавів показана чутливість контактної міцності до структурного стану матеріалів - більш однорідній дрібнозернистій структурі відповідають більш високі значення модуля Вейбулла m (рис. 2).

Загалом отримані розподіли контактної міцності бімодальні. Статистичні криві для кераміки і керметів при всіх навантаженнях мають дві ділянки, які відповідають популяціям «коротких» та «довгих» тріщин і, характеризуються низькими і високими значеннями модуля Вейбулла m.

При вимірюваннях контактної міцності має місце масштабний ефект: зі зменшенням навантаження N кількість довгих тріщин зменшується, а зсув самих розподілів при цьому відповідає збільшенню контактної міцності. Тобто масштабний ефект контактної міцності є наслідком статистичної природи міцності крихких тіл, яка описується, зокрема, за допомогою моделі Вейбулла.

У результаті аналізу умов розвитку радіальних тріщин з використанням положень фізики руйнування встановлено аналітичний зв'язок між контактною міцністю у_f і критичним коефіцієнтом інтенсивності напружень К_1с :

, (4)

де - коефіцієнт, який враховує відмінність форми радіальної тріщини і геометрії зразка від напівнескінченної тріщини, Т(L) - безрозмірний параметр, який умовно можна назвати коефіцієнтом інтенсивності напружень, створюваним індентором на тріщині розміром а, нормованим на тріщиностійкість матеріалу К_1с. Параметр Т(L) визначається співвідношенням:

, (5)

де L=(c-a) /a - відносний розмір тріщини.

Графік функції T(L) (рис. 3) дозволяє проаналізувати механізм виникнення і поширення радіальних тріщин. Оскільки розміри радіальних тріщин фактично визначаються рівнянням (5), то залежно від значення безрозмірного параметру T можливі такі випадки: 1) рівняння (5) не має розв'язків; 2) рівняння (5) має один розв'язок; 3) рівняння (5) має два розв'язки. Будемо вважати, що зародкова тріщина, з якої розвивається радіальна, утворюється безпосередньо при навантаженні в області «непружної» деформації під індентором (низхідна гілка графіка). Тоді випадок 1) відповідає достатньо малим значенням T або малим значенням а і N, при яких радіальні тріщини не утворюються. Графічно, в координатах T-L це означає, що пряма T, задана виразом (5), і крива T(L) не перетинаються (рис. 3). Випадок 2) відповідає значенню параметра T = T_c 1,196, при якому пряма T = T_c і крива T(L) (рис. 3) дотикаються в точці (L_c0,6; T_c=1,196). Цей дотик можна розглядати як умову утворення першої радіальної тріщини, яка експериментально виявляється. При критичному радіусі контакту і при критичному навантаженні на індентор її розмір становить (c_c-a_c) ? 0,6a. При навантаженні на індентор N>N_c значення T збільшується і реалізується випадок 3), коли рівняння (5) має два розв'язки: L_i і L_s (рис. 3). У цьому випадку зародкова тріщина критичного розміру L_i (L_i < L_c), будучи нестабільною, катастрофічно росте до значення L_s. Подальшому збільшенню навантаження на індентор відповідатиме стабільний розвиток тріщини до деякої довжини L_е.

Співвідношення (4), (5) дозволили дослідити структуру коефіцієнта в у відомому виразі К_1с=вN/с^3/2. У підсумку виявилось, що в залежить від відносної довжини тріщин с/а - коефіцієнт г, а також від їх форми та геометрії зразка - коефіцієнт б:

(6)

Результати тестових експериментів з визначення б, в, г, виконані на ряді технічно важливих керамічних матеріалів і твердих сплавів, показали, що збільшенню відносної довжини тріщин с/а, відповідає систематичне зменшення величини б (рис. 4). Остання обставина пов'язана із переходом приповерхневих радіальних тріщин у повністю розвинені напівдискові, який для крихких матеріалів зазвичай має місце в інтервалі відносних довжин тріщин 2<с/а< 4.

Таким чином, співвідношення (4)-(6) дозволяють дати більш повну характеристику поведінки крихких тіл при локальному навантаженні і за довжиною радіальних тріщин з єдиної позиції визначити статистично обґрунтовані значення контактної міцності і тріщиностійкості матеріалів. При цьому розраховані значення К_1с добре узгоджуються з результатами «макроскопічного» SEVNB-методу і на відміну від даних традиційного IF-методу слабко залежать від навантаження і мають незначне розсіяння (рис. 5).

На основі даних про влив температури на процес руйнування монокристалів природного алмазу, карбіду ніобію і сапфіру при їх локальному навантаженні розраховано значення контактної міцності при розтягуванні залежно від температури випробувань (рис. 6). При цьому встановлено, що температурна область максимальної «крихкості» (мінімальних значень контактної міцності) для таких модельних матеріалів є дещо нижчою від температури крихко-пластичного переходу Т_b. Вказаний температурний інтервал є найбільш ефективним для абразивної обробки крихких тіл, хоча загалом і залежить від типу абразиву, кристалографічного напрямку подрапування, коефіцієнту тертя та інших факторів.

Формування області з мінімальними значеннями контактної міцності обумовлено низькою релаксаційною здатністю досліджуваних матеріалів та «ідеально» крихким характером поширення тріщин у полі залишкових напружень (у_зал>у_руйн.), які генеруються зоною пластичної деформації, що постійно збільшується за розміром при збільшенні температури. Подальше збільшення значень контактної міцності при підвищенні температури пов'язане з інтенсифікацією процесів пластичної релаксації напружень у вершині тріщин при загальному зменшенні твердості, а також різким збільшенням критичного навантаження утворення тріщин.

На основі результатів експериментів з контактного руйнування крихких матеріалів, а також нової моделі їх індентування досліджено структурну чутливість характеристик міцності композитів з керамічною матрицею. Використана модель [Галанов Б.О., Григорьєв О.М.] розглядає твердість як характеристику опору матеріалів руйнуванню і тому вона, безумовно, залежить як від міцності при одноосному стисканні Y, так і від міцності при одноосному розтягуванні _f. Модель передбачає існування безпосередньо під індентором напівсферичного ядра, утвореного із зруйнованого і сильно стиснутого матеріалу (рис. 7).

Напружено-деформований стан матеріалу в ядрі визначається умовою «квазіпластичності» з відповідним асоційованим законом руйнування. Умова руйнування приймається такою ж, як умова пластичності для пористих ущільнюваних матеріалів. Тільки границя плинності при одноосному стисканні Y розглядається як границя міцності при одноосному стисканні. Величина Y визначається нами за значеннями експериментально виміряної статичної макротвердості HM і в подальшому викладі називається контактною міцністю при стисканні індентованого матеріалу. При цьому макротвердість HM, виміряна при максимально високих навантаженнях, за яких ще зберігаються залишкові відбитки, розглядається нами як характеристика опору руйнуванню крихких тіл при локальному статичному навантаженні.

У загальному випадку спостерігається утворення таких зон (рис. 7): r > c - пружна зона (І); a ? r ? c - зона, зруйнована радіальними тріщинами нормального відриву або зона дилатації (розширення) і пороутворення (ІІ); r < a - ядро (ІІІ) зі стисненого зруйнованого матеріалу, який початково належав зоні (ІІ). Зони (ІІІ), (ІІ) формуються на фронтах руйнування r = a і r = c відповідно, в яких напруження = змінюються скачком (в зоні (ІІ) = = 0).

На основі вищенаведених припущень, а також співвідношень моделі реології пористих і порошкових ущільнюваних матеріалів [Скороход В.В., Штерн М.Б.] стосовно матеріалу ядра були отримані наступні формули для визначення Y матеріалу, який має початкову поруватість ₀:

, , , (7)

, ,

, , ,

де _c- поруватість матеріалу при r = a+0, _k- середня поруватість у ядрі, e_k - середня об'ємна деформація в ядрі, e_c - об'ємна деформація при r = a+0, e_ks - середня об'ємна деформація твердої фази ядра, E_i, _i - пружні характеристики індентора.

Таким чином, зв'язок контактної міцності і твердості визначається співвідношенням, аналогічним співвідношенню Тейбора HM=CY для твердості і напруження плинності в пластичних матеріалах, в якому величина C(HM, _f, , E) для крихких матеріалів може бути більшою 3, з інтервалом типових значень 4 - 10. Однак величина Y визначається нами як міцність при одноосному стисканні вихідного крихкого матеріалу, за якої цей матеріал на границі ядра r=a зазнає множинного руйнування під дією напружень зсуву і подальшого ущільнення від значень пористості на границі ядра _c до середньої пористості _k в ядрі.

Загалом, для досліджених матеріалів величини Y знаходяться в інтервалі 1-3ГПа, що характерно і для значень міцності цих матеріалів, отриманих при традиційних випробуваннях на стискування. Як випливає зі структури формул (7), рівень Y в основному визначається значенням HM, а також відношенням HM/E і відносно слабко залежить від контактної міцності при розтягуванні у_f.

Справді, як видно з рис. 8, між нормованими на модуль Юнга величинами міцності Y і твердості HM спостерігається чітка лінійна залежність. Розкид даних щодо прямої лінійної регресії, обумовлений варіацією границі міцності при розтягуванні дуже не значний.

На основі моделі макротвердості виконано аналіз і оцінка роботи А, затраченої на деформування А_е, руйнування A_f і ущільнення зруйнованого матеріалу в ядрі A_c, за умови, що , а геометрична схема моделі індентування така ж, як на рис. 7.

Відносні частки A_c/A, А_е/A, A_f/A роботи А сили, яка притискує індентор визначаються формулами:

(8)

.

Аналіз відносних енергетичних затрат при індентуванні, тобто затрат на пружне деформування, руйнування й ущільнення матеріалу під індентором, показав, що механізм опору матеріалу втіленню залежно від величин його пружних характеристик і міцності якісно змінюється (рис. 9).

У кераміці з високими значеннями НМ/Е висока частка роботи пружного деформування і на стадії пружного навантаження ці матеріали чинять максимальний опір втіленню, який по суті повністю втрачається з початком процесів руйнування. Тому композити, які містять компоненти з високими і низькими значеннями НМ/Е, можуть розглядатися як найбільш перспективні ударостійкі матеріали.

У цьому розділі розглянуті деякі результати аналізу процесу втілення ударника в крихкі тіла, отримані при застосуванні модифікованої Б.О. Галановим, В.В. Картузовим, С.М. Івановим гідродинамічної моделі Алексєєвського-Тейта, в якій, замість традиційно використовуваних статичних границь міцності при розтягуванні і стисканні за умов одноосного навантаження використано контакні міцності при розтягуванні і стисканні (табл. 1).

У табл. 1 наведені результати обчислень опору кераміки втіленню при ударі, а саме - дані щодо глибини втілення ударника P, роботі контактного тиску на одиницю зміщуваного об'єму HP_max (максимальній пенетраційній твердості) і масовій ефективності броні, що характеризує виграш у масі при використанні даної броні у порівнянні з прийнятою еталонною (RHA броньова сталь) m_e=Р_е с_е/Рс.

Таблиця 1. Фізико-механічні властивості і балістичні характеристики деяких керамічних матеріалів (W-ударник, L = 15 мм, D = 0,76 мм, V = 1600 м/с)

Матеріал	Фізико-механічні властивості	Балістичні характеристики
	с, г/см3	HM, ГПа	уf, ГПа	Y, ГПа	P, мм	HPmax, ГПа	mе
B4C-VB2	2,7	18(N=500 H)	1,2	3,07	10,0	9,5	4,4
B4C-AlN	2,54	14,5(N=300 H)	0,7	3,27	10,1	9,5	4,7
AlN-TiN	3,58	13,8(N=500 H)	1,04	2,45	11,1	15,5	3
Al2O3	3,5	11(N=200 H)	1,0	1,57	12,1	14,5	2,8
RHA-сталь	7,8	-	-	1,0	15,4	-	1

У четвертому розділі наведено результати комплексних макромеханічних випробувань ударостійких композитів систем B₄C-МеB₂ (Mе-Ti, Zr, V, Cr), B₄C-SiC, B₄C-AlN, проведених відповідно з новою моделлю індентування крихких гетерофазних матеріалів. При цьому показано, що пружна взаємодія фаз при зміні температури і тиску в процесі виготовлення і в умовах зовнішніх термомеханічних дій зумовлює складний напружено-деформований стан композитів, який і визначає особливості їх механічної поведінки при локальному навантаженні. Відповідно до моделі тріщиностійкості композитів з керамічною матрицею [Хорошун Л.П., Григорьєв О.М., Галанов Б.О.] оптимізації полів внутрішніх напружень можна досягти оптимізувавши структуру кераміки. Наприклад, збільшення тріщиностійкості і міцності композитів може бути забезпечене таким підбором компонент, їх об'ємних співвідношень і розмірів зерен, коли матриця під дією залишкових термічних напружень перебуватиме у стані стискання, ізольовані включення другої фази - у стані розтягування. Тріщина при цьому буде поширюватися у стиснутій матриці, огинаючи включення другої фази через характер розподілу полів напружень поблизу цих включень.

Введення в композит на основі В₄С компоненти МеB₂ (Mе-Ti, Zr, V, Cr) з великим коефіцієнтом термічного розширення (КТР) супроводжується зростанням тріщиностійкості. Зі збільшенням відмінностей КТР, пружних характеристик і розміру зерен фаз композиту максимум тріщиностійкості зміщується в область меншого об'ємного вмісту другої фази (10-30%). В області великих концентрацій другої фази формується мінімум К_1с із значенням К_1с0, що відповідає критерію спонтанного руйнування такого композиту під дією термічних напружень.

На прикладі композитів B₄C-VB₂ показано, що введення боридів перехідних металів (Mе- Ti, Zr, V, Cr) в композит дозволяє отримати щільну високодисперсну кераміку, до складу якої входить залишковий вуглець у вигляді графіту (~3%) з високими показниками структурної однорідності. Композиційна кераміка в широкому інтервалі концентрацій боридів характеризується більш високими значеннями твердості, а також контактної міцності, ніж однофазна кераміка на основі карбіду бору (рис. 10).

Дослідження композитів системи B₄C-AlN (рис. 11) показали, що в широкому інтервалі її складів твердість, зменшуючись при навантаженнях 2-50 Н, залишається в подальшому, по суті, незмінною до навантажень близько 1000 Н. Характерним для цієї кераміки є відсутність пелюсткових (lateral) тріщин і викришування навіть в околі близько розташованих відбитків. При цьому композити B₄C-AlN, поєднуючи компоненти з різними значеннями відношення НМ/Е, мають достатньо високі значення контактної міцності: карбід бору забезпечує стійкість матеріалу на стадіїпружної деформації, а нітрид алюмінію - стійкість після початку руйнування завдяки фрагментуванню й ущільненню зруйнованого матеріалу.

У п'ятому розділі наведено результати дослідження стійкості композитів WC-Co-W₂B₅, B₄C-VB₂, TiN-AlN при абразивному зношуванні залежно від їх структури і фізико-механічних властивостей. Показано, що композити з керамічною матрицею мають не тільки підвищений рівень фізико-механічних властивостей у порівнянні з однофазною керамікою, але й відрізняються більш високою стійкістю до дії абразиву. При цьому величина абразивного зносу кераміки складним чином залежить від твердості, тріщиностійкості, міцності - збільшення твердості або тріщиностійкості не завжди супроводжується зменшенням інтенсивності зношування. Разом з тим для всіх випробуваних матеріалів було виявлено чітку лінійну залежність між оберненою величиною контактної міцності та їх абразивною зносостійкістю (рис. 12).

Дійсно, в елементарному акті руйнування завдяки розвитку приповерхневих (lateral) тріщин довжиною l ~ c, видаляється матеріал об'єму V_i ~ дF, де д - глибина області руйнування і F - площа руйнування у приконтактній області. Відповідно, величина зносу W ~ V_i ~дF. Отже, на основі співвідношення (2) між контактною міцністю і величиною абразивного зношування може бути отримана залежність виду:

, (9)

де з, k - коефіцієнти пропорційності.

Результати зіставлення даних з абразивної зносостійкості кераміки B₄C- VB₂ з результатами аналогічних випробувань нових зносостійких композитів на основі В₄С наведені на рис. 12б (світлі точки). При цьому для досліджених матеріалів отримані залежності W=f(1/_f) відсікають відрізки на осі ординат, що вказує на дещо складніший механізм руйнування матеріалів при абразивному зношуванні. На прикладі обробки алмазів показано, що величина загального зносу може мати значну додаткову складову завдяки адгезії і хімічної взаємодії з абразивом.

Проведені дослідження ерозійного зношування керамік систем (Ti,Cr)B₂, TiC, Cr₃C₂, B₄C, B₄C-SiC, а також твердих сплавів ТНМ20, H12N, спеченого і гарячопресованого ВК6 у струмені кварцового піску показали, що контактна міцність, як і твердість, не може служити універсальним показником стійкості матеріалів при ерозії. Це пов'язано з тим, що ерозійне зношування кераміки є результатом багатократної дії частинок абразиву і поступового накопичення пошкоджень матеріалом. Тому проведення безпосередніх випробувань матеріалів на ерозійне зношування все ще лишається єдиним надійним способом оцінки надійності робочих елементів механізмів у процесі їх експлуатації.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі встановлено основні закономірності і механізми руйнування крихких композиційних матеріалів при локальному навантаженні залежно від їх структури і на цій основі запропоновані способи формування службових властивостей і управління механічною поведінкою композитів з керамічною матрицею у процесах ударної взаємодії і абразивного зношування. При цьому отримані такі наукові і практичні результати:

1. Експериментально досліджено структуру області руйнування композитів з керамічною матрицею при локальному навантаженні, виділено області, якіхарактеризуються різною геометрією тріщин і різними механізмами руйнування, встановлено характеристики процесів руйнування в кожній області. При цьому структура області контактного руйнування включає: 1) пружну область; 2) область дилатації і пороутворення, створену радіальними тріщинами; 3) напівсферичну область ядра з ущільненого фрагментованого матеріалу, що утворюється з матеріалу області дилатації при її руйнуванні напруженнями зсуву при стисненні. У рамках моделі індентування, розробленої Б.О. Галановим і О.М. Григорьєвим, встановлено зв'язок між величиною контактного тиску (твердістю НМ) і характеристиками міцності для композитів з керамічною матрицею.

2. Розроблено методики визначення контактної міцності при розтягуванні і при стисканні крихких матеріалів, визначені області застосування методик і інтервали можливих значень контактної міцності різних крихких і малопластичних матеріалів. Показано зв'язок між параметрами структурної неоднорідності кераміки і статистичними характеристиками контактної міцності (модуль Вейбулла). Встановлено залежності між характеристиками структури (об'ємний вміст фаз, дисперсність структури, пористість, рівень внутрішніх напружень) композитів на основі карбіду бору і контактною міцністю.

3. Досліджено масштабний ефект, який спостерігається при вимірюванні контактної міцності. Запропоновано співвідношення, які безпосередньо виражають характерну для контактної міцності у_f залежність від навантаження: із зменшенням навантаження, і, відповідно, області руйнування, міцність матеріалу збільшується. Показано, що масштабний ефект контактної міцності є наслідком статистичної природи міцності крихких тіл, яка описується, зокрема, за допомогою моделі Вейбулла.

4. На основі даних про вплив температури на руйнування крихких матеріалів при їх локальному навантаженні розраховані значення контактної міцності при розтягуванні залежно від температури випробувань. При цьому встановлено, що температурна область мінімальних значень контактної міцності для досліджених матеріалів є дещо нижчою від температури крихко-пластичного переходу Т_b. Зменшення контактної міцності в інтервалі температур ідеально-крихкого руйнування досліджених матеріалів обумовлене збільшенням розміру і «потужності» області «непружності», які пропорційні розміру відбитка твердості.

5. Проведено комплексні випробування ударостійких композиційних матеріалів систем B₄C-МеB₂ (Mе-Ti, Zr, V, Cr), B₄C-SiC, B₄C-AlN відповідно до нової моделі індентування крихких гетерофазних матеріалів. На прикладі композитів системи B₄C-AlN показано, що матеріали, які поєднують компоненти з різними значеннями відношення НМ/Е мають підвищені характеристики міцності: карбід бору забезпечує стійкість матеріалу на початку процесу руйнування, на стадії пружної деформації, а нітрид алюмінію - стійкість після початку руйнування завдяки фрагментуванню й ущільненню зруйнованого матеріалу.

6. Показано, що найбільш повний опис процесу проникнення ударника в крихкі керамічні матеріали можливий на основі модифікованої Б.О. Галановим, В.В. Картузовим, С.М. Івановим гідродинамічної моделі Алексеєвського-Тейта, яка дозволяє розглядати проникнення ударника в часі. При цьому у структуру «статичної» компоненти мають входити нові характеристики міцності - контактні міцності при розтягуванні і стисканні. Розраховані значення масової ефективності добре узгоджуються з експериментальними даними.

7. Встановлена лінійна залежність між оберненою величиною контактної міцності (або схильністю до руйнування в макро- і мікрооб'ємах при локальному навантаженні) і величиною абразивного зношування - композити з високою контактною міцністю мають найвищу зносостійкість. На прикладі обробки алмазів показано, що величина загального зношування може мати значну додаткову складову завдяки адгезії і хімічної взаємодії з абразивом.

СПИСОК ОСНОВНИХ ДРУКОВАНИХ ПРАЦЬ АВТОРА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Горбань В.Ф., Винокуров В.Б., Григорьев О.Н., Демидик А.Н., Иванова И.И., Коваль А.Ю., Котенко В.А., Печковский Е.П., Фирстов С.А. Микро- и макроиндентирование титано-кремнистого карбида Ti₃SiC₂ // Порошковая металлургия. - 2005. - №3/4. - С. 93 - 105.

2. Григорьев О.Н., Галанов Б.А., Котенко В.А., Иванов С.М., Ковальчук В.В., Лажевский В.А. Контактная прочность и трещиностойкость хрупких материалов // Металлофизика и новейшие технологии. - 2005. - №8. - C. 1001 - 1018.

3. Григорьев О.Н., Ковальчук В.В., Бега Н.Д., Галанов Б.А., Котенко В.А., Запорожец О.И., Кутрань Т.М., Дордиенко М.А. Получение и физико-механические свойства композитов В₄С- VB₂ // Порошковая металлургия. - 2006. - №1/2.- С. 59 - 72.

4. Григорьев О.Н., Галанов Б.А., Котенко В.А., Иванов С.М. Контактная прочность и трещиностойкость твёрдых сплавов // Электронная микроскопия и прочность материалов. - 2006.- Вып.13 - C. 43 - 54.

5. Григорьев О.Н., Дубовик Т.В., Бега Д.Н., Котенко В.А., Панашенко В.М., Ляшенко В.И., Рогозинская А.А., Черненко Л.И. Свойства спеченных керамических материалов на основе нитрида и карбида бора // Порошковая металлургия. - 2007. - №1/2. - C. 58 - 63.

6. Григорьев О.Н., Галанов Б.А., Котенко В.А., Иванов С.М. Разрушение керамики и ее сопротивление внедрению высокоскоростных ударников // Огнеупоры и техническая керамика. - 2004. - №8. - C. 8 - 15.

7. Григорьев О.Н., Галанов Б.А., Котенко В.А., Ковальчук В.В., Костенко А.Д., Мазур П.В. Стойкость композитов В₄С-VB₂ при абразивном изнашивании и трении в паре со сталью // Огнеупоры и техническая керамика. - 2005. - №10. - C. 2 - 8.

8. Григорьєв О.М., Галанов Б.О., Котенко В.А., Іванов С.М. Контактна міцність і механічні властивості композиційних керамічних матеріалів // Фундаментальні орієнтири науки (ФОН): хімія та наукові основи перспективних технологій. - Київ: „Академперіодика”, 2005. - С. 304 - 326.