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

АНОТАЦІЯ

Котенко В.А. Фізичні закономірності механічної поведінки і властивості композитів з керамічною матрицею при локальному навантаженні - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Київ 2008.

У роботі, на широкому колі композитів з керамічною матрицею, випробувано нову модель індентування крихких матеріалів та експериментально досліджено структуру області їх контактного руйнування, в якій виділено зони, що характеризуються різною геометрією тріщин і різними механізмами руйнування. У межах нової моделі індентування встановлено зв'язок між величиною контактного тиску (твердістю НМ) і характеристиками міцності для композитів з керамічною матрицею та запропоновано оригінальні методики атестації механічних властивостей композитів при локальному навантаженні (контактні міцності при розтягуванні і стисканні). Показано зв'язок між параметрами структурної неоднорідності кераміки і статистичними характеристиками контактної міцності (модуль Вейбулла). На прикладі нових композитів з керамічною матрицею B₄C-МеB₂ (Mе - Ti, Zr, V, Cr), B₄C-SiC, B₄С-AlN встановлено залежність між параметрами структури (об'ємний вміст фаз, дисперсність структури, пористість, рівень внутрішніх напружень), контактною міцністю і їх службовими характеристиками (масова ефективність броні, стійкість при абразивному зношуванні).

Ключові слова: композити з керамічною матрицею, контактне руйнування, модель макротвердості, тріщиностійкість, контактна міцність.

АННОТАЦИЯ

Котенко В.А. Физические закономерности механического поведения и свойства композитов с керамической матрицей при локальном нагружении. - Рукопись. Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины, Киев 2008.

В работе, на большом объёме различных композитов с керамической матрицей и широким диапазоном физико-механических свойств опробирована новая модель индентирования хрупких материалов, а также экспериментально исследована структура области их контактного разрушения, выделены зоны, которые характеризуются разной геометрией трещин и разными механизмами разрушения. Врамках новой модели индентирования установлена связь между величиной контактного давления (твердостью НМ) и характеристиками прочности для композитов с керамической матрицей и предложены оригинальные методики аттестации их механических свойств при локальном нагружении (контактные прочности при растяжении и сжатии). Показана связь между параметрами структурной неоднородности керамики и статистическими характеристиками контактной прочности (модуль Вейбулла). На примере новых композитов с керамической матрицей B₄C-МеB₂ (Mе- Ti, Zr, V, Cr), B₄C-SiC, B₄С-AlN установлено зависимость между параметрами структуры (объемное содержание фаз, дисперсность структуры, пористость, уровень внутренних напряжений), контактной прочностью и их служебными характеристиками (массовая эффективность брони, стойкость при абразивном изнашивании).

Ключевые слова: композиты с керамической матрицей, контактное разрушение, модель макротвердости, трещиностойкость, контактная прочность.

ABSTRACT

Kotenko V.A. Physical Regularities of the Mechanical Behavior of Composites with a Ceramic Matrix under Local Loading. Manuscript. Dissertation on the receipt of scientific degree of candidate of physico-mathematical sciences on the specialty 01.04.07. - Solid-state physics. Frantsevych Institute for Problems of Materials Science NAS of Ukraine, Kyiv 2008.

The present work is devoted to the analysis of fracture conditions of brittle bodies under the action of local and impact loads, which is their most often encountered application. In the work, a new model of indentation of brittle materials was tested on a wide range of composites with a ceramic matrix, the structure of the region of their contact fracture was experimentally investigated, and regions characterized by different geometries of cracks and different mechanisms of fracture were distinguished. In terms of structure, the contact fracture region can be divided into: (1) elastic region; (2) region of dilatation and pore formation, which is formed by radial cracks; (3) region of a densified fragmented material which forms from the material of the dilatation region at its fracture by shear stresses in compression.

In the frame of the new indentation model, a relation between the value of the contact pressure (hardness HM) and strength characteristics for composites with a ceramic matrix was determined, and original procedures for the certification of their mechanical properties under local loading (contact tensile strength and contact compressive strength) were proposed. The interrelation between the parameters of structural inhomogeneity of ceramics and statistical characteristics of contact strength (the Weibull modulus) is shown. By the example of new composites with a ceramic matrix, namely B₄C-МеB₂ (Mе-Ti, Zr, V, Cr), B₄C-SiC, and TiN-AlN, relations between the structural characteristics (volume contents ofphases, structure dispersity, porosity, and the level of internal stresses), the contact strength, and their operating characteristics were established.

A scale effect which takes place in measurements of the contact strength was investigated. Relations that express directly a dependence of the contact strength у_f, on load are proposed. As load and, therefore, the size of the fracture region decrease, the contact strength of the material increases. It is shown that the scale effect of the contact strength is a consequence of the statistical nature of brittle bodies, which is described, in particular, using the Weibull model.

As a result of an analysis of conditions of development of radial cracks using statements of mechanics of contact fracture, an analytical relation between the critical stress intensity factor K_1c and the contact strength у_f, which allows one to present a more complete characteristic of the mechanical behavior of brittle and low-plasticity materials at contact fracture and determine statistically justified values of the contact strength and/or fracture toughness of a material from the length of radial cracks, was determined.

On the basis of data on the influence of temperature on fracture of brittle materials under concentrated loading, values of the contact strength in tension were calculated depending on the test temperature were calculated. Moreover, it was established that, for the investigated materials, the temperature range of maximal “embrittlement” (minimal values of the contact strength) is somewhat lower than the brittle-plastic transition temperature. That is why an investigation of the temperature dependence of contact strength allows one to choose the most efficient machining regimes for ceramic materials.

The structure of the work of penetration under quasistatic contact loading was investigated. It is shown that the total work of penetration can be represented as the sum of the work of elastic deformation, work of fracture, and work of densification of the porous material fractured in the kernel under the contact area. It was established that the contribution of the work of fracture to the total work of the composite ceramic materials is no larger than 20%. In ceramics with high values of HM/E, the fraction of the work of elastic deformation is high, and in the stage of elastic loading, these materials have a maximal resistance to penetration, which is lost practically completely in the development of fracture processes. In contrast, in the elastic stage, materials with low values of HM/E have a small resistance to penetration, which increases due to the work of densification of the fragmented kernel under conditions of contact fracture. That is why ceramic composites containing components with high and low values of HM/E can be considered to be the most promising wear- and impact-resistant materials.

Investigations of the wear resistance of the composites WC-Co-W₂B₅, B₄C-VB₂, and TiN-AlN in friction against an abrasive interlayer showed that an increase in wear resistance of the ceramic materials was connected with an increase in their contact strength. A linear relation between the reciprocal of the contact strength (or the susceptibility to fracture in macro- and microvolumes under local load) and the abrasive wear was determined. By the example of machining of diamonds, it is shown that the total wear may have an additional component, which is due to adhesion and the chemical interaction with the abrasive.

The presented results can be used both for the prediction of properties of new composite materials and cermets (mass effectiveness of ceramic armor, wear resistance in abrasive wear) and for the optimization of their structural state.

Keywords: composites with a ceramic matrix, contact fracture, model of macrohardness, fracture toughness, contact strength.

Підписано до друку 08.08.2008. Формат 60х90х16

Ум. Друк арк. 0,9. Обл.-вид. 0,9.

Тираж 100 прим. Замовлення № 630

_____________________________________________________________

Дільниця оперативної поліграфії Інституту проблем матеріалознавства

ім. І.М. Францевича НАН України

03680, м. Київ-142, вул. Кржижанівського, 3

Размещено на Allbest.ru