WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 10 05;12 Последействие при испытании корунда на микротвердость © Ю.Г. Носов, Л.И. Деркаченко Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия e-mail: p.antonov@mail.ioffe.ru (Поступило в Редакцию 13 февраля 2003 г.) Найдено, что сколы вблизи отпечатков индентора при испытании корунда на микротвердость могут возникать в течение длительного времени (20-30 дней) после снятия нагрузки.

Введение кристалла, так и на поверхность той же ориентации, полученную шлифовкой и полировкой ленты на глубиИзмерения микротвердости широко используются для ну 0.2 mm. Отпечатки наносились на пластинки корунизучения свойств корунда. Отпечатки от внедрения инда 15 8 1 mm при помощи прибора ПМТ-3 с пидентора, их изменение и поведение материала вблизи рамидой Викерса. Использовалась нагрузка 200 g. Миотпечатков анализировались при изучении механизмов кроиндентирование проводилось при комнатной темпедеформирования материала в процессе нагружения [1-3], ратуре на воздухе при обычной влажности. Нанесение анизотропии деформации [4], зависимости деформации отпечатка, выдержка и снятие нагрузки проводились от температуры [5], акустоэмиссии [6]. При этом неодностандартным методом в течение 30-35 s. Длина диагонакратно указывалось [2,6-8], что отпечатки, полученные ли отпечатка составляла 14 µm при глубине отпечатпри вдавливании алмазной пирамиды в поверхность ка 1.8-2 µm. Сразу после снятия нагрузки у отпечатков корунда, могут содержать трещины. Трещины появляютнаблюдались вертикальные трещины и иногда сколы.

ся на многих отпечатках, когда нагрузка на индентор Дальнейшее наблюдение за сделанными отпечатками составляет 80-100 g, а при нагрузках 150-200 g каждый и их фотографирование показало, что новые сколы отпечаток имеет обычно несколько трещин. Основные образуются постоянно в течение 20-30 дней после типы наблюдаемых трещин указаны на рис. 1, где — снятия нагрузки.

1 — отпечаток пирамиды, 2 — радиальные трещины, В качестве примера на рис. 2 представлена картина ориентированные вертикально к поверхности образца, образования сколов со временем на шести отпечатках 3 — боковая наклонная (латеральная) трещина, 4 — после снятия нагрузки. В первый момент после нанесемедианная трещина, 5 — скол, 6 — видимый контур ния отпечатков скол наблюдается только у одного отпескола на поверхности кристалла. Если трещина, образовавшаяся под поверхностью образца и ориентированная наклонно к оси индентора, выходит на поверхность, то около края отпечатка образуется скол. Наличие вертикальных трещин приводит к падению общей прочности материала, в то время как развитие наклонных трещин приводит к сколам, последующему отделению областей скола и, таким образом, к эрозии поверхности материала.

Во всех указанных работах поведение материала исследовалось либо в процессе нагружения, либо отпечаток рассматривался и изучался сразу после снятия нагрузки. Данная работа посвящена изучению образования трещин и сколов при индентировании корунда и основное внимание обращено на то, что образование и развитие сколов вблизи отпечатка происходит в течение длительного времени после снятия нагрузки.

Эксперимент Материалом для испытаний служили монокристаллические ленты корунда сечением 8 1.4 mm, выращенные из расплава по способу Степанова. Отпечатки Рис. 1. Схема трещин, образующихся вблизи отпечатка ининдентора наносились как на ростовую грань (1000) дентора.

140 Ю.Г. Носов, Л.И. Деркаченко Рис. 2. Образование сколов на поверхности монокристалла корунда у краев отпечатков после снятия нагрузки. a —картина сразу после снятия нагрузки, начальный этап образования скола у отпечатка 6; b — через 0.5 h после снятия нагрузки, увеличение размера скола у отпечатка 6; c — через 16 h после снятия нагрузки, образование скола у отпечатка 2; d — через 17 суток после снятия нагрузки, образование скола у отпечатка 5 и изменение контура скола у отпечатка 6.

Рис. 3. Примеры сколов у отпечатков индентора на поверхности монокристалла корунда, образовавшихся после снятия нагрузки.

a–d — последовательность этапов образования скола: a — отпечаток со многими прямолинейными трещинами, начинающимися вблизи углов отпечатка, сколов нет; b — изгиб направления движения двух трещин навстречу друг другу; c — смыкание вершин двух трещин и образование замкнутого контура скола; d — два отпечатка; у верхнего отпечатка материал скола полностью отделился от основного кристалла; e — пример скола большого размера 35 µm; f — отпечатки с одним и двумя сколами.

чатка 6. Через 0.5 h единственным изменением картины возникают только у части отпечатков. По виду исходного является увеличение размера этого скола. Через 16 h отпечатка нельзя предсказать, даст он в последующем появляется скол у отпечатка 2 и увеличивается размер скол или нет. Например, у отпечатков 1 и 4 сразу скола у отпечатка 6. Через 17 суток появляется скол после снятия нагрузки видны области просветления, выу отпечатка 5 и наблюдается дальнейшее изменение званные, по-видимому, напряжениями или начальными формы скола у отпечатка 6. фазами образования трещин, но сколов с выходом треРис. 2 позволяет сделать вывод, что образование щин на поверхность эти отпечатки не дали. В среднем, сколов после снятия нагрузки — процесс в значительной образование сколов после снятия нагрузки наблюдается мере вероятностный. При одной и той же нагрузке сколы у 15-20% отпечатков.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Последействие при испытании корунда на микротвердость В данной работе большинство наблюдений за развитием сколов вблизи отпечатков алмазной пирамиды было проведено на кристаллах корунда, выращенных из расплава по способу Степанова. При этом часть опытов была проведена на кристаллах, дополнительно отожженных в вакууме при 1800C. Для другой части опытов были использованы кристаллы корунда, выращенные из расплава способом ГОИ. Во всех случаях картина развития сколов в течение длительного времени после снятия нагрузки сохранялась.

Обсуждение результатов Рис. 4. Отпечаток индентора на поверхности корунда, имею- При вдавливании индентора в поверхность материала щий скол с волнистой поверхностью разрушения.

работа внешних сил идет частично на формоизменение материала — образование отпечатка, частично на разрушение материала — образование трещин, частично выделяется в виде тепла и частично запасается в виде Изучение большого количества отпечатков позволиэнергии остаточного упругого поля. На примере корунда ло построить последовательность явлений при форпоказано, что запасенная энергия способна в течение мировании скола после снятия нагрузки (рис. 3, a–d).

длительного времени после снятия нагрузки произвоНа первом этапе наблюдаются радиальные трещины, дить работу в прилегающей к отпечатку области криначинающиеся чаще всего вблизи углов отпечатка. Дасталла.

лее направления движения трещин претерпевают изгиб Поскольку изучаемые в работе сколы можно рассмати трещины движутся навстречу друг другу. Наконец, ривать как разрушение материала, то следует сделать трещины смыкаются, образуя замкнутый контур скола.

два замечания.

В дальнейшем область материала, ограниченная этим 1) Известно, что всякому разрушению предшествует контуром, может полностью отделиться от кристалла.

пластическая деформация [9]. Это касается и такого Подчеркнем, что в образовании скола участвуют обычно хрупкого материала, как корунд [5,10]. Однако высотри трещины: одна наклонная и две вертикальные, и кая энергия связи в соединении Al2O3, составляютолько за развитием двух последних можно наблюдать щая 5-7eV [11], и высокая энергия активации движения с поверхности образца.

дислокаций 5eV [12] препятствуют перестройке ядер У одного отпечатка после снятия нагрузки в большиндислокаций и движению дислокаций в корунде при стве случаев образуется один скол, но могут появиться комнатной температуре.

два (рис. 3, f) и даже три скола. Отделяющаяся при сколе 2) Фактором, существенно ослабляющим прочность частица корунда имеет форму пластинки, наибольшая связи в корунде, является наличие адсорбированной толщина которой 0.5-2 µm в области, примыкавшей воды на поверхности кристалла. Неоднократно укак отпечатку, и наименьшая (уменьшается до нуля) вдали зывалось [10,13-17], что при комнатной температуре от отпечатка. Длина такой пластинки различна у различи близких к ней температурах для корунда решающим ных отпечатков и составляет от 0.1-0.2 до 2-2.5 разфактором в появлении и развитии трещин под нагрузкой меров диагонали отпечатка, т. е. до 30-35 µm. Пример является действие гидролитического механизма разрусколов большого размера приведен на рис. 3, e. В связи шения. Этот механизм заключается в разрыве связей с этим рисунком необходимо сделать одно замечание.

Al–O на поверхности корунда под дейстсвием атмосферДо появления сколов этот отпечаток ничем не отличался ной влаги. Так, прочность корунда в вакууме при 10C от своих соседей и имел стандартный размер 14 µm.

превышает прочность во влажном воздухе на 32% [10].

После образования сколов его видимый размер увелиСодержание паров воды сказывается на кинетике разчился до 18 µm по диагонали. Возможное объяснение:

рушения. Установлено [13], что средняя долговечность в момент образования сколов резко меняется остаточное корундовой керамики, измеренная в сухом аргоне, на чеупругое поле вблизи отпечатка, что приводит к изменетыре порядка превышает долговечность при тех же нанию (увеличению) размера самого отпечатка.

пряжениях, измеренную на воздухе 50%-ной влажности.

Поверхность разрушения при образовании скола ни- В опытах с циклическим нагружением монокристаллов когда не была зеркально-гладкой. На значительном про- синтетического корунда [14] определена энергия активатяжении она имела ступеньки и изломы случайной ори- ции разрушения, которая оказалась равной 1.3 eV, что ентации. Вблизи тонкого края поверхность разрушения позволило авторам высказать предположение о решаючасто имела вид волнистой поверхности при направле- щей роли адсорбированной воды в процессе разрушения.

нии распространения „волн“ от отпечатка (рис. 4). Аномальная микроползучесть корунда при комнатной Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 142 Ю.Г. Носов, Л.И. Деркаченко температуре [15] связывается с присутствием влаги [16] Берштейн В.А. Механогидролитические процессы и прочность твердых тел.: Л.: Наука, 1987. 318 с.

на поверхности образцов.

[17] Иванцов В.А., Николаев В.И., Чуднова Р.С., ШпейзУчитывая вышесказанное, можно с большой вероятноман В.В. // Изв. РАН. Сер. физ. 1994. Т. 58. N 9. С. 63–67.

стью считать, что причиной роста трещин и образования сколов после снятия нагрузки является действие остаточных растягивающих упругих напряжений в вершинах трещин, при этом необходимая пластическая деформация материала облегчена гидролитическим механизмом разрушения.

Исследование сколов показывает, что точный анализ результатов микроиндентирования поверхности материалов, обычно считающихся хрупкими, должен учитывать кинетику и последействие процесса.

Приведенные наблюдения по образованию сколов позволяют высказать соображение, касающееся абразивной обработки корунда. В процессе полировки поверхности корунда алмазными материалами (пастами, порошками) на поверхность корунда наносятся царапины, которые сопровождаются трещинами и сколами. И естественно считать, что, так же как и при индентировании, образование сколов с отделением частиц корунда вблизи царапин является процессом длительным, т. е. окончательный микрорельеф поверхности корунда устанавливается через определенное время после прекращения ее механической обработки. Для царапин глубиной 2 µm это время составляет примерно один месяц.

Авторы благодарят В.М. Крымова за постоянное внимание к работе и помощь в ее выполнении.

Список литературы [1] Rother B. // J. Mater. Sci. 1995. Vol. 30. N 21. P. 5394–5398.

[2] Bobji M.S., Biswas S.K. // Phil. Mag. A. 1996. Vol. 73. N 2.

P. 399–413.

[3] Yoffe E.H. // Phil. Mag. A. 1982. Vol. 46. N 4. P. 617–628.

[4] Kaji M., Stevenson M.E., Bradt R.C. // J. Am. Ceram. Soc.

2002. Vol. 85. N 2. P. 415–422.

[5] Kollenberg W. // J. Mater. Sci. 1988. Vol. 23. N 9. P. 3321– 3325.

[6] Breval E., Srikanth V., Subbarao E.C. // J. Am. Ceram. Soc.

1995. Vol. 78. N 9. P. 2541–2544.

[7] Икорникова Н.Ю. // Микротвердость. М., 1951. С. 211– 225.

[8] Икорникова Н.Ю. // Тр. ИКАН. 1953. Вып. 8. С. 293–298.

[9] Степанов А.В. Основы практической прочности кристаллов. М.: Наука, 1974. 132 с.

[10] Стокс Р.Дж. Разрушение. М.: Мир. Т. 7. Ч. 1. 1976. С. 129.

[11] Веденеев В.И., Гурвич Л.В., Кондратьев В.Н. и др. Энергии разрыва химических связей. М.: Изд-во АН СССР, 1962. 215 с.

[12] Рубин и сапфир. М.: Наука, 1974. 236 с.

[13] Chen C.P., Knapp W.J. // J. Am. Ceram. Soc. 1977. Vol. 60.

N1–2. P. 87.

[14] Шпейзман В.В., Вовнобой В.Б., Козачук А.И. // Физ.-хим.

обраб. матер. 1982. № 3. С. 113–117.

[15] Westbrook J.H., Jorgensen P.J. // Trans. AIME. 1965.

Vol. 233. N 2. P. 425–428.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.