Экспериментальное исследование структуры, упругих и прочностных характеристик пористой корундовой керамики | Вестн Том. гос. ун-та. Математика и механика. 2020. № 67. DOI: 10.17223/19988621/67/11

Экспериментальное исследование структуры, упругих и прочностных характеристик пористой корундовой керамики

Представлены результаты экспериментальных исследований структурных, прочностных и упругих свойств образцов из корундовой керамики, полученной при температурах спекания 1400, 1500 и 1600 °С. Выполнены механические испытания образцов на трехточечный изгиб. Предел прочности варьировался от 135 до 265 МПа, а модуль упругости находился в диапазоне 58-113 ГПа в зависимости от температуры спекания. Анализ внутренней структуры керамики выявил зависимость пористости, размеров пор и зерен от температуры спекания.

Experimental investigation of the structure, elastic, and strength characteristics of porous corundum ceramics.pdf Комбинация таких характеристик керамических материалов как химическая и термическая стабильность, низкая тепло- и электропроводность, высокая прочность, термо- и электроизоляция, высокая твердость, биосовместимость, биоинертность делают их привлекательным материалом для использования в различных сферах деятельности. Например, изделия из керамики на основе оксида алюминия (корундовой керамики) применяются в аэрокосмической, электрической, оборонной, автомобильной, химической, медицинской и других отраслях промышленности [1-4]. Одним из факторов, ограничивающих промышленное применение этой керамики, является ее хрупкость. Проведение испытаний хрупких материалов на одноосное растяжение считаются весьма трудно реализуемыми, так как при испытаниях возникают трудности, связанные со сложностью крепления образца в испытательной машине. Поэтому для оценки прочности при растяжении керамики, как и других хрупких материалов, широко применяются косвенные методы. Наиболее распространенными из таких методов считаются испытания на трехточечный изгиб и метод диаметрального сжатия цилиндрических образцов (бразильский тест) [5 - 10]. Хорошо известно, что на прочность керамики влияет ее структура, а именно, фазовый состав, наличие микродефектов, размер и форма пор и зерен. В зависимости от технологии и условий изготовления керамических материалов, они могут обладать структурой c различным содержанием и конфигурацией пор, следовательно, различными физико-механическими свойствами. Также в ней могут присутствовать поверхностные и внутренние дефекты, которые локально увеличивают концентрацию напряжений, что приводит к распространению трещин в керамике и впоследствии выходу из строя изделий в процессе эксплуатации. На сегодняшний день существует достаточно много экспериментальных работ, по изучению механических свойств, внутренней структуры корундовой керамики, 1 Работа выполнена в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, проект III.23.2.3 и при поддержке Программы повышения конкурентоспособности ТГУ. В. А. Зимина 118 а также связи между ними, но не все аспекты данной проблемы до конца выяснены. Потребность в этих материалах оставляет задачу определения влияния структуры пористых керамик на упругие и прочностные свойства актуальной. Соответственно определение прочности и характера разрушения пористых керамик, полученных в разных условиях и обладающих разной структурой, с помощью экспериментальных исследований является перспективным направлением. Целью настоящей работы является исследование структуры и оценка упругих и прочностных характеристик образцов из пористой корундовой керамики, полученной при различных температурах спекания. Материалы, методы и оборудование Образцы были получены методом шликерного литья из технически чистого порошка АІ2Ѳз и спекались изотермически с выдержкой 1 ч при трех разных температурах 1400, 1500, 1600 °С. После этого была измерена пористость полученных образцов. Вычисление пористости проводилось на основе измеренных значений массы и объема образцов. Объем определяли геометрическим способом, с последующим расчетом плотности. Массу - с помощью лабораторных весов AB-120-01. Пористость рассчитывалась согласно формуле (1) П = 100 %--100 % Р плотн где П - пористость спеченного образца, %; р - плотность спеченного образца; Рплотн = 3.97 г/см3 - плотность беспористого АІ2Ѳз [11]. Для определения механических свойств спеченных образцов был применен метод трехточечного изгиба. Согласно данному способу нагружения, часть образца испытывает сжимающие нагрузки, а другая - растягивающие напряжения, наиболее опасные для пористых керамик. Эксперимент проводился на универсальной испытательной машине Instron 1185 со скоростью нагружения 0.1 мм/мин. Были испытаны по 5 образцов для каждого значения температуры спекания. Расстояние между опорами составляло 30 мм. Схема нагружения образца и фотография реального образца в испытательной машине в ходе эксперимента представлены на рис. 1. Значения прочности на изгиб (о) и модуля упругости (Е) керамических образцов рассчитывались согласно формулам, представленным в [12, 13]: (2) 3Pl 2ЬН2 £ =

Ключевые слова

оксид алюминия, пористая керамика, трехточечный изгиб, микроструктура, РЭМ-анализ, прочность на изгиб, модуль Юнга

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Зимина Валентина АлексеевнаИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН; Томский государственный университетмладший научный сотрудник; аспиранткаmikushina_93@mail.ru
Всего: 1

Ссылки

Weibull W. A statistical distribution function of wide applicability // J. Appl. Mech. 1951. V. 18. P. 293-305.
Le Corre V., Brusselle-Dupend N., Moreaud M. Numerical modeling of the effective ductile damage of macroporous alumina // Mech. Mater. 2017. V. 114. P. 161-171. DOI: 10.1016/j.mechmat.2017.08.002. Экспериментальное исследование структуры, упругих и прочностных характеристик 125
Curkovic L., Bakic A., Kodvanj J., Haramina T. Flexural strength of alumina ceramics: Weibull analysis // Transactions of Famena. 2010. V. 34(1). P. 13-19.
Meille S., Lombardi M., Chevalier J., Montanaro L. Mechanical properties of porous ceramics in compression: On the transition between elastic, brittle, and cellular behavior // J. Eur. Ceram. Soc. 2012. V. 32. P. 3959-3967. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2012.05.006.
Savchenko N., Sevostyanova I., Sablina T., Gomze L., Kulkov S. The influence of porosity on the elasticity and strength of alumina and zirconia ceramics // AIP Conference Proceedings. 2014. V. 1623 (1). P. 547-550. DOI: 10.1063/1.4899003.
Johnstone C., Ruiz C. Dynamic testing of ceramics under tensile stress // Int. J. Solids Struct. 1995. V. 32 (17-18). P. 2647-2656. DOI: 10.1016/0020-7683(94)00287-7.
Sheikh M. Z., Wang Z., Du B., Suo T., Li Y., Zhou F., Wang Y., Dar U. A., Gao G., Wang Y. Static and dynamic Brazilian disk tests for mechanical characterization of annealed and chemically strengthened glass // Ceram. Int. 2019. V. 45. P. 7931-7944. DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.01.106.
Properties: Alumina - Aluminium Oxide - Al2O3 - A Refractory Ceramic Oxide. URL: https://www.azom.com/properties.aspx7ArticleID = 52 (дата обращения: 13.04.2020).
ГОСТ Р 57749-2017 (ИсО 17138:2014) Композиты керамические. Метод испытания на изгиб при нормальной температуре, М.: Стандартинформ, 2017. 11 с.
ГОСТ 9550-81 Пластмассы. Методы определения модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2004. 6 с.
Григорьев М.В., Савченко Н.Л., Буякова С.П., Кульков С.Н. Неупругое поведение при сжатии керамики с иерархической поровой структурой // Письма в ЖТФ. 2017. Т. 43. Вып. 15. С. 79-86. DOI: 10.21883/PJTF.2017.15.44874.16652.
Смолин И.Ю., Еремин М.О., Макаров П.В., Буякова С.П., Кульков С.Н., Евтушенко Е.П. Численное моделирование механического поведения модельных хрупких пористых материалов на мезоуровне // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2013. № 5(25). С. 78-90.
Carter C.B., Norton M.G. Ceramic materials: science and engineering. New York: Springer, 2007. 716 p.
Basu B., Balani K. Advanced Structural Ceramics. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc., 2011. 512 p.
Севостьянова И.Н. Саблина Т.Ю. Горбатенко В.В., Кульков С.Н. Локализация деформации при диаметральном сжатии керамики ZrO2 (Y2O3) // Письма в ЖТФ. 2019. Т. 45. Вып. 18. С.40-43. DOI: 10.21883/PJTF.2019.18.48237.17766.
Жолудев Д.С., Григорьев С.С., Панфилов П.Е., Зайцев Д.В. Обоснование использования керамики на основе оксида алюминия с помощью изучения её механических свойств // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 3. С. 520.
Красный Б.Л., Тарасовский В.П., Красный А.Б., Кутейникова А.Л. Свойства пористой проницаемой керамики на основе монофракционных порошков корунда и нанодисперсного связующего // Стекло и керамика. 2009. № 6. С. 18-21.
Лукин Е. С., Макаров Н.А., Козлов А.И., Попова Н.А., Ануфриева Е.В., Вартанян М.А., Козлов И.А., Сафина М.Н., Лемешев Д.О., Горелик Е.И. Оксидная керамика нового поколения и области ее применения // Стекло и керамика. 2008. №10. С. 27-31.
Sequeira S., Fernandes M.H., Neves N., Almeida M.M. Development and characterization of zirconia-alumina composites for orthopedic implants // Ceram. Int. 2017. V. 43. P. 693-703. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.09.216.
Okada A. Ceramic technologies for automotive industry: current status and perspectives // Mater. Sci. Eng. B. 2009. V. 161. P. 182-187. DOI: 10.1016/j.mseb.2008.11.017.
 Экспериментальное исследование структуры, упругих и прочностных характеристик пористой корундовой керамики | Вестн Том. гос. ун-та. Математика и механика. 2020. № 67. DOI: 10.17223/19988621/67/11

Экспериментальное исследование структуры, упругих и прочностных характеристик пористой корундовой керамики | Вестн Том. гос. ун-та. Математика и механика. 2020. № 67. DOI: 10.17223/19988621/67/11