АНИЗОТРОПИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И МЕХАНИЗМЫ УПРОЧНЕНИЯ В КРИСТАЛЛАХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ ZrO2—Y2O3


https://doi.org/10.17073/1609-3577-2016-3-170-178

Полный текст:


Аннотация

Исследована анизотропия механических характеристик кристаллов твердых растворов ZrO2 — 2,8 % (мол.) Y2O3. Кристаллы выращены методом направленной кристаллизации расплава с использованием прямого высокочастотного нагрева. Методом индентирования проведены измерения микротвердости и трещиностойкости на разных кристаллографических гранях и при разной ориентации диагоналей индентора. Установлено, что микротвердость слабо зависит от кристаллографической ориентации, в то время как значения трещиностойкости для разных плоскостей отличаются. Максимальные значения трещиностойкости отмечены на образце, вырезанном из кристалла перпендикулярно к направлению <100>. Исследована анизотропия микротвердости в зависимости от ориентации диагоналей индентора. Максимальное значение трещиностойкости получено на плоскости {100} при ориентации диагоналей индентора в направлении <100>. Методом локальной спектроскопии комбинационного рассеяния света исследован фазовый состав внутри и вокруг отпечатков индентора на плоскостях {100}, {110} и {111} при нагрузках 20, 3 и 1 Н. Выполнена оценка степени интенсивности тетрагонально− моноклинного перехода на разных кристаллографических плоскостях и при разной ориентации диагоналей индентора. Показано, что наблюдается анизотропия тетрагонально−моноклинного перехода, влияющего на трансформационный механизм упрочнения. Максимальное количество моноклинной фазы обнаружено в области отпечатка индентора на плоскости {100}, при ориентации диагоналей индентора в направлении <100>. Также максимальное значение трещиностойкости реализуется на плоскости {100} при такой же ориентации диагоналей индентора. Возможно, что при данной ориентации диагоналей индентора максимальные действующие напряжения получаются вдоль когерентных плоскостей сопряжения тетрагональной и моноклинной фазы: при тетрагонально−моноклинном переходе — (100)t || (100)m и [001]t || [010]m.

Об авторах

М. А. Борик
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН.
Россия

Борик Михаил Александрович — кандидат техн. наук, старший научный сотрудник.

ул. Вавилова, д. 38, Москва, 119991.



В. Р. Боричевский
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС».
Россия
Боричевский Василий Романович — магистр. ул. Вавилова, д. 38, Москва, 119991; Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049.


В. Т. Бублик
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС».
Россия
Бублик Владимир Тимофеевич — доктор физ.−мат. наук, профессор.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049.



Т. В. Волкова
Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева.
Россия

Волкова Татьяна Владимировна — младший научный сотрудник. 

ул. Большевистская, д. 68, Саранск, 430005.



А. В. Кулебякин
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН.
Россия

Кулебякин Алексей Владимирович — кандидат техн. наук, старший научный сотрудник.

ул. Вавилова, д. 38, Москва, 119991.



Е. Е. Ломонова
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН.
Россия

Ломонова Елена Евгеньевна —доктор техн. наук, зав. лабораторией. 

ул. Вавилова, д. 38, Москва, 119991.



Ф. О. Милович
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС».
Россия
Милович Филипп Олегович — инженер.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049.



В. А. Мызина
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН.
Россия

 Мызина Валентина Алексеевна — научный сотрудник. 

ул. Вавилова, д. 38, Москва, 119991.



П. А. Рябочкина
Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева.
Россия
 Рябочкина Полина Анатольевна — профессор.  ул. Большевистская, д. 68, Саранск, 430005.


С. В. Серяков
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС».
Россия

Сергей Вадимович — аспирант. 

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049.



Н. Ю. Табачкова
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС».
Россия
Табачкова Наталия Юрьевна2 — кандидат физ.−мат. наук, доцент. Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049.


Список литературы

1. Zebarjadi, M. Perspectives on thermoelectrics: from fundamentals to device applications / M. Zebarjadi, K. Esfarjani, M. S. Dresselhaus, Z. F. Ren, G. Chen // Energy and Environmental Science. − 2012. − V. 5. − P. 5147—5162. DOI: 10.1039/C1EE02497C

2. Гогоци, Г. А. Изучение механических характеристик монокристаллов диоксида циркония, предназначенных для конструкционых применений / Г. А. Гогоци, Е. Е. Ломонова, В. В. Осико // Огнеупоры. − 1991. − № 8. − С. 14—17.

3. Ingel, R. P. Elastic Anisopropy in zirconia single crystals / R. P. Ingel, D. Lewis III // J. Amer. Ceram. Soc. − 1988. − V. 71, N 4. − P. 265—271. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1988.tb05858.x

4. Bolon, A. M. Raman spectroscopic observations of ferroelastic switching in ceria−stabilized zirconia / A. M. Bolon, M. M. Gentleman // J. Amer. Ceram. Soc. − 2011. − V. 94, N 12. − P. 4478—4482. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2011.04737.x

5. Mercer, C. On a ferroelastic mechanism governing the toughness of metastable tetragonal−prime (t′) yttria−stabilized zirconia / C. Mercer, J. R. Williams, D. R. Clarke, A. G. Evans // Proc. Royal Soc. A. − 2007. − V. 463. − P. 1393—1408. DOI: 10.1098/rspa.2007.1829

6. Virkar, A. V. Pole of ferroelasticity in toughening of zirconia ceramics / A. V. Virkar // Key Engineering Materials Vols. − 1998. − V. 153–154. − P. 183—210. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.153-154.183

7. Gaillard, Y. Nanoindentation of yttria−doped zirconia: Effect of crystallographic structure on deformation mechanisms / Y. Gaillard, M. Anglada, E. Jimenez−Piquea // J. Mater. Res. − 2009. − V. 24, iss. 3. − P. 719—727. DOI: 10.1557/jmr.2009.0091

8. Hannink, R. H. J. Transformation toughening in zirconia− containing ceramics / R. H. J. Hannink, P. M. Kelly, B. C. Muddle / J. Amer. Ceram. Soc. − 2000. − V. 83, N 3. − P. 461—487. DOI: 10.1111/j.1151-2916.2000.tb01221.x

9. Chevalier, J. The tetragonal−monoclinic transformation in zirconia: Lessons learned and future trends / J. Chevalier, L. Gremillardw, A. V. Virkar, D. R. Clarke // J. Amer. Ceram. Soc. − 2009. − V. 92, N 9. − P. 1901—1920. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2009.03278.x

10. Martinez−Fernandez, J. Microindentation−Induced Transformation in 3.5−mol%−yttria−partially−stabilized zirconia single crystals / J. Martinez−Fernandez, M. Jimenez−Melendo, A. Dominguez−Rodriguez, A. H. Heuer // J. Amer. Ceram. Soc. − 1991. − V. 75, N 5. − P. 1071—1081. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1991.tb04345.x

11. Morscher, G. N. Temperature Dependence of Hardness in yttria−stabilized zirconia single crystals / G. N. Morscher, P. Pirouz, A. H. Heuer // J. Amer. Ceram. Soc. − 1991. − V. 74, N 3. − P. 491—500. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1991.tb04049.x

12. Otsuka, K. Effects of dislocations on the oxygen ionic conduction in yttria stabilized zirconia / K. Otsuka, K. Matsunaga, A. Nakamura, S. Ii, A. Kuwabara, T. Yamamoto, Y. Ikuhara // Materials Transactions. − 2004. − V. 45, N 7. − P. 2042—2047. DOI: 10.2320/matertrans.45.2042

13. Фролов, К. В. Исследование механических и трибологических свойств нанокристаллического материала нового поколения на основе диоксида циркония / К. В. Фролов, В. В. Осико, В. В. Алисин, М. А. Вишнякова, З. В. Игнатьева, Е. Е. Ломонова, А. Ф. Мельшанов, Г. В. Москвитин, В. Г. Павлов, М. С. Пугачев // Проблемы машиностроения и надежности машин. − 2006. − № 4. − C. 3—8.

14. Saiki, A. SEM observation of the stress−induced transformation by Vickers indentation in Y−PSZ crystals / A. Saiki, N. Ishizawa, N. Mizutani, M. Kato // J. Ceram. Soc. Jpn. − 1989. − V. 97, N 1. − P. 43—48. DOI: 10.2109/jcersj.97.43

15. Gogotsi, G. Indentation fracture of Y2O3−partially stabilized ZrO2 crystals / G. Gogotsi, D. Ostrovoy / J. Mater. Sci. Lett. − 1995. − V. 14, iss. 20. − P. 1406—1409. DOI: 10.1007/BF00462198

16. Muñoz, A. High temperature plastic anisotropy of Y2O3 partially stabilized ZrO2 single crystals / A. Muñoz, D. Gómez García, A. Domínguez−Rodríguez, F. Wakai // J. Europ. Ceram. Soc. − 2002. − V. 22, iss. 1. − P. 2609—2613. DOI: 10.1016/S0955-2219(02)00123-1

17. Baither, D. Ferroelastic and plastic deformation of t’−zirconia single crystals / D. Baither, M. Bartsch, B. Baufeld, A. Tikhonovsky, A. Foitzik, M. Ruhle, U. Messerschmidt // J. Amer. Ceram. Soc. − 2001. − V. 84, N 8. − P. 1755—1762. DOI: 10.1111/j.11512916.2001.tb00911.x

18. Borik, M. A. Phase composition, structure and mechanical properties of PSZ (partially stabilized zirconia) crystals as a function of stabilizing impurity content / M. A. Borik, V. T. Bublik, A. V. Kulebyakin, E. E. Lomonova, F. O. Milovich, V. A. Myzina, V. V. Osiko, N. Yu. Tabachkova // J. Alloys and Compounds. − 2014. − V. 586. − P. 231—235. DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.01.126

19. Borik, M. A. Change in the phase composition, structure and mechanical properties of directed melt crystallised partially stabilised zirconia crystals depending on the concentration of Y2O3 / M. A. Borik, V. T. Bublik, A. V. Kulebyakin, E. E. Lomonova, F. O. Milovich, V. A. Myzina, V. V. Osiko, S. V. Seryakov, N. Y. Tabachkova // J. Europ. Ceram. Soc. − 2015. − V. 35, N 6. − P. 1889—1894. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2014.12.012

20. Osiko, V. V. Synthesis of refractory materials by skull melting technique / V. V. Osiko, M. A. Borik, E. E. Lomonova // Springer Handbook of Crystal Growth. − Berlin; Heidelberg: Springer−Verlag, 2010. − Pt. B. − P. 433—477. DOI: 10.1007/978-3-540-74761-1_14

21. Alisin, V. V. Zirconia−bazed nanocrystalline synthesized by directional crystallization from the melt / V. V. Alisin, M. A. Borik, E. E. Lomonova, A. F. Melshanov, G. V. Moskvitin, V. V. Osiko, V. A. Panov, V. G. Pavlov, M. A. Vishnjakova // Mater. Sci. Eng.: C. − 2005. − V. 25. − P. 577—583. DOI: 10.1016/j.msec.2005.07.003

22. Борик, М. А. Особенности методики исследования кристаллов частично стабилизированного диоксида циркония / М. А. Борик, В. Т. Бублик, А. В. Кулебякин, Е. Е. Ломонова, В. А. Мызина, Ф. О. Милович, Н. Ю. Табачкова // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. − 2012. − Т. 78, № 7. − С. 26—30.

23. Oliver, W. C. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments / W. C. Oliver, G. M. Pharr // J. Mater. Res. − 1992. − V. 7, N 6. − P. 1564—1583. DOI: 10.1557/JMR.1992.1564

24. Jang, B.−K. Influence of low indentation load on Young’s modulus and hardness of 4 mol% Y2O3–ZrO2 by nanoindentation / B.−K. Jang // J. Alloys and Compounds. − 2006. − V. 426, iss. 1–2. − P. 312—315. DOI: 10.1016/j.jallcom.2006.01.086

25. Deville, S. Atomic force microscopy study and qualitative analysis of martensite relief in zirconia / S. Deville, J. Chevalier, H. Attaoui // J. Amer. Ceram. Soc. − 2005. − V. 88, N 5. − P. 1261—1267. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2005.00174.x


Дополнительные файлы

Для цитирования: Борик М.А., Боричевский В.Р., Бублик В.Т., Волкова Т.В., Кулебякин А.В., Ломонова Е.Е., Милович Ф.О., Мызина В.А., Рябочкина П.А., Серяков С.В., Табачкова Н.Ю. АНИЗОТРОПИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И МЕХАНИЗМЫ УПРОЧНЕНИЯ В КРИСТАЛЛАХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ ZrO2—Y2O3. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2016;19(3):170-178. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2016-3-170-178

For citation: Borik M.A., Borichevskij V.R., Bublik V.T., Volkova T.V., Kulebyakin A.V., Lomonova E.E., Milovich F.O., Myzina V.A., Ryabochkina P.A., Seryakov S.V., Tabachkova N.Y. ANISOTROPIC MECHANICAL PROPERTIES AND HARDENING MECHANISMS IN ZRO2–Y2O3 SOLID SOLUTION CRYSTALS. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2016;19(3):170-178. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1609-3577-2016-3-170-178

Просмотров: 115

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1609-3577 (Print)
ISSN 2413-6387 (Online)