Анизотропия механических свойств и механизмы упрочнения в кристаллах твердых растворов ZrO2—Y2O3

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.

диоксид циркония, материалы высокой прочности, рост кристаллов, микротвердость, вязкость разрушения, анизотропия, локальный фазовый анализ, трансформационный механизм упрочнения

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