Научная статья на тему 'Влияние релаксационных процессов на величину сбросов механического напряжения в аморфном и нанокристаллическом сплавах при электроимпульсном воздействии'

Влияние релаксационных процессов на величину сбросов механического напряжения в аморфном и нанокристаллическом сплавах при электроимпульсном воздействии Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
85
45
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НАПРАВЛЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ РЕЛАКСАЦИЯ / АМОРФНЫЙ СПЛАВ / НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СПЛАВ / МЕХАНИЧЕСКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ / DIRECTIONAL STRUCTURAL RELAXATION / AMORPHOUS ALLOY / NANOCRYSTALLINE ALLOY / MECHANICAL STRESS

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Федотов Дмитрий Юрьевич, Сидоров Сергей Анатольевич, Федоров Виктор Александрович, Плужникова Татьяна Николаевна, Березнер Арсений Дмитриевич

Исследованы процессы релаксации в аморфном и нанокристаллическом сплаве в интервале температур -196÷80 °С. Показано, что предварительная релаксация напряжений приводит к уменьшению сброса механического напряжения при электроимпульсном воздействии в образцах, подвергнутых растяжению. Показано, что наблюдаемый эффект обусловлен не только термическим расширением, но и изменением величины обратимой составляющей направленной структурной релаксации.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Федотов Дмитрий Юрьевич, Сидоров Сергей Анатольевич, Федоров Виктор Александрович, Плужникова Татьяна Николаевна, Березнер Арсений Дмитриевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE INFLUENCE OF RELAXATION PROCESSES ON VALUE OF THE DISCHARGE OF MECHANICAL STRESS IN AMORPHOUS AND NANOCRYSTALLINE ALLOYS UNDER THE INFLUENCE OF ELECTRIC PULSE

Relaxation processes in amorphous and nanocrystalline alloy have been investigated at temperature interval -196÷80 °С. It has been shown that preliminary relaxation of stress leads to decrease of mechanical stress in tensile specimens at electro-impulse impact. It has been shown that observed effect is specified with not only thermal dilatation, but change of reversible value of directed structural relaxation.

Текст научной работы на тему «Влияние релаксационных процессов на величину сбросов механического напряжения в аморфном и нанокристаллическом сплавах при электроимпульсном воздействии»

Key words: directional structural relaxation; amorphous alloy; nanocrystalline alloy; mechanical stress

REFERENCES

1. Sidorov S.A., Fedorov V.A., Pluzhnikova T.N., Kirillov A.M., Yakovlev A.V., Chernikova A.A. Issledovanie protsessov deformatsii amorfnykh splavov v usloviyakh impul'snogo elektricheskogo toka [Study of process of deformation of amorphous alloys under pulsed electric current]. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i tekhnicheskie nauki — Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences, 2012, vol. 17, no. 1, pp. 135-138. (In Russian).

2. Fedorov V.A., Pluzhnikova T.N., Sidorov S.A. Vliyanie impul'snogo elektricheskogo toka na khod zavisimostey mekhanicheskoe napryazhenie - deformatsiya v amorfnykh i nanokristallicheskikh metallicheskikh splavakh [The effect of pulsed electric current on the dependence mechanical stress - deformationin amorphous and nanocrystalline metallic alloys]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Chernaya metallurgiya — Izvestia. Ferrous Metallurgy, 2013, no. 12, pp. 60-65. (In Russian).

3. Fedorov V.A., Pluzhnikova T.N., Sidorov S.A. Vliyanie agressivnykh sred na deformatsiyu amorfnykh i nanokristallicheskikh splavov, obuslovlennuyu vozdeystviem impul'snogo elektricheskogo toka [The influence of aggressive media on the deformation of amorphous and nanocrystalline alloys from exposure to pulsed electric current]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Chernaya metallurgiya — Izvestia. Ferrous Metallurgy, 2013, no. 4, pp. 59-62. (In Russian).

4. Fedorov V.A., Sidorov S.A., Druchinina O.A. Vliyanie impul'snogo elektricheskogo toka na mekhanicheskie svoystva navodorozhennykh metallicheskikh stekol na osnove kobal'ta i zheleza [Influence of pulse electric current on mechanical properties hy-drogenated metallic glasses based on cobalt and iron]. Mezhdunarodnyy nauchnyy zhurnal Al'ternativnaya energetika i ekologiya — International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology, 2013, no. 1 (117), pp. 10-13. (In Russian).

5. Kosilov A.T., Khonik V.A. Napravlennaya strukturnaya relaksatsiya i gomogennoe techenie svezhezakalennykh metallicheskikh stekol [Directional structural relaxation and homogeneous flow of freshly quenched metallic glasses]. Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Seriya fizicheskaya — Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 1993, vol. 57, pp. 192-198. (In Russian).

6. Glezer A.M., Permyakova I.E., Gromov V.E., Kovalenko V.V. Mekhanicheskoe povedenie amorfnykh splavov [Mechanics of amorphous alloys]. Novokuznetsk, Siberian State Industrial University Publ., 2006. 416 p. (In Russian).

7. Kamyshanchenko N.V., Neklyudov I.M., Bakay A.S., Krasil'nikov V.V. Vvedenie v osnovy fiziki amorfnogo i stekloobraznogo sostoyaniya tverdykh tel [Introduction in physics basis of amorphous and glass state of hard bodies]. Belgorod, Institute of Continious Education of Belgorod National Research University Publ., 2012. 320 p. (In Russian).

GRATITUDE: The work is fulfilled under financial support of Russian Fund of Fundamental Research (grant no. 16-3100432).

Received 24 May 2016

Fedotov Dmitriy Yurevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Postgraduate Student, Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru

Sidorov Sergey Anatolevich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Postgraduate Student, Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru

Fedorov Viktor Aleksandrovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru

Pluzhnikova Tatyana Nikolaevna, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Associate Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: plushnik@mail.ru

Berezner Arseniy Dmitrievich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Postgraduate Student, Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru

Yakovlev Aleksey Vladimirovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Associate Professor of Methodology of Teaching Natural Sciences Department, e-mail: DAK-83@mail.ru

Информация для цитирования:

Федотов Д.Ю., Сидоров С.А., Федоров В.А., Плужникова Т.Н., Березнер А.Д., Яковлев А.В. Влияние релаксационных процессов на величину сбросов механического напряжения в аморфном и нанокристаллическом сплавах при электроимпульсном воздействии // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2016. Т. 21. Вып. 6. С. 2161-2165. DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-6-2161-2165

Fedotov D.Y., Sidorov S.A., Fedorov V.A., Pluzhnikova T.N., Berezner A.D., Yakovlev A.V. Vliyanie relaksatsionnykh protsessov na velichinu sbrosov mekhanicheskogo napryazheniya v amorfnom i nanokristallicheskom splavakh pri elektroimpul'snom vozdeystvii [The influence of relaxation processes on value of the discharge of mechanical stress in amorphous and nanocrystalline alloys under the influence of electric pulse]. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i tekhnicheskie nauki — Tambov University Review. Series: Natural and Technical Sciences, 2016, vol. 21, no. 6, pp. 2161-2165. DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-6-2161-2165 (In Russian).

2165

УДК 539.2

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -6-2166-2171

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ НИТРИДА КРЕМНИЯ

© О.А. Лукьянова1*, В.А. Федоров2*, В.Ю. Новиков1*, В.В. Красильников1*, В.В. Сирота1*

1) Белгородский государственный университет 308015, Российская Федерация, г. Белгород, ул. Победы, 85 E-mail: sokos100@mail.ru 2) Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина 392000, Российская Федерация, г. Тамбов, ул. Интернациональная, 33 E-mail: feodorov@tsu.tmb.ru

На примере исследования керамики на основе нитрида кремния с добавлением оксидов А12О3-У2О3, изготовленной холодным изостатическим прессованием и свободным спеканием в атмосфере азота при температуре 1650 °С в течение 1 часа, было показано, что модель, полученная методом конечных элементов, адекватно интерпретирует результаты эксперимента и качественно согласуется с эмпирическими результатами испытаний на двуосное сжатие, полученными методом «Шар на трех шарах». На основании представленной модели с учетом упругих характеристик керамики на основе нитрида кремния можно предсказать характер распространения критических трещин в исследуемом материале. Кроме того, было показано, что полученный керамический материал на основе нитрида кремния с добавлением оксидов иттрия и алюминия, полученный спеканием без давления в атмосфере азота, характеризуется умеренно высокими механическими свойствами по сравнению с другими материалами данного класса, в частности, трещиностойкость полученного материала, измеренная методом механических испытаний образцов с у-образным надрезом на трехточечный изгиб, составила 3,2 МПа-м-1/2. Ключевые слова: нитрид кремния; механические свойства; двуосное сжатие; метод конечных элементов

ВВЕДЕНИЕ

Характерной особенностью керамических материалов традиционно является высокая прочность вкупе с повышенной хрупкостью. Хрупкость, таким образом, является чрезвычайно важным недостатком всех керамических материалов и нитрида кремния в частности. Метод испытаний типа «Шар на трех шарах» является полупроизводственным аналогом метода трехточечного изгиба ввиду ряда преимуществ, к примеру, по причине простоты пробоподготовки экспериментальных образцов и т. д. [1]. В рамках полуэмпирической модели, полученной методом конечных элементов, имитирующей испытания на двуосное сжатие типа «Шар на трех шарах», можно определить характер разрушения образцов исследуемого материала, имеющих форму диска.

В нашей работе для получения керамики на основе нитрида кремния был использован метод свободного спекания без давления. Методом свободного спекания в атмосфере азота при температуре 1650 °С был получен керамический материал на основе нитрида кремния. В сумме по весу количество оксидных добавок составляло 15 %. Соотношение Y2Oз к А12О3 было 3:5. Порошки смешивались в дисковой мельнице Ке^сИ ЯБ-220-230В. Время приготовления смесей составляло 20 мин. Скорость перемешивания 250 об./мин. Компак-тирование осуществлялось при комнатной температуре и давлении 200 МПа. Время выдержки составляло 90 с. Процесс спекания был проведен в атмосфере азота (1 атм.) в высокотемпературной печи ШЬегШегт VHT

8/22-GR при температуре 1650 °С в течение 1 ч. Более подробно технология получения и некоторые особенности структуры и механических свойств данного типа материалов описаны в наших предыдущих работах [2-11 ].

Для определения предела прочности на двуосное сжатие использовалась методика «Шар на трех шарах» с использованием Zwick Roell Z005 (Advanced Ceramics Institute, Bremen). Испытания были проведены согласно ASTM F 394. Данная методика является сравнительно новой в области двуосных испытаний хрупких керамических материалов. Испытания проводились при комнатной температуре. Величина предела прочности amax была рассчитана по формуле Шэтти [12]:

.3-Fmx -(1 + у)

4nt2

1 + 2ln R- +-И b (1 + у)

I-RL

2R2 I R2

(1)

где Етах - максимальная нагрузка, при которой происходит разрушение образца; и - коэффициент Пуассона исследуемого материала; Г - толщина образца; Ка -расстояние от центра образца до основания опоры; Ь -радиус стального шарика.

Значение К было вычислено по формуле Годфри [13]:

R = 0,721(Fdb (1-yb)/Eb + (1 -у)/E)1

,1/3

(2)

где dЬ - диаметр шарика; уЬ - коэффициент Пуассона шарика; Е - модуль Юнга исследуемого материала;

Таблица 1

а

2166

Параметры испытаний типа «Шар на трех шарах»

t, мм r, мм b, мм R, мм Eb, ГПа Ra, мм

2,92 21,97 0,33 8,5 210 35

Eb - модуль Юнга стального шарика. Исследуемые образцы имели форму диска диаметром 44 мм и высотой 3 мм. Исходные параметры испытаний приведены в табл. 1.

В качестве метода измерения трещиностойкости был выбран SENB-метод согласно ISO 15732:2003 Образцы представляли собой параллелепипеды с плоско-паралелльными гранями размером 5,6-5,6-50,6 мм.

Трещиностойкость K1c была рассчитана по формулам:

K\c -

Pd1

dw

3/2

11 -

21 w

1/2

Y (—) -

w

1,999--— (1--—)| 2,15 — 3,93— + 2,7(—)2

w w I w w

(3)

(4)

Рис. 1. Испытательная установка на двуосное сжатие методом шара на трех шарах

(1 + 2— )(1 — — )3/2 ww

где K¡c - трещиностойкость; Y - геометрический фактор; l - длина надреза; w - ширина образца; d - толщина образца; d¡ - расстояние между опорами.

На рис. 1-2 представлены установка и оснастка испытаний типа «Шар на трех шарах» соответственно. На рис. 3 можно видеть, что число полученных в результате разрушения осколков равно трем. Полученная методом конечных элементов модель испытаний представлена на рис. 4а и 4б. Видно, что центр диска является областью воздействия контактной нагрузки верхнего стального шарика, а также областью максимальной концентрации напряжений и зарождения трещины, ведущей к дальнейшему разрушению по хрупкому механизму (область красного цвета). Обработка экспериментальных данных в рамках модели позволила, таким образом, определить потенциальные траектории разрушения исследуемых образцов согласно распределению напряжений в объеме. Было установлено, что полученная модель адекватно интерпретирует и качественно согласуется с эмпирическими результатами, полученными методом «Шар на трех шарах» (рис. 3).

Об идентичности методов «Шар на трех шарах» -Ball on three balls (B3B) и метода трехточечного изгиба 3PB (three-point bending) свидетельствуют экспериментальные результаты, представленные в табл. 2. А именно, предел прочности на трехточечный изгиб составил 275 МПа, в то время как предел прочности при испытаниях «Шар на трех шарах» составил 277 МПа.

Как и другие механические характеристики, показатель трещиностойкости напрямую зависит от способа получения керамического материала. А именно, тре-щиностойкость керамики, полученной методами ГИП (горячее изостатическое прессование) и SPS (spark plasma sintering-искровое плазменное спекание), выше трещиностойкости керамики, полученной методом реакционного связывания. На рис. 5 изображен нагруженный образец при испытаниях на трехточечный из-

Рис. 2. Оснастка установки на двуосное сжатие методом шара на трех шарах

Рис. 3. Разрушенный образец после испытаний на двуосное сжатие методом шара на трех шарах

Таблица 2

Результаты испытаний методом «Шар на трех шарах»

V F Н F max, Н a, (B3B), МПа a, (3PB), МПа

0,28 1220 277 275

/

Y

w

2167

а)

б)

Рис. 4. Испытания на двуосное сжатие. Модель, полученная методом конечных элементов: а) вид сверху; б) вид сбоку

гиб с v-образным надрезом. Показатель трещиностой-кости, полученный методом SENB (single edge notched beam), составляет 3,2 МПа/м2, в то время как трещино-стойкость, измеренная методом индентирования (indentation fracture, IF-метод), составила 6,0 МПа/м2 (табл. 3) [9].

Столь существенное расхождение в показаниях можно объяснить несколькими факторами. Во-первых, ряд зарубежных научных трудов [14] приводит неопровержимые недостатки метода IF, а также демонстрирует, что зачастую результаты, полученные данным методом, являются завышенными.

Во-вторых, очевидным фактором является необходимость плоскопараллельности противоположных граней испытуемых образцов, что ввиду высокой твердости и прочности весьма проблематично.

Рис. 5. Нагруженный образец, SENB метод, керамика на основе нитрида кремния с добавлением оксидов иттрия и алюминия, полученная методом свободного спекания

2168

Таблица 3

Трещиностойкость нитрида кремния с добавлением оксидов иттрия и алюминия, полученного свободным спеканием

Метод SENB IF

K1c, МПа/м2 3,2 6,0

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Было установлено, что керамика на основе нитрида кремния, полученная методом свободного спекания в атмосфере азота при температуре 1650 °С и с добавлением Al2O3-Y2O3, характеризуется сравнительно близким показателем предела прочности на трехточечный изгиб и предела прочности на двуосное сжатие и тре-щиностойкостью 3,2 МПам-1/2.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Danzer, R., Harrer W., Supancic P., Lube T., Wang Z., Borger A. The ball on three balls test-strength and failure analysis of different materials // Journal of the European ceramic society. 2007. V. 27. № 2-3. P. 1481-1485.

2. Лукьянова О.А., Сирота В.В., Красильников В.В., Селеменев В.Ф., Докалов В.С., Алтухов А.Ю., Агеев Е.В. Исследование структуры и свойств керамики на основе нитрида кремния с добавлением оксида магния // Физика и технология наноматериалов и структур: сб. науч. ст. 2 Междунар. науч.-практ. конф.: в 2 т. Курск, 2015. Т. 1. С. 104-110.

3. KrasilNikov V.V., Sirota V.V., Ivanov A.S., Luk'Yanova O.A., Ivanisenko V. V., Kozlova L.N. Ivestigation of the structure of Si3N4-based ceramic with А^Оэ and Y2O3 additives // Glass and Ceramics. 2014. V. 71. № 1-2. P. 15-17.

4. Красильников В.В., Сирота В.В., Иванов А.С., Козлова Л.Н., Лукьянова О.А., Иванисенко В.В. Исследование структуры керамики на основе Si3N с добавками Al2O3 and Y2O3 // Стекло и керамика. 2014. № 1. С. 17-19.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5. Сирота В.В., Иванисенко В.В., Красильников В.В., Савотчен-ко С.Е., Лукьянова О.А. Свойства наноструктурной керамики на примере анализа микроструктуры порошков диоксида циркония и механических характеристик нитрида кремния // Вестник Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. 2013. № 73-2. С. 113-116.

6. Сирота В.В., Иванисенко В.В., Красильников В.В., Лукьянова О.А., Савотченко С.Е. Экспериментальное и аналитическое исследование механических характеристик композиционной керамики на основе нитрида кремния // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2013. Т. 18. Вып. 4. С. 1865-1866.

7. Сирота В.В., Красильников В.В., Савотченко С.Е., Лукьянова О.А., Иванисенко В.В. Механические свойства композиционной керамики на основе нитрида кремния // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2014. № 2. С. 264-269.

8. Лукьянова О.А., Сирота В.В., Туштев К., Хорват Ю., Красильни-ков В.В., Иванов А.С., Козлова Л.Н., Исследование механических свойств конструкционной керамики на основе Si3N4 c добавками А^О3 и Y2O3 // Деформация и разрушение материалов. 2015. № 5. С. 17-19.

9. Lukianova O. Mechanical and elastic properties of new silicon nitride ceramics produced by cold isostatic pressing and free sintering // Ceramics International. 2015. V. 41. P. 13716-13720.

10. Лукьянова О.А., Красильников В.В. Изучение упругих характеристик конструкционного керамического материала на основе Si3N4 с добавками A^O3 и Y2O3 // Огнеупоры и техническая керамика. 2015. № 7-8. С. 21-24.

11. Лукьянова О.А., Красильников В.В. Изучение радиотехнических характеристик конструкционной керамики на основе нитрида кремния // Огнеупоры и техническая керамика. 2015. № 10. С. 2931.

12. Borger A., Supancic P., Danzer R. The ball on three balls test for strength testing of brittle discs: stress distribution in the disc // Journal of the European Ceramic Society. 2002. V. 22. P. 1425-1436.

13. Godfrey D.J. Fabrication, formulation, mechanical properties, and oxidation of sintered Si3N4 ceramics using disc specimens // Mat. Sci. and Technology. 1985. V. 1. P. 510-515.

14. Quinn J.B., Quinn G.D. Indentation brittleness of ceramics: a fresh approach // Journal of Materials Science. 1997. V. 32. № 16. P. 43314336.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 16-38-50119 мол_нр).

Поступила в редакцию 7 сентября 2016 г.

Лукьянова Ольга Александровна, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, г. Белгород, Российская Федерация, аспирант, кафедра теоретической и математической физики, инженер научно-технического Центра конструкционной керамики и инженерного прототипирования, e-mail: sokos100@mail.ru

Федоров Виктор Александрович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru

Новиков Всеслав Юрьевич, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, г. Белгород, Российская Федерация, аспирант, кафедра теоретической и математической физики, младший научный сотрудник Центра коллективного пользования научным оборудованием «Диагностика структуры и свойств наноматериалов», e-mail: vseslav_novikov@mail.ru

Красильников Владимир Владимирович, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, г. Белгород, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор кафедры материаловедения и нанотехнологий, старший научный сотрудник, e-mail: kras@bsu.edu.ru

Сирота Вячеслав Викторович, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, г. Белгород, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, руководитель научно-технического Центра конструкционной керамики и инженерного прототипирования, e-mail: sirota@bsu.edu.ru

2169

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.