Механическое поведение керамики и стекла при локальных разрушениях кромок образцов индентором Роквелл
Экспериментально исследовано механическое поведение керамики и стекла в условиях локального нагружения образцов индентором согласно представленной методике испытаний. Оценено влияние царапания на сопротивление разрушению материала при сопоставлении результатов испытаний, полученных двумя методами, п...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Проблемы прочности |
|---|---|
| Дата: | 2014 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2014
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112730 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Механическое поведение керамики и стекла при локальных разрушениях кромок образцов индентором Роквелла / В.В. Хворостяный // Проблемы прочности. — 2014. — № 3. — С. 106-115. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-112730 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Хворостяный, В.В. 2017-01-26T20:42:00Z 2017-01-26T20:42:00Z 2014 Механическое поведение керамики и стекла при локальных разрушениях кромок образцов индентором Роквелла / В.В. Хворостяный // Проблемы прочности. — 2014. — № 3. — С. 106-115. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112730 539.4 Экспериментально исследовано механическое поведение керамики и стекла в условиях локального нагружения образцов индентором согласно представленной методике испытаний. Оценено влияние царапания на сопротивление разрушению материала при сопоставлении результатов испытаний, полученных двумя методами, предусматривающими повреждение кромки образца при царапании (S+EF метод) и без такового (EF метод). На основе анализа экспериментальных данных показаны закономерности разрушения исследуемых хрупких материалов в таких условиях испытаний. Експериментально досліджено механічну поведінку кераміки та скла під час локального навантаження зразків індентором згідно з представленою методикою випробувань. Оцінено вплив подряпини на опір руйнуванню матеріалу при зіставленні результатів випробувань, отриманих за двома методами, згідно з якими передба- чається пошкодження кромки зразка при дряпанні (S+EF метод) та без (EF метод). Показано закономірності руйнування досліджуваних крихких матеріалів за таких умов випробувань на основі аналізу експериментальних даних. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Механическое поведение керамики и стекла при локальных разрушениях кромок образцов индентором Роквелл Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Механическое поведение керамики и стекла при локальных разрушениях кромок образцов индентором Роквелл |
| spellingShingle |
Механическое поведение керамики и стекла при локальных разрушениях кромок образцов индентором Роквелл Хворостяный, В.В. Научно-технический раздел |
| title_short |
Механическое поведение керамики и стекла при локальных разрушениях кромок образцов индентором Роквелл |
| title_full |
Механическое поведение керамики и стекла при локальных разрушениях кромок образцов индентором Роквелл |
| title_fullStr |
Механическое поведение керамики и стекла при локальных разрушениях кромок образцов индентором Роквелл |
| title_full_unstemmed |
Механическое поведение керамики и стекла при локальных разрушениях кромок образцов индентором Роквелл |
| title_sort |
механическое поведение керамики и стекла при локальных разрушениях кромок образцов индентором роквелл |
| author |
Хворостяный, В.В. |
| author_facet |
Хворостяный, В.В. |
| topic |
Научно-технический раздел |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| publishDate |
2014 |
| language |
Russian |
| container_title |
Проблемы прочности |
| publisher |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| format |
Article |
| description |
Экспериментально исследовано механическое поведение керамики и стекла в условиях локального нагружения образцов индентором согласно представленной методике испытаний. Оценено влияние царапания на сопротивление разрушению материала при сопоставлении результатов испытаний, полученных двумя методами, предусматривающими повреждение кромки
образца при царапании (S+EF метод) и без такового (EF метод). На основе анализа экспериментальных данных показаны закономерности разрушения исследуемых хрупких материалов в таких условиях испытаний.
Експериментально досліджено механічну поведінку кераміки та скла під час локального навантаження зразків індентором згідно з представленою методикою випробувань. Оцінено вплив подряпини на опір руйнуванню матеріалу при зіставленні
результатів випробувань, отриманих за двома методами, згідно з якими передба-
чається пошкодження кромки зразка при дряпанні (S+EF метод) та без (EF метод).
Показано закономірності руйнування досліджуваних крихких матеріалів за таких
умов випробувань на основі аналізу експериментальних даних.
|
| issn |
0556-171X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112730 |
| citation_txt |
Механическое поведение керамики и стекла при локальных разрушениях кромок образцов индентором Роквелла / В.В. Хворостяный // Проблемы прочности. — 2014. — № 3. — С. 106-115. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT hvorostânyivv mehaničeskoepovedeniekeramikiisteklaprilokalʹnyhrazrušeniâhkromokobrazcovindentoromrokvell |
| first_indexed |
2025-11-26T00:08:23Z |
| last_indexed |
2025-11-26T00:08:23Z |
| _version_ |
1850592097382432768 |
| fulltext |
ÓÄÊ 539.4
Ìåõàíè÷åñêîå ïîâåäåíèå êåðàìèêè è ñòåêëà ïðè ëîêàëüíûõ
ðàçðóøåíèÿõ êðîìîê îáðàçöîâ èíäåíòîðîì Ðîêâåëëà
Â. Â. Õâîðîñòÿíûé
Èíñòèòóò ïðîáëåì ïðî÷íîñòè èì. Ã. Ñ. Ïèñàðåíêî ÍÀÍ Óêðàèíû, Êèåâ, Óêðàèíà
Ýêñïåðèìåíòàëüíî èññëåäîâàíî ìåõàíè÷åñêîå ïîâåäåíèå êåðàìèêè è ñòåêëà â óñëîâèÿõ ëîêàëü-
íîãî íàãðóæåíèÿ îáðàçöîâ èíäåíòîðîì ñîãëàñíî ïðåäñòàâëåííîé ìåòîäèêå èñïûòàíèé. Îöå-
íåíî âëèÿíèå öàðàïàíèÿ íà ñîïðîòèâëåíèå ðàçðóøåíèþ ìàòåðèàëà ïðè ñîïîñòàâëåíèè ðåçóëü-
òàòîâ èñïûòàíèé, ïîëó÷åííûõ äâóìÿ ìåòîäàìè, ïðåäóñìàòðèâàþùèìè ïîâðåæäåíèå êðîìêè
îáðàçöà ïðè öàðàïàíèè (S+EF ìåòîä) è áåç òàêîâîãî (EF ìåòîä). Íà îñíîâå àíàëèçà ýêñïå-
ðèìåíòàëüíûõ äàííûõ ïîêàçàíû çàêîíîìåðíîñòè ðàçðóøåíèÿ èññëåäóåìûõ õðóïêèõ ìàòå-
ðèàëîâ â òàêèõ óñëîâèÿõ èñïûòàíèé.
Êëþ÷åâûå ñëîâà: êåðàìèêà, öàðàïàíèå, ñêàëûâàíèå êðîìêè, øðàì ñêîëà, ñîïðî-
òèâëåíèå ðàçðóøåíèþ.
Ââåäåíèå. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ ìíîãî âíèìàíèÿ óäåëÿåòñÿ ðàçðàáîòêå íîâûõ
ìåòîäîâ èñïûòàíèé äëÿ îïðåäåëåíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ õðóïêèõ ìàòåðèàëîâ ðàçðóøå-
íèþ â óñëîâèÿõ ëîêàëüíîãî ìåõàíè÷åñêîãî íàãðóæåíèÿ. Îäèí èç òàêèõ ìåòîäîâ –
ìåòîä êðàåâîãî ñêàëûâàíèÿ. Åãî ñóòü çàêëþ÷àåòñÿ â îïðåäåëåíèè ñîïðîòèâëåíèÿ
ðàçðóøåíèþ êðîìêè îáðàçöà ïðè âíåäðåíèè èíäåíòîðà ïîñðåäñòâîì èçìåðåíèÿ ðàç-
ðóøàþùåé íàãðóçêè, ïðèëîæåííîé ê ïîñëåäíåìó, è õàðàêòåðíîãî ðàçìåðà îáðàçî-
âàííîãî ñêîëà [1–3]. Ðàíåå [4, 5] ýòîò ìåòîä áûë íàçâàí EF ìåòîäîì (Edge fracture
(flaking) method). Ñðåäè òàêèõ äîñòîèíñòâ ìåòîäà, êàê ïðîñòîòà ïðàêòè÷åñêîãî ïðè-
ìåíåíèÿ, âîñïðîèçâîäèìîñòü ðåçóëüòàòîâ èñïûòàíèé è èõ äîñòîâåðíîñòü, íåîáõîäèìî
îòìåòèòü òî, ÷òî îí íå îñíîâàí íà êàêèõ-ëèáî ìîäåëüíûõ ïðåäñòàâëåíèÿõ. Ýòî
ïîçâîëÿåò ïîëó÷àòü îáúåêòèâíûå äàííûå î ìåõàíè÷åñêîì ïîâåäåíèè õðóïêèõ ìàòå-
ðèàëîâ. Èñïûòàíèÿ íà öàðàïàíèå èíäåíòîðîì ïîâåðõíîñòè îáðàçöà äî ìîìåíòà
ñêàëûâàíèÿ åãî êðîìêè ïîçâîëèëè ìîäèôèöèðîâàòü ïðåäëîæåííûé ìåòîä [6], ïîëó-
÷èâøèé íàçâàíèå S+EF ìåòîäà (Scratch+Edge fracture method) [7, 8]. Òàêèì îáðàçîì,
âî âðåìÿ ýêñïåðèìåíòà âîñïðîèçâîäèëèñü óñëîâèÿ, íàèáîëåå áëèçêèå ê ðåàëüíûì
ýêñïëóàòàöèîííûì èëè òåõíîëîãè÷åñêèì ïðîöåññàì äëÿ õðóïêèõ ìàòåðèàëîâ. Íàïðè-
ìåð, ýòî øèðîêî èñïîëüçóåìàÿ êåðàìèêà ôóíêöèîíàëüíîãî íàçíà÷åíèÿ, â òîì ÷èñëå è
â ìåäèöèíñêîé ïðàêòèêå, ðàáîòîñïîñîáíîñòü êîòîðîé îïðåäåëÿåòñÿ òàêèìè ìåõà-
íè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè, êàê òðåùèíîñòîéêîñòü, òâåðäîñòü, èçíîñîñòîéêîñòü è äð.
Ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòîâ ìåòîäîì öàðàïàíèÿ èíäåíòîðîì ïîâåðõíîñòè îáðàçöà äî
ñêàëûâàíèÿ åãî êðîìêè ïîçâîëèëè ñôîðìóëèðîâàòü âàæíûå ïðàêòè÷åñêèå ðåêîìåí-
äàöèè äëÿ ðåãóëèðîâàíèÿ áîëåå ýôôåêòèâíîãî ïðîöåññà îáðàáîòêè õðóïêèõ êåðàìè-
÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ, ïðèíèìàÿ âî âíèìàíèå èõ ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà [9]. Ïðè ýòîì,
íåñîìíåííî, âàæíî áûëî îöåíèòü âëèÿíèå ïðèâíåñåííîé öàðàïàíèåì êîíöåíòðàöèè
íàïðÿæåíèé â óñëîâèÿõ ëîêàëüíîãî íàãðóæåíèÿ èíäåíòîðîì.
Êàê èçâåñòíî, ïðè èñïûòàíèÿõ íà öàðàïàíèå èíäåíòîðîì îïðåäåëÿëè òâåðäîñòü
ìàòåðèàëà. Áëàãîäàðÿ óäîáñòâó, ïðîñòîòå è äîñòóïíîñòè ìåòîäà öàðàïàíèÿ îí ïðèìå-
íÿëñÿ â êà÷åñòâå ìàòåðèàëîâåä÷åñêèõ ïðîá [10–12]. Ñî÷åòàíèå öàðàïàíèÿ è ñêàëû-
âàíèÿ êðîìêè ïîçâîëèëî íà÷àòü ðàçðàáîòêó íîâîãî ýêñïåðèìåíòàëüíîãî ìåòîäà ñ
áîëåå øèðîêèìè âîçìîæíîñòÿìè. Ïî ñóòè, ìåòîä ïîäîáåí ñòàíäàðòíûì ìåòîäàì
îïðåäåëåíèÿ òðåùèíîñòîéêîñòè õðóïêèõ ìàòåðèàëîâ, ïîñêîëüêó ðàçðóøåíèå èíèöè-
èðóåòñÿ èç êîíöåíòðàòîðà íàïðÿæåíèé (öàðàïèíû) íà ïîâåðõíîñòè îáðàçöà. Îäíàêî
© Â. Â. ÕÂÎÐÎÑÒßÍÛÉ, 2014
106 ISSN 0556-171X. Ïðîáëåìû ïðî÷íîñòè, 2014, ¹ 3
ñóùåñòâóåò è ðàçëè÷èå ìåæäó íèìè, ñîñòîÿùåå â òîì, ÷òî ñòàíäàðòíûå ìåòîäû
ÿâëÿþòñÿ ìåòîäàìè ñ ôèêñèðîâàííûìè êîíöåíòðàòîðàìè íàïðÿæåíèé, à S+EF ìåòîä –
ìåòîäîì ñ ïðîèçâîëüíûì (íåíîðìèðîâàííûì) êîíöåíòðàòîðîì íàïðÿæåíèé. Â ðàáî-
òàõ [13–15] áûëà ïðåäïðèíÿòà ïîïûòêà ñ ïîìîùüþ ìåòîäà ëîêàëüíîãî ñêàëûâàíèÿ
êðîìîê îáðàçöîâ õðóïêèõ ìàòåðèàëîâ îïðåäåëÿòü èõ òðåùèíîñòîéêîñòü.
 íàñòîÿùåé ðàáîòå ïðåäñòàâëåíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû îïðåäåëåíèÿ
ñîïðîòèâëåíèÿ ðàçðóøåíèþ õðóïêèõ ìàòåðèàëîâ â óñëîâèÿõ ëîêàëüíîãî ìåõàíè÷åñ-
êîãî íàãðóæåíèÿ. Ñîïîñòàâëåíèå îïûòíûõ äàííûõ, ïîëó÷åííûõ S+EF è EF ìåòîäàìè,
ïîçâîëÿåò îöåíèòü âëèÿíèå ïðåäâàðèòåëüíîãî íàíåñåíèÿ öàðàïèíû íà ñîïðîòèâëåíèå
ðàçðóøåíèþ êðîìêè îáðàçöà ìàòåðèàëà.
Ìåòîäèêà èñïûòàíèé è èñïîëüçóåìûå ìàòåðèàëû. Ýêñïåðèìåíòû ìåòîäîì
öàðàïàíèÿ èíäåíòîðîì ïîâåðõíîñòè îáðàçöà õðóïêîãî ìàòåðèàëà äî ìîìåíòà ñêà-
ëûâàíèÿ åãî êðîìêè ïðîâîäèëè íà îïèñàííîé â [8] ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêå
(ðèñ. 1). Ïðè ýòîì èñïîëüçîâàëè ñòàíäàðòíûé ìîíîêðèñòàëëè÷åñêèé àëìàçíûé
èíäåíòîð Ðîêâåëëà. Èññëåäóåìûé îáðàçåö æåñòêî ôèêñèðîâàëñÿ â ñïåöèàëüíîì êðåï-
ëåíèè íà äâóõêîîðäèíàòíîì ïðåäìåòíîì ñòîëèêå òàê, ÷òîáû åãî ïîâåðõíîñòü, ïîä-
âåðãàþùàÿñÿ öàðàïàíèþ, íàõîäèëàñü â ïåðïåíäèêóëÿðíîé ïëîñêîñòè ê îñè èíäåí-
òîðà.
Ìåõàíè÷åñêîå íàãðóæåíèå îñóùåñòâëÿëîñü ñ ïîìîùüþ ñòàíäàðòíûõ ãðóçîâ, â
êà÷åñòâå êîòîðûõ èñïîëüçîâàëè ýòàëîííûå ìàññû, à ïîëíàÿ ïðèêëàäûâàåìàÿ íàãðóç-
êà âêëþ÷àëà òàêæå âåñ èíäåíòîðà ñ íàïðàâëÿþùèì øòîêîì.  äàííûõ èñïûòàíèÿõ
ðåàëèçóåòñÿ ìÿãêèé ðåæèì íàãðóæåíèÿ, à ïðèìåíÿåìûå íîðìàëüíûå íàãðóçêè âàðüè-
ðóþòñÿ â äèàïàçîíå 10...50 Í.
Äî ìîìåíòà êàñàíèÿ ïîâåðõíîñòè îáðàçöà èíäåíòîð ïåðåìåùàëñÿ âåðòèêàëüíî
áåç óäàðà, çàòåì íà ðàññòîÿíèè 1,0–1,5 ìì îò êðîìêè îí âíåäðÿëñÿ â îáðàçåö.
Ïåðåìåùåíèå ïðåäìåòíîãî ñòîëèêà ñ èñïûòóåìûì îáðàçöîì ñ ïîìîùüþ ýëåêòðîäâèãà-
òåëÿ îáåñïå÷èâàëî öàðàïàíèå ïîâåðõíîñòè îáðàçöà äî ìîìåíòà ñêàëûâàíèÿ åãî êðîì-
êè. Ñêîðîñòü öàðàïàíèÿ âî âðåìÿ ýêñïåðèìåíòîâ îñòàâàëàñü ïîñòîÿííîé (5 ìì/ìèí), à
íàïðàâëåíèå öàðàïàíèÿ áûëî ïåðïåíäèêóëÿðíûì ê êðîìêå îáðàçöà.
Ðèñ. 1. Óñòàíîâêà äëÿ èñïûòàíèé ìåòîäîì öàðàïàíèÿ èíäåíòîðîì ïîâåðõíîñòè îáðàçöà äî
ñêàëûâàíèÿ åãî êðîìêè: 1 – ãðóç; 2 – íàïðàâëÿþùèé óçåë; 3 – îïîðíûå ñòîéêè; 4 – èíäåíòîð;
5 – îáðàçåö; 6 – äâóõêîîðäèíàòíûé ñòîëèê; 7 – ýëåêòðîäâèãàòåëü; 8 – îñíîâàíèå.
ISSN 0556-171X. Ïðîáëåìû ïðî÷íîñòè, 2014, ¹ 3 107
Ìåõàíè÷åñêîå ïîâåäåíèå êåðàìèêè è ñòåêëà ...
×òîáû ðàñïîëàãàòü äîñòîâåðíûìè äàííûìè ñòàòèñòè÷åñêîé îáðàáîòêè, äëÿ êàæ-
äîãî ìàòåðèàëà ïðîâîäèëè íå ìåíåå 40 èñïûòàíèé. Ïîñëå êàæäîãî îïûòà èíäåíòîð
ïðîòèðàëè ìÿãêîé òêàíüþ, ÷òîáû óáðàòü âîçìîæíûå ïðèëèïøèå ÷àñòè÷êè ðàçðó-
øèâøåãîñÿ ìàòåðèàëà. Êðîìå òîãî, ïîñëå êàæäîé ñåðèè èñïûòàíèé öåëîñòíîñòü
èíäåíòîðà ïðîâåðÿëè íà îïòè÷åñêîì áèíîêóëÿðíîì ìèêðîñêîïå Olympus 51MX. Ñ
ïîìîùüþ ìèêðîñêîïà è êîìïüþòåðíîé ïðîãðàììû QuickPHOTO Micro 2.3 íà èñïû-
òàííûõ îáðàçöàõ èçìåðÿëè âåëè÷èíû ðàçìåðà ñêàëûâàíèÿ êðîìêè (ðàññòîÿíèå ðàç-
ðóøåíèÿ L) – ðèñ. 2. Èñïîëüçîâàíèå êîìïüþòåðíîé ïðîãðàììû ïîçâîëèëî óâåëè-
÷èòü òî÷íîñòü èçìåðåíèé äî 1 ìêì. Ïî çíà÷åíèÿì ðàññòîÿíèÿ ðàçðóøåíèÿ L è
íàãðóçêè Pf , âûçâàâøåé ñêîë, ñòðîèëè äèàãðàììû ðàçðóøåíèÿ (çàâèñèìîñòè P Lf � ),
èëëþñòðèðóþùèå õàðàêòåð ìåõàíè÷åñêîãî ïîâåäåíèÿ èçó÷àåìîãî ìàòåðèàëà ïðè
ëîêàëüíîì ðàçðóøåíèè.  êà÷åñòâå êðèòåðèÿ ðàçðóøåíèÿ ïðèíèìàëè ñðåäíåå çíà-
÷åíèå îòíîøåíèÿ ðàçðóøàþùåé íàãðóçêè Pf ê ðàññòîÿíèþ ðàçðóøåíèÿ L äëÿ
ðàññìàòðèâàåìîãî ìàññèâà èçìåðåíèé, ïîëó÷èâøåãî íàçâàíèå ñîïðîòèâëåíèå ðàçðó-
øåíèþ FRS :
F
n
P
L
RS
fi
ii
n
�
�
�
1
1
, (1)
ãäå n – êîëè÷åñòâî ýêñïåðèìåíòîâ.
Äàííûå, ïîëó÷åííûå ïðè öàðàïàíèè èíäåíòîðîì Ðîêâåëëà, èñïîëüçîâàëè äëÿ
îïðåäåëåíèÿ ìåõàíè÷åñêîé õàðàêòåðèñòèêè ìàòåðèàëà – òâåðäîñòè ïðè öàðàïàíèè,
êîòîðàÿ âû÷èñëÿëàñü êàê îòíîøåíèå íîðìàëüíîé íàãðóçêè ê ïëîùàäè íàãðóæåíèÿ.
Ïðè èñïîëüçîâàíèè èíäåíòîðà ñ âåðøèíîé êðóãëîãî ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ ïðèìå-
íÿåòñÿ ñëåäóþùåå âûðàæåíèå [9]:
H
P
w
S
f
s
�
8
2�
, (2)
ãäå HS – òâåðäîñòü ïðè öàðàïàíèè, ÌÏà; Pf – ïðèêëàäûâàåìàÿ íîðìàëüíàÿ íàãðóç-
êà, Í; ws – èçìåðåííàÿ øèðèíà öàðàïèíû, ìì.
Îáúåêòîì èññëåäîâàíèÿ ñëóæèëè õðóïêèå ìàòåðèàëû: îêñèäíàÿ, êàðáèäîêðåì-
íèåâàÿ è äèîêñèäöèðêîíèåâàÿ êåðàìèêà; ëèñòîâîå è êâàðöåâîå ñòåêëî. Îêñèä ñêàíäèÿ,
îêñèä àëþìèíèÿ è êàðáèä êðåìíèÿ ÿâëÿþòñÿ ëèíåéíî-óïðóãèìè îäíîôàçíûìè èçî-
òðîïíûìè êåðàìè÷åñêèìè ìàòåðèàëàìè, ïðè ýòîì äëÿ ñóáìèêðîííîãî îêñèäà àëþìè-
íèÿ õàðàêòåðíà ñòðóêòóðà ñ ðàçìåðîì çåðíà ìåíåå ìèêðîìåòðà.  êà÷åñòâå äèîêñèä-
öèðêîíèåâûõ êåðàìè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ èñïîëüçîâàëè Y-TZP êåðàìèêó, êîòîðàÿ ñîñòîÿ-
ëà òîëüêî èç ìåòàñòàáèëüíûõ òåòðàãîíàëüíûõ ÷àñòèö è ïîëó÷åíà äîáàâëåíèåì îêñèäà
èòòðèÿ (~ 3 ìîëü%), è Mg-PSZ, ÷àñòè÷íî ñòàáèëèçèðîâàííóþ îêñèäîì ìàãíèÿ. Êåðà-
Ðèñ. 2. Èçìåðåíèå ðàññòîÿíèÿ ðàçðóøåíèÿ L è øèðèíû öàðàïèíû ws ïðè èñïûòàíèÿõ ìåòîäîì
öàðàïàíèÿ èíäåíòîðîì ïîâåðõíîñòè îáðàçöà äî ñêàëûâàíèÿ åãî êðîìêè.
108 ISSN 0556-171X. Ïðîáëåìû ïðî÷íîñòè, 2014, ¹ 3
Â. Â. Õâîðîñòÿíûé
ìèêà Y-TZP ÿâëÿåòñÿ ìåëêîçåðíèñòîé è ëèíåéíî-óïðóãîé, òîãäà êàê Mg-PSZ – ïîðèñ-
òàÿ è êðóïíîçåðíèñòàÿ. Ñïåöèôè÷åñêàÿ îñîáåííîñòü äèîêñèäöèðêîíèåâîé êåðàìèêè
ñîñòîèò â òîì, ÷òî ïîä âîçäåéñòâèåì ìåõàíè÷åñêèõ íàãðóçîê ïîâûøàåòñÿ åå ïðî÷-
íîñòü. Îñíîâíîé ìåõàíèçì óïðî÷íåíèÿ – ôàçîâûé ïåðåõîä èç òåòðàãîíàëüíîé ôàçû
ZrO2 â ìîíîêëèííóþ ïîä äåéñòâèåì ïðèêëàäûâàåìûõ íàãðóçîê ñ ïîÿâëåíèåì ó ôðîí-
òà ðàçâèâàþùåéñÿ òðåùèíû ñæèìàþùèõ íàïðÿæåíèé, êîòîðûå ïîäàâëÿþò åå äàëü-
íåéøåå ðàñïðîñòðàíåíèå (ýôôåêò íåëèíåéíî âîçðàñòàþùåé R-êðèâîé) [16]. Èçâåñò-
íî, ÷òî ìåõàíèçì òðàíñôîðìàöèîííîãî óïðî÷íåíèÿ áîëåå âûðàæåí â Y-TZP êåðàìèêå,
÷åì â Mg-PSZ [17].
Ñèëèêàòíûå ñòåêëà ïðåäñòàâëÿþò îñîáûé èíòåðåñ, òàê êàê â ðàçëè÷íûõ èññëå-
äîâàíèÿõ îíè èñïîëüçóþòñÿ êàê ìîäåëüíûé ìàòåðèàë. ßâëÿÿñü óïðóãèì ìàëî äåôîð-
ìèðóþùèìñÿ ìàòåðèàëîì, ñòåêëî õðóïêîå è ñêëîííîå ê êàòàñòðîôè÷åñêîìó ðàçðóøå-
íèþ. Ñ ó÷åòîì ïðåäëîæåííîãî ðàçäåëåíèÿ ñòåêîë íà “íîðìàëüíûå” è “àíîìàëüíûå”
[18, 19] áóäåì èñïîëüçîâàòü ñîîòâåòñòâåííî ëèñòîâîå [20] è êâàðöåâîå îïòè÷åñêîå
[21]. Ëèñòîâîå ñòåêëî ñîäåðæèò 70...75% îêñèäà êðåìíèÿ, ïðîìûøëåííî èçãîòîâ-
ëÿåòñÿ äëÿ ðàçëè÷íûõ öåëåé, êâàðöåâîå – áîëåå 99% îêñèäà êðåìíèÿ, ïðîçðà÷íîå â
âèäèìîé è èíôðàêðàñíîé îáëàñòÿõ ñïåêòðà è ïðåäíàçíà÷åíî äëÿ èçäåëèé, ðàáîòà-
þùèõ ïðè ïðîõîæäåíèè ñâåòà â îäíîì íàïðàâëåíèè.
Ïîäãîòîâêà îáðàçöîâ ê èñïûòàíèÿì âêëþ÷àëà èõ øëèôîâàíèå è ïîëèðîâàíèå
àëìàçíûìè ïàñòàìè. Äëÿ ëåãêî ïîâðåæäàåìûõ ïðè ìåõàíè÷åñêîé îáðàáîòêå ìàòå-
ðèàëîâ (íàïðèìåð, ñòåêëî) èñïîëüçîâàëè ïàêåòíîå ïîëèðîâàíèå, îáåñïå÷èâàþùåå
ïîëó÷åíèå áîëåå êà÷åñòâåííûõ êðîìîê îáðàçöîâ. Êîíòðîëü ñîñòîÿíèÿ êðîìîê îñó-
ùåñòâëÿëè ñ ïîìîùüþ ìèêðîñêîïà äî âûïîëíåíèÿ èñïûòàíèé. Ïðèåìëåìûìè ñ÷è-
òàëèñü êðîìêè ñ ëîêàëüíûìè ïîâðåæäåíèÿìè ïîðÿäêà 10...20 ìêì.
Ðåçóëüòàòû èñïûòàíèé. Ìåõàíè÷åñêîå ïîâåäåíèå êåðàìè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ è
ñòåêëà èññëåäîâàëè ïðè öàðàïàíèè èíäåíòîðîì Ðîêâåëëà ïîâåðõíîñòè îáðàçöà äî
ñêàëûâàíèÿ åãî êðîìêè ñîãëàñíî îïèñàííîé âûøå ìåòîäèêå. Ìèíèìàëüíîå çíà÷åíèå
ïðèêëàäûâàåìîé íîðìàëüíîé íàãðóçêè íà èíäåíòîð ñîñòàâëÿëî 10 Í, ÷òî ñîîòâåòñò-
âîâàëî ëîêàëüíûì ðàçðóøåíèÿì êðîìêè ñî çíà÷åíèÿìè L íå ìåíüøå 0,06 ìì. Âûáîð-
êà ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ áûëà îãðàíè÷åíà âåðõíèì ïðåäåëîì çíà÷åíèÿ ðàññòîÿ-
íèÿ ðàçðóøåíèÿ L, íå ïðåâûøàþùåãî 0,4 ìì, èñõîäÿ èç ñîîáðàæåíèé, èçëîæåííûõ â
[22–24]. Ïðè ýòîì ïðèìåíÿåìûå ìàêñèìàëüíûå íàãðóçêè îãðàíè÷èëè çíà÷åíèÿìè,
êîòîðûå íå ïðåâûøàëè 50 Í.
Ïðåäñòàâëåííûå íà ðèñ. 3 äèàãðàììû ðàçðóøåíèÿ èññëåäóåìûõ õðóïêèõ ìàòå-
ðèàëîâ äåìîíñòðèðóþò îñîáåííîñòè èõ ìåõàíè÷åñêîãî ïîâåäåíèÿ â óñëîâèÿõ ëîêàëü-
íîãî ïîâðåæäåíèÿ êðîìîê îáðàçöîâ â óêàçàííûõ äèàïàçîíàõ ïðèêëàäûâàåìîé íàãðóç-
êè è ðàññòîÿíèÿ ðàçðóøåíèÿ. Ëèíåéíàÿ àïïðîêñèìàöèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ðåçóëü-
òàòîâ îòîáðàæàåò ñïåöèôèêó èõ ðàçáðîñà è çàêîíîìåðíîñòè ïðîöåññà êðàåâîãî ñêàëû-
âàíèÿ.
Õàðàêòåðíûå øðàìû ñêîëîâ íà îáðàçöàõ, èñïûòàííûõ ïî S+EF ìåòîäó, ïîêà-
çàíû íà ðèñ. 4.
 êà÷åñòâå êðèòåðèÿ ðàçðóøåíèÿ ïðèíÿòî ñîïðîòèâëåíèå ðàçðóøåíèþ FRS , çíà-
÷åíèÿ êîòîðîãî äëÿ ðàññìàòðèâàåìûõ ìàòåðèàëîâ ïðåäñòàâëåíû â òàáëèöå. Óñòàíîâ-
ëåíî, ÷òî âåëè÷èíà FRS ïðàêòè÷åñêè íå çàâèñèò îò ïðèìåíÿåìîé íàãðóçêè äëÿ
èññëåäóåìûõ ìàòåðèàëîâ, çà èñêëþ÷åíèåì äèîêñèäöèðêîíèåâîé êåðàìèêè, äëÿ êîòî-
ðîé îáíàðóæåíà òåíäåíöèÿ ê óâåëè÷åíèþ ñ ðîñòîì íàãðóçêè. Ïðè ýòîì íåîáõîäèìî
îòìåòèòü, ÷òî ñîãëàñíî EF ìåòîäó âåëè÷èíó ñîïðîòèâëåíèÿ ðàçðóøåíèþ FR ìîæíî
íàçâàòü óñëîâíî ïîñòîÿííîé, òàê êàê äëÿ áîëüøèíñòâà ìàòåðèàëîâ îíà âîçðàñòàåò ñ
ïîâûøåíèåì ïðèêëàäûâàåìîé íà èíäåíòîð íàãðóçêè. Èñõîäÿ èç ýòîãî ìåòîä öàðàïà-
íèÿ âïëîòü äî ñêàëûâàíèÿ êðîìêè îáðàçöà èìååò ïðåèìóùåñòâî ïåðåä ìåòîäîì
êðàåâîãî ñêàëûâàíèÿ. Ýòè ìåòîäû îòëè÷àþòñÿ òåì, ÷òî â ñîîòâåòñòâèè ñ ïåðâûì
èñòî÷íèê ðàçðóøåíèÿ íàõîäèòñÿ íåïîñðåäñòâåííî â ôîðìèðóþùåéñÿ âî âðåìÿ èñïû-
ISSN 0556-171X. Ïðîáëåìû ïðî÷íîñòè, 2014, ¹ 3 109
Ìåõàíè÷åñêîå ïîâåäåíèå êåðàìèêè è ñòåêëà ...
Ðèñ. 3. Äèàãðàììû ðàçðóøåíèÿ êåðàìè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ è ñòåêëà.
a á
â ã
Ðèñ. 4. Õàðàêòåðíûå øðàìû ñêîëîâ íà îáðàçöàõ êåðàìèêè è ñòåêëà, èñïûòàííûõ ìåòîäîì
öàðàïàíèÿ èíäåíòîðîì èõ ïîâåðõíîñòè äî ñêàëûâàíèÿ êðîìêè (ôðàêòîãðàììû âûïîëíåíû â
íàïðàâëåíèè ïåðïåíäèêóëÿðíî âíåäðåíèþ èíäåíòîðà): à – Al2O3-1; á – Al2O3-2; â – Y-TZP-1;
ã – ëèñòîâîå ñòåêëî.
110 ISSN 0556-171X. Ïðîáëåìû ïðî÷íîñòè, 2014, ¹ 3
Â. Â. Õâîðîñòÿíûé
òàíèÿ öàðàïèíå (íå íîðìèðîâàííîì êîíöåíòðàòîðå íàïðÿæåíèé, èç êîòîðîãî ñòðàãè-
âàåòñÿ ðàçðóøàþùàÿ òðåùèíà), â òî âðåìÿ êàê ñîãëàñíî âòîðîìó ìåòîäó íà ñîçäàíèå
ïîäîáíîãî èñòî÷íèêà çàòðà÷èâàåòñÿ ÷àñòü ýíåðãèè ðàçðóøåíèÿ íà íà÷àëüíîì ýòàïå
âíåäðåíèÿ èíäåíòîðà. Äðóãèìè ñëîâàìè, åñëè óïðîùåííî ðàññìàòðèâàòü ðàçðóøåíèå
êðîìêè êàê òðåõýòàïíûé ïðîöåññ (îáðàçîâàíèå çàðîäûøà ìàêðîòðåùèíû, åå ñòàðò è
ðàñïðîñòðàíåíèå), òî ñîãëàñíî EF ìåòîäó ïîëíàÿ ýíåðãèÿ ðàçðóøåíèÿ ðàñõîäóåòñÿ íà
âñåõ òðåõ ýòàïàõ, à ñîãëàñíî S+EF ìåòîäó – ïðåèìóùåñòâåííî íà âòîðîì è òðåòüåì.
Ðàçðóøåíèå ïðè öàðàïàíèè ïîâåðõíîñòíîãî ñëîÿ âëå÷åò çà ñîáîé ôîðìèðîâàíèå
êîíöåíòðàòîðà íàïðÿæåíèé, è äàëüíåéøåå ïîâðåæäåíèå êðîìêè çàâèñèò îò ìåõàíè-
÷åñêèõ ñâîéñòâ êîíêðåòíîãî ìàòåðèàëà.
Âåðîÿòíî, ÷òî ïðè èñïîëüçîâàíèè S+EF ìåòîäà ñ óâåëè÷åíèåì íàãðóçêè íà èíäåí-
òîð ìîæåò èçìåíÿòüñÿ óðîâåíü ïðèâíåñåííîé êîíöåíòðàöèè íàïðÿæåíèé. Åå îïðå-
äåëåíèå ïðè èñïûòàíèÿõ íà öàðàïàíèå âïëîòü äî ñêàëûâàíèÿ êðîìêè îáðàçöà ÿâëÿ-
åòñÿ äîñòàòî÷íî ñëîæíîé çàäà÷åé. Âìåñòå ñ òåì äëÿ îöåíêè ýôôåêòà êîíöåíòðàöèè
íàïðÿæåíèé øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ ñïîñîá ñîïîñòàâëåíèÿ ðåçóëüòàòîâ ìåõàíè÷åñêèõ
èñïûòàíèé ãëàäêèõ îáðàçöîâ ñ òàêîâûìè îáðàçöîâ ñ êîíöåíòðàòîðàìè ïðè ðàçëè÷íûõ
óñëîâèÿõ íàãðóæåíèÿ [25]. Ñðàâíåíèå ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ, ïîëó÷åííûõ S+EF
è EF ìåòîäàìè, ïîçâîëèò îöåíèòü âëèÿíèå öàðàïàíèÿ íà âåëè÷èíó ñîïðîòèâëåíèÿ
ðàçðóøåíèþ èññëåäóåìûõ ìàòåðèàëîâ. Ðåçóëüòàòû èñïûòàíèé íà êðàåâîå ñêàëûâàíèå
(EF ìåòîä) èñïîëüçîâàëè èç ðàíåå îïóáëèêîâàííûõ ðàáîò [5, 8, 26–28].
Ïîñêîëüêó äëÿ áîëüøèíñòâà ìàòåðèàëîâ âåëè÷èíà ñîïðîòèâëåíèÿ ðàçðóøåíèþ
FRS â îñíîâíîì íå çàâèñèò îò ïðèêëàäûâàåìîé íà èíäåíòîð íàãðóçêè, îíà òàêæå íå
çàâèñèò îò øèðèíû öàðàïèíû. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî èçìåíåíèå êîíöåíòðàöèè íàïðÿ-
æåíèé íå âëèÿåò íà âåëè÷èíó ñîïðîòèâëåíèÿ ðàçðóøåíèþ FRS . Îäíàêî äëÿ õðóïêèõ
ìàòåðèàëîâ ñ ðàçíûìè ìåõàíè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè íàëè÷èå îäèíàêîâîé (ïî øèðèíå)
öàðàïèíû ïî-ðàçíîìó âëèÿåò íà ñîïðîòèâëåíèå ñêàëûâàíèþ êðîìêè îáðàçöà.
Ðåçóëüòàòû èñïûòàíèé õðóïêèõ ìàòåðèàëîâ ïðè öàðàïàíèè èíäåíòîðîì Ðîêâåëëà
ïîâåðõíîñòè îáðàçöà äî ñêàëûâàíèÿ åãî êðîìêè
Ìàòåðèàë Îáîçíà÷åíèå FRS , Í/ìì H S , ÃÏà K cI , ÌÏà ì1/ 2�
Îêñèä ñêàíäèÿ Sc2O3 101 12� 10 9 0 6, ,� 1 49 0 04, ,�
Îêñèä àëþìèíèÿ
Duralbit 90
Al2O3-1 234 23� 15 9 0 5, ,� 3 01 0 09, ,�
Îêñèä àëþìèíèÿ
ñóáìèêðîííûé
Al2O3-2 411 32� 45 3 3 7, ,� 3 43 0 20, ,�
Êàðáèä êðåìíèÿ
ãîðÿ÷åïðåññîâàííûé
SiC HP 278 20� 25 0 2 1, ,� 2 53 0 08, ,�
Äèîêñèäöèðêîíèåâàÿ
êåðàìèêà Y-TZP
Y-TZP-1 331 26� 20 2 1 9, ,� 3 79 0 14, ,�
Y-TZP-2 395 44� 19 6 11, ,� 7 57 0 30, ,�
Äèîêñèäöèðêîíèåâàÿ
êåðàìèêà Mg-PSZ
TSE 299 28� 13 2 1 3, ,� 4 88 0 12, ,�
TS-grade 316 29� 14 4 1 4, ,� 9 04 0 32, ,�
Ñòåêëî ëèñòîâîå ËÑ 99 23� 7 2 0 5, ,� 0 66 0 06, ,�
Ñòåêëî êâàðöåâîå
îïòè÷åñêîå ÊÈ
ÊÈ 103 17� 5 0 0 3, ,� 0 77 0 04, ,�
Ïðèìå÷àíèå. K cI – êðèòè÷åñêèé êîýôôèöèåíò èíòåíñèâíîñòè íàïðÿæåíèé.
ISSN 0556-171X. Ïðîáëåìû ïðî÷íîñòè, 2014, ¹ 3 111
Ìåõàíè÷åñêîå ïîâåäåíèå êåðàìèêè è ñòåêëà ...
Ðàññìîòðèì äâà óñëîâíûõ ñëó÷àÿ ðàçðóøåíèÿ êðîìêè îáðàçöà õðóïêîãî ìàòåðè-
àëà: ïðè ñòàòè÷åñêîì íàãðóæåíèè èíäåíòîðà âáëèçè ñâîáîäíîé êðîìêè îáðàçöà (EF
ìåòîä) è öàðàïàíèå èíäåíòîðîì ïîâåðõíîñòè îáðàçöà äî ñêàëûâàíèÿ åãî êðîìêè
(S+EF ìåòîä). Ïîëàãàåì, ÷òî îáà ñëó÷àÿ õàðàêòåðèçóþòñÿ ýêâèâàëåíòíûìè ïîâðåæ-
äåíèÿìè êðîìêè, ò.å. ðàâåíñòâîì çíà÷åíèé ðàññòîÿíèÿ ðàçðóøåíèÿ L. Èì ñîîòâåòñò-
âóþò íåêîòîðûå çíà÷åíèÿ ïðèêëàäûâàåìîé íîðìàëüíîé íàãðóçêè Pf . Îïðåäåëèì
âåëè÷èíû ñîïðîòèâëåíèÿ ðàçðóøåíèþ FR è FRS , ñðàâíåíèå êîòîðûõ ïîçâîëÿåò
îöåíèòü ñòåïåíü âëèÿíèÿ ïðåäâàðèòåëüíîãî öàðàïàíèÿ íà ïðîöåññ ðàçðóøåíèÿ.
 äåéñòâèòåëüíîñòè èìååì äåëî ñ ìàññèâàìè ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ è
ñðàâíåíèå âîçìîæíî, åñëè îïåðèðîâàòü ñðåäíèìè çíà÷åíèÿìè L. Çà îñíîâó ïðèíÿòû
ðåçóëüòàòû èñïûòàíèé ïî S+EF ìåòîäó, äëÿ êîòîðûõ èçâåñòíû çíà÷åíèÿ ïðèêëàäû-
âàåìûõ íàãðóçîê, ïîëó÷åííûå èçìåðåíèåì âåëè÷èíû ðàññòîÿíèÿ ðàçðóøåíèÿ, íà
îñíîâàíèè ÷åãî âû÷èñëåíû çíà÷åíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ ðàçðóøåíèþ. Äëÿ êàæäîãî óðîâ-
íÿ ïðèêëàäûâàåìîé íàãðóçêè áûëà âûïîëíåíà ñåðèÿ èñïûòàíèé (îáû÷íî îò 10 äî 20
îïûòîâ äëÿ òðåõ–øåñòè óðîâíåé íàãðóçêè). Ó÷èòûâàÿ, ÷òî ðàññìàòðèâàþòñÿ îãðàíè-
÷åííûå îáúåìû èñïûòàíèé, íåîáõîäèìî óêàçàòü ñòåïåíü òî÷íîñòè è íàäåæíîñòè
ïîëó÷àåìûõ îöåíîê ñðåäíèõ çíà÷åíèé L è Pf . ×òîáû ïîëó÷èòü òàêóþ òî÷íîcòü,
èñïîëüçîâàëè ìåòîä ìàòåìàòè÷åñêîé ñòàòèñòèêè ïîñòðîåíèÿ äîâåðèòåëüíûõ èíòåð-
âàëîâ [29, 30]. Ñóòü ìåòîäà ñîñòîèò â òîì, ÷òî, âûáðàâ íåêîòîðóþ äîñòàòî÷íî
áîëüøóþ âåðîÿòíîñòü � òàêîé, ÷òîáû ñîáûòèå ñ÷èòàëîñü ïðàêòè÷åñêè äîñòîâåðíûì,
íàõîäèì çíà÷åíèå , äëÿ êîòîðîãî âûïîëíÿåòñÿ ñëåäóþùåå óñëîâèå:
P( ) ,
�� � � � � (3)
ãäå
ÿâëÿåòñÿ îöåíêîé âåëè÷èíû
.
Ýòî ðàâåíñòâî îçíà÷àåò, ÷òî ñ âåðîÿòíîñòüþ � äîâåðèòåëüíûé èíòåðâàë ïðè
ìíîãîêðàòíîì ïîâòîðåíèè îïûòà íàêðûâàåò èñòèííîå çíà÷åíèå âåëè÷èíû
, ò.å. ýòî
èíòåðâàë çíà÷åíèé
, ñîâïàäàþùèõ ñ îïûòíûìè äàííûìè è íå ïðîòèâîðå÷àùèõ èì.
Ñòàòèñòè÷åñêàÿ îáðàáîòêà ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ðåçóëüòàòîâ ñîñòîèò â ñëåäóþùåì:
1) äëÿ êàæäîãî ìàññèâà ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ, ÷òî ñîîòâåòñòâóþò îïðåäå-
ëåííûì óðîâíÿì ïðèêëàäûâàåìîé íà èíäåíòîð íàãðóçêè ïðè èñïûòàíèÿõ ïî S+EF
ìåòîäó, íàéäåíû ñðåäíèå çíà÷åíèÿ ðàññòîÿíèÿ ðàçðóøåíèÿ, äëÿ êîòîðûõ ñòðîèëè
äîâåðèòåëüíûå èíòåðâàëû, çàäàâàÿ íàäåæíîñòü �, ðàâíóþ 0,99;
2) ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû, êîòîðûå ïîïàäàëè â ýòè äîâåðèòåëüíûå èíòåð-
âàëû, îáðàçîâûâàëè âûáîðêè äàííûõ, äëÿ íèõ âû÷èñëÿëè ñðåäíèå çíà÷åíèÿ ñîïðî-
òèâëåíèÿ ðàçðóøåíèþ FRS
* ;
3) èç âñåãî îáúåìà ðåçóëüòàòîâ èñïûòàíèé ïî EF ìåòîäó áûëè âû÷ëåíåíû âûáîð-
êè äàííûõ, êîòîðûå ñîîòâåòñòâîâàëè ðàíåå îïðåäåëåííûì äîâåðèòåëüíûì èíòåðâàëàì,
è äëÿ êàæäîé èç íèõ âû÷èñëåíû ñðåäíèå çíà÷åíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ ðàçðóøåíèþ FR
* .
Ñîïîñòàâëåíèå âåëè÷èíû FRS
* ñ FR
* â õàðàêòåðíûõ äèàïàçîíàõ çíà÷åíèé ðàñ-
ñòîÿíèÿ ðàçðóøåíèÿ (ðèñ. 5) ñâèäåòåëüñòâóåò î ðàçëè÷íîé ñòåïåíè âëèÿíèÿ ïðåäâàðè-
òåëüíîãî öàðàïàíèÿ íà ñïîñîáíîñòü ìàòåðèàëîâ ñîïðîòèâëÿòüñÿ ëîêàëüíîìó ðàçðó-
øåíèþ êðîìîê îáðàçöîâ. Èç ðèñ. 5,à âèäíî, ÷òî äëÿ îáû÷íîé ëèíåéíî-óïðóãîé
êåðàìèêè îòìå÷àåòñÿ ñðàâíèòåëüíî íåáîëüøîå óìåíüøåíèå ñîïðîòèâëåíèÿ ðàçðóøå-
íèþ. Ðàçëè÷èå ìåæäó FRS
* è FR
* óâåëè÷èâàåòñÿ â ñëó÷àå åñëè ñêàëûâàíèå ïðîèñõî-
äèò âñå äàëüøå îò êðîìêè îáðàçöà. Íàèáîëüøèé ýôôåêò îò ïðèâíåñåííîãî öàðàïàíèÿ
íàáëþäàåòñÿ ïðè èñïûòàíèÿõ ñèëèêàòíûõ ñòåêîë âî âñåì äèàïàçîíå çíà÷åíèé ðàññòîÿ-
íèÿ ðàçðóøåíèÿ (ðèñ. 5,á). Ýòî îáóñëîâëåíî òåì, ÷òî èç-çà õðóïêîñòè ñòåêëà åãî
íåñóùàÿ ñïîñîáíîñòü ïðè âîçíèêíîâåíèè ïîâåðõíîñòíûõ òðåùèí çíà÷èòåëüíî ñíè-
æàåòñÿ.
112 ISSN 0556-171X. Ïðîáëåìû ïðî÷íîñòè, 2014, ¹ 3
Â. Â. Õâîðîñòÿíûé
Ëèíåéíî-óïðóãàÿ êåðàìèêà, îáëàäàþùàÿ ïîâûøåííûì ñîïðîòèâëåíèåì ðàçðó-
øåíèþ íà ýòàïå âíåäðåíèÿ èíäåíòîðà, áîëåå ÷óâñòâèòåëüíà ê ïðåäâàðÿþùåìó ñêàëû-
âàíèå öàðàïàíèþ ïîâåðõíîñòè îáðàçöà, ÷åì îáû÷íàÿ êåðàìèêà (ðèñ. 5,â). Ñäèðàíèå
ïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ, áëàãîäàðÿ êîòîðûì îíà â áîëüøåé ìåðå ñîïðîòèâëÿåòñÿ
ëîêàëüíûì êîíòàêòíûì äàâëåíèÿì, ïðèâîäèò ê çíà÷èòåëüíîìó óìåíüøåíèþ ýòîé
ñïîñîáíîñòè. Óðîâåíü ÷óâñòâèòåëüíîñòè ê öàðàïàíèþ ó äèîêñèäöèðêîíèåâîé êåðà-
ìèêè òàêîé æå, êàê è ó îáû÷íîé, à ñóùåñòâåííîå ðàçëè÷èå ìåæäó íèìè çàêëþ÷àåòñÿ â
òîì, ÷òî êàê ïðè èñïûòàíèÿõ ïî ìåòîäó EF, òàê è ïî ìåòîäó S+EF âåëè÷èíà ñîïðî-
òèâëåíèÿ ðàçðóøåíèþ âîçðàñòàåò ñ óâåëè÷åíèåì ðàññòîÿíèÿ ðàçðóøåíèÿ (ðèñ. 5,â,ã),
÷òî ñîîòâåòñòâóåò ñóùåñòâóþùåé äëÿ ýòîãî ìàòåðèàëà çàâèñèìîñòè òðåùèíîñòîé-
êîñòè îò äëèíû òðåùèíû. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî äëÿ äèîêñèäöèðêîíèåâîé êåðàìèêè
ïðèñóù ìåõàíèçì òðàíñôîðìàöèîííîãî óïðî÷íåíèÿ ïðè ñèëîâûõ âîçäåéñòâèÿõ. Ýòà
ñïîñîáíîñòü ìàòåðèàëà ñîïðîòèâëÿòüñÿ ïðîäâèæåíèþ òðåùèíû îòîáðàæåíà íà ïðåä-
ñòàâëåííûõ äèàãðàììàõ è ïðîÿâëÿåòñÿ äëÿ äâóõ ìåòîäîâ êðàåâîãî ñêàëûâàíèÿ ïðè
èçìåíåíèè çíà÷åíèÿ L (õàðàêòåð èçìåíåíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ ðàçðóøåíèþ ïðè èñïîëü-
çîâàíèè EF ìåòîäà áîëüøå âûðàæåí). Äëÿ óêàçàííûõ ìàòåðèàëîâ íà ýòàïå ðàñïðî-
ñòðàíåíèÿ òðåùèíû ðàñõîäóåòñÿ íåêîòîðàÿ äîïîëíèòåëüíàÿ íàêîïëåííàÿ óïðóãàÿ
ýíåðãèÿ, â òî âðåìÿ êàê äëÿ ëèíåéíî-óïðóãîé îäíîôàçíîé êåðàìèêè ýòîò ýòàï õàðàê-
òåðèçóåòñÿ êàòàñòðîôè÷åñêèì ðàçðóøåíèåì [19].
 û â î ä û
1. Ýêñïåðèìåíòàëüíî èññëåäîâàíû êåðàìèêà è ñòåêëî â óñëîâèÿõ ëîêàëüíîãî
ðàçðóøåíèÿ êðîìîê îáðàçöîâ ïðè âíåäðåíèè èíäåíòîðà Ðîêâåëëà.
2. Äîñòàòî÷íî ïîäðîáíî èçëîæåíû ìåòîäèêà ïðîâåäåíèÿ èñïûòàíèé è ïðåäëî-
æåííûé ñïîñîá àíàëèçà ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ, ïîçâîëÿþùèé ïîëó÷àòü íîâûå
ñâåäåíèÿ î ñïîñîáíîñòè ðàçëè÷íûõ õðóïêèõ ìàòåðèàëîâ ñîïðîòèâëÿòüñÿ ðàçðóøå-
íèþ.
a á
â ã
Ðèñ. 5. Äèàãðàììû ñðàâíåíèÿ ðåçóëüòàòîâ èñïûòàíèé ìåòîäàìè S+EF (òåìíûå òî÷êè) è EF
(ñâåòëûå òî÷êè): à – Sc2O3 (�, �), Al2O3-1 (�, �); á – ëèñòîâîå ñòåêëî (�, �), ñòåêëî
êâàðöåâîå îïòè÷åñêîå ÊÈ (�, �); â – SiC HP (�, �), Y-TZP-1 (�, �); ã – TSE (�, �),
Y-TZP-2 (�, ).
ISSN 0556-171X. Ïðîáëåìû ïðî÷íîñòè, 2014, ¹ 3 113
Ìåõàíè÷åñêîå ïîâåäåíèå êåðàìèêè è ñòåêëà ...
3. Îöåíåíî âëèÿíèå ïðåäâàðèòåëüíîãî öàðàïàíèÿ äî ñêàëûâàíèÿ êðîìêè îáðàçöà
íà âåëè÷èíó ñîïðîòèâëåíèÿ ðàçðóøåíèþ ìàòåðèàëà.
4. Ïîêàçàíû îñîáåííîñòè õàðàêòåðà èçìåíåíèÿ ýòîé îöåíêè ïî ìåðå óâåëè÷åíèÿ
ðàññòîÿíèÿ ðàçðóøåíèÿ äëÿ îáû÷íîé ëèíåéíî-óïðóãîé êåðàìèêè, êåðàìèêè ñ ïîâû-
øåííûì ñîïðîòèâëåíèåì ðàçðóøåíèþ íà ýòàïå âíåäðåíèÿ èíäåíòîðà è çàðîæäåíèÿ
îïàñíîé òðåùèíû, ôàçîòðàíñôîðìèðóþùåéñÿ êåðàìèêè, à òàêæå äëÿ ðàçëè÷íîãî
ñèëèêàòíîãî ñòåêëà.
Ð å ç þ ì å
Åêñïåðèìåíòàëüíî äîñë³äæåíî ìåõàí³÷íó ïîâåä³íêó êåðàì³êè òà ñêëà ï³ä ÷àñ ëîêàëü-
íîãî íàâàíòàæåííÿ çðàçê³â ³íäåíòîðîì çã³äíî ç ïðåäñòàâëåíîþ ìåòîäèêîþ âèïðî-
áóâàíü. Îö³íåíî âïëèâ ïîäðÿïèíè íà îï³ð ðóéíóâàííþ ìàòåð³àëó ïðè ç³ñòàâëåíí³
ðåçóëüòàò³â âèïðîáóâàíü, îòðèìàíèõ çà äâîìà ìåòîäàìè, çã³äíî ç ÿêèìè ïåðåäáà-
÷àºòüñÿ ïîøêîäæåííÿ êðîìêè çðàçêà ïðè äðÿïàíí³ (S+EF ìåòîä) òà áåç (EF ìåòîä).
Ïîêàçàíî çàêîíîì³ðíîñò³ ðóéíóâàííÿ äîñë³äæóâàíèõ êðèõêèõ ìàòåð³àë³â çà òàêèõ
óìîâ âèïðîáóâàíü íà îñíîâ³ àíàë³çó åêñïåðèìåíòàëüíèõ äàíèõ.
1. Almond E. and McCormick N. Constant geometry edge flaking of brittle materials //
Nature. – 1986. – 321. – P. 53 – 55.
2. McCormick N. and Almond E. Edge flaking of brittle materials // J. Hard Mater. –
1990. – 1. – P. 25 – 51.
3. Morrell R. and Gant A. Edge chipping – what does it tell us? // Fractography of
Glasses and Ceramics IV / Eds. J. R. Varuer and G. D. Quinn. – Westerville:
American Ceramic Sociaty, 2001.– P. 23 – 41.
4. Gogotsi G., Mudrik S., and Rendtel A. Sensitivity of silicon carbide and other
ceramics to edge fracture: method and results // 28th Int. Conf. Advanced Ceramics
and Composites B: Ceramic Engineering and Science Proceedings, Vol. 25, Issue 4 /
Eds. E. Lara-Curzio and M. J. Readey. – Westerville: American Ceramic Society,
2004. – P. 237 – 246.
5. Gogotsi G., Mudrik S., and Galenko V. Evaluation of fracture resistance of ceramics:
Edge fracture tests // Ceram. Int. – 2007. – 33. – P. 315 – 320.
6. Quinn J., Su L., Flanders L., and Lloyd I. Edge toughness and material properties
related to the machining of dental ceramics // Mach. Sci. Technol. – 2000. – 4. – P. 291
– 304.
7. Ãîãîöè Ã. À., Îñòðîâîé Ä. Þ., Îçåðñêèé Á. È., Ãîãîöè Þ. Ã. Ìåòîäèêè è
îáîðóäîâàíèå äëÿ ìåõàíè÷åñêèõ èñïûòàíèé íàíîñòðóêòóðíûõ è äðóãèõ õðóïêèõ
ìàòåðèàëîâ // Ìåæäóíàð. êîíô. “Ñîâðåìåííîå ìàòåðèàëîâåäåíèå: äîñòèæåíèÿ è
ïðîáëåìû” (Êèåâ, 26–30 ñåíò. 2005). – Êèåâ, 2005. – Ñ. 907 – 908.
8. Ãîãîöè Ã. À., Ãàëåíêî Â. È., Ìóäðèê Ñ. Ï. è äð. Ðàçðóøåíèå ñòåêëà ïðè êðàåâîì
ñêàëûâàíèè // Ïðîáë. ïðî÷íîñòè. – 2007. – ¹ 6. – Ñ. 103 – 112.
9. Flanders L. A., Quinn J. B., Wilson O. C., Jr., and Lloyd I. K. Scratch hardness and
chipping of dental ceramics under different environments // Dental Mater. – 2003. –
19. – P. 716 – 724.
10. Ìàðêîâåö Ì. Ï. Îïðåäåëåíèå ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ ìåòàëëîâ ïî òâåðäîñòè. –
Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1979. – 191 ñ.
11. Äàâèäåíêîâ Í. Í. Äèíàìè÷åñêàÿ ïðî÷íîñòü è õðóïêîñòü ìåòàëëîâ. Ò. 1. – Êèåâ:
Íàóê. äóìêà, 1981. – 704 ñ.
114 ISSN 0556-171X. Ïðîáëåìû ïðî÷íîñòè, 2014, ¹ 3
Â. Â. Õâîðîñòÿíûé
12. Áóðìàí Ë. Ë., Ðîãîâ Â. Â. Îöåíêà îáðàáàòûâàåìîñòè õðóïêèõ ìàòåðèàëîâ ïî èõ
ñêëåðîìåòðè÷åñêîé òâåðäîñòè // Ñâåðõòâåðäûå ìàòåðèàëû. – 1981. – ¹ 2. – Ñ. 56
– 59.
13. Petit F., Descamps P., Erauw J. P., and Cambier F. Toughness (K cI ) measurement by
a sliding indentation method // Key Eng. Mater. – 2002. – 206-213. – P. 629 – 632.
14. Chai H. and Lawn B. A universal relation for edge chipping from sharp contacts in
brittle materials: A simple means of toughness evaluation // Acta Mater. – 2007. – 55.
– P. 2555 – 2561.
15. Petit F., Vandeneede V., and Cambier F. Ceramic toughness assessment through edge
chipping measurements – Influence of interfacial friction // J. Eur. Ceram. Soc. –
2009. – 29. – P. 2135 – 2141.
16. Ôèçèêà òâåðäîãî òåëà: Ýíöèêëîïåäè÷åñêèé ñëîâàðü. Ò. 1 / Ïîä ðåä. Â. Ã.
Áàðüÿõòàðà. – Êèåâ: Íàóê. äóìêà, 1996. – 656 ñ.
17. Ëåáåäåíêî È. Þ., Õâàí Â. È., Äååâ Ì. Ñ., Ëåáåäåíêî À. È. Öèðêîíèé, öèðêîí,
äèîêñèä öèðêîíèÿ // Ðîññèéñêèé ñòîìàò. æóðí. – 2008. – ¹ 4. – Ñ. 50 – 54.
18. Arora A., Marshall D. B., Lawn B. R., and Swain M. V. Indentation deformation/
fracture of normal and anomalous glasses // J. Non-Cryst. Sol. – 1979. – 31. – P. 415
– 428.
19. Burghard Z., Zimmermann A., Rodel J., et al. Crack opening profiles of indentation
crack in normal and anomalous glasses // Acta Mater. – 2004. – 52. – P. 293 – 297.
20. ÃÎÑÒ 111-2001. Ñòåêëî ëèñòîâîå. Òåõíè÷åñêèå óñëîâèÿ. – Ì.: ÃÓÏ ÖÏÏ, 2002.
– 33 ñ.
21. ÃÎÑÒ 15130-86. Ñòåêëî êâàðöåâîå îïòè÷åñêîå. Îáùèå òåõíè÷åñêèå óñëîâèÿ. –
Ì.: Èçä-âî ñòàíäàðòîâ, 1987. – 31 ñ.
22. Gogotsi G. A., Galenko V. I., Mudrik S. P., et al. Fracture resistance estimation of
elastic ceramics in edge flaking: EF baseline // J. Eur. Ceram. Soc. – 2010. – 30. –
P. 1223 – 1228.
23. Áàòàíîâà Î. À., Ãîãîöè Ã. À., Ìàòâèåíêî Þ. Ã. ×èñëåííûé àíàëèç ðåçóëüòàòîâ
ýêñïåðèìåíòà ïî ñêàëûâàíèþ êðîìîê îáðàçöà // Çàâîäñêàÿ ëàáîðàòîðèÿ. Äèàãíîñ-
òèêà ìàòåðèàëîâ. – 2011. – 77, ¹ 7. – Ñ. 53 – 56.
24. Áàòàíîâà Î. À., Ãîãîöè Ã. À., Ìàòâèåíêî Þ. Ã. ×èñëåííûé àíàëèç ðåçóëüòàòîâ
èñïûòàíèé íà ñîïðîòèâëåíèå ðàçðóøåíèþ êîíñòðóêöèîííîé êåðàìèêè íà îñíîâå
íèòðèäà êðåìíèÿ // Òð. ìåæäóíàð. íàó÷.-òåõí. êîíô. “Æèâó÷åñòü è êîíñòðóê-
öèîííîå ìàòåðèàëîâåäåíèå” (Ì., 22–24 îêò. 2012). – Ì., 2012. – Ñ. 16 – 25.
25. Ìàâëþòîâ Ð. Ð. Êîíöåíòðàöèÿ íàïðÿæåíèé â ýëåìåíòàõ àâèàöèîííûõ êîíñòðóê-
öèé. – Ì.: Íàóêà, 1981. – 142 ñ.
26. Gogotsi G. A. and Mudrik S. P. Fracture barrier estimation by the edge fracture test
method // Ceram. Int. – 2009. – 35. – P. 1871 – 1875.
27. Gogotsi G. A. Fracture behaviour of Mg-PSZ ceramics: Comparative estimates // Ibid.
– P. 2735 – 2740.
28. Gogotsi G. A., Galenko V. I., Mudrik S. P., et al. Fracture behaviour of Y-TZP
ceramics: New outcomes // Ibid. – 2010. – 36. – P. 345 – 350.
29. Âåíòöåëü Å. Ñ. Òåîðèÿ âåðîÿòíîñòåé. – Ì.: Íàóêà, 1969. – 576 ñ.
30. Ñòåïíîâ Ì. Í. Ñòàòèñòè÷åñêèå ìåòîäû îáðàáîòêè ðåçóëüòàòîâ ìåõàíè÷åñêèõ
èñïûòàíèé: Ñïðàâî÷íèê. – Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1985. – 232 ñ.
Ïîñòóïèëà 03. 10. 2013
ISSN 0556-171X. Ïðîáëåìû ïðî÷íîñòè, 2014, ¹ 3 115
Ìåõàíè÷åñêîå ïîâåäåíèå êåðàìèêè è ñòåêëà ...
|