Сопротивление керамики разрушению: базовая диаграмма и R-линия
Проанализированы современные методы определения трещиностойкости керамики и показано, что процесс разрушения образцов можно разделить на три этапа: формирование концентратора напряжения, зарождение и распространение трещины. Отмечено, что стандартные методы позволяют проводить определения трещиносто...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Datum: | 2006 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2006
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47853 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Сопротивление керамики разрушению: базовая диаграмма и R-линия / Г.А. Гогоци // Проблемы прочности. — 2006. — № 3. — С. 60-74. — Бібліогр.: 38 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-47853 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Гогоци, Г.А. 2013-08-03T11:02:35Z 2013-08-03T11:02:35Z 2006 Сопротивление керамики разрушению: базовая диаграмма и R-линия / Г.А. Гогоци // Проблемы прочности. — 2006. — № 3. — С. 60-74. — Бібліогр.: 38 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47853 539.4 Проанализированы современные методы определения трещиностойкости керамики и показано, что процесс разрушения образцов можно разделить на три этапа: формирование концентратора напряжения, зарождение и распространение трещины. Отмечено, что стандартные методы позволяют проводить определения трещиностойкости на втором и третьем этапах, а обсуждаемый метод EF - на всех трех этапах; при этом испытания можно выполнять на образцах малых размеров. Сопротивление скалыванию FR определяли с помощью индентора Роквелла на образцах оксидной и неоксидной линейно-упругой и неупругой керамики, а также керамических композитов. Установлено, что величины Fr для гомогенной линейно-упругой керамики инвариантны (не зависят от нагрузки скалывания и размеров шрама скола). Показано, что на диаграмме сопротивление скалыванию - критический коэффициент интенсивности напряжений слева от базовой линии находятся экспериментальные данные для керамики с повышенным сопротивлением повреждению по сравнению с гомогенной линейно-упругой керамикой, экспериментальные значения которой укладываются на эту линию. Справа от базовой линии находятся экспериментальные данные для керамики с повышенным сопротивлением распространению трещин. Предложены диаграммы сопротивления керамики распространению трещин (R-линии), аналогичные известным R-кривым, но определяемые при скалывании кромок керамических образцов. Для гомогенной линейно-упругой керамики эти линии - плоские, что свидетельствует об инвариантности ее поверхностной энергии. Проаналізовано сучасні методи визначення тріщиностійкості кераміки та показано, що процес руйнування зразків можна поділити на три етапи: формування концентратора напруження, зародження і поширення тріщини. Відзначається, що стандартні методи дозволяють проводити визначення на другому і третьому етапах, а метод EF, що обговорюється, - на всіх трьох етапах; при цьому випробування можна проводити на зразках малих розмірів. Опір сколюванню FR визначався за допомогою індентора Роквелла на зразках оксидної та неоксидної лінійно-пружної і непружної кераміки, а також керамічних композитів. Установлено, що величини Fr для гомогенної лінійно-пружної кераміки інваріантні (не залежать від навантаження сколювання і розмірів шраму відколу). Показано, що на діаграмі опір сколюванню - критичний коефіцієнт інтенсивності напружень ліворуч від базової лінії знаходяться значення для кераміки з підвищеним опором пошкодженню в порівнянні з гомогенною лінійно-пружною керамікою, експериментальні значення якої лягають на цю лінію. Праворуч від базової лінії знаходяться експериментальні значення для кераміки з підвищеним опором поширенню тріщин. Пропонуються діаграми опору кераміки поширенню тріщин (R-лінії), аналогічні відомим R-кривим, але визначені шляхом сколювання кромок керамічних зразків. Для гомогенної лінійно-пружної кераміки ці лінії - плоскі, що свідчить про інваріантність її поверхневої енергії. We analyze the state-of-the-art methods of definition of crack resistance of ceramics and demonstrate that the process of ceramic sample fracture can be subdivided into three stages: formation of a stress raiser, crack initiation, and crack propagation. We show that standard methods allow one to study crack resistance at the second and third stages, whereas the proposed EF-method covers all three stages; moreover, the latter can be applied to small-sized specimens. Edge-chipping (flaking) toughness FR is measured using the Rockwell indenter applied to specimens of oxide-coated and not oxide- coated linearly-elastic and inelastic ceramics, as well as to ceramic composites. For homogeneous linearly-elastic ceramics the above parameter values are shown to be invariant to the edge-chipping load and edge-chipping scar dimensions. We found that in diagram “edge-chipping toughness - critical stress intensity factor,” experimental data for ceramics with improved resistance to the damage initiation are shifted to the left of the base line, whereas those of homogeneous linearly-elastic ceramics coincide with the above base line. To the right of the base line are located the experimental data for ceramics with improved crack propagation resistance. We propose to use diagrams of ceramics crack propagation resistance (R-lines), similar to known R-curves, but corresponding to edge fracture of ceramic specimens. For homogeneous linearly-elastic ceramics these lines are flat, which confirms the invariance of the respective surface energy. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Сопротивление керамики разрушению: базовая диаграмма и R-линия Fracture resistance of ceramics: the base diagram and the R-line Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Сопротивление керамики разрушению: базовая диаграмма и R-линия |
| spellingShingle |
Сопротивление керамики разрушению: базовая диаграмма и R-линия Гогоци, Г.А. Научно-технический раздел |
| title_short |
Сопротивление керамики разрушению: базовая диаграмма и R-линия |
| title_full |
Сопротивление керамики разрушению: базовая диаграмма и R-линия |
| title_fullStr |
Сопротивление керамики разрушению: базовая диаграмма и R-линия |
| title_full_unstemmed |
Сопротивление керамики разрушению: базовая диаграмма и R-линия |
| title_sort |
сопротивление керамики разрушению: базовая диаграмма и r-линия |
| author |
Гогоци, Г.А. |
| author_facet |
Гогоци, Г.А. |
| topic |
Научно-технический раздел |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| publishDate |
2006 |
| language |
Russian |
| container_title |
Проблемы прочности |
| publisher |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Fracture resistance of ceramics: the base diagram and the R-line |
| description |
Проанализированы современные методы определения трещиностойкости керамики и показано, что процесс разрушения образцов можно разделить на три этапа: формирование концентратора напряжения, зарождение и распространение трещины. Отмечено, что стандартные методы позволяют проводить определения трещиностойкости на втором и третьем этапах, а обсуждаемый метод EF - на всех трех этапах; при этом испытания можно выполнять на образцах малых размеров. Сопротивление скалыванию FR определяли с помощью индентора Роквелла на образцах оксидной и неоксидной линейно-упругой и неупругой керамики, а также керамических композитов. Установлено, что величины Fr для гомогенной линейно-упругой керамики инвариантны (не зависят от нагрузки скалывания и размеров шрама скола). Показано, что на диаграмме сопротивление скалыванию - критический коэффициент интенсивности напряжений слева от базовой линии находятся экспериментальные данные для керамики с повышенным сопротивлением повреждению по сравнению с гомогенной линейно-упругой керамикой, экспериментальные значения которой укладываются на эту линию. Справа от базовой линии находятся экспериментальные данные для керамики с повышенным сопротивлением распространению трещин. Предложены диаграммы сопротивления керамики распространению трещин (R-линии), аналогичные известным R-кривым, но определяемые при скалывании кромок керамических образцов. Для гомогенной линейно-упругой керамики эти линии - плоские, что свидетельствует об инвариантности ее поверхностной энергии.
Проаналізовано сучасні методи визначення тріщиностійкості кераміки та показано, що процес руйнування зразків можна поділити на три етапи: формування концентратора напруження, зародження і поширення тріщини. Відзначається, що стандартні методи дозволяють проводити визначення на другому і третьому етапах, а метод EF, що обговорюється, - на всіх трьох етапах; при цьому випробування можна проводити на зразках малих розмірів. Опір сколюванню FR визначався за допомогою індентора Роквелла на зразках оксидної та неоксидної лінійно-пружної і непружної кераміки, а також керамічних композитів. Установлено, що величини Fr для гомогенної лінійно-пружної кераміки інваріантні (не залежать від навантаження сколювання і розмірів шраму відколу). Показано, що на діаграмі опір сколюванню - критичний коефіцієнт інтенсивності напружень ліворуч від базової лінії знаходяться значення для кераміки з підвищеним опором пошкодженню в порівнянні з гомогенною лінійно-пружною керамікою, експериментальні значення якої лягають на цю лінію. Праворуч від базової лінії знаходяться експериментальні значення для кераміки з підвищеним опором поширенню тріщин. Пропонуються діаграми опору кераміки поширенню тріщин (R-лінії), аналогічні відомим R-кривим, але визначені шляхом сколювання кромок керамічних зразків. Для гомогенної лінійно-пружної кераміки ці лінії - плоскі, що свідчить про інваріантність її поверхневої енергії.
We analyze the state-of-the-art methods of definition of crack resistance of ceramics and demonstrate that the process of ceramic sample fracture can be subdivided into three stages: formation of a stress raiser, crack initiation, and crack propagation. We show that standard methods allow one to study crack resistance at the second and third stages, whereas the proposed EF-method covers all three stages; moreover, the latter can be applied to small-sized specimens. Edge-chipping (flaking) toughness FR is measured using the Rockwell indenter applied to specimens of oxide-coated and not oxide- coated linearly-elastic and inelastic ceramics, as well as to ceramic composites. For homogeneous linearly-elastic ceramics the above parameter values are shown to be invariant to the edge-chipping load and edge-chipping scar dimensions. We found that in diagram “edge-chipping toughness - critical stress intensity factor,” experimental data for ceramics with improved resistance to the damage initiation are shifted to the left of the base line, whereas those of homogeneous linearly-elastic ceramics coincide with the above base line. To the right of the base line are located the experimental data for ceramics with improved crack propagation resistance. We propose to use diagrams of ceramics crack propagation resistance (R-lines), similar to known R-curves, but corresponding to edge fracture of ceramic specimens. For homogeneous linearly-elastic ceramics these lines are flat, which confirms the invariance of the respective surface energy.
|
| issn |
0556-171X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47853 |
| citation_txt |
Сопротивление керамики разрушению: базовая диаграмма и R-линия / Г.А. Гогоци // Проблемы прочности. — 2006. — № 3. — С. 60-74. — Бібліогр.: 38 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT gogociga soprotivleniekeramikirazrušeniûbazovaâdiagrammairliniâ AT gogociga fractureresistanceofceramicsthebasediagramandtherline |
| first_indexed |
2025-11-24T16:27:57Z |
| last_indexed |
2025-11-24T16:27:57Z |
| _version_ |
1850484597142323200 |
| fulltext |
УДК 539.4
Сопротивление керамики разрушению: базовая диаграмма и
Л-линия
Г. А. Гогоци
Институт проблем прочности им. С. Г. Писаренко НАН Украины, Киев, Украина
Проанализированы современные методы определения трещиностойкости керамики и пока
зано, что процесс разрушения образцов можно разделить на три этапа: формирование
концентратора напряжения, зарождение и распространение трещины. Отмечено, что
стандартные методы позволяют проводить определения трещиностойкости на втором и
третьем этапах, а обсуждаемый метод EF - на всех трех этапах; при этом испытания
можно выполнять на образцах малых размеров. Сопротивление скалыванию FR определяли
с помощью индентора Роквелла на образцах оксидной и неоксидной линейно-упругой и
неупругой керамики, а также керамических композитов. Установлено, что величины Fr для
гомогенной линейно-упругой керамики инвариантны (не зависят от нагрузки скалывания и
размеров шрама скола). Показано, что на диаграмме сопротивление скалыванию - кри
тический коэффициент интенсивности напряжений слева от базовой линии находятся
экспериментальные данные для керамики с повышенным сопротивлением повреждению по
сравнению с гомогенной линейно-упругой керамикой, экспериментальные значения которой
укладываются на эту линию. Справа от базовой линии находятся экспериментальные
данные для керамики с повышенным сопротивлением распространению трещин. Предло
жены диаграммы сопротивления керамики распространению трещин (R-линии), аналогич
ные известным R-кривым, но определяемые при скалывании кромок керамических образцов.
Для гомогенной линейно-упругой керамики эти линии - плоские, что свидетельствует об
инвариантности ее поверхностной энергии.
К лю ч е в ы е с ло в а : керамика, трещиностойкость, индентирование, сопротив
ление скалыванию, R-линии.
1. Введение.
1.1. К ерам ика и оценки т рещ иност ойкост и. В эпоху технического
прогресса интерес к современной технической керамике непрерывно возрас
тает. И хотя на разработку этих материалов тратятся значительные силы и
средства, они все еще не способны конкурировать с металлами при интен
сивных силовых нагрузках. Например, широко разрекламированная диоксид-
1 /2циркониевая “керамическая сталь” (K Ic ~15 МПа -м ) [1], как и ламинар
ные (слоистые) композиты из оксида алюминия с диоксидом циркония
1 /2(K ic ~30 МПа -м ) [2], при практическом применении оказалась значи
тельно хуже сопротивляющейся разрушению, чем предполагалось на осно
вании результатов лабораторных исследований ее трещиностойкости.
Трещиностойкость керамики долгое время оценивали различными мето
дами, предназначенными для испытания металлов. И лишь в 90-х годах
прошлого века начали стандартизировать методы ее испытания на трещино
стойкость, а также проводить международные исследования с целью сравни
тельной оценки этих методов (Round Robins [3]). Для таких испытаний
рекомендуется применять разрушаемые при изгибе образцы в виде прямо
угольных балок, на которые наносятся концентраторы напряжения различ
ной формы (табл. 1) [4]. Интересно, что эти методы не особенно отлича
© Г. А. ГОГОЦИ, 2006
60 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2006, № 3
Сопротивление керамики разрушению
ются от метода, основанного на идеях работы [5], задачей которой была
разработка стандарта, предназначенного для испытания металлических
материалов. И даже специалисту бывает нелегко выбрать “оптимальный”
метод, так как далеко не все они пригодны для оценки различной керамики и
не всегда применимы в условиях обычной лаборатории. Возможно поэтому
(если судить по публикациям) технологи часто применяют более простые
методы испытаний: метод БЕКВ (табл. 1), упрощенный (трещина заменена
пропилом) вариант метода БЕРВ, расчетные формулы для которого взяты из
[5], и метод 1Б [6] (табл. 2), основанный на анализе трещин, образовавшихся
при внедрении индентора в полированную поверхность образца. Следует
заметить, что, в отличие от случая металлических материалов [7], резуль
таты исследования трещиностойкости керамики пока еще редко применяют
ся при конструкторских расчетах сопротивления изделий распространению
в них опасных трещин, а лишь используются с целью сравнительной чис
ленной оценки ее сопротивления разрушению. Иначе говоря, последнее в
какой-то степени напоминает эпоху палеолита, когда для изготовления инст
рументов и оружия приходилось работать с такими хрупкими материалами,
как камни.
Т а б л и ц а 1
Традиционные методы испытания керамики на трещиностойкость
(объединены этапы 2 и 3 разрушения образца)
Образец Концентратор напряжения
(этап 1 разрушения)
Характеристика
SEPB [8]
(Single Edge
Precracked Beam
■
)
Аналогичный используемому
при испытаниях металлов.
Точность измерения зависит от
структуры материала.
CNB [8]
(Chevron Notched Beam)
При испытаниях регистрируют
зависимости усилие - прогиб,
изготовить точный шевронный
надрез в образце технически
достаточно сложно.
SCF [8]
■ -
Применим для испытания
плотных мелкозернистых
материалов.MM
(Surface Crack in Flexure)
і
Л ? '
SEVNB [9]
(Single Edge
V-Notched Beam)
Оптимальный метод, пригодный
для испытания различной
керамики, характеризуется
ограниченным разбросом
экспериментальных данных [3].
SENB
(Single Edge
Notched Beam)
Щ
Приближенный (технологичес
кий) метод. Значения трещино
стойкости могут быть значитель
но выше, определяемых по стан
дартным методам [3].
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2006, № 3 61
Г. А. Гогоци
Т а б л и ц а 2
Т р е х э т а п н ы е м е т о д ы д р у ги х ав тор ов
С хем а м етода
Метод Ш [6]
Скалывание кромки [10]
И спы танны й образец
Керамика ЬаСоО3
Диоксидциркониевая керамика Рго2уг
1.2. А нализ м ет одов испы т аний. Разрушение - локальный процесс,
который при испытаниях на трещиностойкость можно условно разделить на
три этапа: формирование источника разрушения (концентратора напряже
ния), зарождение трещины и ее неконтролируемое (или контролируемое)
распространение. В соответствии с этим подходом современные методы
испытаний на трещиностойкость формально делятся на две группы. К
первой относятся двухэтапные методы (табл. 1), согласно которым на обра
зец сначала наносится концентратор напряжения, и только после этого
образец разрушается при изгибе. Вторая группа объединяет трехэтапные
методы, основанные на применении индентора и не предполагающие пред
варительного формирования концентратора напряжения в образце. Эти груп
пы отличаются тем, что для первой из них необходимы образцы опреде
ленной формы и размеров, которые не всегда можно изготовить из испы
туемого материала. Для второй группы (табл. 2) используются образцы
произвольной формы (или керамические изделия), и при этом разрушается
небольшой объем материала. При такой неформальной классификации мето
дов следует обратить внимание на их принципиальные отличия. Вначале
рассмотрим методы (табл. 1), которые основываются на представлениях
линейной механики разрушения, фактически предполагающей квазихруп-
кий процесс разрушения материала^ [11]. В этом случае поверхностная
энергия Гриффитса у [14] заменена необратимой энергией диссипации в
тонком слое пластических деформаций вблизи поверхности трещины (ур ),
которая в тысячи раз больше величины у [15]. Керамика рассматривается
1) В механике разрушения понятия “материал” и “металл” часто [11, 12] рассматриваются как
идентичные. Только в последнее время [13] начали обращать внимание на специфические
особенности структуры и процесса разрушения керамики.
62 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2006, № 3
Сопротивление керамики разрушению
как хрупкий материал [16], который разрушается, не достигая предела
текучести, значение которого для нее обычно выше предела прочности.
Такой подход к изучению керамики равнозначен игнорированию всего
многообразия ее структуры и деформационного поведения [17], что может
быть причиной недостоверных оценок ее действительного сопротивления
разрушению. С представлениями механики разрушения связан также трех
этапный метод 1Б (табл. 2), согласно которому разрушение керамики осу
ществляется с помощью индентора, т.е. метод в определенной мере близок к
использованному в настоящей работе. Этот метод предусматривает не изуче
ние распространяющихся трещин, что характерно для всех других методов
испытаний на трещиностойкость, а анализ остановившихся трещин после
внедрения индентора Виккерса в поверхность образца. Он применим только
тогда, когда четко видны трещины, образовавшиеся у углов отпечатка инден
тора (табл. 2), что далеко не всегда реально на практике. Например, на рис. 1
показан отпечаток индентора на поверхности образца керамики Ce-TZP,
окруженный зоной фазового перехода, что не было обнаружено в [18], и эта
керамика ошибочно была представлена как материал, обладающий высокой
1/2трещиностойкостью (К 1с ~30 МПа -м ). При сравнении результатов опре
делений К 1с по методу 1Б и по методам, указанным в табл. 1, неоднократно
обращали внимание на их несовпадение [19, 20]. Для повышения точности
результатов, полученных методом Щ был выведен ряд формул, но они
оказались неэффективными. Например, результаты расчетов по данным
испытаний стекла с использованием 14 таких формул отличались на 300%
[21]. Примерно то же имело место для карбида кремния [22], а также для
другой керамики. Недостатком этого метода является также то, что для
расчетов значений К 1с необходимы величины модулей упругости керамики,
определение которых далеко не всегда простая задача. Поэтому можно
согласиться с [19], что он пригоден только для сравнительных оценок
керамики в рамках одной лаборатории, но не может быть стандартным
методом [23], как это рекомендовалось ранее [24].
Рис. 1. Отпечаток индентора Виккерса на полированной поверхности образца диоксид-
циркониевой керамики Ce-TZP.
Кроме того, все вышерассмотренные методы являются методами “не
прямых” определений сопротивления керамики разрушению, так как при
расчетах величин критических коэффициентов интенсивности напряжений
(далее трещиностойкость) по результатам проведенных испытаний исполь
зуются формулы, корректирующие (идеализирующие) ее реальное механи
ческое поведение.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2006, № 3 63
Г. А. Гогоци
Прямые определения сопротивления хрупких материалов разрушению
начались в далекой древности, когда от удара одного камня по другому
откалывались небольшие кусочки, затем из этих камней выбирали наименее
разрушенный, который использовался для изготовления инструмента или
оружия. К прямым определениям также относятся оценка трещиностой-
кости [25] по значениям поверхностной энергии Гриффитса у [14], опре
деление работы разрушения при изгибе (отношение площади под диаграм
мой нагрузка на образец с концентратором напряжения - прогиб образца к
площади поверхности разрушения этого образца) [26], а также метод испы
таний, предполагающий скалывание кромок образцов [10] (табл. 2). Послед
ний основан на том, что отношение усилия, вызвавшего скол прямоугольной
кромки образца, к любому размеру образовавшегося скола не зависит от
величины этого усилия в случае использования индентора Роквелла [27]
(правомерность этой зависимости была подтверждена при разрушении кро
мок образцов инденторами Виккерса и Кнуппа [28-30]). В случае метода
[10], который можно рассматривать как прототип метода наших исследо
ваний [29, 31], необходимо использовать специальную экспериментальную
установку с перемещающимся микроскопом, обеспечивающим точность вы
бора точки внедрения индентора в поверхность образца. Согласно этому
методу характеристика сопротивления хрупкого материала сколу M опре
деляется как отношение усилия, при котором произошел скол, к расстоянию
d от точки внедрения индентора до кромки образца (табл. 2). Он позволил
успешно сравнивать, например, стойкость хрупких материалов к разруше
нию кромок образцов, в том числе закаленных сталей [32], предназначенных
для режущего инструмента, а также стоматологической керамики [33], про
тезы из которой должны выдерживать скалывающую нагрузку и т.п. Однако
оценка сопротивления керамики разрушению по этому методу не соответ
ствуют характеристикам трещиностойкости (KIc и G Ic), получаемым по
стандартным методам [32, 34] (подробней в [29, 31]).
В работе [29] на обычной испытательной установке изучалась сопро
тивляемость керамики скалыванию и разработан метод EF (международное
название Edge Fracture). С помощью этого метода были определены величи
ны сопротивления разрушению керамики при сколе, которые оказались
пропорциональными, полученным по традиционному (SEVNB в табл. 1).
Однако не все результаты испытаний строго соответствовали этой зави
симости. В [31] изучалась только линейно-упругая керамика и была пока
зана пропорциональность результатов испытаний, полученных при скалы
вании и изгибе образцов, что подтвердило целесообразность дальнейших
работ в рассматриваемом направлении.
Целью настоящего исследования2* является более глубокое изучение
предложенного подхода к оценке сопротивления различных керамических
материалов разрушению, без чего невозможно рассматривать его в качестве
возможного стандартного метода испытания керамики.
2) В исследовании участвовали сотрудники Института проблем прочности им. Г. С. Писа
ренко НАН Украины В. И. Галенко, Б. И. Озерский и Т. А. Христевич.
64 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2006, № 3
Сопротивление керамики разрушению
2. М атериалы и методика. Для проведения исследований была выбра
на линейно-упругая гомогенная и гетерогенная керамика, а также керами
ческий композит с рассеянной армирующей фазой. Кроме того, исследо
валась неупругая керамика. Это позволило получить новую информацию о
механическом поведении рассматриваемого класса материалов при скалы
вании их кромок. Керамика, предназначенная для экспериментов (табл. 3),
в основном представляла собой промышленные образцы из разных стран
мира и различалась по химическому составу, технологии изготовления и
структуре. Характеристикой ее неупругости служила мера хрупкости %
[17], равная единице для линейно-упругой керамики и уменьшающаяся
при увеличении нелинейности ее деформирования. Образцами служили
прямоугольные балки сечением примерно 3 X 4 мм, поверхности которых
шлифовались, а затем полировались алмазной пастой. Радиус закругления
их кромок составлял не более 20-30 мкм. Подготовленные для исследо
вания образцы вначале испытывались на трещиностойкость по методу
БЕУКВ [35], а затем их обломки использовались в качестве образцов при
испытаниях по методу ЕЕ
Т а б л и ц а 3
Характеристики керамики
Керамика Обозначение X Е ,
ГПа
а,
МПа
К 1с,
МПа • м1/2
ЕіК ,
Н/мм
Р ,
Н/мм в
Гомогенная линейно-упругая керамика
Оксид скандия 8с2<Эз 1,00 218 110 1,49 148 176 114
Оксид иттрия У2О3 1,00 193 75 3,14 336 292 113
Оксид
алюминия
А1203-1 1,00 322 329 3,06 376 290 185
А12Оз-2 1,00 232 269 2,93 323 267 140
АІ2О3-З 1,00 405 192 3,13 379 303 125
АІ2О3-4 1,00 - - 3,13 415 304 115
Диоксид циркония у-РБг 1,00 197 425 4,96 533 475 125
Нитрид кремния ОР88Ы 1,00 320 920 5,36 567 502 100
НРБЫ 1,00 - - 4,16 403 422 100
Біз^ 1,00 270 486 4,32 403 395 154
Гетерогенная линейно-упругая керамика
Диоксид циркония і^о-Рвг 1,00 205 549 3,79 708 474 142
Карбид кремния ЕКаэк®Т 1,00 433 600 3,48 388 422 105
Композит Біз^+ТіС 1,00 291 700 5,23 509 438 203
Неупругая керамика
Диоксид циркония ТБ^гаёе 0,42 193 609 9,20 696 433 129
8Р-8-Т8 0,61 208 640 5,13 662 438 183
Примечание: Е - модуль упругости, а - предел прочности, К 1с - критический коэффициент
интенсивности напряжений, Е1К - характеристика скалывания, р - сопротивление скалы
ванию, п - число экспериментальных точек.
Й Х # 0556-171Х. Проблемы прочности, 2006, № 3 65
Г. А. Гогоци
При изучении сопротивления керамики скалыванию использовалась
методика испытаний, апробированная в [30, 31]. Суть методики заключалась
в выборе точки, расположенной вблизи кромки образца, и выполнении
скола с помощью стандартного монокристаллического алмазного индентора
Роквелла3), к которому прилагалось усилие, регистрировавшееся компьюте
ром. Для получения статистически достоверных опытных данных операция
скалывания повторялась многократно. Затем бинокулярным микроскопом
ОНшрш 51МХ на испытанных образцах замеряли размеры шрамов сколов Ь
(рис. 2), длина которых колебалась от 75 до 500 мкм.
Крайняя точка разрушения
Рис. 2. Схема измерения размеров шрама скола на поверхности испытанного образца.
По значениям размеров шрамов скола Ь и нагрузки Р^ , вызвавшей
скол, строили диаграммы разрушения (зависимости Р 1 — Ь). Они были
линейными для линейно-упругой керамики и нелинейными для неупругой
керамики (рис. 3,а). Эти зависимости послужили основой для анализа
результатов экспериментов и получения значений характеристики скола Е {К
(табл. 3), определявшейся по методу линейной регрессии [36] как наклон
прямой линии, аппроксимирующей экспериментальные точки. Независимость
величины характеристики скола от разрушающей нагрузки указывает не
только на то, что она может рассматриваться в качестве механической
характеристики, но и на то, что энергия разрушения [13] в этих случаях
инвариантна.
Рис. 3. Диаграм мы разруш ения.
3) G ilm ore D iam ond T ools , Inc., U S A .
66 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2006, № 3
Сопротивление керамики разрушению
скола
п
3. Результаты и их анализ.
3.1. Базовая лин ия и коррекция значений К 1с. Рассматривая результаты
предыдущих работ [29, 31] и настоящего исследования, нельзя не заметить,
что аппроксимирующая линия на диаграммах разрушения не всегда пере
секает начало координат. Для установления возможной причины этого было
проведено дополнительное исследование и выявлено, что далеко не во всех
случаях эти диаграммы, даже соответствующие гомогенной линейно-упру
гой керамике, строго линейны (рис. 3,6). Вероятно, такая нелинейность
(кроме экспериментальных погрешностей) является одной из причин воз
можного разброса данных на зависимостях Е т — К 1с, в том числе и для
гомогенной линейно-упругой керамики [31]. Поэтому далее в качестве ха
рактеристики сопротивления керамики разрушению рассматривается только
сопротивление скалыванию4* , рассчитываемое как среднее значение
отношения разрушающей нагрузки при скалывании Р ^ к величине шрама
1 п
— ^ Р р / Ц , п - число экспериментальных точек).
п 1=1
Для подтверждения достоверности результатов работы [31] были прове
дены дополнительные испытания гомогенной линейно-упругой керамики
(табл. 3), данные которых также нанесены на диаграмму — К 1с (рис. 4,а).
Из рис. 4,а следует, что появление полученных точек не изменило характер
базовой диаграммы. Поэтому она может рассматриваться как “базовая” при
дальнейших исследованиях в рассматриваемом направлении. Также видно,
что при испытаниях по методу ББ керамики, подобной по механическому
поведению материалу, исследованному в работе [14], значения характерис
тик и К 1с оказываются пропорциональными. Пропорциональность
величин и К 1с можно считать своеобразным подтверждением одно
значности энергетического и силового подходов к оценке трещиностойкости
гомогенного линейно-упругого материала согласно принципам линейной
механики разрушения [7, 13].
На основании вышеизложенного в первом приближении можно сделать
следующее предположение. Вероятно, обсуждавшиеся результаты опреде
ления трещиностойкости, полученные на одних и тех же образцах кера
мики, поведение которой не противоречит модели твердого тела линейной
механики разрушения, можно рассматривать как достоверные, так как они
аналогичны, несмотря на то что получены с использованием различных
методов испытаний (ББ и ББУКВ).
Точки, соответствующие результатам определения сопротивления не
упругой керамики скалыванию, располагаются справа от базовой линии
(рис. 4,6). Там же находятся, например, значения для композиционной
керамики БЬ^+ТЮ , при скалывании кромок образцов которой возникали
дополнительные трещины, а разрушающие трещины иногда останавлива
лись (рис. 5), что связано с характерным, но не всегда контролируемым про
цессом разрушения. Для выяснения возможной причины такого располо-
4) Ранее нами использовался термин “вязкость скалывания” [31]. Однако, приняв во внима
ние, что термин “вязкость” в механике разрушения [11] относится к пластическому деформи
рованию материалов, ввели более точное определение “сопротивление скалыванию”.
ISSN 0556-171Х. Проблемыг прочности, 2006, № 3 67
Г. А. Гогоци
жения опытных данных в качестве примера выбрали керамику ТБ^гаёе, для
которой характерны нелинейные диаграммы деформирования и разрушения,
и предприняли попытку наложить точку ★ на базовую линию (рис. 6,а). В
результате оказалось, что получена новая (точнее, скорректированная) ха
рактеристика трещиностойкости, которую обозначили К 1са. По величине
она примерно равна начальному значению К к на Я-кривой [37] для этой
керамики (рис. 6,6).
Рис. 4. Зависимости сопротивления скалыванию от критического коэффициента интенсив
ности напряжений: а - базовая линия, аппроксимирующая результаты испытания гомогенной
линейно-упругой керамики; б - результаты испытаний керамики, не соответствующие базо
вой линии.
Рис. 5. Зона разрушения образца композиционной керамики 813Ы4+Т1С: а - вид сверху; б ■
вид сбоку.
/•д, Н/мм
600
400
200
Кц, МПа-м
-
15-
X ТЗ ^гаёе
ш/ 10- '
, - і І - ,
Ж 5- ‘ ^ — Л— 1-1
т т
----- 1___ і___ і___ і__
К\са. . . . .
о-
. , . , . , . , .
3 5
а
7 К1с, МПа-м1'
Рис. 6. Корректировка критического коэффициента интенсивности напряжений керамики
ТБ^гаёе [37].
68 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2006, № 3
Сопротивление керамики разрушению
Точки, соответствующие результатам испытания гетерогенной линейно
упругой керамики, располагаются слева от базовой линии (рис. 4,6). Если
сравнить сколы на образцах этой керамики и керамики, точки которой
соответствуют базовой линии (например, вРЗБК), то представляется, что
первая из них лучше сопротивляется разрушению на первом его этапе, когда
в образце формируется источник разрушения (образование зоны поврежде
ния керамики). Критерием при таком анализе может служить, например,
коэффициент повреждаемости к, равный отношению ширины ядра повреж
дения К к ширине скола w (рис. 7). Это отчетливо видно на сколах
керамики ЕКа$1с®, которая используется при изготовлении брони [38].
в
Рис. 7. Шрамы сколов на образцах керамики: а — ЕКазк®С; 6 — ТейаЬог®; в — ОР88Ы (вид
сбоку).
Располагая вышеупомянутой информацией, можно сделать второе пред
положение. Если в результате испытаний одних и тех же образцов с исполь
зованием отличающихся между собой методов ЕБ и БЕУКБ были получены
неоднозначные данные, то это может означать, что либо оба метода, либо
один из них являются недостоверными для рассматриваемого случая. Сомне
ние может вызвать метод БЕУКБ, но не метод ЕБ, который предполагает
прямые измерения, а поэтому на результаты испытаний, полученные при его
использовании (как это имело место при применении подобного метода в
доисторическую эпоху), не должны влиять особенности испытуемого мате
риала. Однако в действительности это связано с тем, что метод ЕБ ориен
тирован на оценку сопротивления керамики образованию и страгиванию
трещины, а особенностью метода БЕУКБ является возможность определе
ния сопротивления керамики распространению трещины.
Таким образом, полученные данные и их анализ свидетельствуют о том,
что метод ЕБ может использоваться наравне с другими методами испытаний
на трещиностойкость.
IS S N 0556-171Х. Проблемы прочности, 2006, № 3 69
Г. А. Гогоци
3.2. Л иния сопрот ивления р азруш ению (Я-линия). Установлено, что экс
периментальные точки для негомогенной линейно-упругой керамики распо
лагаются слева от базовой линии, вероятно, благодаря повышенной сопро
тивляемости повреждению (формированию концентратора напряжения). А
точки для неупругой и композиционной керамики, обладающей повышенной
способностью сопротивляться распространению стартовавшей трещины, на
ходятся справа от базовой линии (рис. 4,6). Иначе говоря, базовая линия
может быть полезной при оценке особенностей сопротивления керамики
разрушению. Была предпринята попытка более четкого графического пред
ставления вышеизложенного путем построения линий сопротивления разру
шению (Я-линии) в виде зависимости сопротивления скалыванию от раз
меров шрама скола, т.е. от увеличения поверхности разрушения (размеров
поверхности шрамов сколов на образце). Я-линия отличается от известной
Я-кривой [7] тем, что является зависимостью характеристики трещиностой-
кости от двухкоординатного изменения поверхности разрушения и строится
по тем же экспериментальным данным, по которым определяются значения
Б я . В отличие от этого, Я-кривая является зависимостью трещиностойкости
от длины распространяющейся разрушающей трещины (однокоординатное
изменение поверхности разрушения). В нашем случае сопротивление росту
трещины можно выразить как Я ^ = ЛА/ЛБ (А - энергия, необходимая для
роста трещины, Б - удельная поверхность разрушения), в случае Я-кривой -
аналогичной величиной Я = ЛА/Ла, где а - длина трещины [3]. Заметим
также, что для построения Я-кривой необходимы результаты испытаний,
соответствующие контролируемому распространению трещины, а это
обусловливает использование нагружающих систем высокой жесткости. И
при этом необходимы дополнительные образцы, помимо тех, которые
используются для определения величины К 1с изучаемой керамики.
Рд, Н/мм Хм, МПа-м
0,1 0,2 0,3 0,4 Д/, мм
6
Рис. 8. Я-линии для 813Ы4 (А), Бс20 3 (□) (а) и Я-кривая для 813Ы4 [19] (6).
Я-линии гомогенной линейно-упругой керамики (например, рис. 8,а)
располагаются параллельно оси Ь, т.е. являются плоскими. Это свидетель
ствует об отсутствии у такой керамики механизма, тормозящего распро
странение трещины, что также подтверждается плоской Я-кривой подобной
керамики (рис. 8,6 [19]), которая обусловлена инвариантностью поверх
70 1ББМ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2006, № 3
Сопротивление керамики разрушению
ностной энергии [13]. Для остальной керамики ^-линии являются возрас
тающими и могут быть линейными или нелинейными (рис. 9,а), а также
сходными с начальными участками ^-кривых для той же керамики (рис. 9,6).
Н/мм К ш , М П а-м12
а б
Рис. 9. Нелинейные Л-линии (а) и Л-кривые (б) для диоксидциркониевой и оксидалюми-
ниевой керамики (О - оптические, • - АЕ измерения).
В заключение отметим, что Л-линии могут представлять интерес для
любых исследований трещиностойкости керамики, так как содержат полез
ную информацию об особенностях ее разрушения.
Р е з ю м е
Проаналізовано сучасні методи визначення тріщиностійкості кераміки та
показано, що процес руйнування зразків можна поділити на три етапи:
формування концентратора напруження, зародження і поширення тріщини.
Відзначається, що стандартні методи дозволяють проводити визначення на
другому і третьому етапах, а метод ББ, що обговорюється, - на всіх трьох
етапах; при цьому випробування можна проводити на зразках малих роз
мірів. Опір сколюванню Г л визначався за допомогою індентора Роквелла
на зразках оксидної та неоксидної лінійно-пружної і непружної кераміки, а
також керамічних композитів. Установлено, що величини Г л для гомо
генної лінійно-пружної кераміки інваріантні (не залежать від навантаження
сколювання і розмірів шраму відколу). Показано, що на діаграмі опір
сколюванню - критичний коефіцієнт інтенсивності напружень ліворуч від
базової лінії знаходяться значення для кераміки з підвищеним опором
пошкодженню в порівнянні з гомогенною лінійно-пружною керамікою, екс
периментальні значення якої лягають на цю лінію. Праворуч від базової
лінії знаходяться експериментальні значення для кераміки з підвищеним
опором поширенню тріщин. Пропонуються діаграми опору кераміки поши
ренню тріщин (Л-лінії), аналогічні відомим Л-кривим, але визначені шляхом
сколювання кромок керамічних зразків. Для гомогенної лінійно-пружної
кераміки ці лінії - плоскі, що свідчить про інваріантність її поверхневої
енергії.
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2006, N 3 71
Г. А. Гогоци
1. G arvie R. C., H a n n in k R . H. J ., a n d P ascoe R. T.Ceramic steel? // Nature. -
1975. - 258. - P. 703 - 704.
2. B la tter A. J ., L akshm inareyanan R ., a n d Shetty D. K. Toughning of layered
ceramics composites with residual surface compression: Effect of layer
thickness // Eng. Fract. Mech. - 2001. - 68. - P. 1 - 7.
3. G ogotsi G. A . Fracture toughness studies on ceramics and ceramic particulate
composites at different temperature // Fracture Resistance Testing of
Monolithic and Composite Brittle Materials. - ASTM STP 1409 / J. A. Salem,
G. D. Quinn, and M. G. Jenkins (Eds.). - Pennsylvania: American Society
for Testing and Materials, 2002. - P. 76 - 92.
4. Гогоци Г. А . Трещиностойкость современной керамики и керамических
композитов // Порошк. металлургия. - 2004. - № 7/8. - С. 54 - 67.
5. B row n W. F. a n d Sraw ley J. E . Plain strain crack toughness testing of high
strength metallic materials // ASTM STP 410. - Pennsylvania: American
Society for Testing and Materials, 1966. - P. 63 - 65.
6. E vans A. G. a n d C harles E. A . Fracture toughness determination by
indentation // J. Amer. Ceram. Soc. - 1976. - 59, No. 7-8. - P. 371 - 372.
7. B ro ek D . The Practical Use of Fracture Mechanics. - Dordrec: Kluwer,
1989. - 522 p.
8. A S T M C 1421-99. Standard Test Method for the Determination of Fracture
Toughness of Advanced Ceramics at Ambient Temperature // Annual Book of
ASTM Standards. - Philadelphia: American Society for Testing Materials,
1999.
9. C E N /TS 14425-5:2004. Advanced Technical Ceramics. Test Methods for
Determination of Fracture Toughness of Monolithic Ceramics. Pt. 5: Single
Edge V-Notch Beam (SEVNB) Method. - Brussels: CEN, 2004.
10. M cC orm ick N. and A lm o n d E. Edge flaking of brittle materials // J. Hard
Mater. - 1990. - 1, No. 1. - P. 25 - 51.
11. Б р о е к Д . Основы механики разрушения. - М.: Высш. шк., 1980. - 368 c.
12. П анасю к В. В ., А ндрейкив А. Е , П арт он В. 3. Основы механики
разрушения. - Киев: Наук. думка, 1988. - Т. 1. - 487 с.
13. A nderson T. L. Fracture Mechanics: Fundamentals and Application. - Roca
Batton: CRC Press, 1995. - Second edition. - 688 p.
14. G riffits A. A . The phenomena of rupture and flow in solids // Phil. Trans.
Roy. Soc. - 1920. - 221A. - P. 163 - 198.
15. Ч ерепанов Г. П . Механика хрупкого разрушения. - М.: Наука, 1974. -
640 c.
16. Х о ни ко м б Р. Пластическая деформация металлов. - М.: Мир, 1972. -
408 с.
17. G ogotsi G. A . Deformation behavior of ceramics // J. Eur. Ceram. Soc. -
1991. - No. 2. - P. 87 - 92.
18. Tsacum a K . Mechanical properties and thermal stability of CeO2 containing
tetragonal zirconia pollycrystal // Amer. Ceram. Soc. Bull. - 1985. - No. 12.
- P. 1594 - 1596.
72 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2006, № 3
Сопротивление керамики разрушению
19. P rim as R. J. and G strein R . ESIS TC6 Round Robin on Fracture Toughness
// EMPA Report No. 155’088. - Dubendorf: Swiss Federal Laboratories for
Materials Testing and Research, 1995.
20. F ischer H. a n d M a rx R. Fracture toughness of dental ceramics: comparison
of bending and indentation method // Dental Mater. - 2002. - No. 1. - P. 112
- 119.
21. R a y K. K. and D utta A. K . Comparative study on indentation fracture
toughness evaluations of soda-lime-silica glass // Brit. Ceram. Trans. - 1999.
- 98, No. 4. - P. 165 - 171.
22. L i Z., G hosh A ., K obayash A ., a n d B ra d t R. Indentation fracture toughness of
sintered silicon carbide in the Palmqvist crack regime // J. Amer. Ceram.
Soc. - 1989. - 72, No. 6. - P. 904 - 911.
23. Q uinn G. D., Salem J ., Isa B ar-O n I., Cho K , e t al. Fracture toughness of
advanced ceramics at room temperature // J. Res. Nat. Inst. Stand. Technol. -
1992. - No. 97. - P. 579 - 607.
24. J IS R 1607. Testing Method for Fracture Toughness Evaluation of High
Performance Ceramics. - Tokyo: Japanese Standards Association, 1990.
25. W iederhorn S. M . Brittle fracture and toughening mechanisms in ceramics //
Ann. Res. Mater. Sci. - 1984. - 14. - P. 373 - 403.
26. C lark F ., Ta ttersa ll H ., a n d Tappin G. Toughness of ceramics and their work
of fracture // Proc. Brit. Ceram. Soc. - 1966. - No. 6. - P. 163 - 172.
27. A lm o n d E. and M cC orm ick N . Constant geometry edge flaking of brittle
materials // Nature. - 1986. - 321. - P. 53 - 55.
28. Гогоци Г ., М удрик С., К винн Ж . Трещиностойкость кромки нитридо
кремниевой керамики: методика и результаты // Междунар. конф. “Но
вейшие технологии в порошковой металлургии и керамике” : Тез. докл.
- Киев: ИПМ, 2003. - C. 375 - 376.
29. G ogotsi G. A ., M u d rik S. P ., a n d R end te l A. Sensitivity of silicon carbide and
other ceramics to edge fracture: method and results // 28th Int. Conf.
Advances Ceramics and Composites / E. Lara-Curzio and M. Readey (Eds.). -
Westerville: American Ceramic Society, 2004. - 25. - P. 156 - 163.
30. Г огоци Г. А ., М удрик С. П. Трещиностойкость керамики при скалывании
кромок образцов // Пробл. прочности. - 2004. - №. 5. - C. 133 - 137.
31. Гогоци Г. A ., Г аленко В. И ., О зерский Б. И ., Х рист евич T. A . Сопро
тивление керамики разрушению: метод скалывания кромки // Там же. -
2005. - №. 5. - P. 84 - 92.
32. M o rre ll R. a n d G ant A . Edge chipping - what does it tell us? // Fractography
of Glasses and Ceramics IV / J. R. Varuer and G. D. Quinn (Eds.). -
Westerville: American Ceramics Society, 2001. - 122. - P. 23 - 41.
33. Q uinn J. a n d L lo yd I . Flake and scratch size ratios in ceramics // Ibid. - P. 57
- 72.
34. P etit F ., D escam ps P ., E rauw J. P ., a n d C am bier F . Toughness (K Ic)
measurement by a sliding indentation method // Key Eng. Mater. - 1992. -
206-213. - P. 629 - 632.
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2006, № 3 73
Г. А. Гогоци
35. G ogotsi G. A . Fracture toughness of ceramics and ceramic composites //
Ceram. Int. - 2003. - 29. - P. 777 - 784.
36. Ст епнов М . H . Статистические методы обработки результатов механи
ческих испытаний. - М.: Машиностроение, 1985. - 231 с.
37. G ogotsi G. A ., D rozdov A. V., Zavada V. P ., a n d Sw ain M . V. Comparison of
the mechanical behavior of partially stabilized zirconia with yttria and
magnesia // J. Austr. Ceram. Soc. - 1991. - No. 27. - P. 37 - 49.
38. Schw etz K ., K e m p f T ., Saldsieder D ., an d Telle R. Toughness and hardness of
LPS-SiC and LPS-SiC based composites // 28th Int. Conf. Advances
Ceramics and Composites / E. Lara-Curzio and M. Readey (Eds.). -
Westerville: American Ceramics Society, 2004. - 25. - P. 579 - 588.
Поступила 26. 12. 2005
74 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2006, № 3
|