автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка принципов конструирования керамических материалов для процессов обработки резанием на основе исследования структуры, состава, свойств и микромеханизмов разрушения

Q /. /у/, x<f

, , f V t »' V i

Государственное научно-производственное предприятие

«Технология»

На правах рукописи

ШТАНОВ ОЛЕГ ВИКТОРОВИЧ

УДК 621.726.01.; 621.9.02.6.

РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ КОНСТРУИРОВАНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ, СОСТАВА, СВОЙСТВ И

МИКРОМЕХАНИЗМОВ РАЗРУШЕНИЯ

ч

Специальность 05.02.01 -материаловеднние (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени технических кандидата наук

Научные руководители: заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Верхотуров А.Д., . кандидат технических наук с.н.с. Фадеев B.C.

Благовещенск-1999

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................. 4

1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕОРИИ РАЗРУШЕНИЯ И ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ..................................................... 7

1.1. Физические основы разрушения................................. 7

1.2. Микромеханизмы разрушения металлов и сплавов.................. 17

1.2.1. Хрупкое разрушение........................................... 18

1.2.2. Вязкое разрушение............................................ 20

1.2.3. Усталостное разрушение....................................... 22

1.2.4. Влияние параметров структуры и субструктуры на усталостное разрушение..................................................... 26

1.3. Выводы..................................................... 34

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ, ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И СЛУЖЕБНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ КЕРАМИКИ........................... 35

2.1. Общая классификация методов исследования структуры, физико-механических характеристик и служебных свойств инструментальной керамики..................................................... 35

2.2. Методы исследования трещиностойкости и эффективной энергии разрушения................................................... 41

2.3. Методики определения микромеханических свойств инструментальных материалов............................................... 49

2.4. Электронно-микроскопические исследования поверхностей разрушения и изломов инструментальной керамики....................... 52

3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ, СОСТАВА И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ КЕРАМИКИ......... 67

3.1. Структура и состав инструментальной керамики................... 67

3.2. Вязкость разрушения инструментальных материалов на керамической матрице...................................................... 78

3.2.1. Фрактография распространения трещины при оценке вязкости разрушения....................................................... 83

3.2.2. Влияние состава и параметров структуры керамики на трещиностой-кость........................................................ 93

3.2.3. Влияние размера зерна на трещиностойкость...................... 96

3.3. Определение размеров критического дефекта в композиционных материалах на керамической основе................................ 97

3.4. Пути повышения трещиностойкости инструментальны керамик...... 98

3.5. Классификация разрушения керамического инструмента............ 99

3.6. Принципы разработки керамических материалов для процессов обработки резанием............................................... 106

3.7. Выводы.....................................................111

4. ХИМИЧЕСКИЕ, ФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОШКОВ НА ОСНОВЕ ЦИРКОНИЕВОГО КОНЦЕНТРАТА.. 113

4.1. Химические свойства..........................................113

4.2. Физические свойства...........................................114

4.3. Технологические свойства......................................120

4.4. Выводы......................................................120

5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННОЙ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ ЦИРКОНИЕВОГО ПРОДУКТА...............................................121

5.1. Получение дисперсных порошков на основе композиций оксидов.....121

5.2. Холодное прессование с последующим спеканием..................123

5.3. Горячее прессование...........................................128

5.4. Выводы......................................................130

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ............................................131

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..................133

ПРИЛОЖЕНИЯ...............................................143

ВВЕДЕНИЕ

Проблемы, связанные с изнашиванием и стойкостью инструментальных материалов, привлекали к себе постоянное внимание на всех этапах развития техники и технологии обработки металлов резанием.

В настоящее время, несмотря на определенные достижения в понимании физической природы прочности, в разработке методов расчета и прогнозирования свойств, служебных характеристик важность этих проблем в области создания триботехнических материалов возрастает. Последнее обусловлено действием целого комплекса факторов, определяющих значимость исследований в области физической природы изнашивания /39,40/ и работ, направленных на создание высокопрочных инструментальных материалов.

Первая группа факторов связана с увеличением термомеханичесих нагрузок на режущий инструмент, с расширением диапазона режимов резания реализуемого одной кромкой инструмента, с широким внедрением нового технологического дорогостоящего оборудования (гибких производственных модулей - ГПМ, на базе станков с ЧПУ) /99/.

Вторая группа факторов является производной от первой и связана с возрастанием требований к надежности и гарантированной стойкости инструмента для ГПС и ГПМ /43/.

Третья группа факторов, непосредственно обусловливает актуальность рассматриваемых вопросов, и связана с внедрением в технику принципиально новых обрабатываемых конструкционных и инструментальных материалов такими материалами являются градиентные инструментальные материалы на металлической или керамической матрице.

Возможности современных технологий получения и финишной обработки (шлифование, нанесение покрытий, химико-термическая обработка, ионная имплантация и.п.) позволяют наряду с созданием триботехнических материалов ставить задачи по оптимизации или управлению структурой этой груп-

пы материалов /119/. Причем управление структурой композиционного материала на субмикро, микро- и макроуровнях включает в себя не только варьирование составом, объемным содержанием упрочняющих фаз и матрицы, дислокационными структурными механизмами упрочнения поверхностей и микрообъемов, но и варьирование технологическими режимами как получения, так и эксплуатации инструментальных материалов.

Научную основу для разработки технологий получения износостойких материалов, прогнозирования и контроля физико-механических и функциональных свойств режущего инструмента, из сплавов на керамической и металлической матрицах, дает трибоника. Отличительная особенность трибоники функциональных материалов на керамической основе обусловлена сложностью и многообразием связей между переменными технологическими факторами процесса резания, физико-химическими явлениями сопутствующими процессу резания, видом и микромеханизмами изнашивания и разрушения.

Успешное решение задач, связанных с изучением проблемы изнашивания и стойкости режущего инструмента, производства инструментальных материалов, и в первую очередь на керамической основе, требует комплексного подхода, с позиций материаловедения и физики твердого тела, с привлечением тонких физических методов исследования микромеханизмов упрочнения, деформирования и изнашивания композитов.

Формирование и развитие такого подхода опирается, с одной стороны, на установление взаимосвязей между структурой, составом и свойствами известных марок материалов, на кинетическую концепцию прочности, согласно которой процессы изнашивания и разрушения инструмента, а также возникновения активных центров схватывания на его контактных поверхностях является термоактивационными, (т.е. развивающимися по мере увеличения износа -уровня термомеханических нагрузок в зоне резания), с другой - на определенные представления о механизме зарождения начальных микротрещин, переходе к формированию очага разрушения с последующим макроразрушением объе-

мов материала.

Объектами исследования в настоящей работе являются композиционные инструментальные материалы на керамической (а-А1203 и 813Н4) матрице. Исследуются деформационно-прочностные характеристики и механизмы разрушения материалов в широком диапазоне изменения структуры, состава и условий нагружения. Предлагаемый подход может быть применен при исследовании градиентных керамик и твердых сплавов, сверхтвердых материалов и других перспективных инструментальных материалов.

1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕОРИИ РАЗРУШЕНИЯ И ПРОЧНОСТИ

МАТЕРИАЛОВ

1.1. Физические основы разрушения

Современные теории прочности и разрушения материалов основаны на представлениях о микромеханизмах пластической деформации кристаллов. Определяющая роль пластической деформации в разрушении металлов показана в работах /52,135,7,150,151,154/. При термомеханическом нагружении, поведение металлов и сплавов во многом зависит от типа кристаллической структуры, которая в свою очередь определяет систему скольжения, т.е. плоскости и направления дислокационных сдвигов. В табл. 1.1. приведены основные сведения о плоскостях и направлениях скольжения в соединениях входящих в состав инструментальных материалов на керамических и металлических матрицах. Известно, что предпочтительным является скольжение в плоскостях и направлениях плотнейшей упаковки атомов. Если встречаются какие-либо препятствия в базисных плоскостях, то скольжение активизируется по другим направлениям. В случае если перемещение вакансий (перемещение экстраплоскости) затруднено, то вступают в действие, а точнее интенсифицируются, такие механизмы пластической деформации, как двойникование или образование полос сброса. И очевидно, что релаксация напряжений посредством межзеренного хрупкого или вязкого разрушения, а также сколом по плоскостям спайности, является следствием имеющихся дефектов или возникновения и развития субмикро-, микро- и макроскопических дефектов в сплавах.

Механизмы зарождения трещин в кристаллических структурах можно подразделить на дислокационные и диффузионные. Кроме того микротрещины могут образовываться при межзеренном сдвиге. Возможность образования трещин при пластической деформации по механизму сдвига в тройных стыках зерен (Ченга) рассмотрена в работах/25,33,106,75,14,8,145,31,64/. В этом случае пластическое течение проявляется в перемещении трех зерен относительно друг друга (рис. 1.1), что приводит к образованию пор вблизи тройных стыков,

стыков с двойниками и полосами скольжения.

Диффузионный механизм зарождения вакансий и микропор изучен в работах В.Л.Инденбома, В.И.Владимирова и А.Н.Орлова /14/, которые считают, что при высоких температурах и низких напряжениях пластическая деформация протекает преимущественно вакансионным механизмом. Возникновение субмикротрещин в этом случае объясняется диффузией и коагуляцией вакансий по границам зерен. Указанное предположение подтвердилось результатами экспериментальных исследований, показавших, что число пор увеличивается с ростом температуры испытаний (увеличение числа вакансий) и с уменьшением скорости ползучести (увеличение времени диффузии).

В.С.Иванова /31/ показывает возможность образования пор и трещин на межзеренной границе в процессе пластического течения, если существует ступенька сброса, образованная пересечением границы зерна полосой скольжения (рис. 1.2).

По мере повышения напряжения нагружения и снижения температуры испытаний, в объемах материала превалируют дислокационные механизмы зарождения микротрещин.

Микромеханизмы зарождения микротрещин в металлах и сплавах в низкотемпературном диапазоне эксплуатации материалов исследованы в работах /25,33,106,75,14,8,145,31,64/, где дислокационные механизмы зарождения трещин разделены на три группы.

К первой группе относятся схемы, базирующихся на концепции скопления, (нагромождения) дислокаций в отдельных плоскостях скольжения. В качестве эффективных барьеров на пути движущихся дислокаций в плоскости скольжения могут выступать границы зерен с большими углами разориенти-ровки, высокопрочные инородные включения, силовое поле напряжений у ранее возникших трещин и др. (рис. 1.3. а,б,в,г). Образование зародышевой трещины происходит в результате взаимодействия дислокаций и обусловлено полями упругих напряжений в вершине их скопления.

Таблица 1.1.

Плоскости и направления скольжения основных кристаллографических структур керамики

Формула стехиометри ческого соединения Тип структуры Параметр решетки, нм Плоскости скольжения Направление скольжения Число систем скольжения Плоскости скола

а с с/а

TiC ГЦК 0,4327 - - {111} <110> 4*3=12

TiN ГЦК 0,4328 - - {111} <110> 4*3=12

ТаС ГЦК 0,4455 - - {111} <110> 4*3=12

ZrC ГЦК 0,4697 - - {111} <110> 4*3=12

WC ГПУ 0,267 0,2836 0,975 {0001} <1120> 1*3=3 {0001}

- - - {1010} <1120> 3*3=9

- - - {1011} <1120> 6*1=6

(З-Со ГПУ 0,2906 0,4069 -

- - -

- - -

а-Со ГЦК 0,3544 - - {111} <110> 4*3=12

а-А1203 ГПУ 0,4759 1,2999 2,72 {0001} <1120> 1*3=3

Si3N4 ГПУ 0,7818 0,5591 0,7151 {1001} <1120> 6*1=6

Вторая группа механизмов разрушения включает модели, связывающие возникновение микротрещин с образованием дислокационных скоплений в процессе развития пластической деформации и взаимодействием дислокаций расположенных в пересекающихся системах скольжения: полоса скольжения -полоса скольжения, двойник - двойник (рис. 1.4. а,б). Теоретическая схема зарождения субмикротрещин в результате пересечения активных плоскостей скольжения была предложена А.Коттрелом и получила экспериментальное подтверждение в работе Т.Джонстона.

Третью группу составляют безбарьерные модели, согласно которым трещины образуются в результате взаимодействия дефектов кристаллической решетки при пластической деформации /7,6/. К числу известных безбарьерных механизмов относятся: вакансионный механизм, в соответствии с которым зарождение микротрещин происходит в результате объединения вакансий, образующихся при движении дислокаций со ступенькой; пересечение дислокациями мало угловых границ в процессе деформации (рис. 1.5); механизм зарождения трещины в результате аннигиляции дислокаций /137/ противоположных знаков, движущихся в близко расположенных параллельных плоскостях скольжения. В условиях интенсивной пластической деформации, возможна модель зарождения трещины предложенная Одингом И.А. /75/. Согласно данным работы /75/, зарождение трещин происходит в результате взаимодействия упругих полей напряжений образованных дислокациями, энергия которых достигает величины, соответствующей скрытой теплоте плавления. Анализ вышеизложенных данных позволяет сделать вывод о том, что в основе известных механизмов образования трещин в кристаллических материалах лежит пластическая деформация.

Не менее важным аспектом в проблеме разрушения металлов и сплавов является вопрос устойчивости микротрещин. При наиболее общих физических подходах можно ограничиться выделением двух стадий разрушения: докрити-ческой и закритической. На первой стадии, наиболее длительной, в объемах

Схема возникновения межзеренных трещин по механизму Ченга [9]

Схема зарождения поры при пересечении границы зерна полосой скольжения внутри зерна [17].

Рис. 1.1

Рис. 1.2

Схемы зарождения трещин в результате блокировки дислокаций в плоскостях скольжения

а)

I

11111

Т

б)

В)

а - у границ зерен;

б- у "жесткого" включения;

в -у ране возникшей трещины;

г - при пересечении двойника с межзеренной границей.

Рис 1.3

г)

сплава, протекает интенсивная пластическая деформация, ведущая к зарождению и медленному подрастанию микротрещины. На закритической стадии разрушения происходит спонтанное распространение трещины, предельная скорость движения которой, по отношению к скорости звука в сталях, составляет 0,2...0,9/135/.

Рассмотрим возможные варианты дислокационных механизмов подрастания трещин в твердых телах (рис. 1.6. а,б,в,г,д). По Е.О. Оровану /159/ (см. рис. 1.6.а) в условиях одноосного растяжения кубического кристалла, существовавшая ранее субмикротрещина, не способная к спонтанному росту, инициируется приближающейся полосой скольжения. Модель Паркера предполагает подрастание микротрещины за счет встречи пачек скольжения в окрестностях поверхностной трещины (см. рис. 1.6.б). Одним из наиболее вероятных механизмов докритического подрастания трещин является синтезирующий, предполагающий слияние трещины генерируемой по Уоттрелу, с поверхностной трещиной (см. рис. 1.6.в).

В механизме подрастания микротрещин предложенным А.Н. Орловым пластическая деформация поликристалла и рост в нем трещины происходят одновременно. Серия полос скольжения заблокирована границей или каким-либо барьером. При этом дислокационный источник, питающий полосу скольжения, "заперт" полем напряжений скопившихся дислокаций. Пусть в полосе сдвигов образовалась микротрещина. Скопившиеся дислокации должны войти в нее и тем самым разблокировать источник Франка-Рида. Напряжения падают, источник начинает нагнетать дислокации в трещину. В сжатой области трещина тормозится, затем ускоряется и скачком переходит к соседней полосе скольжения, где вызывает релаксацию. Очередная порция дислокаций вновь стимулирует рост трещины. Механизм А.Н.Орлова /32/ предполагает дискретный характер перемещения трещин даже на самых ранних стадиях ее роста. Эта модель получила эксперимента