Розмір шрифту:
МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ЕВТЕКТИЧНОГО КОМПОЗИТУ СИСТЕМИ B4C-TaB2-SiC
Остання редакція: 2021-05-25
Тези доповіді
Спрямовано закристалізовані евтектичні композити на основі карбіду бору привертають увагу завдяки високій міцності, тріщиностійкості, а також повзучості. Навіть при високих температурах дані матеріали зберігають свої властивості [1]. Таким чином, композити системи B4C-MeB2-SiC являються перспективними та цікавими для дослідження конструкційними матеріалами. Основною метою даної роботи є отримання евтектичного композиту системи B4C-TaB2-SiC та дослідження його фізико-механічних властивостей.
Було приготовлено порошкові суміші складу B4C-8TaB2-40SiC (мол. %). Одержання зразків відбувалось за допомогою методу безтигельного зонного плавлення неспечених порошкових пресовок [2]. Мікроструктура композитів досліджувалась за допомогою сканувального електронного мікроскопа «SELMI РЕМ 106И».
Мікромеханічні властивості досліджувалися за допомогою мікротвердоміра MHV-1000 при навантаженні – 9,81 Н. Тріщиностійкість оцінювалась за методикою індентування і розраховувалась за допомогою рівняння Анстіса [3].
Теплове розширення досліджуваних композитів проводилось за допомогою дилатометра DIL 402C/7. Нагрівання проводилось в інтервалі температур 20 – 1650 оС зі швидкістю 5 град/хв протягом 10 годин. Вимірювання проводилось у захисній атмосфері аргону.
Структура композиту B4C-8TaB2-40SiC являє собою рівномірно розподілену по всьому об’єму зразка трифазну евтектику B4C-TaB2-SiC, однаково як для поперечного так і для повздовжнього напрямку. Трифазна евтектика має ламеллярну або пластинчасту структуру.
Отриманні результати твердості за Віккерсом та тріщиностійкості для евтектичного композиту B4C-8TaB2-40SiC показали, що незважаючи на наявність анізотропії структури для повздовжнього та поперечного напрямків, твердість знаходиться в межах 33-34 ГПа. Дані значення твердості цілком узгоджуються зі значеннями твердості, отриманими для евтектичних ділянок системи B4C-TaB2-SiC [4].
Тріщиностійкість евтектичного композиту B4C-8TaB2-40SiC знаходиться в межах 3,9 ± 0,5 МПа∙м1/2, що достатньо близько зі значеннями тріщиностійкості для евтектичних композитів B4C-20ZrB2-40SiC (4,2 МПа∙м1/2) [5] та B4C-8,1TiB2-40,7SiC (4 МПа∙м1/2) [6]. Низьке значення тріщиностійкості пояснюється тим, що тріщини легко поширюються у великих (до 6 мкм) однофазних прошарках карбіду бору та карбіду кремнію, у яких значення тріщиностійкості невелике B4C – 3,5 МПа∙м1/2 [7] та SiC – 3,5-4,1 МПа∙м1/2 [8].
Температурна залежність відносного видовження для композита B4C-8TaB2-40SiС являє собою лінійну залежність зміни розмірів зразка з підвищенням температури. Розрахований коефіцієнт термічного розширення за температур 22 – 1200 оС, знаходиться в межах 7,72 – 8,79∙10-6 K-1. Потрібно зазначити, що при 842 оС спостерігається різка зміна відносного видовження.
Були визначені значення твердості за Віккерсом (33-34 ГПа), тріщиностійкості (3,9 МПа∙м1/2) та досліджений коефіцієнт термічного розширення в температурному інтервалі 22 – 1600 оС, який становить 7,72 – 8,79∙10-6 K-1.
Література:
1. Y. Waku, N. Nakagawa, T. Wakamoto, H. Ohtsubo, K. Shimizu, and Y. Kohtoku, Nature, 389: 49 (1997).
2. I. Bogomol, T. Nishimura, O. Vasylkiv, Y. Sakka, P. Loboda. Microstructure and high-temperature strength of B4C–TiB2 composite prepared by a crucibleless zone melting method, J. Alloys Compd., 2009, vol. 485, nos. 1-2, pp. 677-681. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.06.044
3. G.R. Anstis P. Chantikul B.R. Lawn D.B. Marshall. A Critical Evaluation of Indentation Techniques for Measuring Fracture Toughness: I, Direct Crack Measurements, J. Am. Ceram. Soc., 1981, vol. 64, no. 9, pp. 533-538. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1981.tb10320.x
4. M. I. Upatov, E. R. Abdullaieva, V. V. Bolbut, Yu. I. Bogomol. Structure and Properties of Directionally Solidified Alloy of B4C–TaB2–SiC System, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 2020, vol. 42, no. 12, pp. 1701-1713. DOI: https://doi.org/10.15407/mfint.42.12.1701
5. R. Tu, N. Li, Q. Z. Li, S. Zhang, T. Goto &L. M. Zhang. Preparation of B4C–ZrB2–SiC ternary eutectic composites by arc melting and their properties, Mater. Res. Innovations, 2015, vol. 19, no. 10, pp. 26-29. DOI: https://doi.org/10.1179/1432891715Z.0000000002079
6. W. Li, R. Tu, T. Goto. Preparation of directionally solidified B4C–TiB2–SiC ternary eutectic composites by a floating zone method and their properties, Mater. Trans., 2005, vol. 46, no. 9, pp. 2067–2072. DOI: https://doi.org/10.2320/matertrans.46.2067
7. K. Sairam, J.K.Sonber, T.S.R.Ch. Murthy, C. Subramanian, R.C. Hubli, A.K.Suri. Development of B4C–HfB2 composites by reaction hot pressing, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., vol. 35, pp. 32-40. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2012.03.004
8. W.G. Fahrenholtz, G.E. Hilmas, I.G. Talmy, J.A. Zaykoski. Refractory Diborides of Zirconium and Hafnium, J. Am. Ceram. Soc., 2007, vol. 90, no. 5, pp. 1347–1364. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2007.01583.x.
Було приготовлено порошкові суміші складу B4C-8TaB2-40SiC (мол. %). Одержання зразків відбувалось за допомогою методу безтигельного зонного плавлення неспечених порошкових пресовок [2]. Мікроструктура композитів досліджувалась за допомогою сканувального електронного мікроскопа «SELMI РЕМ 106И».
Мікромеханічні властивості досліджувалися за допомогою мікротвердоміра MHV-1000 при навантаженні – 9,81 Н. Тріщиностійкість оцінювалась за методикою індентування і розраховувалась за допомогою рівняння Анстіса [3].
Теплове розширення досліджуваних композитів проводилось за допомогою дилатометра DIL 402C/7. Нагрівання проводилось в інтервалі температур 20 – 1650 оС зі швидкістю 5 град/хв протягом 10 годин. Вимірювання проводилось у захисній атмосфері аргону.
Структура композиту B4C-8TaB2-40SiC являє собою рівномірно розподілену по всьому об’єму зразка трифазну евтектику B4C-TaB2-SiC, однаково як для поперечного так і для повздовжнього напрямку. Трифазна евтектика має ламеллярну або пластинчасту структуру.
Отриманні результати твердості за Віккерсом та тріщиностійкості для евтектичного композиту B4C-8TaB2-40SiC показали, що незважаючи на наявність анізотропії структури для повздовжнього та поперечного напрямків, твердість знаходиться в межах 33-34 ГПа. Дані значення твердості цілком узгоджуються зі значеннями твердості, отриманими для евтектичних ділянок системи B4C-TaB2-SiC [4].
Тріщиностійкість евтектичного композиту B4C-8TaB2-40SiC знаходиться в межах 3,9 ± 0,5 МПа∙м1/2, що достатньо близько зі значеннями тріщиностійкості для евтектичних композитів B4C-20ZrB2-40SiC (4,2 МПа∙м1/2) [5] та B4C-8,1TiB2-40,7SiC (4 МПа∙м1/2) [6]. Низьке значення тріщиностійкості пояснюється тим, що тріщини легко поширюються у великих (до 6 мкм) однофазних прошарках карбіду бору та карбіду кремнію, у яких значення тріщиностійкості невелике B4C – 3,5 МПа∙м1/2 [7] та SiC – 3,5-4,1 МПа∙м1/2 [8].
Температурна залежність відносного видовження для композита B4C-8TaB2-40SiС являє собою лінійну залежність зміни розмірів зразка з підвищенням температури. Розрахований коефіцієнт термічного розширення за температур 22 – 1200 оС, знаходиться в межах 7,72 – 8,79∙10-6 K-1. Потрібно зазначити, що при 842 оС спостерігається різка зміна відносного видовження.
Були визначені значення твердості за Віккерсом (33-34 ГПа), тріщиностійкості (3,9 МПа∙м1/2) та досліджений коефіцієнт термічного розширення в температурному інтервалі 22 – 1600 оС, який становить 7,72 – 8,79∙10-6 K-1.
Література:
1. Y. Waku, N. Nakagawa, T. Wakamoto, H. Ohtsubo, K. Shimizu, and Y. Kohtoku, Nature, 389: 49 (1997).
2. I. Bogomol, T. Nishimura, O. Vasylkiv, Y. Sakka, P. Loboda. Microstructure and high-temperature strength of B4C–TiB2 composite prepared by a crucibleless zone melting method, J. Alloys Compd., 2009, vol. 485, nos. 1-2, pp. 677-681. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.06.044
3. G.R. Anstis P. Chantikul B.R. Lawn D.B. Marshall. A Critical Evaluation of Indentation Techniques for Measuring Fracture Toughness: I, Direct Crack Measurements, J. Am. Ceram. Soc., 1981, vol. 64, no. 9, pp. 533-538. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1981.tb10320.x
4. M. I. Upatov, E. R. Abdullaieva, V. V. Bolbut, Yu. I. Bogomol. Structure and Properties of Directionally Solidified Alloy of B4C–TaB2–SiC System, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 2020, vol. 42, no. 12, pp. 1701-1713. DOI: https://doi.org/10.15407/mfint.42.12.1701
5. R. Tu, N. Li, Q. Z. Li, S. Zhang, T. Goto &L. M. Zhang. Preparation of B4C–ZrB2–SiC ternary eutectic composites by arc melting and their properties, Mater. Res. Innovations, 2015, vol. 19, no. 10, pp. 26-29. DOI: https://doi.org/10.1179/1432891715Z.0000000002079
6. W. Li, R. Tu, T. Goto. Preparation of directionally solidified B4C–TiB2–SiC ternary eutectic composites by a floating zone method and their properties, Mater. Trans., 2005, vol. 46, no. 9, pp. 2067–2072. DOI: https://doi.org/10.2320/matertrans.46.2067
7. K. Sairam, J.K.Sonber, T.S.R.Ch. Murthy, C. Subramanian, R.C. Hubli, A.K.Suri. Development of B4C–HfB2 composites by reaction hot pressing, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., vol. 35, pp. 32-40. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2012.03.004
8. W.G. Fahrenholtz, G.E. Hilmas, I.G. Talmy, J.A. Zaykoski. Refractory Diborides of Zirconium and Hafnium, J. Am. Ceram. Soc., 2007, vol. 90, no. 5, pp. 1347–1364. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2007.01583.x.
Full Text:
PDF