Розмір шрифту:
ВИЗНАЧЕННЯ ТВЕРДОСТІ КЕРАМІКИ І СКЛА ПРИ ДРЯПАННІ ТА ІНДЕНТУВАННІ ПОВЕРХНІ АЛМАЗНИМИ ІНДЕНТОРАМИ
Остання редакція: 2022-03-22
Тези доповіді
Настоящая работа является дополнительной частью к ранее проведенным исследованиям механического поведения хрупких материалов в условиях локального контактного нагружения [1]. Выполнены определения важной механической характеристики – твердости, что характеризует способность материалов сопротивляться деформированию и разрушению при внедрении в их поверхность другого твердого тела. Различают несколько способов определения твердости: при статическом и динамическом индентировании, царапании или при истирании абразивом. Указанные испытания достаточно широко применяются как в экспериментальных научных исследованиях, так и в производственной практике, рассматриваются в качестве методов неразрушающего контроля для которых главные преимущества заключаются в их простоте, экономичности, доступности и производительности.
Цель работы состояла в определении твердости керамики и стекла при использовании методов механических испытаний на индентирование и царапание стандартными алмазными инденторами с последующей верификацией полученных результатов путем их сопоставления с литературными данными.
Экспериментальные исследования были выполнены на подготовленных образцах нитрид кремниевой и диоксид циркониевой керамики, а также на флоат-стекле в соответствии с основными положениями стандартов ASTM G171 – 03 (2009) “Standard test method for scratch hardness of materials using a diamond stylus” и ASTM C1327-15(2019) “Standard Test Method for Vickers Indentation Hardness of Advanced Ceramics”. В случае статического индентирования материалов применялся индентор Виккерса, тогда как царапание поверхности образцов осуществлялось индентором Роквелла.
Результаты определения твердости стекла и керамики представлены в таблицах 1 и 2, в которые для сравнения также были внесены данные из литературных источников подобных материалов. Методы определения твердости при локальном контактном нагружении обоснованно рассматриваются в качестве надежного и информативного инструмента физико-технического анализа состояния материалов и изменения их механических характеристик вследствие влияния технологических и эксплуатационных факторов, изучения особенностей деформирования и разрушения материалов.
Таблица 1. Сравнение значений твердости флоат-стекла, полученных в испытаниях на царапание и индентирование поверхности
в скобках указано количество выполненных экспериментов.
Таблица 2. Сравнение значений твердости керамических материалов, полученных в испытаниях на царапание и индентирование поверхности
Т
в скобках указано количество выполненных экспериментов.
Выводы представленного исследования:
- полученные экспериментальные значения твердости при индентировании индентором Виккерса для флоат-стекла удовлетворительно согласуются с известными литературными данными, тогда как для изучаемых керамических материалов эти значения меньше на 25%;
- полученные при царапании индентором Роквелла значения твердости стекла и керамики Si3N4 на 25…50% превышают литературные данные твердости при индентировании и царапании, а для керамики Y-TZP – больше на 15…46%;
- при оперировании значениями твердости при царапании необходимо учитывать существенное расхождение этих значений с данными, полученными при индентировании, в связи с чем, вероятно, необходимо использовать поправочные эмпирические коэффициенты для их корректного сопоставления.
Список литературных источников:
1. Хворостяний В. В. Опір руйнуванню крихких матеріалів при локальному навантаженні методом дряпання до крайового відколювання. Повідомлення 2. Залежність S+EF для лінійно-пружної кераміки / В. В. Хворостяний // Проблеми міцності. – 2021. – №3. – С. 75 – 84.
2. Newton L. Scratch edge chipping / L. Newton, M. G. Gee, R. Morrell // NPL Report DEPC-MN 026. – 2005. – P. 1 – 12.
3. Arora A. Indentation deformation/fracture of normal and anomalous glasses / A. Arora, D. B. Marshall, B. R. Lawn, M. V. Swain // J. Non-Cryst. Sol. – 1979. – 31. – P. 415 – 428.
4. Cook R. F. Direct observation and analysis of indentation cracking in glasses and ceramics / R. F. Cook, G. M. Pharr // J. Am. Ceram. Soc. – 1990. – 73. – P. 787 – 817.
5. Lawn B. R. Hardness, toughness and brittleness: an indentation analysis / B. R. Lawn, D. B. Marshall // J. Am. Ceram. Soc. – 1979. – 62. – P. 347 – 350.
6. Ramachandran N. Rising crack-growth-resistance (R-curve) behavior of toughened alumina and silicon nitride / N. Ramachandran, D. K. Shetty // J. Am. Ceram. Soc. – 1991. – 74. – P. 2634 – 2641.
7. Quinn J. «Edge toughness» and material properties related to the machining of dental ceramics / J. Quinn, L. Su, L. Flanders, I. Lloyd // Machining Science and Technology. – 2000. – 4. – P. 291 – 304.
Цель работы состояла в определении твердости керамики и стекла при использовании методов механических испытаний на индентирование и царапание стандартными алмазными инденторами с последующей верификацией полученных результатов путем их сопоставления с литературными данными.
Экспериментальные исследования были выполнены на подготовленных образцах нитрид кремниевой и диоксид циркониевой керамики, а также на флоат-стекле в соответствии с основными положениями стандартов ASTM G171 – 03 (2009) “Standard test method for scratch hardness of materials using a diamond stylus” и ASTM C1327-15(2019) “Standard Test Method for Vickers Indentation Hardness of Advanced Ceramics”. В случае статического индентирования материалов применялся индентор Виккерса, тогда как царапание поверхности образцов осуществлялось индентором Роквелла.
Результаты определения твердости стекла и керамики представлены в таблицах 1 и 2, в которые для сравнения также были внесены данные из литературных источников подобных материалов. Методы определения твердости при локальном контактном нагружении обоснованно рассматриваются в качестве надежного и информативного инструмента физико-технического анализа состояния материалов и изменения их механических характеристик вследствие влияния технологических и эксплуатационных факторов, изучения особенностей деформирования и разрушения материалов.
Таблица 1. Сравнение значений твердости флоат-стекла, полученных в испытаниях на царапание и индентирование поверхности
в скобках указано количество выполненных экспериментов.
Таблица 2. Сравнение значений твердости керамических материалов, полученных в испытаниях на царапание и индентирование поверхности
Т
в скобках указано количество выполненных экспериментов.
Выводы представленного исследования:
- полученные экспериментальные значения твердости при индентировании индентором Виккерса для флоат-стекла удовлетворительно согласуются с известными литературными данными, тогда как для изучаемых керамических материалов эти значения меньше на 25%;
- полученные при царапании индентором Роквелла значения твердости стекла и керамики Si3N4 на 25…50% превышают литературные данные твердости при индентировании и царапании, а для керамики Y-TZP – больше на 15…46%;
- при оперировании значениями твердости при царапании необходимо учитывать существенное расхождение этих значений с данными, полученными при индентировании, в связи с чем, вероятно, необходимо использовать поправочные эмпирические коэффициенты для их корректного сопоставления.
Список литературных источников:
1. Хворостяний В. В. Опір руйнуванню крихких матеріалів при локальному навантаженні методом дряпання до крайового відколювання. Повідомлення 2. Залежність S+EF для лінійно-пружної кераміки / В. В. Хворостяний // Проблеми міцності. – 2021. – №3. – С. 75 – 84.
2. Newton L. Scratch edge chipping / L. Newton, M. G. Gee, R. Morrell // NPL Report DEPC-MN 026. – 2005. – P. 1 – 12.
3. Arora A. Indentation deformation/fracture of normal and anomalous glasses / A. Arora, D. B. Marshall, B. R. Lawn, M. V. Swain // J. Non-Cryst. Sol. – 1979. – 31. – P. 415 – 428.
4. Cook R. F. Direct observation and analysis of indentation cracking in glasses and ceramics / R. F. Cook, G. M. Pharr // J. Am. Ceram. Soc. – 1990. – 73. – P. 787 – 817.
5. Lawn B. R. Hardness, toughness and brittleness: an indentation analysis / B. R. Lawn, D. B. Marshall // J. Am. Ceram. Soc. – 1979. – 62. – P. 347 – 350.
6. Ramachandran N. Rising crack-growth-resistance (R-curve) behavior of toughened alumina and silicon nitride / N. Ramachandran, D. K. Shetty // J. Am. Ceram. Soc. – 1991. – 74. – P. 2634 – 2641.
7. Quinn J. «Edge toughness» and material properties related to the machining of dental ceramics / J. Quinn, L. Su, L. Flanders, I. Lloyd // Machining Science and Technology. – 2000. – 4. – P. 291 – 304.
Ключові слова
Твердость; индентирование; царапание; стекло; керамика