Пластификация циркониевой керамики, упрочненной оксидом алюминия, при добавлении диоксида кремния

Аннотация

Цель работы --- исследование особенностей деформации при комнатной температуре методом одноосного сжатия циркониевой керамики (стабилизированной оксидом кальция), упрочненной оксидом алюминия, с различным содержанием диоксида кремния (CaO-ATZ+SiO₂). Обнаружено, что введение добавки SiO₂ к CaO-ATZ-керамике обеспечивает проявление признаков пластичности при комнатной температуре, а именно возникновение стадии текучести на диаграммах нагружения. Наиболее ярко пластификация проявляется при содержании диоксида кремния 4 мол. %. При этом пластическая деформация (рассчитанная как разность деформаций, соответствующих пределу прочности и условному пределу текучести) достигает значения 0,79 %. Кроме того, введение добавки SiO₂ (концентрацией 2 мол. %) вызывает повышение предела прочности при сжатии до значения 2,66 ГПа и предельной деформации до значения 1,79 %. Показано, что превышение порогового значения концентрации SiO₂ (более 4,5 мол. %) вызывает резкое охрупчивание CaO-ATZ+SiO₂-керамики. Обнаруженная пластичность керамики при комнатной температуре объясняется повышением трансформируемости тетрагональной фазы диоксида циркония, что способствует усилению роли трансформационного механизма упрочнения. Достигнутый при комнатной температуре запас пластичности композиционной керамики на основе диоксида циркония обеспечивает перспективу расширения области ее практических приложений

Результаты получены с использованием оснащения Центра коллективного пользования научным оборудованием ТГУ им. Г.Р. Державина. Работа поддержана РНФ (грант № 22-29-00119, https://rscf.ru/project/22-29-00119) и Минобрнауки России в рамках проекта по соглашению № 075-15-2021-709 (уникальный идентификатор проекта RF-2296.61321X0037).

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Овчинников П.Н., Ефремова Н.Ю., Жигачева Д.Г. и др. Пластификация циркониевой керамики, упрочненной оксидом алюминия, при добавлении диоксида кремния. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2023, № 1 (106), с. 117--128. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2023-1-117-128

Литература

[1] Evans A. Perspective on the development of high-toughness ceramics. J. Am. Ceram. Soc., 1990, vol. 73, iss. 2, pp. 187--206. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1990.tb06493.x

[2] Ghaemi M., Reichert S., Krupa A., et al. Zirconia ceramics with additions of alumina for advanced tribological and biomedical applications. Ceram. Int., 2017, vol. 43,iss. 13, pp. 9746--9752. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.04.150

[3] Garvie R., Hannink R., Pascoe R. Ceramic steel? Nature, 1975, vol. 258, pp. 703--704. DOI: https://doi.org/10.1038/258703a0

[4] Zhang F., Lin L., Wang E. Effect of micro-alumina content on mechanical properties of Al₂O₃/3Y-TZP composites. Ceram. Int., 2015, vol. 41, iss. 9, part B, pp. 12417--12425. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.06.081

[5] Roy S., Gibmeier J., Schell K., et al. Internal load transfer in an interpenetrating metal/ceramic composite material studied using energy dispersive synchrotron X-ray diffraction. Mater. Sci. Eng. A., 2019, vol. 753, pp. 247--252. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.03.049

[6] Chevalier J., Liens A., Reveron H., et al. Forty years after the promise of "ceramic steel?": zirconia-based composites with a metal-like mechanical behavior. J. Am. Ceram. Soc., 2020, vol. 103, iss. 3, pp. 1482--1513. DOI: https://doi.org/10.1111/jace.16903

[7] Kobayashi K., Kuwajima H., Masaki T. Phase change and mechanical properties of ZrO₂-Y₂O₃ solid electrolyte after ageing. Solid State Ion., 1981, vol. 3-4, pp. 489--493. DOI: https://doi.org/10.1016/0167-2738(81)90138-7

[8] Turon-Vinas M., Zhang F., Vleugels J., et al. Effect of calcia codoping on ceria-stabilized zirconia J. Eur. Ceram. Soc., 2018, vol. 38, no. 6, pp. 2621--2631. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.12.053

[9] Жигачев А.О., Головин Ю.И. Наноструктурная циркониевая керамика на основе отечественного сырья --- бадделеита. Российские нанотехнологии, 2017, т. 12, № 7-8, с. 71--79.

[10] Michalek M., Sedlacek J., Parchoviansky M., et al. Mechanical properties and electrical conductivity of alumina/MWCNT and alumina/zirconia/MWCNT composites. Ceram. Int., 2014, vol. 40, iss. 1, part B, pp. 1289--1295. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.07.008

[11] Kondoh J., Shiota H., Kawachi K., et al. Yttria concentration dependence of tensile strength in yttria-stabilized zirconia. J. Alloys Compd., 2004, vol. 365, iss. 1-2, pp. 253--258. DOI: https://doi.org/10.1016/S0925-8388(03)00640-6

[12] Ushakov I.V., Feodorov V.A., Permyakova I.J. Determination of plasticity of thermally treated metallic glass by U-method and microindentation. Proc. SPIE, 2002, vol. 5127, pp. 246--251. DOI: https://doi.org/10.1117/12.517988

[13] Fedorov V.A., Ushakov I.V., Permyakova I.E. Mechanical properties and crystallization of an annealed cobalt-based amorphous alloy. Russ. Metall., 2004, vol. 3, pp. 293--297.

[14] Федоров В.А., Ушаков И.В. Влияние отжига на изменение характера деформирования и разрушения металлического стекла при локальном нагружении. ЖТФ, 2001, т. 71, № 6, с. 28--31.

[15] Shinkin V.N. Simple analytical dependence of elastic modulus on high temperatures for some steels and alloys. CIS Iron and Steel Review, 2018, vol. 15 pp. 32--38. DOI: https://doi.org/10.17580/cisisr.2018.01.07

[16] Головин Ю.И., Моргунов Р.В., Иванов В.Е. и др. Радиочастотные спектры парамагнитного резонанса, детектируемые по смещению дислокаций в монокристаллах NaCl. Физика твердого тела, 1999, т. 41, № 10, с. 1778--1784.

[17] Liens A., Swain M., Reveron H., et al. Development of transformation bands in ceria-stabilized-zirconia based composites during bending at room temperature. J. Eur. Ceram. Soc., 2021, vol. 41, iss. 1, pp. 691--705. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.08.062

[18] Дмитриевский А.А., Жигачева Д.Г., Ефремова Н.Ю. и др. Влияние примеси SiO₂ на трансформируемость тетрагональной фазы циркониевой керамики, армированной частицами Al₂O₃. Известия Юго-западного государственного университета. Сер. Техника и технологии, 2021, т. 11, № 1, с. 47--60.

[19] Dmitrievskii A.A., Zhigachev A.O., Zhigacheva D.G., et al. The influence of silicon dioxide on the stability of the phase composition and mechanical properties of alumina-toughened zirconia-based ceramics. Tech. Phys., 2020, vol. 65, no. 12, pp. 2016--2025. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063784220120075

[20] Dmitrievskiy A.A., Zhigacheva D.G., Efremova N.Yu., et al. Phase composition stability of nanostructured composite ceramics based on CaO--ZrO₂ under hydro-thermal impact. Nanotechnol. Russia, 2019, vol. 14, no. 3-4, pp. 125--131. DOI: https://doi.org/10.1134/S1995078019020058