М. Н. НАЗАРОВ, Е. Г. СКРИПНЯК
Научный руководитель – В. А. СКРИПНЯК, д. ф.-м. н.
Томский государственный университет
СДВИГОВАЯ ПРОЧНОСТЬ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ И ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ
ПРИ ИНТЕНСИВНОМ ИМПУЛЬСИВНОМ НАГРУЖЕНИИ
В роботе представлены данные о сдвиговой прочности нанокристаллических керамических материалов в ударных волнах. Исследованы керамические материалы двух классов: на основе оксида алюминия и диоксида циркония. Значения сдвиговой прочности керамик получены с использованием экспериментальных данных о распространении ударных волн в образцах нанокристаллических керамических материалов.
Механические свойства объемных наноструктурных и нанокристаллических материалов при динамическом нагружении являются предметом изучения в последние годы [1-3].
В работе представлены данные о сдвиговой прочности керамических материалов на основе оксида алюминия и диоксида циркония в ударных волнах. Исследуемые нанокристаллические керамические материалы на основе оксида алюминия были созданы в ИФПМ СО РАН [2] и имели следующие механические характеристики: плотность – 3.55 г/см3, средний размер кристаллитов – 70 нм, пористость – 10.1% [2]. Исследуемые нанокристаллические керамические материалы на основе диоксида циркония имели следующие механические характеристики: плотность – 5.16 г/см3, средний размер кристаллитов – 40 нм, пористость – 15.4% [2].
Оценки сдвиговой прочности керамики выполнены с использованием экспериментальных данных о структуре ударных импульсов микросекундной длительности [2]. Импульсы напряжений генерировались в керамических образцах при ударе алюминиевыми пластинами толщиной 2 мм со скоростью от 600 м/с до 1200 м/с.
Анализ ударно-волновых профилей показал, что керамика на основе диоксида циркония с размерами кристаллитов 40 нм и пористостью 15.4% обладает сдвиговой прочностью 0.328 ГПа. Это значение в 6 раз ниже, чем у крупнокристаллической керамики на основе диоксида циркония с пористостью 1%. Низкие значения сдвиговой прочности нанокерамики связаны с ее большой пористостью.
Значения сдвиговой прочности у керамики на основе оксида алюминия с размерами кристаллитов 70 нм и пористостью 10.1% - 1.4 ГПа. Указанные значения оказались сравнимыми со значениями для оксид-алюминиевой керамики ENSCI с размером зерна 1 мкм и пористостью 11 %.
В результате проведенных исследований было определены величины сдвиговой прочности двух марок нанокристаллической керамики. Обнаружено, что для этих материалов сдвиговая прочность за фронтом ударных волн с амплитудами до 20 ГПа превышает сдвиговую прочность в упругом предвестнике. Ударное сжатие нанокерамики вызывает увеличение сдвиговой прочности. Вследствие активации межкристаллитного проскальзывания в ударной волне залечивание пор не сопровождается развитием микротрещин. В отличие от крупнокристаллической керамики, нанокристаллическая оксид-алюминиевая керамика обладает высокой откольной прочностью при нагружении ударными импульсами с амплитудами, превышающими предел упругости Гюгонио [1,2].
Список литературы
1. Skripnyak V. A., Skripnyak E. G., Zukova T. puter simulation of spall fracture in ceramics under short shock pulse loading // Proc. Int. Workshop «New Models and Hydrocodes for Shock Waves Process n Condensed Matter» Edinburgh, Scotland, UK, 19-24 May, 2002, p. p.135.
2. , Канель., Г. И., , // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002. С. 182-187.
3. , , Скрипняк эффективных механических свойств нанокристаллической керамики от параметров структуры // Тез. докл. науч.-теор. конф., 16–19 сен. 2003. Новосибирск, 2003. С. 82-83.
