В образцах с ПММА зависимости прочности от числа термоциклов однотипны для всех значений пористости (рис. 6, в). При этом наименее прочными оказываются образцы с пористостью 26% (выдерживают всего 10 циклов). В остальных случаях разрушение происходит уже при 20-25 циклах, что, возможно, объясняется отсутствием значительных полиморфных превращений. В результате сочетания двух компонент - изначально невысокой прочности и отсутствия механизма релаксации термических напряжений в матрице - термостойкость образцов с ПММА в среднем 2,5 раза ниже.
Констатация конечных результатов эксперимента не раскрывает сущности кинетических процессов, происходящих в керамике при термических нагрузках. Анализ этих процессов, с точки зрения термофлуктуационной модели, требует оценки скоростей снижения прочности и разрыва межатомных связей, значения которых приведены на рис. 7 и 8.
Рис. 7. Зависимости коэффициентов потери прочности (а) и энергии межатомных связей (б) ЧСДЦ с ПММА для пористостей (%)
Рис. 8. Временные зависимости коэффициентов потери прочности (а) и энергии межатомных связей (б) ЧСДЦ с разным содержанием МКС (%)
На рис. 7 показаны зависимости коэффициентов потери прочности (рис. 7, а) и скоростей разрыва межатомных связей (рис. 7, б) для образцов с добавками ПММА от времени термонагружения. По мере термоциклирования значения Кs растут по параболическому закону для образцов с любой пористостью. При этом самые высокие Кs наблюдаются для пористости 26%. Скорости разрыва межатомных связей являются постоянными для каждой структуры. Самая высокая скорость разрушения (15·10-20Дж/кc) у образцов без поро-образующих добавок с пористостью 15%. Она в 3 раза выше, чем для высокопористых образцов (55 и 60%). Плотные образцы выдерживают в 2 раза больше термоциклов за счет более высокой исходной прочности. Комплексный эксперимент, совмещенный с анализом результатов по термофлуктуационной модели, позволяет выбрать структуру с оптимальными параметрами прочности и долговечности в зависимости от способа эксплуатации материала. Такой подход к исследованию термомеханических свойств оказывается весьма полезным, позволяет адекватно оценить результат взаимодействия большого числа механизмов, участвующих в их формировании. Этот фактор должен способствовать выработке объективных и достоверных прогнозов, касающихся долговечности материала.
На рис. 8 представлены результаты анализа термостойкости керамики с более сложно сформированной структурой, ЧСДЦ с корундовыми микросферами. За первые 30 циклов образцы с 2, 10 и 20% МКС разрушаются полностью (Кs = 1) (рис. 8, а). Образцы, содержащие 4-8% МКС, теряют более половины исходной прочности, а за следующие 30 циклов - всего 10%. Поскольку эти зависимости демонстрируют только поведение материала в процессе термического нагружения, выбрать оптимальную структуру по ним не представляется возможным. Это необходимая, но недостаточная информация.
Прогноз долговечности возможен только с помощью рис. 8, б. По нему видно, что наибольшая скорость разрыва межатомных связей наблюдается в образцах, содержащих 10 и 20% МКС, она составляет 0,9·10-20 Дж/кс. Для образцов с 4-8% МКС эта скорость в 2 раза меньше и с течением времени снижается. Несмотря на сложные полиморфные превращения и преобразования порового пространства, а также изменения размеров зерен и межфазных границ, с помощью последнего графика можно прогнозировать поведение керамического материала во время термического нагружения, а также оценить эффективную межатомную энергию связи.
Таким образом, можно считать, что в циркониевой керамике, размеры зерен в которой не превышают 20 мкм, основную роль в повышении термостойкости играет пористость. Структурные превращения на микроуровне - полиморфные превращения - могут способствовать формированию оптимальной мезоструктуры путем создания микротрещин достаточной плотности. Наиболее полезным в практическом плане является анализ коэффициентов потери прочности и долговечности, позволяющий из широкого спектра материалов одного и того же состава, но различной структуры, выбрать оптимальный для конкретной области использования.
Литература
1. Физико-химические свойства окислов /Под ред. Г.В. Самсонова. - М.: Металлургия, 1978. - 472 с.
2. Каныгина О.Н., Пак Е.М. Влияние оксидов иттрия, кальция и алюминия на структуру и свойства циркониевой керамики // Вестн. КГНУ, 1996. - Сер. ест.-техн. наук. - Вып. 1. - Ч.2. - С. 53-56.
3. Пейчев В.Г., Плинер С.Ю. Повышение прочности керамики из диоксида циркония за счет эвтектоидного распада твердых растворов в системе ZrO2 - MgО // Огнеупоры. - 1987. -№2. - С. 30-31.
4. Плинер C.Ю., Дабижа А.А. Упрочнение керамики из диоксида циркония за счет тетрагонально-моноклинных превращений // Огне-упоры. - 1986. - №3. - С.58-62.
5. Дабижа А.А, Плинер С.Ю. Упрочнение керамических материалов за счет фазового перехода ZrO2 // Огнеупоры. -1986. - №11. - С.37-41.