Повышение сопротивления замедленному разрушению керамики на основе оксида алюминия в водных растворах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.11, кандидат технических наук Иванов, Николай Викторович

• Иванов, Николай Викторович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Иванов, Николай Викторович

1. Обзор литературы.

1.1. Введение.

1.2. Промышленная корундовая керамика.

1.2.1. Особенности технологии изготовления корундовой керамики.

1.2.2. Влияние добавок некоторых оксидов на свойства корундовой керамики.

1.3. Свойства корундовой керамики.

1.3.1. Механические свойства керамики. Недостатки методов определения прочности.

1.3.2. Коррозионная стойкость корундовой керамики.

1.4. Физико-химическая механика механизмов разрушения.

1.4.1. Эффект Ребиндера.

1.4.2. Диссоциативная хемосорбция и растворение.

1.4.3. Термофлуктуационная теория разрушения С. Н. Журкова.

1.4.4. Субкритический рост трещины в керамике.

1.4.5. Прогнозирование долговечности: STP и SPT диаграммы.

1.5. Выводы из обзора литературы.

2. Цель работы.

3. Материалы и методы исследования.

3.1. Материалы.

3.1.1. Составы, изготовление и характеристики образцов.

3.2. Испытания образцов.

4. Влияние среды на динамическую усталость керамических материалов промышленного производства на основе оксида алюминия.

4.1. Влияние среды на динамическую усталость керамики состава 1 (поликор).

4.2. Влияние среды на динамическую усталость керамики 22ХС.

4.3. Влияние скорости нагружения на прочность керамики ГБ-7.

4.4. Выводы к главе 4.

5. Влияние состава стеклообразующих добавок на замедленное разрушение.

5.1. Химическая стойкость модельных стекол.

5.2. Замедленное разрушение корундовой керамики со стеклофазой.

5.3. Сравнение механических свойств керамики всех исследованных составов.

6. Об ингибировании замедленного разрушения керамики.

6.1. Влияние предварительной химической обработки на динамическую усталость керамики 22ХС.

6.2. Повышение устойчивости керамики к замедленному разрушению за счет введения в среду ионов никеля.

6.3. Выводы к главе 6.

Заключение диссертации по теме «Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов», Иванов, Николай Викторович

7. Общие выводы

Выполнено систематическое исследование влияния рН водных растворов на механические свойства и, особенно, на сопротивление замедленному разрушению керамических материалов на основе оксида алюминия с различными зернограничными фазами. На основании полученных экспериментальных данных сделаны следующие выводы.

1. Все исследованные материалы на основе А120з подвержены замедленному разрушению в результате коррозии под напряжением, приводящей к подрастанию существующих в керамике дефектов микроструктуры. Это обусловливает зависимость прочности материалов от времени или скорости деформирования. Состав среды влияет также на прочность, параметры функции Вейбулла статистического ее распределения и трещиностойкость.

2. Устойчивость материалов к замедленному разрушению зависит как от состава среды, так и от состава и микроструктуры керамики. Величина показателя п, характеризующего устойчивость к замедленному разрушению, для исследованных материалов изменяется в широких пределах: от 19 до 90. Наибольшей из исследованных материалов устойчивостью на воздухе, в нейтральной и щелочной средах обладает керамика 99,5% А120з -0,4% М§0, наименьшей - керамика 22ХС, что обусловлено особенностями состава и микроструктуры зернограничных фаз в этих материалах.

3. Анализ экспериментальных данных по динамической усталости, статистическому распределению прочности, влиянию среды на прочность и трещиностойкость приводит к мнению о том, что доминирующим механизмом коррозии под напряжением является ионная сольватация - для материалов с добавками М^О, или диссоциативная хемосорбция - для материалов с алюмосиликатными зернограничными фазами. Определенное влияние на прочность оказывает эффект Ребиндера.

4. Коррозия под напряжением может быть ингибирована посредством введения в водный раствор соли металла, например никеля, ионы которого компенсируют заряд, образующийся при разрыве межатомных связей в вершине трещины.

5. Устойчивость керамики к коррозии под напряжением и замедленному разрушению может быть существенно (в 2 - 3 раза) повышена посредством формирования зернограничных фаз с введением в их состав оксида иттрия, обладающего высокой химической стойкостью в широком диапазоне рН водных растворов.

6. Предварительная химическая обработка керамики 22ХС в соляной кислоте в ~4 раза повышает устойчивость к замедленному разрушению, но на -10% снижает прочность; эффект обусловлен выщелачиванием Иа20 и частичным растворением Сг20з из зернограничной фазы.

7. Влияние среды на прочность материалов уменьшается с повышением скорости деформирования; существует перегиб на кривых динамической усталости, соответствующий некоторой критической скорости деформирования, выше которой прочность материала становиться независимой от скорости деформирования. Установление этих фактов позволило обосновать и модифицировать методику испытаний керамики на динамическую усталость.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Иванов, Николай Викторович, 2000 год

1. Балкевич В. Л. Техническая керамика. М.: Стройиздат, 1968. 200с.

2. Горшков В. С., Савельев В. Г., Федоров Н. Ф. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений. М.: Высшая школа, 1988. 400с.

3. Бакунов В. С., Балкевич В. Л., Власов А. С. и др. Керамика из высокоогнеупорных окислов. М.: Металлургия, 1977. 304с.

4. Павлушкин Н. М. Спеченный Корунд. М.: Госстройиздат, 1961. 210с.

5. Шевченко В.Я. Введение в техническую керамику. М.: Наука, 1993.112с.

6. Химическая технология керамики и огнеупоров // Под ред. Д.Н. Полубояринова. М: Стройиздат, 1972. 552с.

7. Баринов С.М., Шевченко В.Я. Прочность технической керамики. М.: Наука, 1996. 159с.

8. Костюков Н.С., Харитонов Ф.Я., Антонова Н.П. Радиационная и коррозионная стойкость электрокерамики. М.: Атомиздат, 1973. 224с.

9. Будников П.П., Харитонов Ф.Я. Строительные материалы и силикатная промышленность. М.: Химия. 1966 118с.

10. Ю.Шевченко В.Я., Баринов С.М. Техническая керамика. М.: Наука, 1993. 187с.

11. Костюков Н.С., Смирнова Т.М., Харитонов Ф.Я. Свойства керамических материалов при высоких температурах. М.: Информстандартэлектро, 1968. 122с.

12. Харитонов Ф.Я. Надежность электрических аппаратов, электропривода, высоковольтных изоляторов, аккумуляторов и керамических материалов. М.: Информстандартэлектро, 1968. 196с.

13. З.Третьяков Ю.Д. Твердофазные реакции. М.: Химия, 1978. 359с.

14. Самсонов В.Г., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения. М.: Металлургия, 1976. 558с.

15. Келли А. Высокопрочные материалы. М.: Мир, 1976. 262с.

16. Шульц М.М., Мазурин О.В. Современные представления о строении стекол и их свойствах. Л.: Наука, 1988. 198с.

17. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. М.: Наука, 1979. 331с.

18. Карпенко Г.В. Физико-химическая механика конструкционных материалов. Киев: Наук, думка, 1985. 228с.

19. Лихтман В.И., Ребиндер П.А., Карпенко Г.В. Влияние поверхностно-активной среды на процессы деформации металлов. М.: АН СССР, 1954. 208с.

20. Лихтман В.И., Щукин Е.Д., Ребиндер П.А. Физико-химическая механика материалов. М.: АН СССР, 1962. 304с.

21. Панасюк В.В. О важнейших задачах исследований по физико-химической механике конструкционных материалов // Физ. хим. механика материалов. 1974. № 4. С. 3-13.

22. Ребиндер П.А., Щукин Е.Д. Поверхностные явления в твердых телах, в процессе их деформации и разрушения // Успехи физич. наук. М.: Наука. Т. 108. вып. 1. 1972, № 9. С. 22-28

23. Lawn B.R. Physic:; of fracture // J. Amer. Ceram. Soc. 1983. Vol. 66, № 2. P.83-91.

24. Mechalske T.A., Freiman S.W. A Molecular interpretation of stress corrosion in silica //Nature. 1982. Vol. 259, № 5849. P.511-512.

25. Регель В.П., Слуцкер А.И., Томашевский Э.И. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974. 560с.

26. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974. 640с.

27. Механика разрушения и прочность материалов: Справ, пособие // Под ред. В.В.Панасюка. Киев: Наук, думка, 1988. 488с.

28. Лихтман В.И., Щукин Е.Д., Ребиндер П.А. Физико-химическая механика металлов. Адсорбционные явления в процессах деформации и разрушения металлов. М.: Наука, 1962., 303с.

29. Горюнов Ю.В., Перцов Н.В., Сумм Б.Д. Эффект Ребиндера. М.: Наука, 1966, 128с.

30. Панасюк В.В. Предельное равновесие хрупких тел с трещинами. Киев: Наук, думка, 1968. 247с.

31. Логинов Г.А., Ребиндер П.А. Поверхностные явления в твердых телах // Докл. АН СССР. 1941. Т. 30, № 9. С. 941-950.

32. Асланова М.С., Ребиндер П.А. Проявление эффектов облегчения разрушения и деформации в адсорбционно-активных средах // Ibid. 1954 .96299.

33. Щукин Е.Д., Дукаревич М.В., Конторович С.И., Ребиндер П.А. Новые проблемы физико-химической механики // Докл. АН СССР. 1966 Т 167, №6. С. 1109-1115

34. Архаров В.И. Адсорбционное понижение прочности // Тр. Ин-та физ. металлов АН СССР (Свердловск). 1955. Т. 6, № 7. С. 71-80.

35. Щукин Е.Д. Поверхностные явления в расплавах // Докл. АН СССР 1958.№ 118. С. 1105-1112.

36. Тараскин В.Ю., Перцов Н.В., Скворцов З.Н., Щукин Е.Д., Ребиндер П.А. Физико-химические явления при воздействии жидких металлов на твердые // Докл. АН СССР. 1970. Т. 191, № 67. С. 876-890.

37. Wiederhorn S.M. Subcritical crack growth in ceramics // Fract. Mech. Ceram. 1972. Vol. 2, P. 613-646.

38. Wiederhorn S.M., Frieman S.W., Fuller E.R.jr., Simmons C.J. Effect of water and other dielectrics on crack growth // J. Mater. Sei. 1982. Vol. 17, №6. P. 3460-3478.

39. Barinov S.M., Shevchenko V.Ya. Dinamic fatigue of porous hidroxyapatite bioceramics in air// J. Mater. Sei. Lett. 1995. Vol. 14, №2. P. 582-583.

40. Doremus R.H. Review: Bioceramics // J. Mater. Sei. 1992. Vol. 27, № 2. P. 289-297.

41. Лавренко B.A., Гогоци Ю.Г. Коррозия конструкционной керамики. М.: Металлургия, 1989. 198с.

42. Davidge R.W. Mechanical behavior of ceramics. Charp. 3. Cambrige Univ. press., 1979. P. 235-299.

43. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974. 640с.

44. Трефилов В.И., Гогоци Ю.Г., Григорьев О.Н. и др. Влияние окисления на прочность нитридкремниевой керамики // Порошковая металлургия. 1991. № 2. С. 77-82.

45. Gogozi Ya.G., Grlgorjev O.N., Jaroshenco V.P. Machanische Eigenschaften von heissgeprestem Siliziuvnitrid bie hohen Temperaturen // Silikattechn. 1990. Bd. 41. S. 156-160.

46. Пурин Б.А., Коден B.M., Кунурс O.K. Защита металлов от коррозии. Рига: Зинтане, 1981. 174с.

47. Lauf S., Pabst R.F. Strength probability - time diagrams and the strength function // Ceram. mater, and components for engines. Lübeck: DKG. 1986. P. 961-978.

48. Parilak L., Dusza J., Ruscak M. Reliability estimations of materials with limited plasticity // Proc. 7th Intnl. Conf. Powder Metallurgy in CSSR Pardubice. 1987. Vol. 3. P. 219-228.

49. Gurumoorthy В., Kromp K., Prinz F.B., Bornhauser A.C. Life-time predictions for a ceramics cutting tool material at high temperatures // J. Mater. Sei. 1987. Vol. 22, № 7. P. 2051-2057.

50. Cang J., Knandelwa P., Heitman P.W. Life-time prediction for hot pressed silicon nitride ceramics // Ceram. Eng. and Sei. Proc. 1987. Vol. 18, №7/8. P. 766-772.

51. Hu X.-Z., Mai Y.-W., Cotterell B. A Statistical theory of time-dependent fracture in brittle materials 11 Philosoph. Magazine A. 1988. Vol. 58, №2. P. 299-324.

52. Ritter J.E., Wiederhorn S.M., Tighe N .J., Fuller E.R. Design with ceramics // Ceram. High Perform. Appl. 3: Reliab.,Proc. 8th Army Mater. Technol. Conf. N. Y.; L.:Plenum, 1983. P. 503-533.

53. Wiederhorn S.M., Fuller E. R. Design criteria for high temperature structural applications // Ceram. Mater, and Components for Engines. Lubec: DKG, 1986. P. 911-930.

54. Самсонов Г.В. Физико-химические свойства окислов. М.: Металлургия, 1969.380с.

55. Общая химия // Под ред. Е.М.Соколовой, Г.Д.Вовченко, Л.С.Гузея. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1980. 726с.

56. Диаграммы состояния тугоплавких оксидов: Справочник/ Под ред. Ф.Я.Галахова. Л.: Наука, 1985. 284с.

57. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений / Под ред. Т.Я.Косолаповой. М.: Металлургия, 1986. 928с.

58. Орлов С.В. Снижение температуры спекания корунда: Дис. .канд. техн. наук. М., 1991. 141с.

59. Баринов С.М., ШевченкоВ.Я. Методы испытаний для прогнозирования долговечности керамических материалов // Завод, лаб. 1990. Т.49, № 10. С. 44-48.

60. Баринов С.М. К определению механических характеристик тугоплавких материалов при изгибе // Завод, лаб. 1982. Т.43, № 1. С. 98-100.

61. J.E.Ritter, J.N.Humenik Dynamic fatigue of soda-lime-silica glass // J. Mater. Sci. 1979. Vol. 14, №3, P. 626-632.

62. J.E.Ritter, N.Bandhyopadhyay, К.Jakus Statistical reproducibility of crack parameter N in dynamic fatigue tests // J. Amer. Ceram. Soc. 1979. Vol 62, № 9-10, P. 542-543.

63. Баринов С.М., Иванов Н.В., Орлов С.В., Шевченко В.Я. К испытаниям керамики на динамическую усталость // Завод, лаб. (диагностика материалов), 1997, № 7, С. 46-48.

64. W.M.Balaba, L.T.Stevenson, W.Wefers, M.N.Tackie Probability estimators for Weibull statistics of the fracture strength of brittle powder compacts // J. Mater. Sci. Lett. 1990. Vol 9, № 6. P. 648-649.

65. Баринов C.M. Трещиностойкость машиностроительной керамики // Итоги науки и техники. Технология силикатных и тугоплавких неорганических материалов. М: ВИНИТИ, 1988. Т. 1. С. 72-132.

66. Микляев П.Г., Нешпор Г.С., Кудинов В.Г. Кинетика разрушения. М: Металлургия, 1979. 278с.

67. Пуш Г. Способы испытания, применяемые в механике разрушения // Испытания материалов: Справочник. М.: Металлургия, 1979. С. 92-111.

68. Munz D. Effect of specimen type on the measured values of fracture toughness of brittle ceramics//Fract. Mech. Ceram. 1983. Vol. 6, P. 126.

69. Evans A.G. Fracture mechanics determination // Ibid. 1974. Vol. 1, P. 17-48.

70. Bretfeld H., Kleinlein F.W., Munz D. et al. Ermittung des Bruchwiederstand an Qxidkeramik und Hardmetallen mit verschiedene Metoden // Ztschr. Werkstoff. 1981. Bd. 12.

71. Sakai M., Yamasaki K. Numerical fracture analysis of shevron notched specimens // J. Amer. Ceram. Soc. 1983. Vol. 66, № 5. P. 371-375.

72. Сроули Дж. E. Вязкость разрушения при плоской деформации // Разрушение. М.: Машиностроение, 1977. С. 47-67

73. Takeda S. and Tari I. in Fracture Mechanics of Ceramics Vol. 9, edited by R.S.Bradt, D.P.H.Hasselman, D.Munz, M.Sakai and V.Ja.Shevchenko (Plenum Press, N.Y., 1992). P.575-588.

74. T. Okabe, M. Kido and T. Miyihara Fatigue behavior of an alumina ceramics // Eng. Fract. Mech. 1994. Vol. 48, № 1. P. 137-146.

75. Лотов В.А., Добролюбов А.Т. Химическая устойчивость силикатных стекол // Стекло и керамика. 1997. № 11. С. 10-12.

76. Breder К. Time-depended strength degradation of a siliconized silicon carbide determined by dynamic fatigue // J. Amer. Ceram. Soc. 1995. Vol. 78, № 10. P. 2680-2684.

77. Rhodes W.H., Cannon R.M. and Vasilos T. Stress corrosion cracking in polycrystalline MgO. In "Fracture mechanics of ceramics", (ed. Bradt et al.), N. Y. Plenum 1974. Vol. 2, P.709-733.

78. Ritter J.E.,Sherburn C.L. Dynamic and statistic fatigue in silicate glass // J. Amer. Ceram. Soc. 1971. Vol. 54, № 11. P. 601-609.

79. Gong J., Du С. Dynamic fatigue // Materials Letters. Vol. 34, № 7. P 40-51.

80. Quinn G.D., Morell R. Design data for engineering ceramics: a review of the flexure tests // J. Amer. Ceram. Soc. 1991 Vol. 74, № 7. P. 2037-2066.

81. Michalske A., Bunker C., Freiman S.W. Stress corrosion of ionic and mixed ionic/covalenl: solids // J. Amer. Ceram. Soc. 1986. Vol. 69, № 11. P. 721-723.1. При ложен не

82. ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЦЕНТР «БАКОР»142171 Щербинка Московской области. ул.Южная.2. тел. [phone]. БАКОР1. Исход. № "1. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

83. О полезности результатов диссертационной работы Иванова Николая Викторовича «Повышение сопротивления замедленному разрушению керамики на основе оксида алюминия в водных растворах».

84. Результаты работы Иванова Н.В. представляют интерес для использования в производстве конструкционной керамики на основе оксида алюминия, предназначенной для эксплуатации с высокой эффективностью в водных растворах.

85. ИНН 5051001442 Р/с 40702810500000100047 вЗАС «Подольскпромкомбанк» г. Подольск, кор/счет 30101810700000000151, БИК 044695151. Й1