Физика и химия стекла, 2020, T. 46, № 3, стр. 323-330

ВВЕДЕНИЕ

Керамика из алюмомагниевой шпинели (АМШ) является синтетическим материалом с кубической структурой, которая обладает высокой химической стойкостью и исключительными механическими свойствами [1] – высокой механической прочностью, износостойкостью на истирание, устойчивостью к аэродинамическому удару при переходе к сверхзвуковой скорости [2]. Она находит применение для изготовления индивидуальных средств защиты людей и оборудования от точечных механических воздействий. Ввиду отсутствия двулучепреломления и прозрачности в широкой спектральной области (0.2–5 мкм), АМШ применяется для создания защитных экранов оптических приборов на летательных аппаратах [3, 4], где они подвергаются ударам твердых пылевых частиц и атмосферных осадков.

В зависимости от области применения и способа получения керамики АМШ могут иметь контролируемую пористость [5, 6] для, например, использования в установках фильтрации жидкостей, либо демонстрировать при механических испытаниях очень высокую плотность, близкую к плотности монокристалла [7]. В работе [8] было показано, что широкое разнообразие физико-механических свойств керамики АМШ в настоящее время может быть достигнуто вариацией параметров в рамках одного золь–гель метода. Во всех вышеуказанных работах [5–8] отмечено преимущество использования нанопорошков в качестве прекурсоров для получения керамик АМШ, связанное, в первую очередь, с образованием кристаллической фазы MgAl₂O₄ при пониженных температурах в отличие от их крупнодисперсных аналогов.

В настоящей работе методом акустической эмиссии (АЭ) исследован процесс зарождения и развития микротрещин в АМШ при внедрении пирамиды Виккерса. Благодаря “замедленному” механическому воздействию, индентирование позволяет проследить микроструктурные изменения с высоким временным разрешением, доступном для АЭ [9].

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исходные порошки АМШ были синтезированы методом гидролиза двойного изопропилата магния-алюминия [10], средний размер частиц составлял 50 нм, порошки были слабо агломерированы. Керамические образцы Ø 36 мм изготовлены методом одноосного горячего вакуумного прессования в графитовой пресс-форме при температуре 1550°С и давлении 35 МПа в течение часа, их толщина после шлифования и полирования составляла 2 мм. В качестве спекающей добавки использовался порошок LiF (1 мас. %)

Пирамида Виккерса внедрялась в материал под нагрузкой от 0.5 до 2 Н; формирование отпечатка вызывало генерацию акустических сигналов, которые регистрировали пластиной из высокочувствительной пьезокерамики Pb(Zr_xTi_1 – x)O₃, закрепленной на образце парафиновой мастикой. Временные серии импульсов АЭ поступали на вход аналогово-цифрового преобразователя АСК-3106 и в цифровой форме сохранялись в компьютере. Сигналы акустической эмиссии подвергали низкочастотной цифровой дискриминации на уровне 100 кГц, чтобы отделить шум колебаний элементов экспериментальной установки. Для исследования микроструктуры керамик АМШ использован сканирующий электронный микроскоп Zeiss SUPRA 55-VP.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлены развертки сигналов АЭ, эмитированные при внедрении пирамиды Виккерса под различной нагрузкой. Можно видеть, что генерация звука происходила лишь на начальном этапе индентирования в течение нескольких микросекунд, тогда как продолжительность внедрения составляла 2 c. Этот результат качественно совпадает с данными [11]. После наноиндентирования образцов АМШ на электронных микрофотографиях были обнаружены признаки пластической деформации, но видимых следов трещин не наблюдалось.

Рис. 1.

Сигнал АЭ при внедрении пирамиды Виккерса под нагрузкой 2 (а), 1 (б) и 0.5 (в) Н. Отсчет времени начинается от момента касания поверхности образца. Фотографии отпечатков пирамиды показаны во врезках.

Амплитуда сигнала характеризует количество возникших микротрещин, а линейный размер трещин обратно пропорционален его частоте. Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) серий импульсов АЭ показаны на рис. 2. Амплитуды колебаний зависят от величины нагрузки, приложенной к индентору. При нагрузках на индентор 2 Н и 1 Н в развертках АЧХ проявляются полоса на частоте 3.5 МГц и широкая полоса с максимумом в области 20 МГц. При нагрузке на индентор 0.5 Н на развертке АЧХ появился только более низкочастотный пик.

Рис. 2.

АЧХ сигналов АЭ, показанных на рис. 1; а–в как на рис. 1.

Частоты отдельных сигналов АЭ обратно пропорциональны длинам образовавшихся трещин, а положение максимумов полос в развертках АЧХ отвечает их характерным размерам. Отношение частот полос 20/3.5 ≅ 5 при нагрузках на индентор 2 Н или 1 Н показывает, что в образце возникали две группы трещин с примерно 5-кратном различием в их линейном размере.

Поликристаллическая структура керамики хорошо видна на микроэлектронной фотографии поверхности образца (рис. 3), которая дает представление о размерах зерен. Не наблюдается выделенных фракций кристаллов, которые различались бы в 5 раз, преимущественный размер трещин лежит в пределах 3–7 мкм. По-видимому, наличие двух характерных размеров в ансамбле микротрещин, образовавшихся при индентировании под нагрузками 2 Н и 1 Н, может быть вызвано различной локализацией повреждений. В данном случае можно предположить, что высокочастотный пик принадлежит разрушенным кристаллам, а низкочастотный – трещинам между кристаллами.

Рис. 3.

Микрорельеф поверхности керамического образца АМШ.

Частота акустического отклика при формировании трещины зависит не только от ее размера, но и от формы и размера пьезодатчика на образце, что делает малонадежным определение абсолютных величин трещин непосредственно из данных АЧХ [12]. Оценка типичных размеров была сделана исходя из того, что трещины ограничены границами кристаллов (3–7 мкм), а 5-кратное соотношение частот пар полос в развертках АЧХ (рис. 2) указывает на приблизительный пробег растущей трещины в 20–30 мкм.

Пары частот максимумов АЧХ при различных нагрузках оказались близки (рис. 2). При нагрузке 0.5 Н в АЧХ присутствовал единственный пик, отвечающий протяженным, растущим по межкристаллитным границам, микротрещинам.

Характер разрушения проявляется не только в размере вновь возникающих трещин, но и в особенностях распределения энергии, выделяющейся при их формировании. Энергия образования одиночной трещины, E, пропорциональна квадрату амплитуды сигнала АЭ: E ∝ A². На рис. 4 показаны временные развертки выделения энергии при различной нагрузке.

Рис. 4.

Временные серии импульсов АЭ при нагрузках на индентор 2 (а), 1 (б) и 0.5 (в) Н. Величина A² пропорциональна энергии импульса E.

На рис. 5 приведены распределения импульсов АЭ в зависимости от энергии в импульсе в виде зависимостей N(E > ε) от ε, где N – число импульсов, энергия которых E выше некоторой пороговой величины ε, которая принимает последовательно значения энергии во всех зарегистрированных импульсах АЭ (горизонтальная координата). Число импульсов, энергия которых E превышает текущее значение ε, откладывается по вертикальной оси. Распределения построены в полулогарифмическом масштабе, в котором зависимость N от ε проявилась отрезком прямой, соответствующей соотношению:

Рис. 5.

Распределения энергии в импульсах при нагрузках на индентор 2 (1), 1 (2) и 0.5 H (3). Прямые линии отвечают уравнению (1).

Освобождаясь от логарифма, получаем выражение (1) в экспоненциальной форме:

Экспоненциальный закон распределения энергии сигналов АЭ указывает на случайный характер образования микротрещин, в котором параметр a (наклон прямых) отражает относительный вклад “больших” и “малых” событий в процесс накопления дефектов: чем меньше a, тем больше выделение энергии.

При уменьшении нагрузки на индентор не только падает пиковая выделенная акустическая энергия (рис. 4), но также возрастает наклон прямых N от ε (рис. 5), т.е. происходит перераспределение трещинообразования в пользу количества энергетически более мелких событий разрушения. Это согласуется с отсутствием накопления внутрикристаллитных трещин (разрушение которых более энергетически затратно) при нагрузке 0.5 Н.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По данным метода акустической эмиссии, при внедрении в керамику MgAl₂O₄ пирамиды Виккерса генерация трещин происходит лишь в течение первых 4–6 мкс после касания поверхности. Дальнейшее формирование отпечатка происходит без эмиссии звука, то есть путем пластической деформации (полное время индентирования составляло 2 с). Амплитудно-частотный анализ временных серий акустических сигналов, показал наличие двух характерных размеров трещин, что предположительно отнесено сосуществованием внутри- и межкристаллитных трещин, размер которых различается примерно в пять раз.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 18-08-00359 а).