Лекция 8. Влияние дефектного слоя на прочность керамики.

 

Совместное влияние структурных и обработочных дефектов на прочность образцов из керамики на изгиб. Исследования поверхностной обработочной дефектности керамики из Al₂O₃(Сп) методом люминесцентной дефектоскопии показали, что дефекты имеют вид магистральных трещин со сколами в направлении движения инструмента. Величина наведенных (обработочных) дефектов ( мкм) не превышает размеров структурных дефектов при пористости керамики выше 6,2%. Это привело к тому, что изгибная прочность образцов при широком варьировании режимов резания и характеристик алмазного инструмента не изменялась.

    При пористости 0,2% ( = 10 мкм) разрушение инициировалось от обработочных дефектов, и на изломе образца четко выражены зеркальные зоны, прилегающие к дефектам. Экспериментальная зависимость вероятности разрушения имеет вид

                                (7.1)

Средняя прочность керамики снизилась в 1,34 раза по отношению к прочности керамики, в которой разрушение происходило бы от структурных дефектов. Уменьшение постоянной m с 9,7 до 7,6 свидетельствует о снижении однородности структуры поверхностного слоя образцов, о дополнительном влиянии поверхностных дефектов. Поверхностные дефекты  = 40 мкм при пористости образцов 0,2% превышают размер структурных и являются инициаторами разрушения. Причем экспериментальное значение m хорошо согласуется с экспериментальным распределением дефектов, параметром трещиноватости. При режимах обработки поверхности образцов (t=0,05мм; V _д=10м/с; V _к=24м/с; P _уН= 5Н.) при испытаниях их на изгиб параметр трещиноватости r был равен 6. m = r + 1,5. Расчетное значение постоянной m = 6 +1,5 = 7,5, что достаточно близко к экспериментально определенному значению m = 7,6. Таким образом, возможен выбор режимных параметров обработки керамики, при которых уровень обработочной дефектности не будет превышать уровень структурной дефектности, и, вследствие, этого не будет происходить уменьшение прочности изделия.

Параметр трещиноватости оказывает непосредственное влияние на постоянную, в распределении прочности образцов из ТК, характеризующую неоднородность материала. С увеличением размеров дефектов (соответственно, с уменьшением r) и их плотности в поверхностном слое средняя прочность на изгиб уменьшается.

Значения параметров структурной и обработочной дефектности выбирались в соответствии с полученными экспериментальными результатами, описанными ранее. Расчеты были реализованы в среде MathCAD 7 Prof.. На рисунке 7.2 показаны графики зависимости расчетной прочности на изгиб при различной пористости керамики из Al₂O₃ без учета (кривая 1) и с

 учетом влиянием обработочных дефектов (кривая 2). На рисунке 7.2 также приведены экспериментальные значения средней прочности на изгиб для оксидной керамики различной пористости. Отклонение экспериментальных значений от расчетных с учетом дефектов обработки в поверхностном слое не превышают 10%. Если не учитывать поверхностные дефекты обработки, то при пористости керамики менее 4% (l_cmax < l_omax) погрешность определения средней прочности на изгиб при расчете может достигать значительной величины. Относительная разница (погрешность) D s при определении расчетной прочности на изгиб образцов D s=(s _с - s _с+о)×100%/s_с+о без учета дефектов обработки при малой пористости керамики (т.е. при небольших дефектах структуры) может достигать 35% (рис.7.3).

Двумерная поверхность погрешности определения расчетной прочности на изгиб образцов из оксида алюминия различной пористости при постоянном значении максимального обработочного дефекта ( мкм) и при различном распределении дефектов по размерам ( ) показана на рисунке 7.4. Этот случай имеет место при обработке керамики алмазным инструментом неизменной характеристики при варьировании режимов резания. Более мягкие режимы резания приводят к уменьшению неоднородности обработочных дефектов по размерам (параметр трещиноватости r _о и постоянная m_o=r_o+1,5 увеличиваются). На рис.7.4 видно, что с увеличением пористости обрабатываемого материала (  возрастает) и параметра m_o погрешность D s  определения расчетной прочности на изгиб образцов из оксидной керамики уменьшается, и может не превышать заданной величины погрешности.

При механической обработке керамического материала с определенной пористостью (структурной дефектностью) можно подобрать режимы резания, при которых влияние обработочной дефектности на прочностные свойства материала будет незначительным (например, не более 10%). Однако при обработке беспористой керамики при любых режимах резания влияние механической обработки на прочностные свойства образцов будет существенно.

Рассмотрим, каким образом кроме рационального выбора режимов резания, можно снизить влияние механической обработки на прочностные свойства образцов. С этой целью рассмотрим влияние половины длины максимального обработочного дефекта  на прочность образцов при изгибе. На рисунке 7.5 показано влияние параметра трещиноватости r_o и  на относительное уменьшение прочности на изгиб D s (в %) образцов из оксидной керамики Al₂O₃ различной пористости. Из графиков видно, что наиболее существенно уменьшить влияние механической обработки можно за счет снижения размера максимального дефекта обработки. Уже при равенстве размеров дефектов обработки и структурных первые практически не оказывают влияния на прочностные свойства образцов из керамики, так как их плотность ниже плотности структурных дефектов. Постепенного снижения размеров и количества обработочных дефектов в поверхностном

 

 слое можно достичь, например, за счет применения притирки поверхности с постепенным понижением размера зерна в пасте и рационального применения режимов обработки.

7.2. Влияние структуры поверхностных дефектов на прочность. В настоящее время нет теоретического объяснения широко известного экспериментального факта влияния направления обработки при шлифования образцов на их прочность при изгибе. Исследования влияния режимов механической обработки и направления вектора скорости резания при алмазном шлифовании относительно направления действия изгибающего момента производились на образцах призматической формы размером 50х4,5х4,5 мм из нитрида кремния (Si₃N₄) алмазным кругом 1А1 200х10х3х32 АС4 100/80 - 4 – М2-01. Испытания образцов на изгиб осуществлялись по четырехточечной схеме (расстояние между опорами 10мм). Поверхность разрушения образцов подвергалась фрактографическому анализу, что

 позволило выявлять причину разрушения, определять точку начала и направление разрушения.

Анализ результатов исследований показал, что источником разрушения являются трещины в поверхностном слое, вызванные механической обработкой, и дефекты структуры ТК. Результаты испытаний на изгиб аппроксимировались распределением Вейбулла. Режимы обработки образцов при направлении вектора скорости шлифования в плоскости действия изгибающего момента (вдоль наибольшей длины образца) выбирали из условий обеспечения малого значения радиальной составляющей силы резания P_yН = 1,3 Н (V _д = 0,5 м/мин, t = 0,04 мм, V_к = 32 м/с) и ее повышенного значения - P_yН = 57,8 H (V _д = 6 м/мин, t = 0,15 мм, V_k = 18 м/с).

    Анализ результатов испытаний на изгиб с помощью критерия Стьюдента показал, что различие между средними значениями и их дисперсиями существенно для образцов, обработанных на различных режимах. Наибольшую прочность имели образцы, прошлифованные с минимальным силовым воздействием на обработанную поверхность. Распределение Вейбулла (рис.7.6, кривая 1) характеризуется параметрами m = 11,3; s _о = 345. Интенсификация режимов резания (рис.7.6, кривая 2) приводит к снижению средней изгибной прочности на 20% (m = 10,6; s _о = 273).

    Среднее значение максимальных разрушающих напряжений при чистом изгибе образца прямоугольного сечения при его неизменном значении

    Экспериментально была получена зависимость среднего значения разрушающих напряжений  от половины размера дефекта структуры, вскрытого при обработке и явившегося причиной разрушения, что определялось при фрактографическом анализе поверхности разрушения:

                                        (7.2)

Используя две последние зависимости, можно определить вероятностные размеры дефектов после алмазного шлифования керамики из Si₃N₄, которые могли стать причинами разрушения. Так для мягких режимов обработки расчетное значение половины дефекта составило 0,024 мм, а для интенсивных – 0,059 мм.

Повышение интенсивности удаления припуска (увеличение режимов резания) приводит к уменьшению параметра трещиноватости r_о  c 6,3 до 2,25. Это должно привести к уменьшению прочности изделия. Расчет средней прочности на изгиб для выше указанных значений трещиноватости (l_omax =70мкм, K _1с =4,3 МПа×м^0,5, l_cmax =25мкм, n_o=300, n_c=2000) показал, что прочность при равновероятном направлении трещин должна снизиться с 380 до 301 МПа, т.е. на 21%. Экспериментальное снижение прочности составило 20%. Расхождение в 1% с экспериментальными данными незначительно. Таким образом, можно оценить влияние механической обработки на прочность конструкционной керамики. Увеличение режимов резания вызывает рост радиальной составляющей силы резания, что приводит к изменению характера распределения размеров дефектов в поверхностном слое конструкционной керамики, увеличению доли больших дефектов (уменьшение r _о). Это вызывает уменьшение прочности изделия (рис.7.7). Материалы, имеющие меньший индекс хрупкости, склонны к образованию
 в поверхностном слое больших по величине трещин (l _{о max}), что тоже приводит к уменьшению средней прочности деталей из керамики. Обработку шлифованием деталей из конструкционной керамики, имеющей большую величину трещиностойкости K_1c (при f( a )=2/p), возможно производить при большем значении радиальной составляющей силы резания без ущерба качеству поверхностного слоя.

Алмазное шлифование образцов в направлении, перпендикулярном. С учетом результатов исследования структуры дефектного слоя, полученных нами в предыдущем разделе, и для образца заданного прямоугольного сечения средняя прочность при изгибе определяется из следующей зависимости:

(5.1)

где ; ;

n_о - количество дефектов в нагружаемой области и при условии, что выполняется условие . Учитывая наличие структурных дефектов, зависимость может быть преобразована к следующему виду

 Используя зависимость, определим влияние направления обработки на среднюю прочность образцов при их испытаниях на изгиб. Используем экспериментальные результаты, по плотности распределения величины половины линейного размера и ориентации дефектов после шлифования. Построим графики зависимости средней прочности на изгиб от числа дефектов в нагружаемой области для различного направления обработки образцов. На рис. 7.8 видно, что с увеличением числа дефектов

			Рис. 7.8. Влияние числа дефектов (n) и показателя распределения дефектов (r) на среднюю изгибную прочность образцов, МПа (К1с = 5)

 в нагружаемой зоне образца от одного до двухсот, средняя прочность уменьшается в 3 раза. При изменении направления шлифования образцов с продольного относительно их оси на поперечное средняя прочность образцов снижается. Большее влияние направления шлифования имеет место при малом числе дефектов.

При испытаниях на изгиб для используемой в экспериментах ширины образцов в зоне нагружения, если принять ее ширину равной 2 мм и при средней плотности дефектов 6,9 шт./мм², ожидаемое число дефектов в ней равно 63. Прочность образцов при этом числе дефектов в нагружаемой зоне образцов и при изменении направления шлифования по расчету должна снизиться на 9,9%. Расхождение с экспериментальными результатами составляет 3,7%, что свидетельствует о хорошей сходимости экспериментальных и расчетных значений. Таким образом, средняя прочность образцов из керамики при изменениях схемы шлифования или направления вектора скорости резания относительно направления изгибающей нагрузки связано с влиянием на разрушающую нагрузку структуры дефектного слоя. Формирование анизотропии структуры дефектного слоя керамики связано с направлением и величиной равнодействующей силы при шлифовании.

Таким образом, возможен выбор режимных и технологических параметров обработки керамики, при которых уровень обработочной дефектности не будет превышать уровня структурной дефектности, что позволит исключить влияние механической обработки на прочность детали.