Введение 5
1 Аналитический обзор 6
1.1 Оксидная техническая керамика на основе ZrO2 6
1.2 Свойства керамических материалов 8
1.3 Способы изготовления и обработки конструкционной керамики 11
1.5 Методы исследования 12
2 Практическая часть работы 21
2.1 Постановка задачи 21
2.2 Изготовление образцов 21
2.3 Методы и оборудование, используемые при исследованиях 22
2.6 Проведение рентгеноструктурных исследований 22
2.8 Рентгеновская томография 23
2.7 Электродинамическая испытательная система 25
2.8 Метод испытания на изгиб призматических образцов 27
2.9 Метод проведения усталостных испытаний 28
2.10 Статистическая обработка результатов экспериментов 29
3 Результаты эксперимента 31
3.1 Определение разрушающей нагрузки при трехточечном изгибе 31
3.2 Результаты усталостных испытаний 32
3.4 Результаты рентгеновской томографии 34
Заключение 36
Список литературы
Объем производства керамических материалов во всех странах мира растет необычайно быстрыми темпами. Отмечено, что основными лидерами в производстве керамики на сегодняшний день являются США и Япония (38 и 48% соответственно). Соединенные Штаты превосходят всех в области конструкционной керамики, предназначенной в первую очередь для металлообрабатывающих целей. Япония доминирует в области функциональной керамики (основном компоненте электронных устройств). Такая ситуация, судя по прогнозам, сохранится и в ближайшем будущем. Поскольку к керамике относят любые поликристаллические материалы, полученные спеканием неметаллических порошков, то количество керамических материалов очень велико и разнообразно по составу, структуре, свойствам и областям применения.
Разнообразие методик получения конструкционных оксидных керамик ставит вопрос о применимости данного класса материалов в элементах конструкций, ответственных механизмов, в качестве остеозамещающих материалов и др. До сих пор высокотехнологичная керамика считается сравнительно новым видом материалов, и поэтому масштабы ее производства как по объему, так и по стоимости продукции существенно уступают производству традиционных металлических и полимерных материалов. Исследования керамических материалов на основе частично стабилизированных оксидов металлов представляют наибольший интерес среди многообразия конструкционных керамик, обусловленный комплексным влиянием поровой, зеренной структуры, фазового состава на механическое поведение. Известно, что при разных усилиях прессования и температурах спекания можно получать материалы с различной пористостью и, как следствие, различными физико-механическими свойствами от рекордно высоких - близких к конструкционным сталям и сплавам, до низких, как у костных тканей. Не менее важно то обстоятельство, что многие виды керамики обеспечивают работу сложных технических систем, аппаратов, машин, стоимость которых во много раз превосходит стоимость керамических элементов. В настоящее время достаточно научных работ, сопоставляющих внутреннюю структуру оксидной керамики с механическими свойствами, такими как прочность на сжатие, изгиб, трещиностойкость, микротвердость, при этом циклическая долговечность пористых керамических материалов еще мало изучена. Потребность долговременной безотказной работы ответственных изделий в различных эксплуатационных режимах актуализирует задачу исследования циклической долговечности, установления корреляции свойств с внутренней структурой.
1 Аналитический обзор
1.1 Оксидная техническая керамика на основе ZrO2
Конструкционная керамика - это поликристаллические материалы и изделия из них, состоящие из соединений неметаллов III-VI групп периодической системы с металлами или друг с другом и получаемые путем прессования, литья и последующего обжига формовок из соответствующего исходного порошкового сырья. Исходным сырьем для производства керамики служат вещества природного происхождения (силикаты, глиноземы, кварц и др.), и полученные в лабораторных условиях (такие как карбиды, оксиды, бориды, нитриды и др.). Главное отличие технологии получения изделий из керамики от технологии производства других материалов, таких как металлы, заключается в том, что основной компонент исходного материала не доводится до плавления. В этом отношении керамические технологии близки к порошковой металлургии [1].
Керамические материалы можно классифицировать по применению и химическому составу. Ниже приведены основные классы керамики.
Методом трехточечного изгиба определены значения прочности = 43 МПа и модуля упругости Ен = 22 ГПа при изгибе керамических образцов из ZrO2, стабилизированного MgO. Невысокие значения близки к соответствующим величинам для костных тканей, что является требованием к благоприятным условиям с точки зрения приживаемости и совместимости керамических имплантатов, изготовленных из оксидной керамики.
Получены результаты экспериментов по определению усталостной долговечности образцов при трехточечном изгибе при нескольких уровнях напряжений. Построена зависимость максимальных напряжений в цикле нагружения от количества циклов до разрушения. Определены значения усталостной долговечности. Обнаружено, что результаты усталостных испытаний исследуемых керамических образцов имеют повышенный разброс - это соответствует результатам других авторов. Повышенный разброс результатов усталостных экспериментов обусловлен природой материала - керамические образцы, изготовленные методами порошковой металлургии, имеют достаточное количество дефектов в виде пор и микротрещин, которые служат источниками усталостных трещин и понижают усталостную прочность материала.
Методом трехмерной рентгеновской томографии проведен анализ внутренней структуры образцов до и после испытаний. Показано, что материал образцов содержит большое количество пор и агломератов. В процессе нагружения микротрещины, возникающие в объеме образца, замыкаются в окрестностях агломератов, которые препятствуют их распространению, увеличивая конструкционную прочность.
