RU2131403C1 - Method of determining heat resistance of constructional ceramic materials - Google Patents

Method of determining heat resistance of constructional ceramic materials Download PDF

Info

Publication number
RU2131403C1
RU2131403C1 RU97107653/03A RU97107653A RU2131403C1 RU 2131403 C1 RU2131403 C1 RU 2131403C1 RU 97107653/03 A RU97107653/03 A RU 97107653/03A RU 97107653 A RU97107653 A RU 97107653A RU 2131403 C1 RU2131403 C1 RU 2131403C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
samples
thermal shock
heat resistance
sample
crack
Prior art date
Application number
RU97107653/03A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU97107653A (en
Inventor
Д.А. Иванов
Г.А. Фомина
Original Assignee
Московский государственный авиационный технологический университет им.К.Э.Циолковского
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Московский государственный авиационный технологический университет им.К.Э.Циолковского filed Critical Московский государственный авиационный технологический университет им.К.Э.Циолковского
Priority to RU97107653/03A priority Critical patent/RU2131403C1/en
Publication of RU97107653A publication Critical patent/RU97107653A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2131403C1 publication Critical patent/RU2131403C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: manufacture of building materials. SUBSTANCE: prismatic samples with lateral indent simulating crack and containing no inflicted defects on their tops are manufactured. Heat resistance of samples is determined from values of following relationships: (1-K * 1c /K1c) x 100% and σ12, where K * 1c is critical coefficient of stress intensity after heat shock in a sample, K1c average value of critical coefficient of stress intensity in samples before heat shock, σ1 ultimate strength of a bent cut sample after heat shock, and σ2 average value of ultimate strength of bent cut samples before heat shock. EFFECT: improved determination accuracy due to enabled quantitative evaluation of ceramic structure resistance to formation of heat cracks. 1 tbl

Description

Изобретение относится к керамической технологии и может быть использовано для корректной оценки термостойкости конструкционной керамики, работающей в условиях воздействия термических напряжений вследствие температурного градиента. Существующие гостированные методики определения термостойкости (ГОСТ 7875-83) по количеству термоциклов "нагрев-охлаждение" до появления первых трещин, до полного разрушения, до потери 20% первоначальной массы были разработаны для огнеупорных изделий и позволяют давать только качественную оценку термостойкости, не выявляя ее связи с другими свойствами материала. Многообразие существующих расчетных критериев термостойкости /1/ позволяет лишь прогнозировать ее с определенной достоверностью, учитывая теплофизические, прочностные, упругие, деформативные и некоторые другие свойства. Методика, основанная на прямом измерении температурного градиента, приводящего к разрушению стенки полого цилиндра /2/ при заданном режиме нагрева, является весьма прогрессивной, однако следует учитывать влияние фактора формы и объема изделия (так. наз. "масштабный фактор") на термостойкость. То есть можно утверждать, что при изменении формы или объема испытуемого образца будет изменяться и картина распределения температурных полей и, как следствие, изменится критический уровень возникающих термических напряжений. Поэтому в практике многие исследователи рекомендуют подвергать испытанию на термостойкость непосредственно керамическое изделие в режиме температурных перепадов, возникающих при высокотемпературной эксплуатации. Такая методика является весьма трудоемкой и не всегда может быть реализована. Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ /3/, согласно которому изготавливают опытные призматические образцы, создают термоудар путем цикла "нагрев-охлаждение" и определяют величину потери или остаточной прочности образцов при изгибе по отношению к ее значению до термоудара. Такой способ является наиболее доступным и применяемым для оценки термостойкости конструкционной керамики. Однако в силу статистической природы прочности керамики как хрупкого материала имеет место большое рассеяние и, как следствие, значительная ошибка (10-30%) измерения величины потери прочности после термоудара. Следовательно, для статистически достоверной оценки термостойкости по этому способу требуется большое количество измерений (10-30 образцов). Известно также, что изменение объема испытуемого образца будет существенно влиять на термостойкость также в силу статистического аспекта: чем больше объем образца, тем больше вероятность попадания критического дефекта (или дефектов), из которого будет инициироваться рост термических трещин. Поэтому, как правило, образцы меньшего объема показывают большую термостойкость по сравнению с образцами большего объема (при условии одинаковой геометрической формы). Последнее делает затруднительным достоверную оценку термостойкости крупногабаритных изделий по результатам испытаний серии опытных образцов. Кроме того, данный способ не позволяет количественно оценить сопротивление инициированию термических трещин, оказываемое структурой керамического материала, а также чувствительность (нечувствительность) структуры керамики к реальным дефектам (концентраторам напряжений), которые образуются в результате термоудара. The invention relates to ceramic technology and can be used to correctly assess the heat resistance of structural ceramics operating under thermal stresses due to temperature gradient. Existing guest methods for determining heat resistance (GOST 7875-83) by the number of heating-cooling cycles until the first cracks, until complete failure, before losing 20% of the initial mass were developed for refractory products and allow only a qualitative assessment of heat resistance to be made without revealing it Relations with other material properties. The variety of existing design criteria for heat resistance / 1 / allows only to predict it with a certain reliability, given the thermophysical, strength, elastic, deformative and some other properties. The technique, based on direct measurement of the temperature gradient, leading to the destruction of the wall of the hollow cylinder / 2 / for a given heating mode, is very progressive, however, the influence of the shape factor and volume of the product (the so-called "scale factor") on heat resistance should be taken into account. That is, it can be argued that when the shape or volume of the test sample changes, the distribution of the temperature fields will also change and, as a result, the critical level of the resulting thermal stresses will change. Therefore, in practice, many researchers recommend to test directly the ceramic product for heat resistance in the mode of temperature differences that occur during high-temperature operation. This technique is very time-consuming and can not always be implemented. The closest to the claimed technical essence and the achieved effect is the method / 3 /, according to which experimental prismatic samples are made, a thermal shock is created by the heating-cooling cycle, and the amount of loss or residual strength of the samples during bending is determined with respect to its value before thermal shock. This method is the most affordable and used to assess the heat resistance of structural ceramics. However, due to the statistical nature of the strength of ceramics as a brittle material, there is a large scattering and, as a result, a significant error (10-30%) in measuring the value of the loss of strength after thermal shock. Therefore, for a statistically reliable assessment of heat resistance by this method requires a large number of measurements (10-30 samples). It is also known that a change in the volume of the test sample will significantly affect the heat resistance also due to the statistical aspect: the larger the volume of the sample, the greater the likelihood of a critical defect (or defects), from which the growth of thermal cracks will be initiated. Therefore, as a rule, samples of a smaller volume show greater heat resistance compared to samples of a larger volume (subject to the same geometric shape). The latter makes it difficult to reliable assessment of the heat resistance of large-sized products according to the test results of a series of prototypes. In addition, this method does not allow to quantify the resistance to initiation of thermal cracks provided by the structure of a ceramic material, as well as the sensitivity (insensitivity) of the ceramic structure to real defects (stress concentrators) that are formed as a result of thermal shock.

Задачей данного изобретения является снижение ошибки определения термостойкости при уменьшении количества испытуемых опытных образцов, нивелирование влияния фактора объема испытуемого образца на термостойкость, а также получение количественной оценки сопротивления структуры керамики инициированию термических трещин и ее чувствительности к дефектам, образовавшимся в результате термоудара. The objective of the invention is to reduce the error in determining heat resistance while reducing the number of test samples tested, leveling the influence of the volume factor of the test sample on heat resistance, as well as to obtain a quantitative estimate of the resistance of the ceramic structure to the initiation of thermal cracks and its sensitivity to defects formed as a result of thermal shock.

Для выполнения поставленной задачи в способе определения термостойкости конструкционных керамических материалов, включающем изготовление опытных призматических образцов, создание термоудара путем цикла нагрев-охлаждение и последующее определение величины потери физико-механических свойств по отношению к их значениям до термоудара, образцы изготавливают с боковым надрезом, моделирующим трещину и не содержащим при вершине наведенных дефектов, и без надреза, а термостойкость определяют по величинам отношений
(1 - K*1c/K1c) • 100%
и
σ12,
где K1c - среднее значение критического коэффициента интенсивности напряжений образцов до термоудара;
K*1c - критический коэффициент интенсивности напряжений образца после термоудара;
σ1 - предел прочности при изгибе надрезанного образца после термоудара;
σ2 - - среднее значение предела прочности при изгибе образцов без надреза до термоудара.
To accomplish the task in a method for determining the heat resistance of structural ceramic materials, including the manufacture of experimental prismatic samples, creating a thermal shock by means of a heating-cooling cycle, and then determining the loss of physical and mechanical properties in relation to their values before thermal shock, the samples are made with a side notch simulating a crack and not containing induced defects at the apex, and without an incision, and heat resistance is determined by the values of the ratios
(1 - K * 1c / K 1c ) • 100%
and
σ 1 / σ 2 ,
where K 1c is the average value of the critical coefficient of stress intensity of the samples before thermal shock;
K * 1c is the critical stress intensity factor of the sample after thermal shock;
σ 1 - tensile strength in bending of the notched sample after thermal shock;
σ 2 - is the average value of the tensile strength when bending samples without notching before thermal shock.

Согласно заявленному способу для определения термостойкости конструкционной керамики предложено использовать критерий K1c в рамках концепций линейной механики разрушения. K1c (МПа • м1/2)) - критический коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины, при значении которого происходит старт трещины (условие плоской деформации, трещина нормального отрыва). Чем больше величина параметра K1c, тем при большей величине интенсивности напряжений в вершине трещины будет происходить ее страгивание (распространение) в тело образца в результате приложения внешней нагрузки и, следовательно, тем большее сопротивление инициированию трещины оказывает структура керамики. Для определения параметра K1c призматические образцы со специально созданным концентратором напряжений (трещиной или надрезом, моделирующим трещину) испытывают на изгиб по трех или четырехточечной схеме нагружения. Предпочтительно использование трещины в качестве концентратора напряжений, однако создание в керамическом образце трещины с однозначно воспроизводимой конфигурацией фронта, заданной длины и ориентации является трудоемкой и сложной задачей. Это связано с тем, что при подрастании трещины ее фронт взаимодействует с элементами структуры керамики (зерна, межзеренные границы, микропоры, иные фазы, напряженные локальные области и др.), в следствие чего может проявляться ветвление или невоспроизводимое выгибание фронта. Поэтому в керамике наблюдается существенный разброс измеряемых значений параметра K1c из-за неопределенности конфигурации фронта трещины. В данном изобретении предложено в качестве концентратора напряжений использовать надрез при обязательном условии отсутствия наведенных дефектов в области при его вершине. Такие наведенные дефекты (микротрещины) могут возникать при прорезании спеченных образцов вращающимся алмазным кругом, их размеры могут быть соизмеримы с размерами зерен в структуре керамики, однако их наличие может приводить к возрастанию концентрации напряжений в вершине надреза при испытаниях. Это также может приводить к разбросу измеряемых значений параметра K1c. Отсутствие наведенных дефектов может обеспечиваться путем подбора соответствующего режима прорезания керамики (скорость вращения алмазного круга, усилие прижима круга к образцу, исключение биений, применение смазочно-охлаждающей жидкости) с учетом ее плотности и структуры. Для окончательного контроля отсутствия наведенных дефектов в области при вершине надреза можно применять метод прокрашивания с последующим наблюдением под микроскопом. Контроль следует проводить на нескольких образцах для установления оптимального режима резки. Положительный результат достигается при двухстадийном прорезании: сначала прорезают алмазным кругом, а затем надрез удлиняют пропиливанием тонкой проволокой, покрытой слоем алмазной пасты, формируя вершину надреза, область, при которой не содержит наведенных дефектов. Авторами разработана собственная методика формирования надреза в сыром образце, согласно которой надрез сначала формируют в процессе прессования путем запрессовки в тело образца остро заточенного клина, а затем из вершины сформированного клинообразного надреза (после извлечения клина) дополнительно прорезают стальным лезвием толщиной 0,1 мм с углом заточки 14o. После спекания область при вершине надреза не содержит наведенных дефектов в результате исключения воздействия алмазного инструмента на спеченный образец.According to the claimed method for determining the heat resistance of structural ceramics, it is proposed to use the criterion K 1c in the framework of the concepts of linear fracture mechanics. K 1c (MPa • m 1/2) ) is the critical stress intensity factor at the crack tip, at the value of which the crack starts (condition of plane deformation, crack normal crack). The larger the value of the parameter K 1c , the greater the intensity of stresses at the tip of the crack will be its pulling (propagation) into the body of the sample as a result of applying an external load and, therefore, the greater the resistance to crack initiation is exerted by the ceramic structure. To determine the parameter K 1c, prismatic samples with a specially created stress concentrator (crack or notch simulating a crack) are tested for bending according to a three or four-point loading scheme. It is preferable to use a crack as a stress concentrator, however, creating a crack in a ceramic specimen with an uniquely reproduced front configuration, a given length and orientation is a laborious and difficult task. This is due to the fact that when a crack grows, its front interacts with elements of the ceramic structure (grains, grain boundaries, micropores, other phases, stressed local regions, etc.), as a result of which branching or irreproducible bending of the front may occur. Therefore, in ceramics, there is a significant variation in the measured values of the parameter K 1c due to the uncertainty in the configuration of the crack front. In the present invention, it is proposed to use an incision as a stress concentrator under the condition that there are no induced defects in the region at its apex. Such induced defects (microcracks) can occur when cutting sintered samples with a rotating diamond wheel, their sizes can be commensurate with the sizes of grains in the ceramic structure, but their presence can lead to an increase in the stress concentration at the top of the notch during testing. This can also lead to a spread in the measured values of the parameter K 1c . The absence of induced defects can be achieved by selecting the appropriate ceramic cutting mode (speed of rotation of the diamond wheel, the force of pressing the wheel against the sample, the exclusion of beats, the use of cutting fluid), taking into account its density and structure. For the final control of the absence of induced defects in the area at the top of the incision, the staining method can be used, followed by observation under a microscope. The control should be carried out on several samples to establish the optimal cutting mode. A positive result is achieved with a two-stage cutting: first cut with a diamond wheel, and then the cut is lengthened by sawing with a thin wire covered with a layer of diamond paste, forming the top of the cut, the area at which does not contain induced defects. The authors developed their own method of forming an incision in a crude sample, according to which an incision is first formed during pressing by pressing a sharpened wedge into the sample body, and then an additional 0.1 mm thick steel blade is cut from the top of the formed wedge-shaped incision (after removing the wedge) with an angle sharpening 14 o . After sintering, the region at the top of the notch does not contain induced defects as a result of excluding the impact of a diamond tool on the sintered sample.

Кроме того, при создании надреза следует выполнять условие, накладывающееся на величину радиуса кривизны его вершины (ρ), при котором он адекватно моделирует трещину: ρ ≤ 10d, где d - средний размер зерна. Из практики известно, что завышение величины (ρ) приводит к некорректной аттестации керамики по параметру K1c, имеет место его завышение. Для мелкозернистой конструкционной керамики с величинами d 1, 5, 10 мкм величины (ρ) составят 10, 50, 100 мкм соответственно. Надрезы с (ρ) 50, 100 мкм и выше могут быть получены при использовании алмазных кругов. Надрез с ρ ≤ 10 мкм для керамики, спеченной из ультрадисперсных порошков, авторы получали по вышеописанной собственной методике. В этом случае, с учетом относительной линейной усадки 15-25%, величины (ρ) составляют 5-10 мкм.In addition, when creating an incision, the condition imposed on the radius of curvature of its vertex (ρ) should be fulfilled, under which it adequately simulates a crack: ρ ≤ 10d, where d is the average grain size. It is known from practice that an overestimation of the value (ρ) leads to incorrect certification of ceramics with respect to the parameter K 1c ; it is overestimated. For fine-grained structural ceramics with values of d 1, 5, 10 μm, the values (ρ) will be 10, 50, 100 μm, respectively. Incisions with (ρ) 50, 100 μm and above can be obtained using diamond wheels. An incision with ρ ≤ 10 μm for ceramics sintered from ultrafine powders was obtained by the authors using the proprietary technique described above. In this case, taking into account the relative linear shrinkage of 15-25%, the values (ρ) are 5-10 microns.

Таким образом, согласно заявленному способу изготавливают 2 вида призматических образцов (балочки) с надрезом и без надреза. Надрез выполняют на глубину 0,5 высоты образца, радиус кривизны вершины надреза ρ ≤ 10d (d - средний размер зерна) - условие моделирования трещины, область при вершине надреза не содержит наведенных дефектов для обеспечения воспроизводимости результатов при выбранных условиях испытания. Часть образцов с надрезом подвергают термоудару методом нагрева и последующего охлаждения по заданному режиму (например, 850o - вода, 1200o - воздух). После испытаний на трехточечный изгиб надрезанных образцов, не подвергнутых термоудару и после термоудара, рассчитывают величины критического коэффициента интенсивности напряжений до термоудара (1), после термоудара (2), а также предел прочности при изгибе после термоудара (3):

Figure 00000001

Figure 00000002

σ1 = 1,5•P * c •L/b•(h-l)2 (3)
где Pc и P*c - значения критических (разрушающих) нагрузок до и после термоудара соответственно;
l - глубина надреза,
h - высота образца;
Y(l/h) - коэффициент, зависящий от соотношения l/h и условий нагружения;
L - расстояние между опорами;
b - ширина образца.Thus, according to the claimed method, 2 types of prismatic samples (beams) are made with an incision and without an incision. The notch is made to a depth of 0.5 of the height of the sample, the radius of curvature of the notch tip ρ ≤ 10d (d is the average grain size) is the condition for modeling a crack, the region at the notch tip does not contain induced defects to ensure reproducible results under the selected test conditions. Some of the notched samples are subjected to thermal shock by heating and subsequent cooling in a given mode (for example, 850 o - water, 1200 o - air). After trials for three-point bending of incised samples not subjected to thermal shock and after thermal shock, the values of the critical stress intensity factor before thermal shock (1), after thermal shock (2), and also the tensile strength after bending after thermal shock (3) are calculated:
Figure 00000001

Figure 00000002

σ 1 = 1.5 • P * c • L / b • (hl) 2 (3)
where P c and P * c are the values of critical (destructive) loads before and after thermal shock, respectively;
l is the depth of cut
h is the height of the sample;
Y (l / h) is a coefficient depending on the ratio l / h and loading conditions;
L is the distance between the supports;
b is the width of the sample.

После испытаний призматических образцов без надреза рассчитывают предел прочности при изгибе (4) (образцы термоудару не подвергают):
σ2 = 1,5•Pc•L/b•h2 (4)
Средние значения К1c и σ2 рассчитывают в результате испытаний не менее 5-6 образцов. Тогда для определения термостойкости следует использовать следующие отношения: (1 - K*1c/K1c) • 100% (6) и σ12 (7).
По своему физическому смыслу отношение (6) представляет собой величину потери трещиностойкости (в %) керамики после термоудара, поскольку K1c является параметром трещиностойкости, характеризующим сопротивление инициированию трещины. Отношение (7) представляет собой "нечувствительность" (относительные единицы) структуры керамики к дефектам, образовавшимся в области у вершины надреза в результате термоудара. Теоретически величина этого отношения не может превысить единицу, чем она больше, тем выше "нечувствительность" керамики к дефекту, контролирующему разрушение при воздействии термических напряжений (при термоударе). Оба отношения (6) и (7) рассчитываются после испытаний образцов с надрезом, который является единственным концентратором напряжений, из вершины которого инициируется разрушение при воздействии термических напряжений. Поскольку разрушение при термоударе инициируется из вершины созданного надреза, как наиболее острого концентратора напряжений, то в этом случае реально выполняется задача изобретения: снижается рассеяние измеряемых характеристик, в следствие чего уменьшается ошибка определения термостойкости, возможно уменьшение количества испытуемых образцов для достоверной оценки данного свойства, нивелируется влияние фактора объема испытуемого образца на термостойкость. В таблице приведены данные по термостойкости частично стабилизированного диоксида циркония, полученные по заявленному способу и по прототипу. Измерения физико-механических свойств проводили на сериях образцов по 10 штук. Термоудар создавали путем нагрева образцов при 600oC и последующего охлаждения на воздухе при комнатной температуре. Для этого образцы устанавливали на керамическую пластину и вносили в разогретую на 600oC печь, выдерживали в течение 1 часа, затем извлекали из печи. После остывания образцов проводили измерения физико-механических свойств. Среднее значение предела прочности при изгибе до термоудара (σ2) составило 420 МПа, среднее значение критического коэффициента интенсивности напряжений образцов до термоудара (K1c) составило 8,3 МПа • м1/2. По прототипу измеряли потерю прочности при изгибе (σ* - предел прочности при изгибе образца после термоудара, σ0 - среднее значение предела прочности при изгибе образцов до термоудара). Для сравнения ошибок определения термостойкости по заявленному способу и по прототипу рассчитывали величину среднеквадратической и простой средней ошибки /4/. Для этого вычисляли среднее арифметическое

Figure 00000003
(n - количество значений измеряемых величин ai) εi = ai-a - отклонение измеряемой величины от среднего арифметического. Простую среднюю ошибку определяли как
Figure 00000004

а среднеквадратическую ошибку
Figure 00000005

Из результатов, представленных в таблице, видно, что определение термостойкости по предложенному способу характеризуется существенно меньшей ошибкой. Для оценки термостойкости по предложенному способу достаточно использовать результаты испытаний 3-6 надрезанных образцов в виду малого разброса измеряемых характеристик. Кроме того, при использовании заявленного способа наблюдается тенденция к нивелированию влияния объема испытуемого образца на термостойкость. При испытании (термоудар 600oC-воздух) серий образцов ZrO2- Y2O3 (3 мол.%), отличающихся по объемам (3х5х30 мм3 -1 тип образцов, 5х8х40 мм3 - 2 тип образцов), установлено, что средняя потеря трещиностойкости у образцов 1 и 2 типа составила 21,2% и 22,0% соответственно, а нечувствительность к надрезу для этих типов образцов составила 0,25 и 0,23 соответственно. Тогда как средняя величина потери прочности при изгибе для образцов этих типов существенно отличалась и составляла 32% и 51% соответственно.After testing prismatic samples without a notch, the bending strength (4) is calculated (the samples are not subjected to thermal shock):
σ 2 = 1.5 • P c • L / b • h 2 (4)
The average values of K 1c and σ 2 are calculated as a result of testing at least 5-6 samples. Then, to determine the heat resistance, the following relations should be used: (1 - K * 1c / K 1c ) • 100% (6) and σ 1 / σ 2 (7).
In its physical sense, relation (6) is the value of the loss of crack resistance (in%) of ceramics after thermal shock, since K 1c is a crack resistance parameter characterizing the crack initiation resistance. Relation (7) represents the "insensitivity" (relative units) of the ceramic structure to defects formed in the region near the top of the notch as a result of thermal shock. Theoretically, the magnitude of this ratio cannot exceed unity, the larger it is, the higher the "insensitivity" of ceramics to a defect that controls failure under the influence of thermal stresses (during thermal shock). Both relations (6) and (7) are calculated after testing samples with a notch, which is the only stress concentrator, from the top of which failure is initiated under the influence of thermal stresses. Since fracture during thermal shock is initiated from the top of the created notch, as the sharpest stress concentrator, in this case the task of the invention is really fulfilled: the dispersion of the measured characteristics is reduced, as a result of which the error in determining heat resistance is reduced, it is possible to reduce the number of test samples to reliably evaluate this property, the influence of the volume factor of the test sample on heat resistance. The table shows the data on the heat resistance of partially stabilized zirconia obtained by the claimed method and the prototype. Measurements of physical and mechanical properties were carried out on a series of samples of 10 pieces. Thermal shock was created by heating samples at 600 ° C and subsequent cooling in air at room temperature. To do this, the samples were mounted on a ceramic plate and introduced into a 600 ° C preheated oven, kept for 1 hour, then removed from the oven. After cooling the samples, measurements of physical and mechanical properties were performed. The average value of the tensile strength in bending before thermal shock (σ 2 ) was 420 MPa, the average value of the critical coefficient of stress intensity of the samples before thermal shock (K 1c ) was 8.3 MPa • m 1/2 . According to the prototype, the loss of strength in bending was measured (σ * is the tensile strength in bending of the sample after thermal shock, σ 0 is the average value of the tensile strength in bending of samples before thermal shock). To compare the errors of determining the heat resistance according to the claimed method and the prototype was calculated the value of the mean square and simple average error / 4 /. For this, the arithmetic mean was calculated
Figure 00000003
(n is the number of measured values a i ) ε i = a i -a is the deviation of the measured value from the arithmetic mean. Simple average error was defined as
Figure 00000004

and the standard error
Figure 00000005

From the results presented in the table, it is seen that the determination of heat resistance by the proposed method is characterized by a significantly smaller error. To assess the heat resistance of the proposed method, it is sufficient to use the test results of 3-6 notched samples in view of the small variation in the measured characteristics. In addition, when using the inventive method, there is a tendency to level the effect of the volume of the test sample on heat resistance. When testing (thermal shock 600 o C-air) series of ZrO 2 - Y 2 O 3 samples (3 mol%), differing in volumes (3x5x30 mm 3 -1 type of samples, 5x8x40 mm 3 - 2 type of samples), it was found that the average loss of crack resistance in type 1 and type 2 samples was 21.2% and 22.0%, respectively, and notch tolerance for these types of samples was 0.25 and 0.23, respectively. Whereas the average value of the bending strength loss for samples of these types differed significantly and amounted to 32% and 51%, respectively.

Примеры реализации заявляемого способа. Examples of the implementation of the proposed method.

Пример 1. Example 1

Из ультрадисперсного порошка (размеры частиц 0,2-0,5 мкм) состава ZrO2-Y2O3 (3 мол. %) прессованием и последующим спеканием изготавливали призматические образцы (3х5х30, мм) с надрезом и без надреза. После спекания средний размер зерна составил 1 мкм, надрез вводили на половину высоты образца по разработанной авторами методике, радиус кривизны вершины надреза составлял 8 мкм, что удовлетворяет условию адекватного моделирования трещины, область при вершине надреза не содержала наведенных дефектов, что подтверждалось микроскопическим исследованием. Шесть образцов с надрезом подвергали термоудару в режиме 600oC - воздух, затем испытывали на трехточечный изгиб (расстояние между опорами L=20 мм, скорость приложения нагрузки - 8 мкм/с) и рассчитывали параметры K*1c и σ1 по формулам (2) и (3). После этого шесть образцов с надрезом и шесть образцов без надреза, не подвергнутые термоудару, испытывали при тех же условиях и рассчитывали параметры K1c и σ2 по формулам (1) и (4). На основании этих испытаний определяли средние арифметические значения K1c и σ2. Значение коэффициента Y(l/h) в формулах (1) и (2) при соотношении L/h=4 принималось равным
Y(l/h)=1,93-3,07 (l/h)+14,53 (l/h)2-25,11 (l/h)3+ 25,8(l/h)4.
From ultrafine powder (particle size 0.2-0.5 μm) of the composition ZrO 2 -Y 2 O 3 (3 mol%), prismatic samples (3x5x30, mm) with and without notches were made by pressing and sintering. After sintering, the average grain size was 1 μm, the notch was introduced at half the height of the sample according to the method developed by the authors, the radius of curvature of the notch tip was 8 μm, which satisfies the condition for adequate modeling of the crack, the region at the tip of the notch did not contain induced defects, which was confirmed by microscopic examination. Six notched samples were subjected to thermal shock in the regime of 600 o C - air, then they were tested for three-point bending (distance between supports L = 20 mm, load application speed - 8 μm / s) and parameters K * 1c and σ 1 were calculated by formulas (2 ) and (3). After that, six samples with a notch and six samples without a notch, not subjected to thermal shock, were tested under the same conditions and the parameters K 1c and σ 2 were calculated using formulas (1) and (4). Based on these tests, the arithmetic mean values of K 1c and σ 2 were determined. The value of the coefficient Y (l / h) in formulas (1) and (2) with the ratio L / h = 4 was taken equal
Y (l / h) = 1.93-3.07 (l / h) +14.53 (l / h) 2 -25.11 (l / h) 3 + 25.8 (l / h) 4 .

Тогда термостойкость керамики по потере трещиностойкости после термоудара (1- K*1c/K1c) 100% составила 21%, 20%, 22%, 20,7%, 23%, 21,5% (результаты получены как частное от деления шести значений K*1c на среднее значение K1c), а нечувствительность к дефектам после термоудара σ12 составила 0,21, 0,23, 0,26, 0,22, 0,21, 0,30 (результаты получены как частное от деления шести значений σ1 на среднее значение σ2).
Пример 2.
Then, the ceramic resistance to loss of crack resistance after thermal shock (1- K * 1c / K 1c ) 100% was 21%, 20%, 22%, 20.7%, 23%, 21.5% (the results were obtained as a quotient of the division of six values of K * 1c per average value of K 1c ), and the insensitivity to defects after thermal shock σ 1 / σ 2 was 0.21, 0.23, 0.26, 0.22, 0.21, 0.30 (the results were obtained as quotient of dividing six values of σ 1 by the average value of σ 2 ).
Example 2

Аналогично примеру 1 изготавливали образцы керамики ZrO2- Y2O3 (3 мол.%) с добавкой металлического хрома (3, 7, 10 об.%) и подвергали термоудару в режиме 600oC-воздух. После испытаний средние величины (из 6 значений) потери трещиностойкости с увеличением объемной доли металла составили 15,2%, 12,3%, 1,2% соответственно, а нечувствительность к дефектам после термоудара составила 0,42, 0,43, 0,51 соответственно.Analogously to example 1, ZrO 2 - Y 2 O 3 ceramics samples were prepared (3 mol%) with the addition of metallic chromium (3, 7, 10 vol%) and subjected to thermal shock in the 600 o C-air mode. After testing, the average values (out of 6 values) of crack resistance with an increase in the volume fraction of metal were 15.2%, 12.3%, 1.2%, respectively, and the insensitivity to defects after thermal shock was 0.42, 0.43, 0, 51 respectively.

Пример 3. Example 3

Аналогично примерам 1 и 2 методом прессования и последующего спекания получали алюмооксидные образцы с двумя различными структурными типами. Образцы с мелкокристаллической структурой (1 тип структуры, средний размер зерна 5 мкм) изготавливали из промышленного порошка марки ГЛМК (Al2O3+0,5 мас.% Mgo). Образцы со специально организованной структурой, в которой первичные алюмооксидные зерна (средний размер 5 мкм) связаны пористыми прослойками (0,3-0,5 мкм) вторичной алюмооксидной фазы (2 тип структуры), получали методом реакционного спекания при окислении алюминиевого порошка, входящего в состав исходной шихты. Надрезы в образцах создавали путем прорезания алмазным кругом, радиус кривизны вершины надреза - 50 мкм. Образцы обоих структурных типов подвергали термоудару в режиме 850oC-вода. После испытаний средние величины (из 6 значений) потери трещиностойкости и нечувствительности к дефектам после термоудара для образцов 1 и 2 структурных типов составили 32,5%; 10,5% и 0,31; 0,56 соответственно.Similarly to examples 1 and 2, alumina samples with two different structural types were obtained by pressing and subsequent sintering. Samples with a fine-crystalline structure (type 1 structure, average grain size of 5 μm) were made from GLMK industrial powder (Al 2 O 3 +0.5 wt.% Mgo). Samples with a specially organized structure, in which primary alumina grains (average size 5 μm) are connected by porous interlayers (0.3-0.5 μm) of the secondary alumina phase (type 2 structure), were obtained by reaction sintering during the oxidation of aluminum powder included in composition of the initial charge. Notches in the samples were created by cutting with a diamond wheel, the radius of curvature of the notch tip is 50 μm. Samples of both structural types were subjected to thermal shock in the 850 o C-water mode. After testing, the average values (out of 6 values) of the loss of crack resistance and insensitivity to defects after thermal shock for samples 1 and 2 of structural types amounted to 32.5%; 10.5% and 0.31; 0.56, respectively.

Таким образом, согласно заявленному способу определения термостойкости конструкционных керамических материалов реально снижается ошибка определения термостойкости, возможно уменьшение количества испытуемых опытных образцов, имеет место нивелирование влияния фактора объема испытуемого образца на термостойкость. Кроме того, предложенные параметры (относительная потеря трещиностойкости и нечувствительность к дефектам после термоудара) дают количественную оценку сопротивления структуры керамики инициированию термических трещин и ее чувствительности к дефектам, образовавшимся в результате термоудара. Thus, according to the claimed method for determining the heat resistance of structural ceramic materials, the error in determining heat resistance is actually reduced, it is possible to reduce the number of test samples tested, there is a leveling effect of the volume factor of the test sample on heat resistance. In addition, the proposed parameters (relative loss of crack resistance and insensitivity to defects after thermal shock) give a quantitative assessment of the resistance of the ceramic structure to initiation of thermal cracks and its sensitivity to defects formed as a result of thermal shock.

Источники информации
1. К.К.Стрелов, И.Д.Кащеев. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов.-М.: Металлургия, 1996, 608 с.
Sources of information
1.K.K. Strelov, I.D. Kashcheev. Theoretical Foundations of the Technology of Refractory Materials.-M.: Metallurgy, 1996, 608 p.

2. Практикум по технологии керамики и огнеупоров/ Под редакцией Д.Н.Полубояринова и Р.Я.Попильского.-М.: Стройиздат, 1972, 352 с. 2. Workshop on the technology of ceramics and refractories / Edited by D.N. Poluboyarinov and R.Ya. Popilsky.-M .: Stroyizdat, 1972, 352 p.

3. Е.С.Лукин, Н.Т.Андрианов. Технический анализ и контроль производства керамики.-М.: Стройиздат, 1986, 272 с. (прототип). 3. E.S. Lukin, N.T. Andrianov. Technical analysis and control of the production of ceramics.-M .: Stroyizdat, 1986, 272 p. (prototype).

4. И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗОВ.-М.: Наука, 1964, 608 с. 4. I.N. Bronstein, K.A.Semendyaev. Handbook of mathematics for engineers and students VTUZ.-M .: Nauka, 1964, 608 pp.

Claims (1)

Способ определения термостойкости конструкционных керамических материалов, включающий изготовление опытных призматических образцов, создание термоудара путем цикла нагрев-охлаждение и последующее определение величины потери физико-механических свойств образцов по отношению к их значениям до термоудара, отличающийся тем, что образцы изготавливают с боковым надрезом, моделирующим трещину и не содержащим при вершине наведенных дефектов, и без надреза, а термостойкость определяют по величинам отношений
(1 - К*) • 100%
и
σ12,
где K * 1c - критический коэффициент интенсивности напряжений образца после термоудара;
К - среднее значение критического коэффициента интенсивности напряжений образцов до термоудара;
σ1 - предел прочности при изгибе надрезанного образца после термоудара;
σ2 - среднее значение предела прочности при изгибе образцов без надреза до термоудара.
A method for determining the heat resistance of structural ceramic materials, including the manufacture of experimental prismatic samples, the creation of thermal shock by a heating-cooling cycle, and the subsequent determination of the loss of physical and mechanical properties of the samples with respect to their values before thermal shock, characterized in that the samples are made with a side notch modeling the crack and not containing induced defects at the apex, and without an incision, and heat resistance is determined by the values of the ratios
(1 - K * 1s / K 1s ) • 100%
and
σ 1 / σ 2 ,
where k * 1c - the critical stress intensity factor of the sample after thermal shock;
K 1s is the average value of the critical coefficient of stress intensity of samples before thermal shock;
σ 1 - tensile strength in bending of the notched sample after thermal shock;
σ 2 - the average value of the tensile strength when bending samples without notching before thermal shock.
RU97107653/03A 1997-05-07 1997-05-07 Method of determining heat resistance of constructional ceramic materials RU2131403C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU97107653/03A RU2131403C1 (en) 1997-05-07 1997-05-07 Method of determining heat resistance of constructional ceramic materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU97107653/03A RU2131403C1 (en) 1997-05-07 1997-05-07 Method of determining heat resistance of constructional ceramic materials

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU97107653A RU97107653A (en) 1999-05-10
RU2131403C1 true RU2131403C1 (en) 1999-06-10

Family

ID=20192812

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU97107653/03A RU2131403C1 (en) 1997-05-07 1997-05-07 Method of determining heat resistance of constructional ceramic materials

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2131403C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2522762C1 (en) * 2013-02-04 2014-07-20 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Method of determining heat resistance of products from superhard ceramics based on cubic boron nitride

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Лукин Е.С., Андрианов Н.Т. Технологический анализ и контроль производства керамики. - М.: Стройиздат, 1986, с.68 - 76. *
Стрелов К.К., Кащеев И.Д. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов. - М.: Металлургия, 1996, с.205 - 217. Практикум по технологии керамики и огнеупоров. / Под ред. Полубояринова Д.Н. и Попильского Р.Я. - М.: Стройиздат, 1972, с.188 - 212, 270 - 278. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2522762C1 (en) * 2013-02-04 2014-07-20 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Method of determining heat resistance of products from superhard ceramics based on cubic boron nitride

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ayatollahi et al. Tensile fracture in notched polycrystalline graphite specimens
Pickup et al. Fracture processes in graphite and the effects of oxidation
Chicot et al. Influence of tip defect and indenter shape on the mechanical properties determination by indentation of a TiB2–60% B4C ceramic composite
Senseny et al. Fracture toughness of sandstones and shales
Morris et al. Crack closure load measurements for microcracks developed during the fatigue of Al 2219-T851
Tagai et al. High‐Temperature Creep of Polycrystalline Magnesia: I, Effect of Simultaneous Grain Growth
CN109870258B (en) Instrumented spherical indentation detection method for plane random residual stress
Liu et al. Small-scale approaches to evaluate the mechanical properties of quasi-brittle reactor core graphite
Doig et al. The use of stretch zone width measurements in the determination of fracture toughness of low strength steels
RU2131403C1 (en) Method of determining heat resistance of constructional ceramic materials
Moon et al. Comparison of R‐curves from Single‐Edge V‐Notched‐Beam (SEVNB) and Surface‐Crack‐in‐Flexure (SCF) fracture‐toughness test methods on multilayered alumina–zirconia composites
Lang et al. Some Physical Properties of High‐Density Thorium Dioxide
Yarullin et al. Fatigue growth rate of inclined surface cracks in aluminum and titanium alloys
Baumgartner et al. Inclusion effects on the strength of hot pressed Si3N4
Gettings et al. Surface crack in flexure (SCF) measurements of the fracture toughness of advanced ceramics
Majić et al. Fracture toughness of alumina ceramics determined by vickers indentation technique
Quinn et al. Does anyone know the real fracture toughness? SRM 2100: The world's first ceramic fracture toughness reference material
Land et al. Lifetime prediction of brittle materials having spatial variations in fracture properties K IC and v versus K 1
Quinn et al. Standard reference material 2100: ceramic fracture toughness
Hulm et al. Evaluation of the mechanical performance of zirconia bioceramic based on the size of incipient flaw
Vandeperre et al. Measurement of mechanical properties using slender cantilever beams
Elghazel et al. Investigation of mechanical behaviour of a bioceramic
DOI et al. Estimation of creep constitutive equation by creep indentation test using cylindrical indenter
Danzer et al. On the development of experimental methods for the determination of fracture mechanical parameters of ceramics
Tepnarong Theoretical and experimental studies to determine compressive and tensile strengths of rock, using malified point load testing

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20040508