Структура и свойства керамики

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
УТВЕРЖДАЮ
Проректор-директор ИФВТ
_________ А.Н. Яковлев
« __ »________ 2013 г.
И.А. Хворова
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КЕРАМИКИ
Методические указания к выполнению лабораторной работы
по курсу «Материаловедение»
Издательство
Томского политехнического университета
2013
УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3-3я73
Х324
Хворова И.А.
Х324
Структура и свойства керамики: методические указания к выполнению
лабораторной работы по курсу «Материаловедение» для студентов, обучающихся по направлению 120700 «Землеустройство и кадастры» / И.А. Хворова; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013 – 8 с.
УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3-3я73
Методические указания рассмотрены и рекомендованы
к изданию методическим семинаром кафедры
«Материаловедение и технология металлов» ИФВТ
« 25 » октября 2012 г.
Зав. кафедрой МТМ
кандидат технических наук
____________ А.Г. Мельников
Председатель учебно-методической
комиссии
____________ Е.М. Князева
Рецензент
Доцент кафедры МТМ ИФВТ, кандидат технических наук
Фомин Н.И.
© ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2013
© Ковалевская Ж.Г., Стрелкова И.Л., 2013
2
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КЕРАМИКИ
Цель работы
1. Научиться измерять твёрдость керамических образцов по методу Роквелла.
2. Ознакомиться с микроструктурой образцов конструкционной керамики; подготовкой образцов для микроанализа.
3. Сравнить твёрдость и структуру керамики (величину зерна, пористость) с твёрдостью и структурой металлов.
Оборудование и материалы для выполнения работы
Прибор Роквелла, металлографические микроскопы, образцы различных керамических и керамико-металлических материалов, фотографии микроструктур керамики.
Порядок выполнения работы
1. Изучить теоретический материал по теме занятия.
2. Ознакомиться с методом определения твёрдости по Роквеллу с использованием шкалы А.
3. Измерить твёрдость предложенных керамических образцов на приборе
Роквелла. Данные внести в табл. 1.
4. Получить навыки определения под микроскопом элементов структуры
керамики: зёрен основной фазы и легирующего оксида, величины и
распределения пор, для чего:
а) изучить фотографии микроструктур керамики;
б) рассмотреть под микроскопом подобранные шлифы керамических
материалов и зарисовать схемы рассмотренных структур с обозначением на рисунках структурных составляющих.
5. Определить приблизительный размер пор в образцах, используя масштаб на микрофотографиях.
6. Проанализировать результаты измерений и микроанализа, написать отчет.
Основные положения
Керамика – неорганические твердые материалы, получаемые высокотемпературным обжигом из отформованных минеральных масс. Можно сказать, что керамика – это все материалы, не являющиеся полимерами и металлами. В керамических материалах между атомами существует ковалентная
или ионная связь.
Техническая керамика изготавливается из оксидов или безоксидных соединений.
3
Во время обжига при температуре 1200-2500 С одновременно формируются структура и свойства керамических материалов. Керамика всегда
многофазна: она содержит кристаллическую, стекловидную и газовую фазы в
различных пропорциях (рис. 1).
Кристаллическая фаза представляет собой химические соединения или твердые растворы. Она является основной и определяет прочность, жаропрочность и другие важнейшие свойства керамики.
Стекловидная, или аморфная
фаза – это связка; ее количество может колебаться в широких пределах:
от 1 до 10 %. Она снижает прочность
и термостойкость, но облегчает технологию производства.
Рис. 1. Структура керамики
Газовая фаза находится в порах
керамики. По доле пор в объеме материала керамика делится на пористую и плотную. В технике чаще используется плотная керамика. Но и она содержит определенную долю пор.
Достоинствами керамики, как конструкционного материала являются
высокая твёрдость и износостойкость, высокие рабочие температуры (до
3500 С), высокая коррозионная стойкость, малая плотность. Керамические
материалы – диэлектрики и теплоизоляторы.
Основной недостаток керамики – это высокая хрупкость (см. рис. 2)
Ударная вязкость керамики примерно в 40 раз меньше, чем у металлов. Это
ограничивает ее применение в технике. Керамика имеет низкую прочность
при растяжении и изгибе. Пластически не деформируется.
Высокие твердость и температуры плавления керамических материалов
обусловлены большой энергией связи между атомами. Это ковалентные или
ионные соединения. Сильная межатомная связь определяет высокое сопротивление деформации, поэтому специальной упрочняющей обработки для
керамики не требуется.
Для повышения ударной вязкости в керамическом материале должно
быть как можно меньше пор, являющихся зародышами трещин. Разрабатываются способы увеличения вязкости керамики: легирование, упрочнение
дисперсными частицами или нитевидными кристаллами более прочной керамики и другие.
Техническую керамику можно подразделить на 3 группы: оксидную,
бескислородную и металлокерамику.
1) Оксидную керамику получают из оксидов различных элементов: Al,
Mg, Zr, Si, Be, U. Она состоит в основном из кристаллической фазы и пор.
Стекловидная фаза появляется только за счет примесей.
4
Оксидная керамика твёрдая, огнеупорная, химически стойкая в кислотах, щелочах, на воздухе. Рабочие температуры составляют 0,8–0,9 от температур плавления (от 2000 до 3300 С). Но резких изменений температуры она
не выдерживает.
Рис. 2. Трещины, возникшие при измерении твёрдости керамики
Наиболее широко применяется корундовая керамика на основе оксида
алюминия Al2O3. Из неё изготавливают изоляторы, сопла горелок и форсунок, распределители и шайбы в бытовой сантехнике, бандажи волочильных
машин в кабельной промышленности, торцевые уплотнители для насосов,
вводы нагревателей и электродов и множество других изделий.
Все больше изделий получают из циркониевой керамики ZrO2. Она работает при температурах 2000–2200 С: огнеупорные тигли, тепловая изоляция, жаропрочные покрытия на металлах, антенные обтекатели ракет.
2) Бескислородная (безоксидная) керамика – это карбиды MexCy, нитриды MexNy, бориды MexBy и т. п. Это тугоплавкие соединения, их огнеупорность достигает 3500 С. Твёрдость приближается к твёрдости алмаза. Они
обладают высокой износостойкостью и жаростойкостью.
Карборунд SiC – твердый, химически стойкий, легкий, жаростойкий
материал. Из него делают нагреватели печей, чехлы термопар, лопатки газовых турбин, детали ДВС, шлифовальные круги, защитные покрытия на графите.
3) Керамико-металлические материалы, или керметы, получают путем перемешивания порошков тугоплавкого керамического соединения и металла. Затем смесь порошков прессуется и спекается. Металл играет роль
связки; он повышает пластичность и вязкость. При этом возрастает и σ изг. В
5
качестве связок используются кобальт, никель, железо, молибден. Керамическая составляющая может быть как оксидной, так и бескислородной.
Широко применяемые керамико-металлические материалы – это инструментальные твёрдые сплавы. Из них делают режущие пластины для
фрез, сверл, зенкеров, резцов, а также штампы, волоки, бурильный инструмент. Они состоят из карбидов WC, TiC, TaC и кобальтовой связки. Вольфрамокобальтовые твёрдые сплавы маркируются буквами ВК и цифрой,
означающей количество кобальта: ВК3, ВК6, ВК8 и т. д. Их применяют для
чернового точения и других видов черновой обработки резанием, а также для
волочильного инструмента. Увеличение доли кобальта в твёрдом сплаве
снижает твёрдость и износостойкость, но увеличивает прочность при изгибе
и вязкость.
Очень высокую твёрдость таких материалов, как закаленные стали,
твёрдые сплавы, керамика, твёрдые покрытия, в том числе наплавленные
слои достаточной глубины на сталях и чугунах, чаще всего определяют по
методу Роквелла. Как вы помните из лабораторной работы «Определение
твёрдости металлов и сплавов», у твердомера Роквелла имеются три шкалы,
что делает этот прибор почти универсальным, позволяя определять твёрдость
очень широкого диапазона материалов.
Измерение по шкале А и С основано на вдавливании в исследуемый
материал алмазного конуса с углом в вершине 120° и последующем измерением глубины вдавливания h.
Шкала А используется при испытании очень твердых материалов или
тонких поверхностных слоев (0,5…1,0 мм). Алмазный конус вдавливают под
нагрузкой в 60 кгс. Значение твердости определяют по шкале С, но обозначают НRА. Интервал измерения твердости по этой шкале от 70 до 85 единиц.
Особые значения для керамики имеет определение вязкости разрушения, поскольку главное ограничение в применении керамики – недостаточная
вязкость.
Вязкость разрушения К1С характеризует локальное повышение растягивающих напряжений у вершины трещины при переходе ее от стабильной к
нестабильной стадии роста.
К1С     lкр , МПа·м1/2.
При превышении критической длины (при данном среднем напряжении  ) трещина начинает расти самопроизвольно, за счет энергии упругой
деформации, накопленной в материале.
Зная вязкость разрушения (или трещиностойкость) можно определить
размер допустимой трещины lкр при данном рабочем напряжении  . Или
наоборот, можно определить, какое напряжение станет критическим для
определенного размера трещины.
Чем выше значение К1С, тем меньше опасность хрупкого разрушения и
выше надежность конструкции. У керамики величина К1С примерно в 50 раз
ниже, чем у пластичных металлов. Для керамических материалов вязкость
6
разрушения определяют по величине самой длинной трещины, образовавшейся в ходе испытаний твердости по методу Виккерса.
Методические указания по выполнению работы
Студенты получают образцы различных видов керамики. Изучают
микроструктуру образцов на металлографическом микроскопе с увеличением
не менее 500 крат. Затем изображают схемы структур в отчёте.
Пользуясь набором микрофотографий структур, определяют, к какому
виду керамики принадлежат рассмотренные образцы. Оценивают величину
пор с учётом масштаба изображения и их количество на одинаковой по величине площади шлифа.
Необходимо также провести испытания твёрдости данных образцов по
методу Роквелла. Данные внести в табл. 1. Пользуясь таблицей сопоставления значений твердости (Приложение 2 к лабораторной работе «Определение
твёрдости металлов и сплавов»), сопоставить значение твёрдости НRА керамических образцов с твёрдостью НRС закаленной стали (отчёт по лабораторной работе «Закалка углеродистых сталей»).
Таблица 1
Материал
Нагрузка, кгс
Твердость, НRА
Средняя величина
пор, мкм
1
2
3
4
Содержание отчета
В отчете по данной лабораторной работе должны быть приведены:
1. Наименование работы и ее цель.
2. Оборудование и материалы, используемые при выполнении работы.
3. Краткое описание методов исследования керамики, её структуры и
свойств.
4. Схемы рассмотренных структур с обозначением на рисунках структурных составляющих и кратким описанием.
5. Таблица экспериментальных данных о твёрдости и величине пор керамических образцов.
6. Выводы по результатам работы.
7
Учебное издание
ХВОРОВА Ирина Александровна
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КЕРАМИКИ
Методические указания к выполнению лабораторных работ
по курсу «Материаловедение»
для студентов, обучающихся по направлению
120700 «Землеустройство и кадастры»
Отпечатано в Издательстве ТПУ в полном соответствии
с качеством предоставленного оригинал-макета
Подписано к печати 05.11.2012. Формат 60х84/16. Бумага «Снегурочка».
Печать XEROX. Усл.печ.л. 0,47. Уч.-изд.л. 0,42.
Заказ . Тираж 100 экз.
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Система менеджмента качества
Издательства Томского политехнического университета сертифицирована
NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту BS EN ISO 9001:2008
. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30
Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru
8