Анотація до роботи:

Котенко В.А. Фізичні закономірності механічної поведінки і властивості композитів з керамічною матрицею при локальному навантаженні – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Київ 2008.

У роботі, на широкому колі композитів з керамічною матрицею, випробувано нову модель індентування крихких матеріалів та експериментально досліджено структуру області їх контактного руйнування, в якій виділено зони, що характеризуються різною геометрією тріщин і різними механізмами руйнування. У

межах нової моделі індентування встановлено зв'язок між величиною контактного тиску (твердістю НМ) і характеристиками міцності для композитів з керамічною матрицею та запропоновано оригінальні методики атестації механічних властивостей композитів при локальному навантаженні (контактні міцності при розтягуванні і стисканні). Показано зв’язок між параметрами структурної неоднорідності кераміки і статистичними характеристиками контактної міцності (модуль Вейбулла). На прикладі нових композитів з керамічною матрицею B₄C–МеB₂ (Mе – Ti, Zr, V, Cr), B₄C–SiC, B₄С–AlN встановлено залежність між параметрами структури (об’ємний вміст фаз, дисперсність структури, пористість, рівень внутрішніх напружень), контактною міцністю і їх службовими характеристиками (масова ефективність броні, стійкість при абразивному зношуванні).

У дисертаційній роботі встановлено основні закономірності і механізми руйнування крихких композиційних матеріалів при локальному навантаженні залежно від їх структури і на цій основі запропоновані способи формування службових властивостей і управління механічною поведінкою композитів з керамічною матрицею у процесах ударної взаємодії і абразивного зношування. При цьому отримані такі наукові і практичні результати:

1. Експериментально досліджено структуру області руйнування композитів з керамічною матрицею при локальному навантаженні, виділено області, якіхарактеризуються різною геометрією тріщин і різними механізмами руйнування, встановлено характеристики процесів руйнування в кожній області. При цьому структура області контактного руйнування включає: 1) пружну область; 2) область дилатації і пороутворення, створену радіальними тріщинами; 3) напівсферичну область ядра з ущільненого фрагментованого матеріалу, що утворюється з матеріалу області дилатації при її руйнуванні напруженнями зсуву при стисненні. У рамках моделі індентування, розробленої Б.О. Галановим і О.М. Григорьєвим, встановлено зв'язок між величиною контактного тиску (твердістю НМ) і характеристиками міцності для композитів з керамічною матрицею.

2. Розроблено методики визначення контактної міцності при розтягуванні і при стисканні крихких матеріалів, визначені області застосування методик і інтервали можливих значень контактної міцності різних крихких і малопластичних матеріалів. Показано зв’язок між параметрами структурної неоднорідності кераміки і

статистичними характеристиками контактної міцності (модуль Вейбулла). Встановлено залежності між характеристиками структури (об’ємний вміст фаз, дисперсність структури, пористість, рівень внутрішніх напружень) композитів на основі карбіду бору і контактною міцністю.

3. Досліджено масштабний ефект, який спостерігається при вимірюванні контактної міцності. Запропоновано співвідношення, які безпосередньо виражають характерну для контактної міцності _f залежність від навантаження: із зменшенням навантаження, і, відповідно, області руйнування, міцність матеріалу збільшується. Показано, що масштабний ефект контактної міцності є наслідком статистичної природи міцності крихких тіл, яка описується, зокрема, за допомогою моделі Вейбулла.

4. На основі даних про вплив температури на руйнування крихких матеріалів при їх локальному навантаженні розраховані значення контактної міцності при розтягуванні залежно від температури випробувань. При цьому встановлено, що температурна область мінімальних значень контактної міцності для досліджених матеріалів є дещо нижчою від температури крихко-пластичного переходу Т_b. Зменшення контактної міцності в інтервалі температур ідеально-крихкого руйнування досліджених матеріалів обумовлене збільшенням розміру і «потужності» області «непружності», які пропорційні розміру відбитка твердості.

5. Проведено комплексні випробування ударостійких композиційних матеріалів систем B₄C–МеB₂ (Mе–Ti, Zr, V, Cr), B₄C–SiC, B₄C–AlN відповідно до нової моделі індентування крихких гетерофазних матеріалів. На прикладі композитів системи B₄C–AlN показано, що матеріали, які поєднують компоненти з різними значеннями відношення НМ/Е мають підвищені характеристики міцності: карбід бору забезпечує стійкість матеріалу на початку процесу руйнування, на стадії пружної деформації, а нітрид алюмінію – стійкість після початку руйнування завдяки фрагментуванню й ущільненню зруйнованого матеріалу.

6. Показано, що найбільш повний опис процесу проникнення ударника в крихкі керамічні матеріали можливий на основі модифікованої Б.О. Галановим, В.В. Картузовим, С.М. Івановим гідродинамічної моделі Алексеєвського-Тейта, яка дозволяє розглядати проникнення ударника в часі. При цьому у структуру «статичної» компоненти мають входити нові характеристики міцності – контактні міцності при розтягуванні і стисканні. Розраховані значення масової ефективності добре узгоджуються з експериментальними даними.

7. Встановлена лінійна залежність між оберненою величиною контактної міцності (або схильністю до руйнування в макро- і мікрооб’ємах при локальному навантаженні) і величиною абразивного зношування – композити з високою контактною міцністю мають найвищу зносостійкість. На прикладі обробки алмазів показано, що величина загального зношування може мати значну додаткову складову завдяки адгезії і хімічної взаємодії з абразивом.

Публікації автора:

1. Горбань В.Ф., Винокуров В.Б., Григорьев О.Н., Демидик А.Н., Иванова И.И., Коваль А.Ю., Котенко В.А., Печковский Е.П., Фирстов С.А. Микро- и макроиндентирование титано-кремнистого карбида Ti₃SiC₂ // Порошковая металлургия. – 2005. – №3/4. – С. 93 – 105.

2. Григорьев О.Н., Галанов Б.А., Котенко В.А., Иванов С.М., Ковальчук В.В., Лажевский В.А. Контактная прочность и трещиностойкость хрупких материалов // Металлофизика и новейшие технологии. – 2005. – №8. – C. 1001 – 1018.

3. Григорьев О.Н., Ковальчук В.В., Бега Н.Д., Галанов Б.А., Котенко В.А., Запорожец О.И., Кутрань Т.М., Дордиенко М.А. Получение и физико-механические свойства композитов В₄С– VB₂ // Порошковая металлургия. – 2006. – №1/2.– С. 59 – 72.

4. Григорьев О.Н., Галанов Б.А., Котенко В.А., Иванов С.М. Контактная прочность и трещиностойкость твёрдых сплавов // Электронная микроскопия и прочность материалов. – 2006.– Вып.13 – C. 43 – 54.

5. Григорьев О.Н., Дубовик Т.В., Бега Д.Н., Котенко В.А., Панашенко В.М., Ляшенко В.И., Рогозинская А.А., Черненко Л.И. Свойства спеченных керамических материалов на основе нитрида и карбида бора // Порошковая металлургия. – 2007. – №1/2. – C. 58 – 63.

6. Григорьев О.Н., Галанов Б.А., Котенко В.А., Иванов С.М. Разрушение керамики и ее сопротивление внедрению высокоскоростных ударников // Огнеупоры и техническая керамика. – 2004. – №8. – C. 8 – 15.

7. Григорьев О.Н., Галанов Б.А., Котенко В.А., Ковальчук В.В., Костенко А.Д., Мазур П.В. Стойкость композитов В₄С–VB₂ при абразивном изнашивании и трении в паре со сталью // Огнеупоры и техническая керамика. – 2005. – №10. – C. 2 – 8.

8. Григорьєв О.М., Галанов Б.О., Котенко В.А., Іванов С.М. Контактна міцність і механічні властивості композиційних керамічних матеріалів // Фундаментальні орієнтири науки (ФОН): хімія та наукові основи перспективних технологій. – Київ: „Академперіодика”, 2005. – С. 304 – 326.