Введение к работе
Актуальность работы. Керамика на основе оксида алюминия - наиболее применяемый в промышленности конструкционный керамический материал. Он широко используется для изготовления деталей устройств, механизмов и машин, эксплуатируемых в химически агрессивных водных средах, например, в качестве уплотнений, прокладок, подпятников, крыльчаток и т. д., различного рода вентелей, клапанов, насосов.
Известно, что керамика на основе оксидов подвержена замедленному разрушению в результате процессов коррозии под напряжением. Следствием этого является снижение прочности и трещиностойкости керамики, а также изменение этих свойств во времени (в частности, в процессе эксплуатации). Данное явление должно учитываться как при аттестации механических свойств керамики, так и при проектировании деталей машин и механизмов - назначении запасов прочности, оценки долговечности и надежности. Однако, обычно для этой цели используют результаты стандартных механических испытаний, проводимых на воздухе, в соответствии с действующими стандартами.
Устойчивость керамики к замедленному разрушению зависит от ее состава и микроструктуры, а также от характеристик среды: рН, концентрации компонентов, анионно-катионного состава. Керамику на основе оксида атюминия изготавливают с введением различных добавок, состав и количество которых определяют формирующуюся в процессе спекания микроструктуру и состав зернограничных фаз. Состав и количество этих фаз, как можно предположить, является критическим фактором, влияющим на кинетику коррозии под напряжением. Однако, систематические исследования по данному вопросу к настоящему времени проведены не были, также как не изучено детально влияние характеристик водных растворов на замедленное разрушение. Новой проблемой является поиск путей ингибирования коррозии керамики под напряжением в водных растворах. Постановка такой работы представляется актуальной как в связи с расширяющимся применением керамики в машиностроении, так и для расширения базовых знаний в области материаловедения керамики.
Цель работы. В соответствии с изложенным, целью настоящей работы является систематическое исследование коррозии под напряжением керамических материалов на основе оксида алюминия и поиск путей повышения их устойчивости к замедленному разрушению.
Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:
1) сравнительное исследование влияния состава зернограничных фаз в
алюмооксидных материалах промышленных составов на:
сопротивление динамической усталости,
прочность,
трещиностойкость,
параметры функции Вейбулла статистического распределения прочности в водных растворах с широким диапазоном рН;
-
изучение возможности ингибирования коррозии под напряжением керамики на основе оксида алюминия;
-
усовершенствование составов зернограничных фаз для повышения устойчивости керамики к замедленному разрушению.
На основе выполненных исследований предложены рекомендации, как по проблеме механических испытаний керамики, так и по эффективному применению керамики на основе оксида алюминия в водных растворах.
Научная новизна, полученных в работе результатов состоит в следующем:
- впервые проведено систематическое исследование и получены новые,
оригинальные данные по влиянию водных растворов с рН,
изменяющимся от 1 до 12, на коррозию под напряжением широкого
круга материалов на основе АЬОз;
на основании анализа полученных в работе экспериментальных данных по влиянию водных растворов на прочность, параметры статистического ее распределения, трещиностойкость и показатель степени п в кинетическом уравнении докритического роста трещины сделаны выводы о механизмах коррозии под напряжением в различных по
составу и микроструктуре алюмооксидных материалах. Установлено, что доминирующий механизм определяется составом зернограничной фазы, изменяясь от полной сольватации - для MgO - содержащей керамики с 99,5 % А^Оз, до диссоциативной хемосорбции - для материалов с алюмосиликатными зернограничными фазами;
продемонстрирована принципиальная возможность ингибирования коррозии под напряжением посредством компенсации электростатического заряда, образующегося при разрыве межатомных связей в вершине трещины;
установлены принципы повышения сопротивления керамики замедленному разрушению в водных растворах посредством модификации зернограничных фаз, предварительной химической обработкой или направленным их легированием.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
- усовершенствована и обоснована методика испытаний керамических
материатов на динамическую усталость;
получены экспериментальные данные, которые могут быть использованы для расчетов на прочность изделий из алюмооксидных материалов, предназначенных для эксплуатации в водных средах с рН от 1 до 12;
разработаны новые составы керамики на основе 95 % А^Оз с иттрий-содержащей зернограничной фазой, обладающей повышенной устойчивостью к коррозии под напряжением в кислых и нейтральных средах;
разработан способ значительного, в 2 - 3 раза, повышения устойчивости промышленной керамики 22ХС к замедленному разрушению в водной среде посредством предварительной ее химической обработки в растворах НС1.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на:
Съезде Британского керамического общества, Сайренчестер, Англия, 1998;
Международной конференции СИМТЕК, Флоренция, Италия, 1998;
7-м Международном симпозиуме по механике разрушения керамики,
Москва, 1999.
Работа выполнена в соответствии с тематическими планами НИР Института физико-химических проблем керамических материалов РАН; в рамках ведущей научной школы России «Физико-химия и технология высокопрочного состояния керамических материалов (технической керамики)» (грант РФФИ № 96-15-97591) и поддержана грантами РФФИ № 97-03-33599 и № 00-03-32601.
Публикации. Основные положения работы опубликованы в 10 статьях, из них 6 - в международных журналах.
Объем работы. Диссертация содержит страниц, в том числе
таблиц, 3^ рисунков, список литературы, включающий J.PJLнаименований. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, общих выводов, библиографического списка и приложения.
Похожие диссертации на Повышение сопротивления замедленному разрушению керамики на основе оксида алюминия в водных растворах
