Морфология подповерхностных трещин в стекле

Dec 06, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 6994 (2022) Цитировать эту статью

1516 Доступов

11 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Характеристика подповерхностных трещин, вызванных вдавливанием, представляет собой проблему для понимания контактных повреждений, ударов, износа, эрозии и истирания хрупких материалов, поскольку характер трещин, наблюдаемый на поверхности, является лишь частью общей системы трещин. Здесь мы применили синхротронную рентгеновскую многомасштабную томографию для наблюдения морфологии подповерхностных трещин, образовавшихся в результате индентирования по Виккерсу в новой стеклокерамике CaO-Al2O3-SiO2 с пластинчатыми кристаллами, образующими микроструктуру карточного домика. Он выявил разнообразные типы систем трещин вокруг полусферической зоны микротрещин под отпечатком, включая новую наклонную боковую трещину II типа, вызванную максимальным сдвиговым напряжением. Томографические изображения предоставили информацию о том, как неоднородная микроструктура влияет на процессы упрочнения, такие как прогиб трещин, перекрытие трещин и микротрещины.

Структура трещин на поверхности, вызванная острым или тупым индентором, дает богатые знания о механических свойствах хрупких материалов, таких как стекло, стеклокерамика, керамика и композиты, для разработки устойчивых к повреждениям материалов в конструкционных, стоматологических и оптических приложениях. Индентор Виккерса образует радиальные1,2, срединные1,2 и боковые трещины1,3, которые зарождаются на границе зоны упруго-пластической деформации или зоны процесса. Движущей силой образования трещин является максимальное главное напряжение вокруг зоны упругопластической деформации4; \(\sigma_{\phi \phi }\) на поверхности (\(\theta = \pi /2\)) для радиальной трещины, \(\sigma_{\theta \theta }\) внизу технологической зоны (\(\theta = 0\)) для срединной трещины и \(\sigma_{rr}\) (\(\theta = 0\)) для боковой трещины, где \(\theta\) — угол к ось нагрузки в сферических полярных координатах, \(\phi\) — угол окружности вокруг оси нагрузки, а r — радиальное расстояние. Зарождение и рост трещин в прозрачных материалах наблюдают непосредственно с помощью оптической микроскопии при последовательном нагружении и разгрузке5. Характер трещин зависит от поведения локальной деформации в зоне процесса, например, от уплотнения и сдвигового течения в стекле6,7. Система трехмерных трещин будет более сложной в прочных материалах с неоднородной микроструктурой, слабыми внутренними границами раздела и высокими внутренними остаточными напряжениями. Сферический индентор приводит к конусной трещине Герца или зоне подповерхностной деформации под контактом8. Эта зона повреждения микротрещинами связана с нелинейными кривыми растяжения, или квазипластичностью9, в слюдяной стеклокерамике10 и гетерогенной керамике.

Сложная система трещин подповерхностного отпечатка была изучена путем наблюдения за поперечным сечением с помощью оптической микроскопии8,11,12 и сканирующей электронной микроскопии (SEM)13,14. Томографию с фокусированным ионным пучком (FIB) можно использовать в качестве метода серийного получения срезов15,16. Однако эти методы секционирования влияют на поле напряжений вокруг зоны процесса, что может изменить исходную морфологию системы трещин. Рентгеновская компьютерная томография (КТ) — мощный метод неразрушающего наблюдения за внутренними трещинами17. Лакондемин и др.18 провели эксперимент по вдавливанию Виккерса на месте с помощью рентгеновской томографии и оценили поле смещения с помощью процедуры цифровой объемной корреляции (DVC). Окума19 четко обнаружил трещиноподобные дефекты, образующиеся во время порошковой обработки и спекания оксида алюминия, с помощью многомасштабной рентгеновской компьютерной томографии, которая была разработана Такеучи и его коллегами в Spring-820,21.

Целью данной работы является исследование сложной трехмерной системы трещин, возникающей в хрупких материалах с неоднородной микроструктурой, с помощью многомасштабной рентгеновской компьютерной томографии. В качестве модельного материала мы использовали полупрозрачную стеклокерамику. Стеклокерамика определяется как неорганические неметаллические материалы, полученные путем контролируемой кристаллизации стекол с помощью различных методов обработки22,23. Широкий спектр стеклокерамики с гетерогенной микроструктурой был разработан путем контроля химического состава стекла, а также размера, формы и объемной доли кристаллической фазы, внедренной в стекло, для повышения прочности и вязкости разрушения24,25,26. Остаточные напряжения, возникающие из-за теплового расширения и упругого несоответствия между кристаллом и стеклом, влияют на механические свойства стеклокерамики27. Возможными механизмами упрочнения, применимыми к стеклокерамике, являются искривление трещины28, отклонение трещины28,29, перекрытие трещин30,31 и упрочнение микротрещин32,33. Недавно Маэда34,35 обнаружил новую стеклокерамику, состоящую из стекла CaO–Al2O3–SiO2 и гексагональных кристаллов CaAl2Si2O8 (h-CAS). Эта стеклокерамика (CAS-GC) продемонстрировала улучшенную вязкость разрушения и нелинейные кривые нагрузки-перемещения при испытаниях на изгиб с использованием образцов балки с односторонним V-образным надрезом (SEVNB)34,36. На распространение трещин влияет микроструктура карточного домика, образованная пластинчатыми кристаллами h-CAS36,37. Трещины распространяются вдоль границы стекло-кристалл и плоскости скола, поскольку кристаллическая структура h-CAS аналогична структуре слюды38. CAS-GC обладает высокой устойчивостью к истиранию39. Мы исследовали трехмерную структуру трещин, вызванную отпечатком Виккерса в CAS-GC, с помощью многомасштабной рентгеновской компьютерной томографии. Была предпринята попытка понять сложную систему подземных трещин как совокупность компонентов трещин.