Исследование механизмов упрочнения при пластической деформации в тетрагональных кристаллах на основе диоксида циркония

Направленной кристаллизацией расплава в холодном контейнере выращены кристаллы твердых растворов на основе диоксида циркония частично стабилизированные оксидами иттрия, церия и неодима (ZrO2)1-x-y-z(Y2O3)x(СеO2)y(Nd2O3)z (x = 0.01 – 0.028; y = 0 – 0.018; z = 0 – 0.018). Распределение оксидов иттрия, церия и неодима по длине кристаллов показало, что содержание оксида иттрия в кристаллах практически соответствовало содержанию его в исходной шихте, для оксидов церия и неодима наблюдали оттеснение легирующей примеси по высоте слитка. Определены эффективные коэффициенты распределения примесей.Проведен анализ механических свойств кристаллов, таких так микротвердость и трещиностойкость, методом микроиндентирования. Показано, что значения микротвердости кристаллов, легированных оксидами церия и/или неодима сопоставимы со значением микротвердости для кристаллов, стабилизированных только оксидом иттрия. Легирование кристаллов оксидом церия приводит к увеличению значений трещиностойкости по сравнению с кристаллами, стабилизированными только оксидом иттрия, в то время как легирование оксидом неодима трещиностойкость кристаллов практически не изменяет. При легировании кристаллов оксидом неодима наблюдали уменьшение значений трещиностойкости при увеличении суммарной концентрации стабилизирующих оксидов иттрия и неодима, что связано, также, как и в кристаллах, стабилизированных только оксидом иттрия, с уменьшением количества тетрагональной фазы, которая при приложении механической нагрузки может испытывать тетрагонально-моноклинное фазовое превращение. В отличие от кристаллов, легированных оксидом неодима, дополнительное легирование кристаллов оксидом церия приводит к увеличению значений трещиностойкости при увеличении концентрации оксида церия, несмотря на увеличение суммарной концентрации стабилизирующих оксидов. Максимальные значения трещиностойкости для кристаллов, из исследуемого диапазона составов, были получены для твердых растворов с суммарной концентрацией стабилизирующих оксидов 2.8 мол.%.Анализ анизотропии микротвердости и трещиностойкости показал, что кристаллы, легированные оксидом церия, не имели анизотропии микротвердости, но значения трещиностойкости отличались на разных кристаллографических гранях кристалла и при разной ориентации диагоналей индентора. Оценка степени интенсивности тетрагонально-моноклинного перехода на кристаллах дополнительно легированных оксидом церия показала, что имеет место анизотропия тетрагонально-моноклинного перехода влияющего на трансформационный механизм упрочнения. Максимальное количество моноклинной фазы обнаружено вокруг отпечатка индентора на плоскости {100}, при ориентации диагоналей индентора в направлении <100>. В отличие от кристаллов, стабилизированных только оксидом иттрия, для кристаллов дополнительно легированных оксидом церия характерна меньшая степень распространения моноклинной фазы вокруг отпечатка.Полученные данные о локальном фазовом составе вокруг отпечатков индентора позволяют предположить, что анизотропия трещиностойкости возникающая при разной ориентации диагоналей индентора на плоскости {100} связанна с анизотропией тетрагонально-моноклинного перехода. Но сопоставление данных о локальном фазовом составе вокруг отпечатков и изменении ориентации тетрагональной фазы вокруг отпечатков не позволяет объяснить разницу в значениях трещиностойкости для кристаллов легированных оксидом церия и неодима за счет изменения вклада трансформационного или сегнетоэластичного механизмов упрочнения при пластической деформации кристаллов. Возможно, что высокая трещиностойкость кристаллов, легированных ионами церия связана с кристаллохимическими особенностями структуры. Легирующие ионы церия, вводимые в кристаллы на основе диоксида циркония, имеют больший ионный радиус, чем стабилизирующий трехвалентный ион иттрия, и, кроме того, ионы церия могут находиться в кристаллической решетке в виде как Се3+, так и Се4+. Возможность иона церия менять валентность и, соответственно, ионный радиус приводит к тому, что количество вакансий в решетке уменьшается по сравнению с их количеством при стабилизации той же концентрацией Y2O3, так как замещение иона Zr4+ в решетке на Се4+ не требует зарядовой компенсации. Кроме того, уменьшаются и напряжения в самой решетке, поскольку размер ионного радиуса Се4+ ближе к Zr4+, чем размер ионного радиуса Y3+.