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

Методом направленной кристаллизации расплава в холодном контейнере были выращены кристаллы частично стабилизированного диоксида циркония с концентрацией оксида иттрия от 2 до 4 мол.%. Методом рентгеновской дифрактометрии показано наличие в кристаллах двух тетрагональных фаз с разной степенью тетрагональности. Определены параметры решетки, степень тетрагональности (c/a) и объемы элементарных ячеек. Исследование структуры методом просвечивающей электронной микроскопии показало наличие двойников во всех исследуемых кристаллах. Процесс двойникования происходит при остывании монокристалла при температуре перехода кубической фазы в тетрагональную и вызван упругими напряжениями, возникающими при трансформации фаз с разными удельными объемами.Методом индентирования проведены измерения микротвердости и трещиностойкости (критический коэффициент интенсивности напряжения K1c). Установлено, что микротвердость слабо зависит от кристаллографической ориентации, в то время как значения трещиностойкости для разных плоскостей отличаются. Максимальные значения трещиностойкости отмечены на образце, вырезанном из кристалла перпендикулярно направлению <100>. Исследована анизотропия микротвердости в зависимости от ориентации диагоналей индентора. Максимальное значение трещиностойкости получено на плоскости {100} при ориентации диагоналей индентора в направлении <100>.Методом локальной спектроскопии комбинационного рассеяния света проведены исследования фазового состава внутри и вокруг отпечатков индентора на плоскостях {100}, {110} и {111} при нагрузках 20Н, 3Н и 1Н. Оценка степени интенсивности тетрагонально-моноклинного перехода на разных кристаллографических плоскостях и при разной ориентации диагоналей индентора 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>. Так же максимальное значение трещиностойкости реализуется на плоскости {100} при такой же ориентации диагоналей индентора. При такой ориентации диагоналей индентора максимальные действующие напряжения получаются вдоль когерентных плоскостей сопряжения тетрагональной и моноклинной фазы. При тетрагонально-моноклинном переходе - (100)t ll (100)m и [001]t ll [010]m.Оценка сегнетоэластичного механизма упрочнения, вызванного поворотом двойников, проведенная по соотношению интенсивности линий тетрагональной фазы в спектрах комбинационного рассеяния света показала, что для реализации сегнетоэластичного механизма упрочнения требуются меньшие напряжения, чем для трансформационного механизм упрочнения, связанного с фазовым превращением тетрагональной фазы в моноклинную.Установлено, что при индентировании кристаллов диоксида циркония частично стабилизированного оксидом иттрия вклад в механизм деформации мартенситной и сегнетоэластичной трансформации различен и зависит не только от концентрации стабилизирующего оксида, определяющего структуру и фазовый состав материала, но и от кристаллографической ориентации плоскости индентирования и ориентации диагоналей отпечатка. Показано, что при снижении нагрузок соотношение действующих механизмов упрочнения меняется, снижение интенсивности появления моноклинной фазы происходит быстрее, чем снижение интенсивности переориентации двойников тетрагональной фазы.