Анотація до роботи:

Степаненко А. В. Особливості структурного стану та фізико-механічних властивостей композита алмаз-карбід кремнію. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, Київ, 2003.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню особливостей структурного стану та фізико-механічних властивостей композиційного матеріалу алмаз-SiC.

У роботі проведено дослідження структурного стану ряду алмазних полікристалічних матеріалів. Показано, що напружено-деформований стан композита алмаз-SiC визначається прикладеним тиском і різницею констант пружності його фаз. Він сприяє високим експлуатаційним властивостям матеріалу, оскільки SiC знаходиться в умовах всебічного стиску (~2,5 ГПа), а алмаз - при всебічному розтязі (~0,5 ГПа). Мікронапруження в алмазі можна характеризувати дисперсією псевдомакронапружень, а в SiC рівень мікронапружень визначається, в основному, його субструктурним станом.

Ультразвуковими методами виміряно значення модуля Юнга в зразках матеріалу. Показано, що урахування структури матеріалу дозволяє підвищити точність прогнозування модуля пружності. Встановлено, що закономірності змочування природного алмазу і композита алмаз-SiC металічними розплавами, які складають основу серійних припоїв, є подібними. Наявність карбіду кремнію в матеріалі викликає незначне погіршення його змочування в порівнянні з монокристалами природного алмазу.

На основі одержаних результатів запропоновано і реалізовано, при високому тиску (7-8 ГПа) та температурі (1700-1800С), мікроструктуру композита алмаз-SiC, яка забезпечує високі значення зносостійкості та термостабільності матеріалу. Встановлено основні закономірності структуроутворення такого матеріалу в залежності від часу ізотермічної витримки та структурного стану вихідних алмазних порошків.

Аннотация.

Степаненко А. В. Особенности структурного состояния и физико-механических свойств композита алмаз-SiC. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, Киев, 2003.

Диссертационная работа посвящена исследованию особенностей структурного состояния и физико-механических свойств композита алмаз-SiC.

В работе проведено исследование структурного состояния ряда алмазных поликристаллических материалов. Выполнено теоретическое и экспериментальное исследование уровня макронапряжений в композиционном материале алмаз-SiC. Показано, что модель Л.П. Хорошуна адекватно описывает макронапряжения в алмазной и SiC фазах композита. Напряженно-деформированное состояние композита алмаз-SiC определяется приложенным давлением спекания и разницей констант упругости его фаз. Влияние напряжений, связанных с разницей коэффициентов линейного температурного расширения, является незначительным. Напряженно-деформированное состояние приводит к высоким эксплуатационным свойствам материала, поскольку SiC находится в состоянии всестороннего сжатия (~2,5 ГПа), а алмаз - всестороннем растяжении (~0,5 ГПа). В алмазе микронапряжения зависят от псевдомакронапряжений и могут характеризоваться при помощи их дисперсии, а в SiC уровень микронапряжений определяется, в основном, его субструктурным состоянием.

При помощи метода осреднения Бахвалова-Санчес-Паленсия выполнен вычислительный эксперимент по определению модуля упругости материала алмаз-SiC. Ультразвуковыми методами измерено значение модуля Юнга в образцах материала. Показано, что учет структуры материала позволяет повысить точность прогнозирования модуля упругости.

Проведено исследование влияния структуры композита алмаз-SiC на смачивание его поверхности металлическими расплавами, которые составляют основу серийных припоев. Показано, что смачивание природного алмаза и композита является подобным. Карбид кремния вызывает незначительное ухудшение смачивания композита алмаз-SiC в сравнении с монокристаллом алмаза.

На основе полученных результатов предложено и реализовано, при высоком давлении (7-8 ГПа) и температуре (1700-1800С), микроструктуру композита алмаз-SiC, которая обеспечивает высокие значения его износостойкости и термостабильности. Установлено основные закономерности структурообразования такого материала в зависимости от времени изотермической выдержки и структурного состояния исходных алмазных порошков. Изготовлено опытные образцы резцов для бурового инструмента и выполнено исследование их эксплуатационных характеристик по сертифицированным методикам.

У дисертації розв'язана наукова задача фізики твердого тіла - досліджено основні процеси формування структури композита алмаз-SiC при високому тиску і температурі. Виконано дослідження його напружено-деформованого стану, встановлено й реалізовано мікроструктуру композита алмаз-SiC, яка забезпечує його оптимальні фізико-механічні властивості.

1. Запропоновано модельну мікроструктуру алмазного композиційного матеріалу, яка може забезпечити його високі фізико-механічні властивості при застосуванні в буровому інструменті ріжучої дії.

2. Встановлено, що формування структурного стану композита алмаз-SiC в умовах одностороннього просочування при високому тиску та температурі визначається наступними основними процесами:

Крихким руйнуванням вихідних частинок алмазу. Руйнування зерен алмазу проходить в дві стадії: при температурах, менших від температури просочування рідким кремнієм, та в процесі просочування. На другій стадії в частинках алмазу виникають тріщини, але зберігається вихідна форма, і в їх об'ємах по ходу тріщин формуються прошарки SiC;

Утворенням суцільних прошарків SiC на поверхні алмазних зерен. Формування зв'язки SiC у композиті - це також двостадійний процес: контактна взаємодія рідкого Si з поверхнею зерен алмазу і ріст зерен SiC та утворення в них дефектів пакування та мікродвійників;

Пластичною деформацією зерен алмазу, яка відбувається за рахунок ковзання та двійникування;

Збиральною рекристалізацією в прошарках карбіду кремнію.

3. Встановлено, що найбільш високі зносостійкість та термостабільність має композит алмаз-SiC на основі порошку АСМ 40/28 із вмістом карбіду кремнію 15 об. %. Особливістю вихідного порошку була висока щільність мікрорельєфу на поверхнях огранювання його частинок. Основні характеристики структурного стану такого композита близькі до запропонованої моделі мікроструктури:

однорідний розподіл зерен матричної (алмазної) складової та зв'язки (SiC), що забезпечує високу протяжність суцільних контактів алмаз-SiC і малу алмаз-алмаз;

дрібнозерниста (0,2 ё 1 мкм) структура зв'язки з добре сформованими межами;

висока міцність меж сполучення алмаз-SiC, що обумовлює руйнування зерен алмазу при кімнатній температурі сколенням;

наявність у зернах алмазу стопорів (бар'єрів) для тріщин сколювання, що пов'язано з наявністю високої щільності деформаційних двійників та розорієнтованих областей, викликаних неоднорідними скупченнями дислокацій.

4. Встановлено, що напружено-деформований стан композита алмаз-SiC визначається прикладеним тиском і різницею констант пружності його фаз. Внесок напружень, пов'язаних з охолодженням і різницею коефіцієнтів лінійного температурного розширення, є незначним. Зменшення вмісту SiC у композиті від 20 об. % до 11 об. % викликає зниження напружень розтягу в алмазі від 0,70 ГПа до 0,35 ГПа та збільшення напружень стиску в карбіді від 2,5 ГПа до 2,8 ГПа. Такий напружено-деформований стан обумовлює високі фізико-механічні властивості матеріалу, оскільки менш міцна фаза SiC знаходиться в умовах всебічного стиску.

5. Одержані результати свідчать, що в алмазній фазі матеріалу мікронапруження генеруються псевдомакронапруженнями і можуть характеризуватися їх дисперсією. У SiC мікронапруження, основному, визначаються його дефектним станом (мікродвійниками і дефектами пакування). Висока термостабільність композита алмаз-SiC пов’язана з особливостями його структурного стану (властивостями фаз та незначною протяжністю контактів алмаз-алмаз), завдяки чому виникаючі залишкові напруження не призводять до руйнування контактів алмаз-SiC при нагріванні матеріалу до 1150С.

6. Показано, що експериментально визначена залежність модуля пружності композита від вмісту SiC в інтервалі 11-20 об. % має зростаючий характер на відміну від результатів, розрахованих теоретично відповідно до моделей Фойхта-Рейса та Хашина-Штрикмана. Застосування асимптотичного методу осереднення з урахуванням структури композита алмаз-SiC дозволяє підвищити точність прогнозування модуля пружності матеріалу.

7. Присутність у композиті карбід кремнієвої структурної складової призводить до незначного погіршення (за винятком розплавів, де вміст Cu становить > 70 % мас.) змочування в системі "композиційний матеріал (алмаз-SiC)-металічний розплав" в порівнянні з системою "природний алмаз - металічний розплав" для сплавів, які складають основу серійних припоїв в температурному інтервалі 800-1000С. Додавання адгезійноактивного металу титану до інактивних сплавів викликає різке зменшення крайових кутів змочування і сильну залежність їх значень від температури розплаву.

Публікації автора:

1. Трефілов В. І., Степаненко А.В. Новий термостабільний алмазний полікристалічний матеріал // Доповіді НАН України. - 1999. - № 8. - С. 93-97.

2. Картузов В. В., Ротмистровский К.Е., Степаненко А.В., Трефилов В.И. Метод прогнозирования упругих характеристик алмазной керамики // Порошковая металлургия.- 2001.- № 12. - С. 85-91.

3. Бега Н. Д., Григорьев О.Н., Степаненко А.В. Исследование напряженно-деформированного состояния композиционного материала алмаз-SiC // Доповіді НАН України. - 2003. - № 1. С. 67-71.

4. Безимянний Ю. Г., Боровик В.Г., Степаненко А.В. Дослідження взаємозв'язку модуля пружності композита алмаз+SiC з його структурним станом // Доповіді НАН України. - 2003. - №2. С. 90-94.

5. Stepanenko А. V., Zyukin N.S. Study of diamond + SiC composite material wetting by melted metals // Functional Materials. - 2003. - v. 10. - № 1. P. 44 - 47.

6. Олейник Г. С., Степаненко А. В., Верещака В.М., Котко В.А. Особенности структурного состояния композита (алмаз-SiC) с высокой износостойкостью // Электронное строение и свойства тугоплавких соединений, сплавов и металлов. Киев: ИПМ НАНУ. - 2002. - С. 174-187.

7. Grygoryev O. M., Stepanenko A. V., Bega M. D. Anallysis stress-strain state of Diamond-SiC composite material // Inter. Conf. "Scince for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges", November 4-8, 2002, Kyiv, Ukraine, p. 397-398.