Исследование влияния зерен аномального роста на механические свойства керамик на основе оксида алюминия

Максимальными механическими свойствами характеризуются образцы керамик из оксида алюминия с субмикронной равноосной зеренной микроструктурой. Однако при определенных соотношениях доли мелких и крупных зерен наличие в структуре крупных зерен аномального роста можно рассматривать не как дефект, а как упрочняющую фазу, позволяющую достигать более высоких механических характеристик, в частности высокой прочности на изгиб. Цель работы — исследование влияния объемной доли аномально крупных зерен на прочность и трещиностойкость керамики на основе оксида алюминия. Формирование зерен аномального роста проходило при свободном спекании субмикронного порошка α-Al₂O₃. Показано, что при спекании в условиях постоянной скорости нагрева до относительной плотности ~97 % структура материала состоит из равноосных зерен (размер ~0,7 мкм) и зерен аномального роста (5 % об., размер более 10 мкм). Варьированием параметров процесса спекания получали керамики, различающиеся объемной долей зерен аномального роста. Установлено, что увеличение доли зерен аномального роста с 5 до 15 % об. позволяет повысить прочность и трещиностойкость керамики более чем в 1,5 раза. Улучшение механических свойств достигается за счет отклонения траектории развивающейся трещины от прямолинейной путем огибания аномально крупных зерен. Полученные результаты и предложенный подход могут быть использованы при совершенствовании методики для повышения механических свойств керамик, полученных свободным спеканием.

1. Abyzov A. M. Aluminum oxide and alumina ceramics (review). Part 1. Properties of Al2O3 and industrial production of dispersed Al2O3 / Nov. Ogneupory. 2019. No. 1. P. 16 – 23 [in Russian]. DOI: 10.17073/1683-4518-2019-1-16-23

2. Yang S., Dai Y., Han N., et al. Microstructure and hardness of two-step reverse-polarity flash sintered high-purity Al2O3 ceramics / Ceram. Int. A. 2024. Vol. 50. No. 21. P. 41664 – 41672. DOI: 10.1016/j.ceramint.2024.08.017

3. Li W., Shen Y., Li D., et al. Preparation of 99.6% alumina ceramic substrates with high thermal conductivity by tape casting and warm pressing process / Ceram. Int. 2025. Vol. 51. No. 4. P. 5000 – 5010. DOI: 10.1016/j.ceramint.2024.11.471

4. Ruys A. Alumina ceramics biomedical and clinical applications. — Duxford: Woodhead Publishing, 2019. — 558 p. DOI: 10.1016/c2017-0-01189-8

5. Varga M., Grundtner R., Maj M., et al. Impact-abrasive wear resistance of high alumina ceramics and ZTA / Wear. 2023. Vol. 522. 204700. DOI: 10.1016/j.wear.2023.204700

6. Krell A., Klaffke D. Effect of grain size and humidity on fretting wear in fine-grained alumina, Al2O3/TiC, and zirconia / J. Am. Ceram. Soc. 1996. Vol. 79. No. 5. P. 1139 – 1146. DOI: 10.1002/chin.199640002

7. Garshin A. P., Gropyanov V. M., Zaitsev G. P., Semenov S. S. Ceramics for mechanical engineering. — Moscow: Nauchtekhlitizdat, 2003. — 384 p. [in Russian].

8. Krell A., Blank P. The influence of shaping method on the grain size dependence of strength in dense submicrometre alumina / J. Eur. Ceram. Soc. 1996. Vol. 16. P. 1189 – 1200. DOI: 10.1016/0955-2219(96)00044-1

9. Krell A. Improved hardness and hierarchic influences on wear in submicron sintered alumina / Mater. Sci. Eng. 1996. A209. P. 156 – 163. DOI: 10.1016/0921-5093(95)10155-1

10. Krell A. Fracture origin and strength in advanced pressureless-sintered alumina / J. Am. Ceram. Soc. 1998. Vol. 81.. No. 7. P. 1900 – 1906. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1998.tb02564.x

11. Wu Z., Chen J., Miao Z., et al. Brittleness reduction of Al2O3-C refractories: microstructure evolution and role of carbon fibers / Ceram. Int. 2024. Vol. 50. No. 18. P. 32163 – 32170. DOI: 10.1016/j.ceramint.2024.06.023

12. Krell A. Alumina structure with improved fracture properties / Phys. Status Solid. A. 1981. Vol. 63. P. 183 – 192. DOI: 10.1002/pssa.2210630125

13. Vekinis G., Ashby M., Beaumont P. R-curve behaviour of Al2O3 ceramics / Acta Metallurg. Mater. 1990. Vol. 38. No. 6. P. 1151 – 1162. DOI: 10.1016/0956-7151(90)90188-m

14. Ovidko I. A., Sheinerman A. G. Plastic deformation and fracture processes in metallic and ceramic nanomaterials with bimodal structures / Rev. Adv. Mater. Sci. 2007. Vol. 16. P. 1 – 9.

15. Pozdova T. S., Permin D. A., Nazmutdinov M. D., et al. Effect of precipitation acidity on the structure and morphology of α-Al2O3 powder particles / Inorg. Mater. 2024. Vol. 60. No. 10. P. 1197 – 1204. DOI: 10.1134/s0020168524701590

16. Borger A., Supancic P., Danzer R. The ball on three balls test for strength testing of brittle discs: stress distribution in the disc / J. Eur. Ceram. Soc. 2002. Vol. 22. P. 1425 – 1436. DOI: 10.1016/s0955-2219(01)00458-7

17. Borger A., Supancic P., Danzer R. The ball on three balls test for strength testing of brittle discs. Part II. Analysis of possible errors in the strength determination / J. Eur. Ceram. Soc. 2004. Vol. 24. P. 2917 – 2928. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2003.10.035

18. Fett T., Rizzi G., Ernst E., et al. A 3-balls-on-3-balls strength test for ceramic disks / J. Eur. Ceram. Soc. 2007. Vol. 27. P. 1 – 12. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2006.02.033

19. Liu C., Herzog S., Deng Y. Influence of laser surface texturing on the flexural strength of Al2O3 and Si3N4 / J. Eur. Ceram. Soc. 2022. Vol. 42. P. 4286 – 4295. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2022.04.013

20. Michalek M., Michalkova M., Blugan G., Kuebler J. Strength of pure alumina ceramics above 1 GPa / Ceram. Int. 2018. Vol. 44. No. 3. P. 3255 – 3260. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.11.098

21. Goltsev V. Yu., Grigorev E. G., Osintsev A. V., et al. Analysis of the methods for bending small-sized disks on a ring support / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2022. Vol. 88. No. 11. P. 66 – 72 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-ll-66-72

22. Popov A. A., Berendeev N. N., Boldin M. S., et al. New method of the estimation of the bending strength of ultrafine-grained structural ceramics for application in the conditions of multiaxial stress-strain state / J. Phys. Conf. Ser. 2020. Vol. 1431. P. 012031. DOI: 10.1088/1742-6596/1431/1/012031

23. Ashby M. F., Jones D. R. H., David R. H. Engineering Materials. — Oxford: Butterworth-Heinemann, 2019. — 560 p. DOI: 10.1016/c2015-0-04446-x

24. Krell A., Kreher W. On subcritical crack growth in ceramics as influenced by grain size and energy-dissipative mechanisms / J. Mater. Sci. 1983. Vol. 18. P. 2311 – 2318. DOI: 10.1007/bf00541835

25. Krell A., Blank P. Inherent reinforcement of ceramic microstructures by grain boundary engineering / J. Eur. Ceram. Soc. 1992. Vol. 9. P. 309 – 322. DOI: 10.1016/0955-2219(92)90066-m

26. Okuma G., Osada T., Minagawa H., et al. Heterogeneities and defects in powder compacts and sintered alumina bodies visualized by using the synchrotron X-ray CT / J. Eur. Ceram. Soc. 2023. Vol. 43. P. 486 – 492. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2022.10.020

27. Babichev A. P., Babushkina N. A., Bratovskiy A. M. Physical quantities. — Moscow: Energoatomitizdat, 1991. — 1232 p. [in Russian].