Sifat titanium karbida

Daritanium karbida adalah karbida logam transisi yang khas. Jenis ikatannya terdiri dari ikatan ionik, ikatan kovalen, dan ikatan logam yang bercampur dalam struktur kristal yang sama, karena beberapa titanium karbida memiliki banyak sifat unik. Struktur kristal menentukan bahwa titanium karbida memiliki karakteristik dasar kekerasan tinggi, titik leleh tinggi, ketahanan aus dan konduktivitas. Keramik titanium karbida adalah bahan yang paling banyak dikembangkan di antara karbida logam transisi titanium, zirkonium dan kromium. Penelitian ekstensif telah dilakukan pada bubuk titanium karbida, curah dan film. Di antara material komposit yang terdiri dari fase alumina terdispersi keras, efek keramik komposit alumina-titanium karbida lebih baik. Titanium karbida dapat menghambat pertumbuhan butiran alumina dan perambatan retak selama sintering; Titanium karbida memiliki keterbasahan yang baik dengan beberapa logam. Keramik titanium karbida telah berkembang pesat. Titanium karbida merupakan bahan penguat penting dalam material komposit logam. Produknya telah banyak digunakan di berbagai bidang seperti mesin, elektronik, industri kimia, perlindungan lingkungan, reaktor fusi, industri pertahanan nasional, dll.



Cara termurah untuk mensintesis bubuk titanium karbida adalah dengan menggunakan titanium dioksida dan karbon hitam untuk dipromosikan pada suhu tinggi (1700 ℃~2100 ℃) dalam atmosfer inert atau pereduksi. Namun titanium karbida yang disintesis dengan metode ini berukuran besar, dan masih memerlukan ball milling untuk membuat bubuk setelah sintesis, dan ukuran partikel dari bubuk yang diproses hanya dapat mencapai tingkat mikron. Selain itu, terdapat banyak metode untuk sintesis bubuk titanium karbida, seperti metode reduksi termal magnesium, metode karbonisasi ekstraksi kumpulan titanium tinggi, metode karbonisasi langsung, metode sintesis propagasi mandiri suhu tinggi, metode persiapan teknologi penggilingan bola reaksi, logam cair. metode sintesis mandi, metode erosi percikan listrik, dll.



Sebagai bagian dari material keramik khusus, titanium karbida dan kompositnya merupakan kunci untuk mendapatkan struktur ideal dan sifat yang telah ditentukan dengan memilih metode sintering yang tepat. Misalnya, sulit untuk mendapatkan produk tanpa pori-pori atau kekuatan tinggi tidak peduli bagaimana kondisi sintering dipilih ketika sintering dilakukan pada tekanan atmosfer normal (tidak ada atmosfer khusus, tekanan normal). Oleh karena itu, keramik titanium karbida dan kompositnya biasanya disinter dengan sintering tekanan panas, sintering pengepresan isostatik panas, sintering vakum 1, sintering suhu tinggi yang merambat sendiri, sintering gelombang mikro, sintering plasma percikan, sintering plasma, dan metode lain selain sintering tekanan normal.



Seiring berkembangnya teknologi keramik sintering gelombang mikro di seluruh dunia pada akhir 1980-an, teknologi ini dapat menghemat waktu dan energi, dan kecepatan pemanasan hingga 500 ℃/menit, yang dapat membuat butiran tumbuh sebelum disinter, sehingga membentuk butiran yang seragam dan halus. struktur, dan menjadi salah satu teknologi sintering yang paling dapat mewujudkan material keramik dengan struktur nanokristalin.



Sebagai hot spot dalam penelitian material, material nano telah mengubah struktur material secara mendasar, dan diharapkan diperoleh material generasi baru seperti logam dan paduan berkekuatan tinggi, keramik plastik, dan nanokomposit dengan sifat khusus. Nanomaterial mengacu pada material yang terdiri dari partikel yang sangat halus dan ukuran dimensi karakteristiknya berada di urutan nanometer (sekitar 100 mm). Karena butiran yang sangat halus dan sejumlah besar atom di pusat cacat pada batas butir dan butir, kinerja bahan nano sangat berbeda dengan bahan mikron dengan komposisi yang sama, yang mempunyai dampak penting pada listrik, termal. , sifat magnet, optik, dan bahan lainnya. Oleh karena itu, sintesis bubuk titanium karbida nanometer sangat penting.





1.2 Karakteristik dasar titanium karbida

Karakteristik dasar titanium karbida ditunjukkan pada Tabel 1-1.

Tabel 1-1 Karakteristik dasar titanium karbida

Ada tiga jenis ikatan kimia dalam struktur NaC1 ini: ikatan logam, ikatan ionik, dan ikatan kovalen. Ikatan logam berasal dari kepadatan keadaan energi Fermi yang tidak nol dan kepadatan elektronik daerah antar atom yang relatif tinggi. Ikatan ionik merupakan hasil gaya elektrostatis yang dihasilkan oleh perpindahan muatan dari atom Ti ke atom C. Menurut perhitungan, dibandingkan dengan kristal ideal dengan atom netral, hampir 0,36 elektron bermigrasi dari bola atom Ti. Fraksi ikatan kovalen dihitung dari peluruhan tingkat energi medan koordinasi oktahedral atom C menggunakan komposisi linier orbital molekul. Lima orbital 3d atom Ti dipecah menjadi tiga orbital simetris t2g dan dua orbital simetris misalnya. Oleh karena itu, sudut cembung dari orbital eg Ti meluas ke arah orbital 2px dari C yang berdekatan dan membentuk ikatan Pdo, sedangkan orbital t2g dari Ti dan orbital Py dari C yang berdekatan saling tumpang tindih untuk membentuk ikatan Pd π dan orbital eg yang bersesuaian dari C. Orbital t2g atom Ti yang berdekatan membentuk ikatan ddo. Telah dipastikan bahwa ikatan antar logam berikut meningkat seiring dengan peningkatan sub-stoikiometri.

DariC memiliki struktur yang sama dengan TiN dan TiO. O dan N dapat ditambahkan sebagai pengotor atau secara kuantitatif untuk menggantikan karbon untuk membentuk larutan padat biner atau terner. Larutan padat ini dianggap sebagai campuran Ti (C, N dan O). TiC juga dapat membentuk larutan padat dengan non-karbida golongan IV dan V. Diagram fasa C dan Ti ditunjukkan pada Gambar 1-1.

Gambar 1-1 Diagram fasa Ti-C



Dapat dilihat dari Gambar 1-1 bahwa fase karbida mempunyai jangkauan yang sangat luas. Kekosongan 2%~3% yang terbentuk di subkisi karbon kubik pusat struktur NaC1 adalah yang paling seragam dalam kasus TiC1-X, dengan fraksi molnya berkisar antara 32% hingga 48,8% dan suhu 1870 ℃. Ti2C karbida lainnya (fraksi mol 33%) jelas terbentuk di dekat 1900 ℃. Pada sudut kaya C, TiC0,97 dan C membentuk fase eutektik rendah pada 2276 ℃, yaitu sekitar 63% C. Banyak kemajuan bermanfaat telah dicapai dalam meningkatkan sifat sintering TiC dan kekerasan, ketangguhan, kekuatan dan ketahanan aus bahan TiC dengan logam.



1.3 Struktur, sifat fisik dan termodinamika titanium karbida

Titanium carbide is a transition metal carbide, which forms a face-centered cubic NaC1 structure by inserting smaller C atoms into the octahedral position of the Ti close-packed lattice, as shown in Figure 1-2. Its spatial group is Fm3m. Its true composition is often non-stoichiometric, expressed by the general formula TiCx, where x refers to the ratio of C to Ti, which ranges from 0.47 to 1.0. The experimental results show that when x=0.45, there are "Ti" and "TiC" phases, and the Ti-C phase diagram is shown in Figure 1-1. Due to the different composition (x), the melting point of titanium carbide is in the range of 1918~3210K, and the composition corresponding to the highest melting point is x ≈ 1.0.

Struktur kristal titanium karbida berbentuk kubik berpusat muka (tipe NaC1), dan parameter sel a0=0,4329nm ± 0,0001nm. Menurut stoikiometri yang berbeda, perubahan parameter sel kristal titanium karbida yang ditentukan melalui eksperimen stoikiometri ditunjukkan pada Gambar 1-3. Artinya, parameter sel a0 meningkat seiring dengan peningkatan rasio x.



Sifat termodinamika titanium karbida ditunjukkan pada Tabel 1-2.

Penelitian terbaru menunjukkan bahwa ini merupakan fungsi komposisi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1-4. Ketika x=1,0 dengan ekstrapolasi,=- 194,37kJ • mol-1, yaitu 5,4% lebih besar dari tabel 1-2.

Berdasarkan data termodinamika pada Tabel 1-2, suhu adiabatik titanium karbida dapat dihitung secara teoritis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1-5. Kapan (fraksi produk cair dalam sistem reaksi)=0,33,=3210K, yaitu titik leleh titanium karbida.

1.4 Struktur, sifat dan ikatan kimia titanium karbida

Bahan keramik titanium karbida dan titanium nitrida berperan penting dalam penelitian ilmiah dan perekonomian nasional. Saat ini, titanium karbida dan titanium nitrida adalah material superhard yang paling banyak digunakan dan paling menjanjikan. Namun hingga saat ini pemahaman tentang struktur dan sifat bahan tersebut masih sangat terbatas. Berangkat dari prinsip dasar mekanika kuantum, kimia kuantum mempelajari hukum gerak dan ikatan kimia elektron pada lapisan terluar atom dan molekul. Dari beberapa sudut pandang, sifat sebagian besar material terkait dengan hal ini. Ikatan kovalen atau ikatan ionik, komponen utama ikatan kimia bahan nonlogam (keramik), umumnya memiliki ketahanan suhu tinggi dan ketahanan korosi yang baik, namun sifat mekaniknya buruk. Komponen utama ikatan kimia bahan logam adalah ikatan logam, yang umumnya memiliki sifat mekanik yang baik, namun memiliki ketahanan yang buruk terhadap suhu tinggi dan korosi. Oleh karena itu, perbedaan sifat antara bahan logam dan nonlogam sebagian besar disebabkan oleh perbedaan komposisi ikatan kimia. Dengan mengubah proporsi komponen ikatan kimia yang berbeda dalam suatu material, dimungkinkan untuk menyiapkan material baru dengan sifat yang sangat baik baik dari logam maupun nonlogam.



Perbandingan ikatan kimia dan sifat titanium karbida, titanium nitrida dan titanium oksida.



Struktur kristal titanium karbida, titanium klorida, dan titanium oksida semuanya termasuk dalam struktur kubik berpusat muka NaC1, dan konstanta kisinya adalah 0,424nm. Sel kristal titanium karbida ditunjukkan pada model pada Gambar 1-6 (a). Tiga lapisan tengah adalah kubus yang terdiri dari 27 atom. Karena metode Xa variasi diskrit medan konsisten mandiri (SCF-Xa-DV) adalah metode penghitungan orbital molekul kimia kuantum, biasanya metode ini menggunakan keluarga molekul atau atom hingga sebagai model penghitungan. Untuk hubungan posisi antar atom dalam sel kristal titanium karbida dapat dibagi menjadi empat kategori: atom di tengah; Enam atom yang paling dekat dengan atom pusat terletak di enam pusat muka kubus; 12 atom di sebelah atom pusat terletak di 12 pusat tepi kubus; Delapan atom di sebelah atom pusat terletak di delapan sudut kubus. Dengan cara ini, sel kristal titanium karbida dapat dinyatakan sebagai [TiC6Ti12C8] atau [CTi6C12Ti8]. Bisa juga disingkat [Ti13C14] atau [C13Ti14].

Urutan keelektronegatifan atom adalahCJadi kekuatan ikatan ioniknya seharusnyaDari—C < Kamu—N—O. Namun urutan sifat seperti kekerasan dan kekuatan ketiga bahan tersebut adalahDariC>DariN>DariO₂, dalam urutan kebalikan dari kekuatan ikatan ionik. Jelasnya, perbedaan sifat ketiga bahan tersebut terutama bukan disebabkan oleh perbedaan ikatan ion di antara keduanya. Faktanya, mereka seharusnya merupakan kristal yang terikat secara kovalen. Oleh karena itu, pembahasan tentang ikatan kovalen menjadi lebih penting. menggunakanSCF-Xa-DVperhitungan metode[Dari₁₃C₁₄]、[Dari₁₃N₁₄]和[Dari₁₃O₁₄]Dariga model. Karena interaksi antara atom pusat dan tetangga terdekatnya, tetangga kedua, dan atom tetangga lagi telah dipertimbangkan, maka hasil perhitungan yang terkait dengannya terutama dipertimbangkan,[Dari₁₃C₁₄]、[Dari₁₃N₁₄]和[Dari₁₃O₁₄]Masing-masing pusat dalam tiga modelDariHasil perhitungan tingkat ikatan valensi total atom-atom yang ikut berikatan adalah:1.4620、1.1305和0.8312. Pada saat yang sama, masing-masing pusat di tiga modelDariIkatan antara suatu atom dengan atom tetangga terdekatnya adalahDari—C、Dari—N或Dari—ODaringkat ikatan kovalen dari obligasi tersebut adalah0.5734，0.4558和0.3497. Terlihat urutan kekuatan ikatan kovalennya adalahDariC>DariN>DariO2, konsisten dengan kesimpulan eksperimental bahwa kekerasan dan kekuatan ketiga jenis bahan ini menurun secara berurutan.

1.5Sifat mekanik bahan keramik

1.5.1kekuatan

Kekuatan material mengacu pada nilai tegangan maksimum ketika suatu material runtuh di bawah beban tertentu.

Bahan keramik segera mengalami patah getas setelah mengalami deformasi elastis, dan tidak ada tahap deformasi plastis, sehingga pengukuran kekuatan suhu ruangan bahan keramik hanya dapat memperoleh kekuatan patah.nilai.

（1）Kekuatan putus teoritis danGriffithteori

Ketika kristal ideal lengkap patah getas sebagai benda elastis lengkap, kekuatan patah teoritis terutama ditentukan oleh gaya ikatan antar atom, yaitu jenis ikatan kimia dan jenis atom, kira-kira dapat ditulis sebagai:

                     =                              (1-1)

Dalam rumusnya,Eadalah modulus elastisitas;adalah jarak atom,adalah peningkatan jarak atom ketika gaya pengikatan antar atom berada pada nilai maksimumnya (yaituKetika , kekuatan pengikatannya maksimum).

Hasil eksperimen menunjukkan bahwa,, jadi rumusnya (1-1) menjadi:

                     

Faktanya, kekuatan bahan keramik dua kali lipat lebih kecil dari kekuatan teoritis, seperti kekuatan patah teoritis alumina.=46GPa, dan kekuatan kumis alumina yang hampir bebas cacat adalah tentang14GPa, kekuatan batang kristal tunggal aluminium oksida yang dipoles halus adalah tentang7GPa, kekuatan bahan alumina polikristalin curah saja0,1~1GPa。

Berdasarkan fakta di atas,GriffithRetakan keseluruhan pada material tersebut diyakini disebabkan oleh pemuaian dan penyatuan retakan mikro yang ada pada material tersebut. Dia menurunkan tegangan patah berdasarkan kriteria energi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar1-7Seperti yang ditunjukkan, pelat tak terhingga dengan satuan ketebalan yang mengandung retakan tembus tengah, di bawah tekananTegangan patah ketika terjadi patah elastis akibat aksi adalah:

                                                   (1-3)

Dimana, adalah energi permukaan permukaan baru yang dihasilkan oleh rekahan; C adalah setengah panjang retakan; E 'adalah modulus elastisitas.



E'= （1-4）



Tegangan rekahan ini merupakan tegangan kritis bagi tidak stabilnya pertumbuhan retakan yang ada. Misalnya, c=0,5, maka ≈, yang berarti bahwa tegangan patah pada bahan yang rapuh sempurna dengan retakan mikro 1 µm adalah 1/50 dari kekuatan teoritis.



Equation (1-3) is the basic formula for estimating the fracture stress of brittle materials, but it is not completely suitable for estimating the fracture stress of actual materials. Because of the shape of the sample and the crack, the stress relaxation caused by the plastic zone at the crack tip and other factors, the surface energy will change. Considering the above factors, the expression of fracture stress can be:





Dimana, Y adalah faktor geometri, dan nilai yang sesuai dapat diperoleh untuk sampel dan bentuk retakan yang berbeda, dan Y= untuk pelat tipis tak terhingga dengan retakan tembus di tengahnya; Perubahan energi permukaan yang disebabkan oleh relaksasi stres dipertimbangkan.



(1) Uji kekuatan (kekuatan lentur)



Bending strength is the most common and commonly used strength test of ceramic materials. Bending strength is the maximum stress of a specific elastic beam when it breaks under bending load. The bending strength test method is relatively simple and feasible, and there is comparability between different materials, and the strength of actual product components can be predicted through simple statistical processing of the obtained strength data. For structural ceramics, the test method of flexural strength at ambient temperature is generally the same in various countries. China has developed a standard for the test method of flexural strength of structural ceramics (GB/T 6569-86), which is recently being revised according to ISO 14704-2000.



ISO-14704-200 menentukan dimensi benda uji standar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1-8.

Untuk mengevaluasi kekuatan lentur suatu sampel, diperlukan minimal 10 sampel. Jika analisis kekuatan statistik (seperti statistik Weibull) diperlukan, setidaknya diperlukan 30 sampel.



The bending strength test is divided into three-point bending and four-point bending. The test structure is shown in Figure 1-9. Four point bending can be divided into 1/4 bending and 1/3 bending.



Rumus perhitungan kekuatan lentur lentur empat titik adalah:





Rumus perhitungan kekuatan lentur lentur tiga titik adalah:




Dimana, adalah kekuatan lentur, MPa; F adalah tekanan pembebanan lentur, N; A adalah panjang lengan tekuk benda uji (untuk tekukan empat titik 1/4, a=L/4;) untuk tekukan empat titik 1/3, a=L/3), mm; B adalah ketebalan sampel, mm; D adalah tinggi (ketebalan) sampel sejajar dengan arah pembebanan, mm



Standar tersebut menentukan perlengkapan pengujian, di mana batang digunakan untuk menopang dan memuat sampel. Itu bisa terbuat dari baja. Untuk sampel yang kekuatannya dapat mencapai 1400MPa, batang tersebut harus memiliki kekerasan Rockwell tidak kurang dari 40; Untuk sampel dengan kekuatan hingga 2000MPa, batang harus memiliki kekerasan Rockwell tidak kurang dari HRC46. Pada saat yang sama, perlengkapannya juga dapat dibuat dari keramik dengan modulus elastisitas antara 200~500GPa dan kekuatan patah lebih besar dari 275MPa. Panjang tongkat harus lebih besar dari 12 mm. Diameter batang sekitar 1,5 kali ketebalan sampel, dan diameter yang disarankan adalah 4,5 mm dan 5,0 mm. Untuk mesin uji material yang digunakan, kecepatan perpindahan chuck harus dapat dikontrol dan dapat bergerak pada kecepatan konstan, dan akurasi indikasi beban harus lebih baik dari 1%. Umumnya, kecepatan perpindahan chuck adalah 05mm/menit.

Ketika kekuatan suhu tinggi diukur, laju deformasi mempunyai dampak yang meningkat pada nilai pengujian, dan prosedur pengujian harus ditentukan terlebih dahulu.



Standar ini juga menentukan pemrosesan sampel. Selama pemrosesan permukaan, arah penggilingan harus konsisten dengan arah panjang sampel. Penggilingan harus dibagi menjadi dua tahap: penggilingan kasar dan penggilingan halus. Penggilingan kasar harus menggunakan roda gerinda berlian dengan kesalahan keliling kurang dari 0,03 mm, dan kedalaman penggilingan tidak boleh melebihi 0,03 mm setiap kali. Pemesinan akhir harus memiliki roda ampelas berukuran 320~800 mesh, dan kedalaman setiap penggilingan tidak boleh melebihi 0,002 mm.



Kekasaran permukaan sampel mempunyai pengaruh yang besar terhadap kekuatan lentur yang diukur. Secara umum, semakin halus permukaannya, semakin tinggi kekuatannya. Gambar 1-10 menunjukkan hubungan antara kekasaran permukaan dan kekuatan benda sinter Si3N4.

(1) Faktor yang mempengaruhi kekuatan



Faktor-faktor yang mempengaruhi kekuatan bahan keramik antara lain struktur mikro, bentuk dan ukuran cacat internal, ukuran dan bentuk sampel itu sendiri, serta keadaan tegangan. Berikut adalah beberapa faktor utama yang mempengaruhi.



1 Pengaruh struktur mikro terhadap kekuatan



A. Pengaruh porositas terhadap kekuatan Porositas adalah salah satu cacat struktural utama pada sebagian besar keramik. Porositas secara signifikan mengurangi luas penampang aksi beban. Pada saat yang sama, itu juga merupakan tempat yang menyebabkan konsentrasi tegangan (untuk pori-pori bola yang terisolasi, tegangannya menjadi dua kali lipat). Ditemukan bahwa kekuatan keramik berpori menurun secara eksponensial dengan meningkatnya porositas. Ada banyak usulan hubungan antara porositas dan kekuatan, di antaranya yang paling umum digunakan adalah rumus empiris yang dikemukakan oleh Ryskewitsch:





Dimana porositasnya; =0; Merupakan konstanta, dan nilainya antara 4 dan 7.



Berdasarkan rumus (1-8) dapat disimpulkan bahwa ketika kekuatan keramik menurun hingga tidak ada pori-pori. Apabila komposisi material sama maka perbedaan porositas akan menyebabkan perbedaan kekuatan yang signifikan. Gambar 1-11 menunjukkan hubungan antara kekuatan lentur dan porositas keramik alumina. Terlihat dari uraian di atas bahwa untuk meningkatkan kekuatan, harus dibuat bahan keramik berpori dengan massa jenis yang mendekati massa jenis teoritis.

B. Pengaruh ukuran butir terhadap kekuatan Hubungan antara kekuatan bahan keramik dan ukuran butir ditunjukkan pada Gambar 1-12, yang sesuai dengan persamaan Hall-Pitch:





Dimana, adalah kekuatan kristal tunggal yang tak terbatas; Apakah koefisiennya; Apakah diameter butirannya. Seperti terlihat pada Gambar 1-12, kurva hubungan dengan d-1/2 terbagi menjadi dua wilayah, namun kedua wilayah tersebut linier. Di Zona I, hubungannya sesuai dengan Rumus (1-5). Namun pada saat ini c ≈ d maka terdapat hubungan proporsional. Di zona II, hubungan antara tegangan geser bidang slip dan panjang kelompok tumpukan dislokasi (terkait dengan ukuran butir d) yang diperoleh dari model dislokasi tumpukan pada logam adalah konsisten:





Dimana, adalah gaya gesek gerak dislokasi; Merupakan konstanta proporsional yang berhubungan dengan energi permukaan pada saat terbentuknya retakan. Untuk polikristal, kira-kira. Sebab, ada hubungan yang proporsional.

Tabel 1-3 menunjukkan kepadatan relatif dan sifat mekanik material keramik komposit Al2O3-TiC dan material keramik komposit Al2O3-TiC termodifikasi nano-TiN. Tabel 1-3 menunjukkan bahwa penambahan nano-TiN secara signifikan meningkatkan sifat mekanik keramik komposit Al2O3-TiC. Di satu sisi, penambahan nano-TiN meningkatkan kepadatan komposit; Di sisi lain, penambahan nano-TiN dapat memperhalus ukuran butir komposit (lihat Gambar 1-13) (sintering hot press, suhu sintering 1650 ℃, pelestarian panas 60 menit). Penambahan nano-TiN menghambat pertumbuhan butiran Al2O3T dan TiC selama sintering. Berdasarkan rumus Hall-Patch, terlihat bahwa sifat mekanik material meningkat secara signifikan dengan pemurnian butiran.

Tabel 1-4 menunjukkan sifat-sifat material matriks Al2O3-TiC dan material matriks komposit nano-SiC Al2O3-TiC. Terlihat dari Tabel 1-4 bahwa pemasukan nano-SiC fase kedua ke dalam material matriks Al2O3-TiC akan mencegah pergerakan batas butir dan menghambat pertumbuhan butir. Seperti ditunjukkan pada Gambar 1-14, butiran bahan matriks kasar dan tidak merata, dengan pertumbuhan butiran tidak normal. Namun ketika partikel nano-SiC ditambahkan ke dalam matriks, butiran matriks menjadi lebih kecil.

Dari analisa diatas, semakin kecil ukuran butir maka kekuatan patah bahan keramik pada suhu ruangan semakin tinggi. Oleh karena itu, untuk bahan keramik struktural, upaya memperoleh struktur butiran halus bermanfaat dan tidak berbahaya untuk meningkatkan kekuatan suhu ruangan.



C. Pengaruh sifat dan ketebalan fasa batas butir serta bentuk butir terhadap kekuatan bahan keramik, yang sebagian besar disinter dengan fluks, sehingga membentuk sejumlah fasa batas butir dengan titik leleh rendah untuk mendorong pemadatan. Komposisi, sifat dan kuantitas (ketebalan) fasa batas butir mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap kekuatan. Fase batas butir lebih baik untuk mencegah retakan melampaui batas dan mengendurkan medan tegangan pada ujung retakan. Keberadaan fase kaca batas butir tidak menguntungkan bagi kekuatannya, dan harus mengkristal karena panas berlebih. Untuk bahan keramik polikristalin fase tunggal, bentuk butir sebaiknya berupa butiran sama sumbu yang seragam, sehingga deformasi seragam selama pembebanan dan tidak mudah menyebabkan konsentrasi tegangan, sehingga memberikan pengaruh penuh pada kekuatan.



Singkatnya, struktur mikro keramik polikristalin fase tunggal berkekuatan tinggi harus memenuhi persyaratan berikut: ukuran butir kecil, cacat kristal lebih sedikit; Ukuran butirnya seragam dan seimbang, sehingga tidak mudah menyebabkan konsentrasi tegangan pada batas butir; Kandungan fase batas butir harus sesuai dan kandungan fase kaca getas harus dikurangi sejauh mungkin, yang harus mampu mencegah retakan intragranular melampaui batas dan mengurangi konsentrasi tegangan pada ujung retakan; Kurangi porositas agar mendekati kepadatan teoritis.



② Pengaruh ukuran spesimen terhadap kekuatan indeks kekuatan bahan keramik struktural biasanya adalah kekuatan lentur. Tegangan lentur dicirikan oleh distribusi yang tidak seragam sepanjang ketebalan dan panjang, dan cacat pada posisi yang berbeda mempunyai pengaruh yang berbeda terhadap kekuatan. Cacat mikro yang mempunyai pengaruh penting terhadap kekuatan lentur hanyalah cacat pada permukaan tengah dan bawah bentang benda uji lentur. Tabel 1-5 menunjukkan hasil uji tekuk tiga titik sampel keramik alumina dengan ketebalan berbeda pada dua kondisi volume konstan.

Terlihat dari Tabel 1-5 bahwa kekuatan lentur mempunyai pengaruh ukuran, terutama pengaruh ketebalan. Pada volume yang sama, semakin kecil ketebalan sampel, semakin tinggi nilai kekuatan ujinya. Pengaruh ketebalan terhadap kekuatan lentur disebabkan oleh perubahan gradien tegangan. Secara umum, semakin kecil ketebalan sampel, semakin besar gradien tegangan dan semakin tinggi kekuatan lenturnya.



③ Pengaruh suhu terhadap kekuatan Kekuatan bahan keramik pada dasarnya tetap tidak berubah ketika suhunya (), dan menurun secara signifikan ketika suhunya lebih tinggi dari. Coklat dkk. mengusulkan kurva perubahan tegangan patah keramik seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1-15. Seluruh kurva dibagi menjadi tiga wilayah. Di zona suhu rendah A, tidak ada deformasi plastis sebelum patah. Patahnya keramik terutama ditentukan oleh perambatan retakan yang disebabkan oleh cacat yang ada (retak, pori-pori, dll) pada sampel. Tegangan patah sesuai dengan rumus (1-5). Namun E',, dan c pada rumusnya tidak sensitif terhadap suhu, sehingga hanya terjadi sedikit perubahan seiring kenaikan suhu di Zona A. Pada zona suhu tengah B, terjadi deformasi plastis sebelum patah, sehingga sensitivitas kekuatan terhadap cacat yang ada berkurang. Fraktur dikendalikan oleh deformasi plastis, yang menurun secara signifikan seiring dengan peningkatan suhu. Ketika kristal ikatan kovalen dan ionik menghasilkan deformasi plastis akibat gerakan dislokasi, tegangan deformasi sangat sensitif terhadap perubahan suhu. Pada saat ini, tegangan patah dikendalikan oleh mekanisme tumpukan, dan hubungan antara tegangan patah dan diameter butir sesuai dengan rumus (1-9).



Ketika temperatur meningkat lebih lanjut (zona C), permukaan slip dua dimensi terus tergelincir, mengurangi konsentrasi tegangan, dan dengan demikian menahan inisiasi retak. Karena slip silang dislokasi menjadi aktif seiring dengan kenaikan suhu, efek relaksasi pada tegangan di bagian depan kelompok tumpukan dislokasi menjadi lebih jelas. Oleh karena itu, di wilayah ini tegangan patah cenderung meningkat seiring dengan meningkatnya suhu. Gambar 1-15 menunjukkan tren umum hubungan antara kekuatan bahan keramik dan suhu, yang tidak terlalu baik untuk semua bahan keramik, dan tidak semua bahan keramik A, B, dan C muncul.

Misalnya, perubahan kekuatan lentur TiC terhadap suhu ditunjukkan pada Gambar 1-16. Secara umum,

The strength remained unchanged until 1200 ℃. However, with the difference of X in, the temperature point corresponding to the sudden change of strength is also different. This sudden change of strength is caused by the softening or melting of impurities on the grain boundary. The reduction of strength goes from the initial transgranular fracture at low temperature to the dominant transgranular fracture at high temperature, as shown in the dotted line in Fig. 1-16. The temperature point of strength change corresponds to the composition of impurities in the grain boundary.



Gambar 1-17 menunjukkan kurva kekuatan beberapa bahan keramik terhadap temperatur. Dari kurva tersebut kita dapat mengetahui perbedaan kekuatan lentur berbagai bahan keramik pada temperatur tinggi, yang dapat digunakan sebagai dasar untuk menentukan temperatur pelayanan maksimum bahan keramik yang bersangkutan.



1.5.2 Ketangguhan patah

Ketangguhan patah bahan keramik mengacu pada kemampuan bahan keramik dalam menahan perambatan retak, disebut juga ketangguhan patah. Berdasarkan mekanika rekahan, ini adalah indeks untuk mengukur kemampuan material dalam menahan perambatan retak.



Bahan keramik sulit menghasilkan deformasi plastis pada suhu kamar atau bahkan pada kisaran suhu, dan modus patahannya adalah patah getas, sehingga sensitivitas retak bahan keramik sangat kuat. Berdasarkan karakteristik bahan keramik tersebut, sifat mekanik patah merupakan indeks penting untuk mengevaluasi sifat mekanik bahan keramik. Perilaku patah bahan keramik sangat cocok untuk digambarkan dengan mekanika patah elastis linier.

Mekanika rekahan elastik linier mengambil faktor intensitas tegangan K dan laju pelepasan energi G sebagai parameter untuk mengendalikan pertumbuhan retak. Saat ini, faktor intensitas stres K paling banyak digunakan. Ini adalah parameter yang menggambarkan bidang tegangan-regangan pada perlekatan ujung retak, dan memiliki hubungan berikut dengan tegangan yang diterapkan dan ukuran retak:





Dimana adalah konstanta numerik yang berhubungan dengan mode pembebanan, spesimen dan geometri retak. Ketika nilai kritis tertentu tercapai, retakan akan tumbuh tidak stabil sehingga menyebabkan patah. Ini digunakan untuk menyatakan ketangguhan patah, satuan :. Perambatan retak bahan keramik terutama termasuk dalam model retak terbuka yang disebut tipe I (tipe II adalah tipe retak stagger, tipe III adalah tipe retak sobek), sehingga ketangguhan patah bahan keramik umumnya dinyatakan dalam.



Sebagai ukuran ketahanan terhadap perambatan retak, ketangguhan patah merupakan indeks kinerja yang penting untuk menjamin keamanan material yang retak atau cacat.

Penentuan ketangguhan patah dengan metode indentasi (IM): Metode yang diperoleh dari panjang retak, E dan nilai H kekerasan Vickers yang dihasilkan oleh lekukan dan empat sudut sedangkan kekerasan Vickers diukur. Gambar 1-18 dan Gambar 1-19 menunjukkan dua bentuk retakan yang diberikan oleh bagian samping lekukan. Yang pertama adalah retakan setengah bulan, dan yang kedua adalah retakan Babbitt. Untuk jenis retakan yang berbeda, rumus perhitungannya berbeda-beda. Bahkan untuk jenis retakan yang sama, terdapat beberapa usulan persamaan perhitungan yang berbeda. Di sini hanya diberikan rumus perhitungan yang diberikan oleh Niiha-ra.



Untuk retakan setengah bulan:



() (1-12)



Untuk celah Babbitt:



（） （1-13）



Keuntungan terbesar dari metode ini adalah dapat diuji dengan sampel yang kecil, yaitu nilai dapat diperoleh dengan mengukur kekerasan Vickers; Namun nilai yang diukur akan menghasilkan kesalahan tertentu dengan sifat material yang berbeda, terutama bila terdapat efek ketangguhan transformasi fasa pada material.



1.5.3 Modulus elastisitas

Dalam rentang deformasi elastis bahan keramik, rasio tegangan terhadap regangan disebut modulus elastisitas bahan.



Bahan keramik merupakan bahan yang rapuh, yang hampir tidak dapat menghasilkan deformasi plastis bila dibebani pada suhu kamar, dan patah terjadi dalam rentang deformasi elastis. Oleh karena itu, sifat elastisnya sangat penting. Seperti bahan padat lainnya, deformasi elastis bahan keramik dapat dijelaskan dengan Hukum Hooke. Jika tegangan tariknya adalah atau tegangan gesernya adalah, maka perpanjangan atau torsinya adalah:



(1-14)



Dimana modulus elastisitas atau modulus Young; G adalah modulus geser atau modulus torsi.



Ketika dikompresi oleh tekanan hidrostatik, hubungan antara tegangan tekan dan regangan volumetrik adalah:



(1-15)



Dimana adalah modulus curah atau modulus kompresi, dan kebalikannya adalah X, yang disebut rasio kompresi.



Di bawah pengaruh tegangan tarik (atau kompresi), material tidak hanya akan memanjang (atau memendek) sepanjang arah tegangan, tetapi juga memendek (atau memanjang) tegak lurus terhadap arah tegangan. Nilai negatif rasio regangan dalam arah vertikal terhadap regangan dalam arah tegangan disebut rasio Poisson, yang biasanya dinyatakan dengan.



Keempat konstanta elastis di atas merupakan konstanta sifat bahan, dengan hubungan sebagai berikut:



(1-16)



Deformasi elastis suatu bahan sebenarnya merupakan hasil perpindahan kecil jarak atom pada posisi setimbang akibat pengaruh gaya luar. Oleh karena itu, gaya luar yang diperlukan untuk deformasi elastis berhubungan dengan gaya ikat antar atom dan energi ikat, sehingga faktor penting yang mempengaruhi modulus elastisitas adalah gaya ikat antar atom, yaitu ikatan kimia. Tabel 1-6 menunjukkan nilai modulus elastisitas keramik struktural umum. Terlihat dari data pada Tabel 1-6 bahwa intan mempunyai modulus elastisitas tertinggi, yang juga menunjukkan bahwa ikatan kovalen (ikatan kovalen) intan merupakan material yang paling kuat; Yang kedua adalah keramik karbida (terutama yang berikatan kovalen), yang kedua adalah keramik oksida, dan yang relatif lemah adalah keramik oksida (terutama yang berikatan ionik).



(1) Pengaruh suhu terhadap modulus elastisitas



Modulus elastisitas mencerminkan besarnya gaya eksternal yang diperlukan oleh perubahan kecil jarak atom. Gaya gravitasi dan gaya tolak menolak dua atom dalam zat padat dapat dijelaskan dengan kurva Condon Moase yang terkenal (Gbr. 1-20). Jarak rata-rata antara dua atom adalah gaya eksternal yang diperlukan untuk keluar atau mendekat, yaitu kemiringan kurva di.

Karena jarak atom dan gaya ikat berubah seiring suhu, modulus elastisitas sangat sensitif terhadap suhu. Ketika suhu meningkat, jarak atom meningkat, dan kemiringan kurva pada Gambar 1-20 melambat, yaitu modulus elastisitas menurun. Oleh karena itu, modulus elastisitas padatan umumnya menurun seiring dengan meningkatnya suhu. Gambar 1-21 menunjukkan perubahan modulus elastisitas beberapa bahan keramik terhadap suhu. Secara umum, bahan dengan koefisien muai panjang yang kecil seringkali memiliki modulus elastisitas yang tinggi.



(1) Hubungan antara modulus elastisitas dan titik leleh



Daritik leleh suatu bahan mencerminkan besarnya gaya ikat antar atomnya. Secara umum, modulus elastisitas berbanding lurus dengan titik leleh. Misalnya pada 300K, hubungan antara modulus elastisitas E dan titik leleh adalah sebagai berikut:



(1-17)



Dimana adalah volume atom atau volume molekul.



(2) Hubungan antara modulus elastisitas dan kepadatan material



Kekompakan bahan keramik mempunyai pengaruh yang besar terhadap modulus elastisitasnya. Hubungan antara modulus elastisitas E dan porositas memenuhi rumus (1-18):



(1-18)



Dimana modulus elastisitas pada porositas 0; Dan konstanta ditentukan oleh bentuk pori.



Mackenzie menghitung bahwa ketika porositas berbentuk bola,=1,9,=0,9. Frost menunjukkan bahwa hubungan antara modulus elastisitas dan porositas bersifat eksponensial:



(1-19)



Dimana B adalah sebuah konstanta.



Singkatnya, dengan meningkatnya porositas, modulus elastisitas bahan keramik menurun tajam.



(3) Modulus elastisitas material komposit



Karena modulus elastisitas ditentukan oleh gaya ikat antar atom yaitu berkaitan dengan jenis atom dan ikatan kimianya, maka modulus elastisitas tidak peka terhadap struktur mikro. Setelah jenis bahan ditentukan, perubahan modulus elastisitas dibatasi melalui perlakuan panas dan proses lainnya. Namun untuk modulus elastisitas komposit yang tersusun dari komponen yang berbeda-beda, karena modulus elastisitas masing-masing komponen berbeda maka modulus elastisitas komposit berubah seiring dengan kandungan masing-masing komponen. Dalam sistem dua fasa, modulus elastisitas total dapat dijelaskan dengan hukum pencampuran. Model Voigt mengasumsikan modulus elastisitas komposit adalah:



（1-20）



Apakah modulus elastisitas kedua fasa; Adalah fraksi volume kedua fasa tersebut.



Untuk moduli lainnya (G, K), hubungan serupa juga dapat ditulis. Dalam hal ini, sebagian besar tegangan kerja ditanggung oleh fase modulus tinggi.



Model Reuss mengasumsikan bahwa tegangan tiap fasa adalah sama, yaitu ketika tegangan tegak lurus terhadap lapisan, ekspresi modulus komposit diberikan:



(1-21)



Hubungan serupa dapat ditulis untuk modul lain. Sesuai dan mewakili nilai batas atas dan bawah masing-masing modulus elastisitas material komposit. Hashin dan Shtrikman juga telah menentukan batas atas dan bawah modulus komposit dua fasa, yang jauh lebih sempit daripada kisaran antara dua batas tersebut, dan tidak mencakup asumsi khusus tentang bentuk geometris fasa. Gambar 1-22 menunjukkan nilai perhitungan ekspresi Voigt dan Reuss serta batas atas dan bawah Hashin dan Shtrikman, serta perbandingannya dengan data pengujian sistem WC-Co. Data pada gambar telah dinormalisasi, dan terlihat dari gambar bahwa limit Hashin-ShtriKman lebih sesuai dengan data pengujian dibandingkan ekspresi Voigt dan Reuss. Faktanya, modulus elastisitas material komposit tidak dapat dijelaskan secara akurat oleh hukum pencampuran. Alasannya adalah asumsi tegangan dan regangan yang sama tidak sepenuhnya masuk akal. Material komposit sebenarnya berada pada keadaan di antara keduanya, sehingga data pengujian berada di antara kedua batas tersebut.

(1) Metode pengujian modulus elastisitas



There are many methods to measure the elastic modulus of solid materials. According to the definition of elastic modulus, direct testing of the ratio of stress and strain is called direct method. This method can be realized by means of load-deflection curve or sticking strain gauge. In addition, some indirect methods can be established according to the relationship between the elastic modulus of the material and the transmission of vibration frequency or wave velocity. The direct method is mostly adopted in China, while the indirect method is mostly adopted internationally. Our national standard (GB 10700-89) adopts two methods, namely bending method (direct) and acoustic resonance method (indirect), for the choice of elastic modulus test. Among the standards currently being revised, the resonance method is equivalent to the international standard ISO 17561.



Metode resonansi akustik menggunakan gelombang frekuensi variabel kontinu untuk merangsang sampel prismatik atau silinder persegi panjang dan mengukur frekuensi tekukan atau puntiran sampel. Eksitasi mekanis yang bekerja pada sampel diwujudkan oleh konverter, yang mengubah sinyal arus yang bersirkulasi menjadi gaya mekanis yang bersirkulasi. Konverter lainnya mengukur frekuensi getaran mekanis sampel dan mengubahnya menjadi sinyal listrik. Deteksi frekuensi dan amplitudo melalui osiloskop atau peralatan lain untuk mencari frekuensi resonansi. Respon maksimumnya adalah frekuensi resonansi. Modulus elastisitas dinamis dihitung dari frekuensi dasar yang terdeteksi, ukuran sampel, dan massa sampel. Modulus elastisitas bergantung pada frekuensi respons lentur, dan modulus geser bergantung pada frekuensi respons torsi.



Gambar 1-23 menunjukkan perangkat uji gantung.

Sampel harus berupa prisma persegi panjang beraturan atau batang bundar. Spesimen berbentuk batang dengan penampang melingkar hanya cocok untuk uji respon lentur. Panjang () sampel harus lebih besar dari 40 mm, dan rasio panjang terhadap ketebalan (), atau rasio panjang terhadap diameter () harus lebih besar dari 20. Untuk respons puntir, rasio lebar (b) terhadap ketebalan (t) harus 5. Paralelisme benda uji pada arah panjang dan ketebalan harus kurang dari 0,1%, dan kurang dari 0,5% pada arah ketebalan. Permukaan sampel harus halus dan rata, dan ujung-ujungnya tidak boleh dilubangi. Massa sampel tidak boleh kurang dari 5g.



Modulus elastisitas dinamis benda uji prisma persegi panjang dihitung berdasarkan rumus (1-22).



× (1-22)



Dimana, E adalah modulus elastisitas dinamis, GPa; Apakah massa sampel, kg; Apakah frekuensi respon lentur dasar, Hz; B adalah lebar sampel, m; L adalah panjang sampel, m; T adalah ketebalan sampel, m.



Modulus elastisitas dinamis benda uji batang berpenampang bulat dihitung berdasarkan rumus (1-23).



(1-23)



1.5.4 Kekerasan

Kekerasan adalah kemampuan suatu material untuk menahan goresan atau tekanan pada permukaannya oleh benda lain, dan merupakan salah satu parameter sifat mekanik penting suatu material. Bahan keramik merupakan bahan yang rapuh. Saat mengukur kekerasan, deformasi pseudo-plastik termasuk kegagalan komposit seperti kompresi dan geser akan terjadi di area pengepresan indentor, dan kekerasannya sulit untuk disesuaikan dengan kekuatannya. Namun kekerasan yang tinggi dan ketahanan aus yang baik merupakan salah satu keunggulan utama bahan keramik. Kekerasan erat kaitannya dengan ketahanan aus. Selain itu, pengukuran kekerasan bahan keramik memiliki keuntungan sebagai berikut: dapat digunakan metode uji kekerasan bahan logam; Metode pengujian dan peralatannya sederhana; Sebagai parameter fisik material itu sendiri, kekerasan dapat memperoleh nilai yang stabil; Ketika kekerasan Vickers diukur, ketangguhan patah dapat diukur. Oleh karena itu, dalam evaluasi sifat mekanik bahan keramik, pengukuran kekerasan merupakan salah satu metode evaluasi yang paling umum, dan datanya mudah diperoleh.



Kekerasan gores bahan mineral yang umum digunakan disebut kekerasan Mohs, yang hanya menunjukkan urutan kekerasan dari kecil ke besar, bukan derajat kekerasannya. Mineral di belakang dapat memotong mineral di depan. Sekarang kekerasan Mohs dibagi menjadi 15 tingkatan. Tabel 1-7 menunjukkan urutan tingkat kekerasan Mohs.

Saat ini metode utama yang digunakan untuk menentukan kekerasan bahan keramik adalah metode indentasi pembebanan indentor intan, meliputi kekerasan Vickers, kekerasan Mikro, dan kekerasan Rockwell.



(1) Kekerasan Vickers



Uji kekerasan Vickers adalah dengan menggunakan piramida intan dengan sudut berlawanan 136° sebagai indentor, tekan ke permukaan keramik dengan beban 9,807~490,3N, tahan selama 10~20 detik, dan lepaskan beban, sisakan lekukan pada permukaan bahan. Ukur panjang diagonalnya di bawah mikroskop dan hitung luas permukaan lekukan, serta hitung beban-tegangan pada satuan luas tersebut, yaitu nilai kekerasan Vickers HV.



HV= (1-24)



Dimana, P adalah beban, N; S adalah luas permukaan lekukan, mm2; D adalah panjang rata-rata lekukan diagonal, mm; HV adalah kekerasan Vickers, MPa.



Keramik adalah bahan yang rapuh. Dalam kebanyakan kasus, tepi lekukan retak, dan retakan terjadi sepanjang arah perpanjangan diagonal pada sudut lekukan. Bentuk lekukannya tidak teratur seperti pada bahan logam sehingga menyulitkan pengukuran diagonalnya. Oleh karena itu, saat menyiapkan sampel, permukaan uji akhirnya dipoles menjadi cermin dengan pasta abrasif berlian. Pada saat yang sama dengan pengukuran kekerasan Vickers, ketangguhan patah dapat diperkirakan dengan perhitungan berdasarkan panjang retakan pada sudut lekukan. Uji kekerasan Vickers adalah metode yang sederhana dan ekonomis.



(2) Kekerasan mikro



Beban yang digunakan untuk kekerasan mikro adalah 0,4903~9,807N, dan ukuran lekukan juga kecil karena beban yang kecil. Oleh karena itu, metode uji kekerasan mikro dapat digunakan untuk menguji kekerasan berbagai fase atau butiran berbeda dalam struktur mikro. Kekerasan mikro dibagi menjadi kekerasan mikro Vickers dan kekerasan mikro F. Knoop. Cara pertama pada dasarnya sama dengan kekerasan Vickers hanya saja pada beban kecil (termasuk bentuk indentor, pengukuran lekukan, rumus perhitungan nilai kekerasan, dll). Di sini, hanya kekerasan mikro Knoop yang diperkenalkan. Lekukan kekerasan mikro Knoop (selanjutnya disebut kekerasan Knoop) adalah belah ketupat, dan sudut indentor intan masing-masing adalah 172°30' dan 136°. Nilai kekerasan Knoop HK dapat dihitung dari panjang diagonal d lekukan dan beban P dengan persamaan (1-25):



HK== (1-25)



Dimana HK adalah nilai kekerasan, MPa; P adalah beban, N; A adalah luas lekukan yang diproyeksikan, mm2; D adalah panjang diagonal lekukan, mm; C adalah konstanta kepala.



C=ranjang bayi （1-26）



Dalam rentang beban yang digunakan untuk kekerasan mikro, ketika mengukur kekerasan tinggi dengan beban kecil, nilai kekerasan sampai batas tertentu bergantung pada beban. Oleh karena itu, beban yang besar harus digunakan semaksimal mungkin. Selain itu, kekerasan Knoop lebih bergantung pada beban dibandingkan kekerasan Vickers. Apapun metode yang digunakan, lebih baik untuk menunjukkan nilai beban.



(3) Kekerasan Rockwell



Cara uji kekerasan Rockwell adalah dengan menambahkan beban acuan terlebih dahulu, kemudian menambahkan beban uji, kemudian kembali ke beban acuan untuk mengukur perbedaan kedalaman penetrasi indentor pada beban sekunder.