ナノインデンテーション挙動のダイナミック解析によるセラミック表面の弾塑性変形評価

通过纳米压痕行为动态分析评估陶瓷表面的弹塑性变形

基本信息

批准号：
13750622
负责人：
赤津隆
金额：
$ 1.02万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2001
资助国家：
日本
起止时间：
2001 至 2002
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は平成13年度から平成14年度にわたる2年間で行われた.初年度の主な成果はナノメートルスケールで正確な実験が実現できるナノインデンターを新たに開発したことである.それを用いて組織が多様に変化する炭素・黒鉛材料に対して局所的な硬さ及び弾性率を測定した結果,微構造の変化に対応してそれらの値が大きく変化することを明らかにした.本年度はセラミックナノ多結晶体をHIPにより作製し,その局所的な硬さを測定した.その結果,立方晶ジルコニアの硬さは明確な粒径依存性は認められないものの,押込み深さが数百ナノメートル程度の領域において,押込み量が小さくなるほど硬くなることが明らかとなった.金属材料ではこのような現象が一部認められているが,セラミックスでは新たな発見である.この挙動は圧痕直下で幾何学的に要請される転位ループの形成によって説明できることが分かった.単斜晶ジルコニアの場合,粒径が百ナノメートル以下になると硬くなることを見出した.これは塑性変形が数十ナノメートル程度の規模の双晶変形によって生じることが原因であることが分かった.さらに,正方晶ジルコニアの場合も粒径が百ナノメートル以下になると単斜晶程度の硬さ(約15GPa)から立方晶程度の硬さ(40GPa以上)まで急激に硬くなることを新たに発見した.これは粒径の減少によって正方晶から単斜晶への応力誘起相変態が抑制されたためである。このことは顕微ラマン測定で確認した.このように,本研究で開発したナノインデンターを用いてセラミックスの力学的性質がナノメートルスケールで正確に評価できるようになり.今まで認知されてきたマクロなそれとは大きく異なる様々な現象を明らかにすることが可能となった.

这项研究从2001年到2002年进行了两年。第一年的主要成果是开发了一种新型纳米压痕仪，可以在纳米尺度上进行精确的实验，测量局部硬度和弹性。碳/石墨材料的微观结构以各种方式发生变化，我们发现这些值随着微观结构的变化而增加。今年，我们通过HIP制备了陶瓷纳米多晶，并测量了它们的局部硬度。结果，我们发现立方氧化锆的硬度并不明显取决于晶粒尺寸，但已经清楚的是，在压痕深度所在的区域。数百纳米，压痕量越小，材料越硬。尽管已经认识到一些此类现象，但这在陶瓷中是一个新发现。人们发现，这种行为可以通过在压痕下方形成几何所需的位错环来解释。人们发现，当晶粒尺寸变大时，晶粒会变硬。小于100纳米，这是因为塑性变形是由几十纳米尺度的孪生变形引起的。此外，新发现，在四方氧化锆的情况下，当粒径小于100纳米时，硬度从单斜晶体的硬度(约15GPa)变化为立方晶体的晶体的硬度(40GPa)。硬度迅速增加，直到晶粒尺寸增大。这是因为通过减小晶粒尺寸抑制了应力引起的从四方到单斜的相变。通过显微拉曼测量证实了这一点，通过这种方式，可以使用本研究中开发的纳米压痕仪在纳米尺度上准确评估陶瓷的机械性能，现在可以澄清与上述现象截然不同的各种现象。。