Механические свойства материалов на основе МАХ-фаз системы Ti–Al–C

Abstract

Изучение материалов на основе МАХ-фазы Ti₃AlC₂, содержащих включения карбида титана, показало, что с увеличением содержания последнего от 2 до 99 % (по массе) нанотвердость и модуль Юнга увеличивались от 2,0±0,4 до 23,6±1,2 ГПа и от 137±21 до 447±11 ГПа соответственно. Показатель степени в уравнении ползучести для этих образцов находится в пределах от 104 до 140, что свидетельствует о слабой зависимости механических свойств материалов, а следовательно и МАХ-фазы Ti₃AlC₂, от скорости деформации. Для образцов, состоящих в основном из МАХ-фазы Ti₃AlC₂, наблюдали образование широких петель гистерезиса при повторном нагружении/разгрузке индентора. Это указывает на большие потери упругой энергии при циклическом деформировании и, следовательно, на перспективность применения Ti₃AlC₂ в качестве демпфирующего материала. Микротвердость образца, состоящего на 98 % из Ti₃AlC₂ и синтезированного при атмосферном давлении, при нагрузке 4,9 Н составляла 2,1 ГПа, а его трещиностойкость была высокой (трещины из углов отпечатка отсутствовали даже при нагрузке в 149 Н). Микротвердость и трещиностойкость материала, состоящего из 71 % Ti3AlC, 6 % Ti2AlC и 23 % TiC, были равны 3,0±0,6 ГПа и 4,3±1,4 MПa∙м₁/₂ соответственно.

Вивчення матеріалів на основі МАХ-фази Ti₃AlC₂, що містять включення карбіду титану, показало, що зі збільшенням вмісту останнього від 2 до 99 % (по масі) нанотвердість і модуль Юнга збільшувалися від 2,0±0,4 до 23,6±1,2 ГПа та від 137± 21 до 447±11 ГПа відповідно. Показник ступеня в рівнянні повзучості для цих зразків знаходиться в межах від 104 до 140, що свідчить про слабку залежність механічних властивостей матеріалів, а отже й МАХ-фази Ti₃AlC₂, від швидкості деформації. Для зразків, що складаються в основному з МАХ-фази Ti₃AlC₂, спостерігали утворення широких петель гістерезису при повторному навантаженні/розвантаженні індентора. Це вказує на більші втрати пружної енергії при циклічному деформуванні і, отже, на перспективність застосування Ti₃AlC₂ як демпфіруючого матеріалу. Мікротвердість зразка, що складається на 98 % з Ti₃AlC₂ і синтезованого при атмосферному тиску, при навантаженні 4,9 Н становила 2,1 ГПа, а його тріщиностійкість була високою (тріщини з кутів відбитка були відсутні навіть при навантаженні в 149 Н). Мікротвердість і тріщиностійкість матеріалу, що містить 71 % Ti3AlС, 6 % Ti2AlС і 23 % TiС, були рівні 3,0±0,6 ГПа і 4,3±1,4 MПa·м₁/₂ відповідно.

By studies of materials based on the Ti₃AlC₂ MAX phase containing inclusions of titanium carbide it has been shown that as a titanium carbide content increases from 2 to 99 %, the nanohardness and Young modulus of the material increase from 2.0±0.4 to 23.6±1.2 GPa and from 137±21 to 447±11 GPa, respectively. The exponent in the equation of creep for these samples has been found to vary from 104 to 140, which indicates that mechanical properties of the material and, hence, of the Ti₃AlC₂ MAX phase depend on the strain rate only slightly. The formation of broad hysteresis loops has been observed in the cyclic loading/unloading of the indenter for samples consisting mainly of the Ti₃AlC₂ MAX phase. This points to serious losses in elastic energy of the MAX phase in strain cycling and, hence, the prospects of the MAX phase application as a damping material. It has been found that the microhardness of a sample consisting of 98 % Ti₃AlC₂ produced by sintering under a load of 4.9 N was 2.1 GPa and its fracture toughness was high (no cracks from the indent corners were observed even under a load of 149 N). Microhardness and fracture toughness of the material consisting of 71% Ti3AlC, 6 % Ti2AlC, and 23% TiC were 3.0±0.6 GPa and 4.3±1.4 MPa·m₁/₂, respectively.