氮氧化铝透明陶瓷微尺度下的取向相关动态力学行为

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氮氧化铝(AlON)尖晶石透明陶瓷具有与蓝宝石相媲美的优异性能和透明度,被认为是可在极端条件下使用的理想光学材料,例如可见/红外穹顶、坦克、飞机防护装甲以及光学窗口。这些应用都涉及微/纳米尺度下的动态或高应变率加载。此外,所有上述应用都需要将AlON表面抛光研磨,这通常也会涉及高速磨削和微尺度下的动态磨损过程。因此,了解AlON在微观尺度上的动态力学响应是设计高性能防护装置的关键问题。动态载荷下的陶瓷塑性在材料冲击性能中起着重要作用,然而,陶瓷固有的脆性会导致陶瓷在高应变率下碎裂,因此很难直接表征陶瓷的动态塑性。在本研究中,采用纳米冲击技术研究了AlON动态变形行为的取向依赖性(平均应变率约为(?)~10~2 s-1)。分别选取(010)、(101)和(111)三个取向晶粒进行纳米冲击测试,观察到动态硬度表现出明显晶体取向依赖性。在三个选定取向的晶粒中,(111)取向晶粒硬度最大,(101)次之,(010)取向晶粒硬度最小,随着冲击载荷从10m N增加到50m N,(101)取向晶粒的动态硬度从22.57GPa降低到17.04GPa,在(111)取向晶粒测得的动态硬度从22.71GPa降低到17.22GPa,而(010)取向则是从22.31GPa下降至16.92GPa。在每个取向中,动态硬度值都表现出强烈的尺寸效应,这可以使用几何必需位错和统计存储位错相关的应变梯度理论来解释。在AlON动态变形后的残余压痕表征中,压痕周围及下方产生了许多裂纹,其中少数裂纹是由解理断裂产生,且在压痕下方区域存在大量位错。因此,AlON动态变形过程其塑性任然受到位错的控制,并未发现变形孪晶的存在。值得注意的是,在残余压痕尖端应变最严重区域可以发现许多尺寸在几纳米左右的局部非晶化,这正是高应变率条件下动态硬度降低的原因。
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