Исследование микротвердости литий-боратных стекол

Литий-боратные стекла и расплавы представляют собой значительную группу неорганических веществ, структура которых все еще вызывает научные споры. Они характеризуются уникальным набором физико-химических свойств, что связано с их структурными особенностями. Свойства, такие как низкотемпературная плавкость, высокая оптическая прозрачность, значительная химическая устойчивость и способность растворять оксиды различных металлов, делают литийборатные стекла многообещающими материалами для разнообразных примене- ний: от создания оптического волокна и лазерных устройств до использования в электролитах аккумуляторов и матрицах для хранения радиоактивных отходов [1–6].

Изучение литий-боратных стекол в контексте перехода от жидкого состояния к стеклообразному вызывает особый интерес. Этот процесс, хотя и не является фазовым переходом первого рода, сопровождается значительными изменениями вязкости, теплоемкости и прочих физических характеристик материала. Раскрытие механизмов, управляющих переходом жидкость — стекло, имеет решающее значение для создания стекол с необходимыми характеристиками и прогнозирования их поведения в различных условиях [7–11].

Цель работы: исследование микротвердости стекол системы B 2 O 3 –Li 2 O при увеличении концентрации оксида лития, а также изучение зависимости глубины микроотпечатка пирамидки Виккерса от времени выдержки.

Обработка поверхности образцов перед измерением

Для проведения измерений были подготовлены четыре образца оптимального размера с различным процентным содержанием компонентов (табл. 1). Перед началом эксперимента поверхность каждого образца была очищена и отполирована механической обработкой для удаления верхнего слоя материала и исключения неточностей в измерениях. Ручная шлифовка осуществлялась с использованием наждачной бумаги зернистостью P800. После шлифовки образцы были отполированы наждачной бумагой зернистостью от P1000 до P2000 для удаления мелких царапин и других дефектов поверхности.

Проведение эксперимента

Устанавливая нагрузку 0,01 и 0,025 Н, проводили измерение микротвердости на микротвердомере ИТВ-1-АМ по методу Виккерса (H V ). Автоматическое вдавливание индентора (пирамиды Виккерса) в испытуемый образец проводится при установленной нагрузке. Выдержка под нагрузкой осуществляется в течение заданного времени, измеряемого в секундах. В нашем исследовании это время варьировалось от 1 до 5 секунд с интервалом в 1 секунду. При микровдавливании пирамиды Виккерса в стекло образуется пластический микроотпечаток (рис. 1).

Рис. 1. Фотография микроотпечатков при увеличении 40х, полученных под нагрузкой 0,05 Н с временем выдержки 20 секунд на образце № 2 с содержанием Li 5,1%

С использованием окулярного микрометра на ИТВ-1-АМ были проведены измерения в двух взаимно перпендикулярных направлениях — по диагоналям d₁ и d 2 (рис. 2).

Рис. 2. Схема измерения диагоналей микроотпечатка

Чтобы получить статистически достоверные данные, для каждого времени выдержки и каждого образца испытания проводились не менее пяти раз.

После проведения всех измерений были начаты обработка данных и вычисления. Некоторые из полученных результатов представлены в таблице 1.

Результаты измерений на нагрузке 0,01Н

Таблица 1

№	Стекло, мол. %		tвыд, с	d₁, мкм	d₂, мкм	D, мкм	Hᵥ, кгс/мм2
	B 2 O 3	Li 2 O
1	98.0	2.0	1	14.83	14.00	14.41	69.2
2			2	15.51	17.21	16.36	67.0
3			3	15.60	17.87	16.73	66.1
4			4	17.06	17.93	17.49	60.5
5			5	16.88	20.86	18.87	52.0
1	94.9	5.1	1	8.16	8.60	8.38	263.7
2			2	9.38	9.32	9.35	211.8
3			3	10.25	10.40	10.32	173.8
4			4	11.56	14.01	12.78	113.3
5			5	12.76	13.0	12.88	111.7
1	93.0	7.0	1	7.17	9.05	8.11	302.3
2			2	7.77	8.3	8.03	286.8
3			3	8.30	8.48	8.39	259.1
4			4	9.27	10.13	9.70	245.9
5			5	9.26	10.27	9.76	192.1
1	89.6	10.4	1	7.32	9.47	8.39	262.8
2			2	10.04	9.68	9.86	190.5
3			3	10.46	9.71	10.08	182.2
4			4	10.55	10.01	10.28	175.3
5			5	11.11	11.80	11.45	141.1

Обработка результатов

Чтобы повысить точность измерений микротвердости, необходимо учитывать не только размеры отпечатка, но и его глубину. Глубина микроотпечатка отражает степень пластической деформации материала под воздействием нагрузки и предоставляет дополнительную информацию о механических свойствах. Анализ глубины отпечатка позволяет более детально изучить микроструктуру материала и выявить особенности распределения твердости по различным слоям. Это особенно важно при исследовании поверхностно-модифицированных материалов или тонких покрытий, где традиционные методы могут быть недостаточно точными.

Для определения глубины микролунок используем следующую формулу:

D

2 • tg (a 2) •                                    (1)

где α — угол между противоположными гранями на вершине пирамидки Виккерса (136°), D — среднее арифметическое значение длин диагоналей микроотпечатка.

Глубина микроотпечатка в стеколе системы B₂O₃–Li₂O варьируется в зависимости от ряда факторов. Прежде всего, увеличение нагрузки на индентор приводит к более глубокому отпечатку. Также глубина зависит от продолжительности воздействия индентора на поверхность образца. Это явление характерно для многих материалов, включая литий-боратное стекло. Поскольку измерения проводились при комнатной температуре 20°C, образцы демонстрировали упругие свойства.

На основании данных из таблицы 2 строим графики, отображающие зависимость глубины микроотпечатка от времени выдержки (рис. 3).

Таблица 2

Результаты вычисления глубины микроотпечатков при нагрузке 0,01Н для стекла В 2 О 3 -LiO 2

Li 2 O, мол. %	2	5,1	7	10,4	t выд, с
h , мкм	2,99	1,69	1,63	1,69	1
	3,31	1,88	1,62	1,99	2
	3,38	2,08	1,69	2,03	3
	3,53	2,58	1,95	2,07	4
	3,81	2,60	1,97	2,31	5

График на рисунке 3 демонстрирует линейную корреляцию почти для всех исследуемых составов стекол, что указывает на равномерное увеличение глубины отпечатка с увеличением времени выдержки. Аналогичные линейные корреляции были получены и при нагрузке на индентор 0,025 Н.

Для подтверждения выявленной линейной корреляции были проведены дополнительные статистические анализы, включая расчёт коэффициентов корреляции для каждого состава литий-боратного стекла. Полученные значения подтвердили высокую степень линейной зависимости глубины микроотпечатка от времени выдержки при обоих уровнях нагрузки (0,01 Н и 0,025 Н). Это свидетельствует о том, что в исследуемых условиях глубина отпечатка пропорциональна времени взаимодействия индентора с поверхностью материала.

h м

▲   ♦ 2%

■ 5,1

0%

0          1          2          3          4          5

Рис. 3. Зависимость глубины отпечатка от времени выдержки нагрузки. Стекло В 2 О 3 -LiO 2 , с различным содержанием окисла. Нагрузка — 0,01 Н

Дополнительно были проанализированы изменения микротвердости материала в зависимости от содержания оксида лития Li 2 O. Результаты показывают, что увеличение содержания Li₂O в составе стекла приводит к снижению глубины отпечатка при той же нагрузке, что указывает на рост микротвердости материала.

В дальнейшем планируется расширение исследования на другие комбинации оксидов и изучение их влияния на микроструктуру и механические свойства стекол. Также предполагается изучение температурных влияний для более полного понимания поведения материалов в различных условиях.

Заключение

В ходе проведенных исследований микротвердости литий-боратных стекол с различным содержанием оксида лития было выявлено несколько важных закономерностей. При испытаниях с нагрузками 0,01 Н и 0,025 Н и временем выдержки индентора от 1 до 5 секунд установлено, что глубина микроотпечатка зависит как от времени выдержки, так и от концентрации Li 2 O в составе стекла.

Полученные данные показывают, что при увеличении времени выдержки нагрузки глубина отпечатка увеличивается линейно для всех исследованных составов стекол. Это свидетельствует о равномерном развитии пластической деформации в материале при длительном воздействии нагрузки. Такой характер зависимости соответствует ожиданиям и подтверждает устойчивость методики измерений.

Кроме того, анализ результатов позволяет отметить, что с увеличением содержания оксида лития в стекле глубина отпечатка при одинаковых условиях испытаний уменьшается. Например, стекло с содержанием Li₂O 2 мол.% демонстрирует большую глубину отпечатка по сравнению со стеклом с содержанием Li 2 O 10,4 мол.% при тех же условиях нагрузки и времени выдержки. Это указывает на повышение микротвердости материала при увеличении концентрации оксида лития.

Таким образом, введение оксида лития в борное стекло приводит к усилению его структуры и повышению сопротивления пластической деформации. Это может быть связано с изменениями в микроструктуре стекла, вызванными модификацией сетки за счет включения ионов лития.