Wyznaczanie parametrów pękania podkrytycznego spieków ZrO2 metodą stałego przyrostu naprężeń

• Autorzy: Lach R. , Dudek A. , Pędzich Z.

Warianty tytułu

EN

Determination of subcritical crack propagation parameters for ZrO2 sinters using constant stress rate test

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Tlenkowe materiały ceramiczne mają tendencję do pękania pod wpływem długo działających naprężeń o wartościach niższych niż przewidywane z wyznaczonej normowo wartości KIc. Zjawisko to nazywane jest pękaniem podkrytycznym. Jest ono wynikiem powolnego rozrostu wad obecnych w materiale, który spowodowany jest oddziaływaniami chemicznymi występującymi przy wierzchołku narastającego pęknięcia. Cząsteczki wody, obecnej na wierzchołku pęknięcia, przyłączają się do atomów znajdujących się na powierzchni, obniżając energię powierzchniową, a tym samym zmniejszając ilość energii potrzebnej do dekohezji materiału. Metody badania pękania podkrytycznego należą do pracochłonnych. Pomiar propagacji pęknięcia, które rośnie z prędkością ok. 10-10 m/s oznacza, że dzienny przyrost jego długości wynosi około 1 mikrometra. W pracy zaprezentowano metodę pozwalającą na określenie prędkości propagacji pęknięć z wykorzystaniem prób zginania dwuosiowego wykonywanych przy różnych prędkościach narastania naprężeń. Nosi ona nazwę testu stałego przyrostu naprężeń. W metodzie tej nie jest konieczny bezpośredni pomiar długości pęknięcia, a informacje na temat pękania podkrytycznego wynikają z przeprowadzonych testów wytrzymałości. Próby wykonano w przypadku dwóch grup próbek wykonanych z tetragonalnego dwutlenku cyrkonu, dla których dobrano różne warunki spiekania w celu zróżnicowania ich mikrostruktury. Pierwszy materiał był spiekany w temperaturze 1400 °C przez 6 godzin, natomiast drugi w 1500 °C przez 2 godziny. Spiekanie w wyższej temperaturze powodowało rozrost ziaren większy niż w przypadku 1400 °C.

EN

Oxide materials have a tendency to crack under stress values lower than expected from KIc values determined in standard tests. This phenomenon is called subcritical crack growth. It is related to slow expansion of flaws existed in the material, which results from chemical interactions, occurring at a tip of the growing crack. Molecules of water, that are present in the crack tip, attach to atoms located in the surface and reduce the surface energy, thereby reducing the amount of energy required to failure. Subcritical crack test methods are labour-intensive. Crack propagation with a speed of 10-10 m/s means that a daily increase of crack length is about 1 micrometer. The paper presents the method of determining the crack propagation speed using biaxial bending tests performed at different stress rates. This is called the constant stress rate test. In this method it is not necessary to measure directly the crack length, but the information on the subcritical cracking results from the performed strength tests. Attempts were made for two groups of tetragonal zirconia samples, which matched different sintering conditions. The first was sintered for 6 hours at 1400 °C, while the second one for 2 hours at 1500 °C. The sintering at the higher temperature resulted in larger grain growth than at 1400°C.

Słowa kluczowe

PL

pękanie podkrytyczne; tetragonalne polikryształy dwutlenku cyrkonu

EN

subcritical crack growth; tetragonal zirconia polycrystals

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2015
• Tom: T. 67, nr 1
• Strony: 56--61
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Lach R.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Dudek A.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Pędzich Z.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] Polska norma, Metale. Metoda badania odporności na pękanie w płaskim stanie odkształcenia, PN-87/H-04335.
• [2] Norma ASTM E 399, Standard Test Method for Linear-Elastic Plane-Strain Fracture Toughness KIc of Metallic Materials.
• [3] Polska norma, Metale. Pomiar twardości metodą Vickersa, PN-EN ISO 6507-1:2007.
• [4] Anstis, G. R., Chantikul, P., Lawn, B. R., Marshall, D. B.: A Critical Evaluation of Indentation Techniques for Measuring Fracture Toughness: I, Direct crack measurements, J. Am. Ceram. Soc., 64, 9, 1981, 533.
• [5] Niihara, K. A.: A Fracture Mechanics Analysis of Indentation, J. Mater. Sci. Lett., 2, (1983), 221-223.
• [6] De Aza, A. H., Chevalier, J., Fantozzi, G., Schehl, M., Torrecillas, R.: Crack Growth Resistance of Alumina, Zirconia and Zirconia Toughened Alumina Ceramics for Joint Prostheses, Biomaterials, 23, (2002), 937-945.
• [7] Benaqqa, Ch., Chevalier, J., Saadaoui, M., Fantozzi, G.: Slow Crack Growth Behaviour of Hydroxyapatite Ceramics, Biomaterials, 26, (2005), 6106-6112
• [8] Pędzich, Z.: Podkrytyczne rozprzestrzenianie się pęknięć w kompozytach ziarnistych na osnowie Y-TZP, Kompozyty, 5, (2005), 86-90.
• [9] Norma ASTM C1368-06, Standard Test Method for Determination of Slow Crack Growth Parameters of Advanced Ceramics by Constant Stress-Rate Flexural Testing at Ambient Temperature.
• [10] Szutkowska, M.: Odporność na pękanie spieków ceramicznych stosowanych na ostrza narzędzi skrawających, prace Instytutu Obróbki Skrawaniem, Zeszyty Naukowe nr 85, 2005.
• [11] Polska Norma PN-EN ISO 6872, Stomatologia – Materiały ceramiczne, PKN, Warszawa 2009.
• [12] Quinn, G. D.: Fractography of Ceramics and Glasses, Special Publication 960-16, 2007.
• [13] Wachtman, J. B., Cannon, W. R., Matthewson, M. J.: Subcritical Crack Propagation, Mechanical Properties of Ceramics, Second Edition, John Wiley & Sons, 2009.