Mikrostruktura kompozytów ziarnistych z osnową tetragonalnych polikryształów ZrO2 i wtrąceniami węglikowymi.

• Autorzy: Faryna M.

Warianty tytułu

EN

Microstructure of particulate composites with TZP-matrix and carbide inclusions.

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Tetragonalne polikryształy tlenku cyrkonu (TZP) charakteryzują się znaczną wytrzymałością mechaniczną i jedną z najwyższych wśród tworzyw ceramicznych odpornością na pękanie. Istotną z użytkowego punktu widzenia cechą tego materiału jest jego znaczna odporność na ścieranie. Okazuje się, że cecha ta może być wydatnie poprawiona wprowadzaniem do osnowy TZP wtrąceń węglików. Równocześnie obserwuje się w takich układach wzrost odporności na pękanie w porównaniu do czystej osnowy. Wyjaśnienie tego zjawiska leży w rozpoznaniu mikrostruktury tworzyw oraz zjawisk na kontakcie osnowa-wtrącenie. Zagadnieniom tym poświęcona była niniejsza praca. Uzyskane wyniki sprowadzają się do trzech grup problemów. Były to: a) opracowanie modelu kompozytu ze szczególnym uwzględnieniem stanu naprężeń wewnątrz tworzywa, b) weryfikacja modelu i próba powiązania wyników badań w transmisyjnym i skaningowym mikroskopie elektronowym z własnościami tworzyw, c) opracowanie metody przygotowywania cienkich folii kompozytów zdatnych do obserwacji w transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Różnice współczynników rozszerzalności cieplnej wtrąceń i osnowy powodują powstawanie naprężeń w tworzywach. Dla analizowanych przypadków materiałów z wtrąceniami WC, TiC, (Ti, W)C, CrxCy i Cr2O3 oceniono wielkości tych naprężeń. Wykonane badania pozwoliły lepiej zrozumieć korzystne własności nowej klasy tworzyw, jaką są kompozyty z osnową TZP i wtrąceniami WC, TiC, (Ti, W)C, CrxCy i Cr2O3. Niewątpliwie wpłynie to na dalsze udoskonalenie tych materiałów.

EN

Tetragonal zirconia polycrystals (TZP) show good mechanical properties, i.e. high fracture toughness and strength. Such a material revels also better wear resistance comparing with other types of ceramics. All important mechanical properties can be significantly improved by the incorporation of hard and stiff carbide inclusions into the TZP matrix. Dense bodies with WC, TiC, (Ti, W)C, CrxCy and Cr2O3 additives were widely investigated during this work. Higher fracture toughness in these systems was correlated with the microstructure and interphase boundary behaviour. There were three main aims of this work: a) to present a theoretical model of composites, paying particularly attention to stress distribution around ridgid inclusion in a sinterable matrix, b) to verify this model by electron microscopy investigations (both transmission and scanning) and correlate the results with mechanical properties of the composites, c) to elaborate a new way of the thin foil preparation in the composite samples containing two phases with different thermal expansion coefficients. The differences of these coefficients create internal stresses in the studied materials. They are negative in the zirconia matrix and positive in the inclusions. The values of stresses in the systems containing TZP with WC, TiC, (Ti, W)C, CrxCy and Cr2O3 additives were also calculated in this work. The results allow us to understand better the processes undergoing in these composites during sintering, mainly, to recognise the factors responsible for the toughness increase.

Słowa kluczowe

PL

mikrostruktura; kompozyt; kompozyt ziarnisty; tetragonalne polikryształy tlenku cyrkonu; TZP; wtrącenia węglikowe; model; cienka folia; rozkład naprężeń; własności mechaniczne; współczynnik rozszerzalno

EN

microstructure; composite; particulate composites; tetragonal zirconia polycrystals; TZP; carbide inclusions; model; thin foil; stress distribution; mechanical properties; thermal expansion coefficient

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2000
• Tom: R. XXI, nr 2
• Strony: 62--75
• Opis fizyczny: Bibliogr. 33 poz. tab., rys.

Twórcy

autor

Faryna M.

• Środowiskowe Laboratorium Analiz Fizykochemicznych i Badań Strukturalnych, Uniwersytet Jagielloński

• Środowiskowe Laboratorium Analiz Fizykochemicznych i Badań Strukturalnych

Bibliografia

• [1] Hsueh C. H., Evans A. G., McMeeking R. M.: Influence of Multiple Heterogeneities on Sintering Rate, J. Amer. Ceram. Soc., 69 [4], (1986), 64-66
• [2] Hsueh C. H., Evans A. G., R. M. Cannon A. G.: Viscoelastic Stresses and Sintering Damage in Heterogenous Powder Compacts, Acta Metall., 34 [5], (1986), 927-936
• [3] Hsueh C. H.: Sintering Behaviour of Powder Compacts with Multiheterogeneities, J. Mater. Sci., 21 , (1986), 2067-2072
• [4] Raj R., Bordia R. K.: Sintering Behaviour of Bi-Modal Powder Compacts, Acta Metall., 32 [7], (1984), 1003-1019
• [5] Rahaman M . N., De Jonghe L. C.: Effect of Rigid Inclusions on Sintering, First International Conference on Ceramic Powder Processing, Orlando, FL, 1-4 November 1987
• [6] Rahaman M . N., De Jonghe L. C.: Effect of Rigid Inclusions on the Sintering of the Glass Powder Compacts, J. Amer. Ceram. Soc., 70 [12], (1987), 348-351
• [7] Suchanek W., Haberko K., Pędzich Z., Piekarczyk J., Bućko M. M.: Influence of the Reducing Heat Treatment and WC Additives on Phase Composition and of the Selected Zirconia Systems, w Advanced Materials' 93, IIIB: Composites, Grain Boundaries and Nanophase Materials, M. Sakai et al. (wyd.), Trans. Mat. Res. Soc. Japan, t. 16B, Elsevier Science B.V., (1994), 837-840
• [8] Sudre O., Lange F. F.: Effect of Inclusion on Densification: I, Microstructural Development in an Al2O3 Matrix Containing a High Volume Fraction of ZrO2 Inclusions, J. Amer. Ceram. Soc., 75 [3], (1992), 519-524
• [9] Weiser M. W., De Jonghe L. C.: Inclusion Size and Sintering of Composite Powders, J. Amer. Ceram. Soc., 71 [3], (1988), 125-127
• [10] Pampuch R., Haberko K. , Kordek M.: Nauka o procesach ceramicznych, PWN, Warszawa, 1992
• [11] Lundin S. T.: Studies on Triaxial Whiteware Bodies, Ceram. Abs., (1961), 51
• [12] Selsing J.: Internal Stresses in Ceramics, J. Amer. Ceram. Soc., 44 (1961), 419
• [13] Taya M., Hayashi S., Kobayashi A. S., Yoon H. S.: Toughening of a Particulate-Reinforced Ceramic-Matrix Composite by Thermal Residual Stress, J. Amer. Ceram. Soc., 73 [5], (1990), 1382-1391
• [14] Taya M., Dunn M., Derby B., Walker J.: Thermal Residual Stress in a Two-Dimensional In-Piane Misoriented Short Fiber Composite, Appl. Mech. Rev. , 43 [5], (1990), 294-303
• [15] Haberko K. , Pędzich Z., Piekarczyk J., Haberko M., Bućko M. M., Suchanek W.: Zirconia - Based Composites, w Third Euro-Ceramics, vol. 3, Engineering Ceramics, P.Duran, J.F.Fernandez (wyd.), Faenza Editrice Iberica S. L., (1993), 629-634
• [16] Haberko K., Pędzich Z., Piekarczyk J., Bućko M.M., Faryna M.: A Comparative Study on the 3Y-TZP - Selected Carbides Particulate Composites, Eighth CIMTEC - World Ceramics Congress, Florence, Italy, 28 czerwiec - 4 lipiec 1994, ,,Ceramic: Charting the Future", vol. 3, Techna srl., Faenza, (1994), 2035-2044
• [17] Haberko K., Pędzich Z., Róg G., Bućko M. M., Faryna M.: The TZP Matrix - WC Particulate Composites, Eur. J. Solid State Inorg. Chem., 32, (1995), 593-601
• [18] Dingh Zh., Oberacker R., Thümler F.: Microstructure and Mechanical Properties of Yttria Stabilized Tetragonal Zirconia Polycrystals (Y-TZP) Containing Dispersed Silicon Carbide Particles, J. Europ. Ceram. Soc., 12 [5], (1993), 377-383
• [19] Dingh Zh., Oberacker R. , Frei H. , Thümler F.: Consolidation of SiC Particulate Reinforced Y-TZP by Pressureless Sintering and HIPing, J. Eur. Ceram. Soc., 10, (1992), 255-261
• [20] Pędzich Z.: Kompozyty ziarniste w układzie: tetragonalne polikryształy dwutlenku cyrkonu -węglik wolframu, Rozprawa Doktorska, AGH Kraków, (1996)
• [21] Pędzich Z., Haberko K.: Toughening Mechanisms in the TZP - WC Particulate Composites, w Key Engineering Materials Vols. 132-136, Trans Tech Publications, Szwajcaria, (1997), 2076-79
• [22] Bravman J., Sinclair R. : The Preparation of Cross-section for Transmission Electron Microscopy, Journal of Electron Microscopy Technique, 1, (1984), 53-61
• [23] Helmersson U., Sundgren J. E.: Cross-Section Preparation for TEM of Film Substrate Combinations With a Large Difference in Sputtering Yields Journal of Electron Microscopy Technique, 4, (1986), 61-369.
• [24] Pędzich Z., Haberko K. , Faryna M.: Tetragonal Zriconia-Tungsten Carbide Composites. Manufacturing, Microstructure and Properties, Proceedins of the First International Conference on Composite Science and Technology, 18-20 June 1996, Durban, South Africa, (Eds. S. Adali, V.E. Verijenko), 379-384
• [25] Haberko K. , Róg G., Pędzich Z., Piekarczyk J., Haberko M., Bućko M. M., Pyda W., Faryna M.: Raport końcowy z realizacji projektu badawczego KBN PB 964/ 91 , Kompozyty ziarniste na bazie ZrO2 , Kraków, 1994
• [26] Haberko K., Pędzich Z., Piekarczyk J., Róg G.: Zirconia-Tungsten Carbide Particulate Composites, Part I: Manufacturing and Physical Properties Fourth Euroceramics t.4, Basic Science-Trends in Emerging Materials and Applications, A. Bellosi (wyd.), Gruppo Editoriale Faenza Editrice S.p.A., (1995), 29-36
• [27] Haberko K., Pędzich Z., Dutkiewicz J., Faryna M., Kowal A.: Microstructure of the Particulate Composites in the (Y) TZP-WC System, Ceramics Microstructure: Control at the Atomie Level, Edited by A. P. Tomsia and A. Glaeser, Plenum Press, New YQrk, (1998), 741-748
• [28] Faryna M., Pędzich Z. , Lityńska L., Haberko K.: Microstructure of the TZP Particulate Composites, ICCM-11 Proceedings of the Eleventh International Congress on Composite Materials, Gold Coast, Australia, 14-18 July 1997, vol. II, 751-758
• [29] Pędzich Z., Haberko K., Piekarczyk J., Faryna M., Lityńska L.: Zirconia Matrix-Tungsten Carbide Particulate Composites Manufactured by Hot-Pressing Technique, Materials Letters 36, (1998), 70-75
• [30] Wen S., Ma L. , Guo J., Yen T.: ,,Transmission Electon Microscopic Obserwation of Martensitic Phase Transformation in Tetragonal ZrO2 , J. Amer. Ceram. Soc., 69 [7], (1986), 570-572
• [31] Faryna M., Pędzich Z., Pyda W., Haberko K.: Particulate Composites with the TZP Matrix and (Ti, W) Additive", ICCST/ 2, Proceedings of the Second International Conference on Composite Science and Technology, 9-11 June 1998, Durban, South Africa, Edited by: S. Adali, E.V. Morozov and V.E. Verijenko, Department of Mechanical Engineering, University of Natal, Durban, South Africa, 169- 174
• [32] Róg G.: Raport końcowy z realizacji projektu badawczego KBN T08D 019 10, Wtrącenia Cr3C2 i Cr 20 3 jako czynnik wzmacniający kompozyty ziarniste na osnowie ZrO2 , Kraków, 1998
• [33] Pędzich Z. , Haberko K. , Babiarz J., Faryna M.: The TZP-chromium Oxide and Chromium Carbide Composites Journal of the European Ceramic Society, 5, (1998), 1939- 1943