Mechanical properties of ZrO2-Ti composite system

• Autorzy: Łada P. M. , Lewandowska D. , Miazga A. , Konopka K.

Warianty tytułu

PL

Wybrane właściwości mechaniczne kompozytów z układu ZrO2-Ti

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the characteristics of the ZrO2-Ti composite system, formed by the slip casting method. Samples were prepared from slurries with a 45 vol.% solid phase content and 0, 3 and 10 vol.% additions of titanium, respectively. The sintering process was executed in the inert atmosphere of argon at 1450°C with a 2-hour dwell time at the maximum temperature. Density and strength measurements of the green bodies and sintered samples were made. In order to determine the phase structures before and after the sintering process, X-ray analysis was conducted. Vickers hardness and fracture toughness for the sinters were measured. The addition of titanium particles to ZrO2 resulted in a slight decrease in hardness compared to the plain zirconia samples, while the fracture toughness of the composite samples increased. The tensile strength of the green bodies and sinters was at a similar level for the zirconia and composite samples. For the green bodies, the monoclinic ZrO2 phase and tetragonal ZrO2 were revealed. After sintering, only the tetragonal phase of zirconia was detected.

PL

Przedstawiono wybrane właściwości mechaniczne kompozytów z układu ZrO2-Ti wytwarzanych metodą odlewania z mas lejnych (ang. slip casting). W celu wykonania próbek przygotowano masy o zawartości 45% obj. fazy stałej z dodatkiem tytanu w ilości 0, 3 i 10% objętościowych. Badania zagęszczenia oraz wytrzymałości przeprowadzono na próbkach w stanie surowym oraz próbkach po spieczeniu w temperaturze 1450°C w atmosferze obojętnej argonu. W celu określenia budowy fazowej przeprowadzono badanie XRD dla próbek przed i po spieczeniu. Wykonano także pomiary twardości metodą Vickersa. Na ich podstawie wyliczono odporność na kruche pękanie. Dodatek tytanu spowodował nieznaczne obniżenie twardości przy wzroście odporności na kruche pękanie w stosunku do ceramiki cyrkonowej, nie zmienił za to wytrzymałości kształtek w stanie surowym. W próbkach przed spieczeniem zaobserwowano występowanie fazy jednoskośnej ZrO2, która nie pojawia się w próbkach po spieczeniu.

Słowa kluczowe

EN

ZrO2-Ti system; Brazilian test; ball-on-ring test; Vickers hardness

PL

układ ZrO2-Ti; test brazylijski; test pierścień-czasza; twardość

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2017
• Tom: R. 17, nr 1
• Strony: 3--8
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Łada P. M.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Materials Science and Engineering, ul. Woloska 141, 02-507 Warsaw, Poland

autor

Lewandowska D.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Materials Science and Engineering, ul. Woloska 141, 02-507 Warsaw, Poland

autor

Miazga A.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Materials Science and Engineering, ul. Woloska 141, 02-507 Warsaw, Poland

autor

Konopka K.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Materials Science and Engineering, ul. Woloska 141, 02-507 Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] Weber B.C., Garrett H.J., Mauer F.A., Schwartz M.A., Observations on the stabilization of zirconia, J. Am. Ceram. Soc. 1956, 39, 197-206.
• [2] Kowalski K., Bernasik A., Sadowski A., Bulk and grain boundary diffusion of titanium in yttria-stabilized zirconia, J. Eur. Ceram. Soc. 2000, 20, 951-958.
• [3] Lin K.L., Lin C.C., Reaction between titanium and zirconia powders during sintering at 1500°C, J. Am. Ceram. Soc. 2007, 90, 2220-2225.
• [4] Gong W.B., Sha C.K., Sun D.Q., Wang W.Q., Microstructures and thermal insulation capability of plasma-sprayed nanostructured ceria stabilized zirconia coatings, Surf. Coat. Tech. 2006, 201, 6, 3109-3115.
• [5] Chevalier J., Gremillard L., Virkar A.V., Clarke D.R., The tetragonal-monoclinic transformation in zirconia: Lessons learned and future trends, J. Am. Ceram. Soc. 2009, 92, 1901-1920.
• [6] Vogt T., Hunter B.A., Thornton J., Structural evolution of thermal-sprayed yttria stabilized ZrO2 thermal barrier coatings with annealing - A neutron diffraction study, J. Am. Ceram. Soc. 2001, 84, 678-680.
• [7] Yoshida T., Hoshima T., Mkaizawa I., Sakurada S., Properties of partially stabilized zirconia fuel cell, J. Elektrochem. Soc. 1989, 136.
• [8] Borik M.A., Bublik V.T., Kulebyakin A.V., Lomonova E.E., Milovich F.O., Myzina V.A., Osiko V.V., Tabachkova N.Y., Phase composition, structure and mechanical properties of PSZ (partially stabilized zirconia) crystals as a function of stabilizing impurity content, J. Alloy Compd. 2014, 586, 231-235.
• [9] Guazzato M., Albakry M., Ringer S.P., Swain M.V., Strength, fracture toughness and microstructure of a selection of all-ceramic materials. Part II. Zirconia-based dental ceramics, Dental Materials 2004, 20, 5, 449-456.
• [10] Niinomi M., Mechanical properties of biomedical titanium alloys, Mater. Sci. Eng. A 1998, 243, 231-236.
• [11] Navio J.A., Hidalgo M.C., Colon G., Litte M.I., Preparation and physicochemical properties of ZrO2 and Fe/ZrO2 prepared by a sol-gel technique, Am. Chem. Soc. 2001, 17, 202-210.
• [12] Nawa M., Yamazaki K., Sekino T., Niihara K., Microstructure and mechanical behaviour of 3Y-TZP/Mo nanocomposites possessing a novel interpenetrated intragranular microstructure, J. Mater. Sci. 1996, 31, 2849-2858.
• [13] Zhu J.C., Yin Z.D., Lai Z.H., Fabrication and microstructure of ZrO2-Ni functional gradient material by powder metallurgy, J. Mater. Sci. 1996, 31, 5829-5834.
• [14] Claesson J., Bohloli B., Brazilian test: stress field and tensile strength of anisotropic rocks using an analytical solution, Int. J. Rock. Mech. Min. 2002, 39, 991-1004.
• [15] Capua Proveti J. R., Michot G., The Brazilian test: a tool for measuring the toughness of a material and its brittle to ductile transition, Int. J. Fract. 2006, 139, 455-460.
• [16] Shetty D.K., Rosenfield A.R., McGuire P., Bansal G.K., Duckworth W.H., Biaxial flexure tests for ceramics, Ceram. Bull. 1980, 59, 551-553.
• [17] Gijsbertus de With, Wagemans H.M., Ball-on-ring test revisited, J. Am. Ceram. Soc. 1989, 72, 1538-1541.
• [18] Niihara K., Morena R., Hasselmann D.P.H., Evaluation of KIC of brittle solids by indentation method with low crack to-indent ratios, J. Mater. Sci. Lett. 1982, 1, 13-16.
• [19] Lin K.L., Lin C.C., Effected of annealing temperature on microstructural development at the interface between zirconia and titanium, J. Am. Ceram. Soc. 2007, 90, 893-899.
• [20] Murray J.L., Wriedt H.A., The O-Ti (oxygen-titanium) system, J. Phase. Equilib. 1987, 8, 148-165.
• [21] Ghatee M., Shariat M.H., Irvine J.T.S., Investigation of electrical and mechanical properties of 3YSZ/8YSZ composite electrolytes, Solid State Ionics 2009, 180, 1, 57-62.
• [22] Vasylkiv O., Sakka Y., Skorokhod V.V., Low-temperature processing and mechanical properties of zirconia and zirconia-alumina nanoceramics, J. Am. Ceram. Soc. 2003, 86, 2, 299-304.
• [23] Basu B., Vleugels J., Biest O.V.D., Toughness tailoring of yttria-doped zirconia ceramics, Mater. Sci. Eng. A, 2004, 380, 215-221.
• [24] Pedzich Z., Wajler C., Slow crack propagation in Y-TZP/metal composites, J. Eur. Ceram. Soc. 2006, 26, 679-682.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).