Zähe Keramik durch Gefügedesign
Zähigkeit von Keramiken: wie wird die Zähigkeit erhöht durch gezieltes Design des Gefüges?
Ziel:
• Wie wird die Zähigkeit von Keramiken erhöht durch gezieltes Gefügedesign?
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Literature
• Mechanical properties of ceramics; John B. Watchman; John Wiley; 1996
• Materials Principles & Practice, Butterworth Heinemann, Edited by C. Newey & G. Weaver.
• G.E. Dieter, Mechanical Metallurgy, McGrawHill, 3rd Ed.• Courtney, T. H. (2000). Mechanical Behavior of Materials. Boston,
McGraw-Hill.• R.W. Hertzberg (1976), Deformation and Fracture Mechanics of
Engineering Materials, Wiley.• N.E. Dowling (1998), Mechanical Behavior of Materials, Prentice Hall.• D.J. Green (1998). An Introduction to the Mechanical Properties of
Ceramics, Cambridge Univ. Press, NY.• A.H. Cottrell (1964), The Mechanical Properties of Matter, Wiley, NY.
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Material-Tetraeder
Gefüge Eigenschaft:Zähigkeit
ProcessingLeistungsfähigkeit
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Spannungskonzentration an der Risspitze 1
Spannungskonzentration an der Risspitze (=Radius an der Risspitze, c=Risslänge
xx
yy
xy P
KI
2r-------------
P
2-----
cos 1P
2-----
3P
2---------
sinsin–
P
2-----
cos 1
P
2-----
3P
2---------
sinsin+
P
2-----
sin
P
2-----
cos3
P
2---------
cos
=
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Zwei Strategien!
Wünschenswert ist immer eine Verbesserung von KIC und c!
KIC: Durch Massnahmen die die Bruchenergie (Oberflächenenergie erhöhen).
c: Durch Verkleinerung der kritischen Fehlergrösse (Processing).
1 10 100 1000
kritische Fehlergrösse (m)
log
c(M
Pa)
100 000
10 000
1 000
ICIC
IC
IC
Y-TZP+Al2 O
3 Y-TZP
PSZAl2O3+ZrO2
Al2O3
1 10 100 1000
kritische Fehlergrösse (m)
log
c(M
Pa)
100 000
10 000
1 000
ICIC
IC
IC
Y-TZP+Al2 O
3 Y-TZP
PSZAl2O3+ZrO2
Al2O3
)(loglog2/1log
YKIcccY
K
c
Icc
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Spannungskonzentration an der Risspitze 2
cY
K Icc
Griffith:
unter der Annahme, dass die Oberflächenenergie den einzigen Widerstand gegen den Rissfortschritt darstellt, ist dann:
mit der Oberflächenenergie (J/m2) und E dem Elastizitätsmodul (Pa) eine untere Abschätzung der Zähigkeit. Die gesamte Energie zur Erzeugung eines Risses ist : R=2 .
γEσc 2
Zähigkeiten KIc(MPa m1/2)
Glas 0.7-0.9
Glaskeramik 2.5
MgO Einkristall 1
SiC Einkristall 1.5
SiC Keramik 4-6
Al2O3 Keramik 3.5-4
Al2O3Verbundk. 6-11
Si3N4 6-11
ZrO2- c 2.8
ZrO2- c/t PSZ 6-12
ZrO2- t TZP 6-12
WC/Co 5-18
Al 35-45
Stahl 40-60
glasartig
typisch
Verbund
Umwandlungs-verstärkt
Hartmetall
Metall
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Absorption von Energie 2
• Extrinsische Methoden:1) Rissablenkung2) Abschirmung der Prozesszone3) Abschirmung des Kontakts
• Der Ausdruck “Abschirmung” meint, dass die Risspitze abgeschirmt wird von einem Teil der angelegten mechanischen Spannung.
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Zähigkeitserhöhung bei Keramiken
Rissmechanismus Detail
Rissablenkung Herausdrehen der Rissfront durch Korngrenzen und durch 2. Phasen
Rissverbiegung Ausbuchtung der Rissfront zwischen zwei Hindernissen (Körner 2. Phase)
Rissverzweigung Riss kann sich in 2 oder mehr parallel laufende Risse aufspalten
Abschirmung der Risspitze durch Prozesszone
1: Mikrorissbildung
2: Umwandlungsverstärkung
3: Duktile Verformung in der Prozesszone
Abschirmung der Risspitze durch Rissüberbrückung
1. Teilweises Ablösen spröder Fasern in spröder Matrix
2. Rissüberbrückung durch Körner und Fasern
3. Überbrückung durch duktile Körner
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Zähigkeitserhöhung von Keramiken
Modellierung der Rissausbreitung und der mechanischen
Eigenschaften ist komplex
Unterschiedliche Modelle existieren.
Unterschiedliche Mechanismen können parallel
vorkommen
Rissabschirmung und Rissablenkung sind am
effizientesten
dann Umwandlungsverstärkung und Faserverstärkung
Erhöhung von KIc vor einem fortschreitenden Riss
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Zähigkeitserhöhung von Keramiken
1) Rissablenkung (und “meandering”)
2) Abschirmung der Prozesszone- 2A Umwandlungsverstärkung- 2B Mikrorisse- 2C Poren3) Kontaktabschirmung- 3A Rissüberbrückung- 3B Faserbrücken
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Zähigkeitserhöhung von Keramiken
• Wenn Körner einer 2. Phase im Gefüge eingebaut werden mit einem anderen E-Modul als die Matrix, dann kann der Unterschied im E-Modul den Riss entweder anziehen oder abstossen. Dies führt zur Ausbuchtung des Risses oder zur Ablenkung des Risses.
• Das erstere ist eine Ablenkung in der Riss Ebene, das zweite eine Ablenkung aus der Rissebene. In beiden Fällen sieht die Rissfront eine geringere Spannung.
• Rissablenkung kann durch Teilchen erzielt werden die einen höheren Risswiderstand haben als die Matrix oder einen anderen E- Modul.
• Rissablenkung erfolgt auch an den Grenzflächen von Laminaten.
Zähe Keramik durch Gefügedesign
1 Rissablenkung
Rissablenkung an SiC Körnern in einer Al2O3 Matrix
tilting twisting
Zähe Keramik durch Gefügedesign
1 RissablenkungIn Korngrenzen braucht der Riss nur 1/2 (=Oberflächenenergie) aufzubringen verglichen mit dem Einkristall. Daher sollte der Riss immer durch die Korngrenzen gehen.
Aber!
Die Rissfront muss ihre Richtung ändern, also drehen. Dies hat eine Erhöhung des Risswiderstandes zur Folge: K() für tilting!
Für twisting:
)2/(sec)0()( 2 KK
)(sec)0()( 2 KK
twisting bringt mehr für den gleichen Winkel!
Zähe Keramik durch Gefügedesign
2. Rissabschirmung
Umwandlungsverstärkung
• Es gibt unterschiedliche Mechanismen um einen Riss
von der angelegten Spannung abzuschirmen.
• Der bekannteste ist die Umwandlungsverstärkung.
• Sie wirkt bei Metallen (Stählen) und Keramiken (ZrO2).
• Das Prinzip beruht auf der Einlagerung einer
metastabilen 2. Phase in die Matrix die unter
mechanischer Spannung umwandelt (sonst aber nicht!)
Zähe Keramik durch Gefügedesign
2A Umwandlungsverstärkung
• Das klassische Beispiel ist ein Verbundwerkstoff mit einigen Vol.% ZrO2 eingelagert in Oxiden oder anderen spröden Keramiken.
• Die Hochtemperaturmodifikation von ZrO2 ist tetragonal (t-ZrO2) und hat eine deutlich höheres spezifisches Gewicht als die monokline (m-ZrO2)Tieftemperaturmodifikation.
• Um die Triebkraft für die Umwandlung zu senken (also die Umwandlungstemperatur zu senken) wird meist ein anderes Metalloxid zulegiert wie z.B. Ce2O3 oder Y2O3.
Zähe Keramik durch Gefügedesign
ZrO2 Modifikationen
Transformation Toughening in Zirconia-Containing CeramicsRichard H. J. Hannink*J. Am. Ceram. Soc., 83 [3] 461–87 (2000)
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Keramiken mit ZrO2 Einlagerungen oder aus ZrO2
Zähe Keramik durch Gefügedesign
2A Umwandlungsverstärkung : Phasenumwandlung in ZrO2
Zähe Keramik durch Gefügedesign
2A Das Y2O3-ZrO2 System
PSZ:teilstabilisierte ZrO2. 5-6 mol% Y2O3 stabilisiertes kubisches ZrO2 wird bei hoher Tempertaur dicht gesintert und bei tieferer Temperatur im Zweiphasengebiet C+T geglüht. Dabei scheiden sich t-Gebiete kohärent in den kubischen Körner aus.
TZP: zrikonia Tetragonal Polycrystals:Einphasiges t-ZrO2 wird bei 1300-1400°C gesintert und durch Tempern die Korngrösse eingestellt.
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Das MgO-ZrO2 System
PSZ:teilstabilisierte ZrO2. 9-10 mol% MgOstabilisiertes kubisches ZrO2 wird bei hoher Tempertaur dicht gesintert und bei tieferer Temperatur im Zweiphasengebiet C+T geglüht. Dabei scheiden sich t-Gebiete kohärent in den kubischen Körner aus.
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Festigkeit und Zähigkeit
Zähe Keramik durch Gefügedesign
2A Umwandlungsverstärkung: Umwandlungsverformung
• Bei der Umwandlung ändert sich die Dichte (das Volumen eine Kornes vergrössert sich um ~5%). Diese Umwandlungsverformung erzeugt an der Risspitze eine Druckspannung senkrecht zur Rissausbreitung.
Zähe Keramik durch Gefügedesign
2A Umwandlungsverstärkung : kritische Korngrösse von t-ZrO2
• Eine wichtige Konsequenz dieser Umwandlungsdeformation ist, dass sie zu einer zusätzlichen druckspannung führt die gegen die weiter Umwandlung anderer Körner in der Matrix gerichtet ist.
• Die ZrO2 teilchen müssen klein genug sein, damit sienicht von selbst schon bei der Abkühlung nach der Herstellung durch die thermischen Spannungen umwandeln. Eine Obergrenze ist etwa 1µm.
Zähe Keramik durch Gefügedesign
2A Umwandlungsverstärkung : Transformation Arbeit
• Die Spannung ander Risspitze baut die Druckspannungen auf die metastabilen m-ZrO2 Teilchen ab und dieses kann von t nach m umwandeln. Es verbleibt dann in der monoklinen Symmetrie.
• Die Spannung die die Umwandlung ausgelöst hat verrichtet Arbeit und so wird Energie verbraucht während der Umwandlung.
• Zusätzlich wirken Rissablenkung und Rissabschirmung.
Zähe Keramik durch Gefügedesign
2A Umwandlungsverstärkung : ZTA
Scanning back-scattered electron microscopy image showing the microstructure of the Al2O3±10 vol.-% ZrO2 nanocomposite processed by the colloidal processing route. The sample shows ZrO2 nanometersizedgrains (the brighter phase) homogeneously distributed in a fine-grain Al2O3 matrix (the darker phase).
Chevalier, J. et al.: Extending the Lifetime of Ceramic Orthopaedic Implants. Advanced Materials, 2000. 12(21): p. 1619-1621.
ZTA = ZrO2 in Al2O3
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Prozesszone bei der Umwandlungsverstärkung in ZrO2
Transformation Toughening in Zirconia-Containing CeramicsRichard H. J. Hannink*J. Am. Ceram. Soc., 83 [3] 461–87 (2000)
Zähe Keramik durch Gefügedesign
2A Umwandlungsverstärkung : Dier Prozesszone
• Die Zone in der die Umwandlung stattfindet wird zur Rissflanke. Die Gegend um die Risspitze ist die Prozesszone. In der Prozesszone finden die Zähigkeits erhöhenden Prozesse statt.
Zähe Keramik durch Gefügedesign
2A Umwandlungsverstärkung : Gefüge
• Umwandlung kann durch Röntgenbeugung und Ramanspektroskopie detektiert werden.
• (a) Linsenförmige kohärente t-ZrO2 Ausscheidungen in einem c-ZrO2 Korn das mit MgO stabilisiert ist.
• (b) Umgewandelte ZrO2 Teilchen an der Risspitze.
200nm
200nm
Transformation Toughening in Zirconia-Containing CeramicsRichard H. J. Hannink*J. Am. Ceram. Soc., 83 [3] 461–87 (2000)
Zähe Keramik durch Gefügedesign
R-KurvenverhaltenTransformation Toughening in Zirconia-Containing CeramicsRichard H. J. Hannink*J. Am. Ceram. Soc., 83 [3] 461–87 (2000)
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Was sind Verbundwerkstoffe?
Teilchen verstärkte Verbund Particulate reinforced composites Kurzfaser verstärkte Verbunde Short fiber reinforced composites Langfaser verstärkte Verbunde; 2-D; 3-D;
verwoben etc. Koextrudierte Faserwerkstoffe - Fasermonolithe
Zwei unterschiedliche Werkstoffe werden kombiniert mit dem Ziel ein Eigenschaftsprofil zu erhalten das keiner der zwei Werkstoffe alleine erreichen kann.
Zähe Keramik durch Gefügedesign
2A Transformation toughening: quantitative approach
• It is not possible to lay out the details of how to describe transformation toughening in a fully quantitative fashion here.
• An equation that describes the toughening effect is as follows, where ∆K is the increment in toughness (units of stress intensity):
∆K = C E Vtrans trans √h / (1-)
C is a constant (of order 1)
E = modulus
Vtrans = volume fraction transformed
trans = transformation strain (dilatation)
h is the width of the process zone
is Poisson’s ratio
Zähe Keramik durch Gefügedesign
2B Microcracking
• Less effective than transformation toughening is microcracking in the process zone.
• Microstructural elements are included that crack over limited distances and only at the elevated (tensile) stresses present in the crack tip.
Zähe Keramik durch Gefügedesign
2B Microcracking: particles
• Microcracking depends on second phase particles that can crack easily.
• The cracking tendency depends on particle size: if they are too small, then the stress intensity does not reach their critical K (typically, 1µm).
• Residual stresses aid cracking, so differences in thermal expansion (with the matrix) are important.
• An equation that describes the toughening effect is as follows, where K is the increment in toughness (units of stress intensity):
K = C E trans √h / (1-)
C is a constant (of order 1), E = modulus, crack = cracking strain (dilatation) h is the width of the process zone, and is Poisson’s ratio.
Zähe Keramik durch Gefügedesign
2C Void formation
• Void formation in a process zone can have a similar effect to micro-cracking. In materials such as high strength steels, e.g. 4340, the source of the voiding is ductile tearing on a small scale as the crack opens.
• The spatial organization of the voids is important. Random distributions are better than either clusters or sheets.
Zähe Keramik durch Gefügedesign
3A Crack wedging/ bridging
• Wherever the crack results in interlocking grain shapes exerting force across the crack, stress (intensity) at the crack tip is reduced.
Crackopening
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Laminat Verbunde
• Schichten mit unterschiedlichen E Moduli werden kombiniert.
• Werden Schichten mit geringem Risswiderstand senkrecht zur Rissausbreitung angeordnet, dann kann ein Riss an der Grenzfläche abgelenkt werden. Die Spannung an den zwei Rissfroonten ist jetzt deutlich geringer und zwei neue Oberflächenpaare mussten gebildet werden (braucht Energie!)
Zähe Keramik durch Gefügedesign
ROLE OF FIBERS
CRACK BRIDGING CRACK DEFLECTION
** INCREASE WORK OF FRACTURE **
Modulus of fibers and matrix are approximately the same.
Fibers have higher strain to failure than matrix. Matrix cracking precedes fiber failure.
Zähe Keramik durch Gefügedesign
TOUGHENING MECHANISMS FOR CERAMIC COMPOSITES
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Si3N4/BN Fibre composite versus Si3N4 monolith
0
50
100
150
200
250
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025
Displacement (in)
Fle
xu
ral l
oad
(lb
s)
Flexural Strength = 534 MPa
0
50
100
150
200
250
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025
Displacement (in)
Fle
xu
ral l
oad
(lb
s)
Flexural Strength = 534 MPa
Si3N4: Av. Flex. strength = 460 ± 53 MPa Mechanical Properties of Si3N4/BN Fibrous Monoliths
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Properties Comparison of Sinboron™ and Monolithic Si3N4
Property Sinboron Si3N4 Tensile Strength, MPa 379 375-450
Flexural Strength, MPa
670 700-1000
Elastic Modulus, GPa 280 300
Work of fracture, J/m2 15100 -
Density 3.1 3.2-3.3
Thermal Expansion (x 10-6)
3.2 3.2-3.4
Thermal Conductivity, W/mK
50.1 (x) 23.9 (y)
20-24
Zähe Keramik durch Gefügedesign
COST COMPARISONS
Material Cost $/lbSilicon Nitride 100-300Titanium Alloys 20-60Superalloys 15-70Refractory Metals 25-250Polymer Matrix Composites 40-750Carbon/Carbon Composites -Brakes 80-120 -Nozzles, Nose Cones 600-1500 -Space Shuttle RCC 6000 -Oxidatively Protected 2000-15000FM Composites 30-150
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Toughening mechanisms
crack deflection and crack branching
contact shielding processes
(wedging (verkeilen) causing by broken out grains or rough crack surfaces, and crack bridging
stress induced zone shielding (transformation toughening and microcracking, residual stress fields
Zähe Keramik durch Gefügedesign
3B Faserbrücken
• Alles was den Riss hinter der Risspitze zusammenhält entlastet die Risspitze
Die Zähigkeit wird erhöht durch:1.)Die Menge an Fasern pro Fläche senkrecht zur Rissfront2.)Grossen Faserdurchmesser3.) Hochfeste, steife Faser und schwache Bindung der Faser in der Matrix erhöht die abgelöster Faser/Matrix Grenzfläche
sind angeordnet eBruchfläch zur sekrecht die Fasern an DieFlächefA
cheixgrenzfläFaser/Matr der gkeitScherfestiτ
Matrix der SchermodulG
asernRadiusderFfr
tsmodulElastizitäfE
gkeitBruchfestifσ
ff
f
f ArE
GKc
2/1
3
Zähe Keramik durch Gefügedesign
3B Ligament bridging
sind angeordnet eBruchfläch zur sekrecht die Fasern an Fläche DieP
A
Fasern der RadiusPr
Teilchen enmetallisch der hnungundBruchde gkeitBruchfestif
ε;y
σ
nteemp.KonstaC & Θ
)exp(5.0( fPpy AGrCKc
Zähe Keramik durch Gefügedesign
3B Grain bridging
• Scanning electron micrographs of a SiC whisker bridging at various stages of crack opening. From left to right, the stress intensity is increasing.
PPPPPc AAArK 111.1 rp=TeilchenradiusP=Bruchfestigkeit der Brücke
Zähe Keramik durch Gefügedesign
3B Fiber/ligament bridging strain dependence
• Kritisch ist das Verhältnis von Faserfestigkeit zu der der Matrix, und der Matrix/Faser grenzfläche.
• Hohe Zähigkeiten werden für schwache Faser/Matrix grenzflächen gefunden.
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Langfaser verstärkte Keramik
Matrix bricht
Matrix allein
• Faserfestigkeit und Modul höher als die der Matrix.
• Deformation in den Fasern=Deformation in der Matrix
m
fff
cm
E
EVV1
c=Spannung an deen Kompositwerkstoff angelegtEf;Em = Moduli der Fasern und der Matrix
Die Matrix versagt wenn diese Spannung überschritten wird. Die Spannung auf die Matrix wird durch einen hohen Volumenanteil Fasern und ihren hohen E-Modul reduziert.
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Zähigkeitssteigerung durch Faserverbundwerkstoffe
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Verstärkung mit SiC Fasern
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Herstellung von SiC - Fasern
Si
C N Si
Si n
CN NSi
Si n
Si
C N Si
Si
nB
BSiC N
B
Si
C
N
Monomeric Units
“Single Source
Precursors“Compounds with Desired
Elements
Polyborocarbosilazanes
Polycarbosilazanes
after J.Bill, F.Aldinger, Z.Metallk., 87, 1996, 827
Zähe Keramik durch Gefügedesign
ACR’S RAPID PROTOTYPING PROCESS FOR CERAMICS
Zähe Keramik durch Gefügedesign
ACR’S RAPID PROTOTYPING PROCESS FOR CERAMICS
Zähe Keramik durch Gefügedesign
ACR’S RAPID PROTOTYPING PROCESS FOR CERAMIC
COMPOSITES
Automated tow placement of ceramic prepregs.
Processing inputs controlled through Labview interface.
Temperatures measured and controlled through a thermal imaging camera.
Zähe Keramik durch Gefügedesign
Fabrication of a fiber reinforced ceramic blisk component
Top Related