Zähe Keramik durch Gefügedesign Zähigkeit von Keramiken: wie wird die Zähigkeit erhöht durch gezieltes Design des Gefüges? Ziel: Wie wird die Zähigkeit

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?


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.


Material-Tetraeder

Gefüge Eigenschaft:Zähigkeit

ProcessingLeistungsfähigkeit


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

=


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


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


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.


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


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



1) Rissablenkung (und “meandering”)

2) Abschirmung der Prozesszone- 2A Umwandlungsverstärkung- 2B Mikrorisse- 2C Poren3) Kontaktabschirmung- 3A Rissüberbrückung- 3B Faserbrücken



• 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.


1 Rissablenkung

Rissablenkung an SiC Körnern in einer Al2O3 Matrix

tilting twisting


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!


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!)


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.


ZrO2 Modifikationen

Transformation Toughening in Zirconia-Containing CeramicsRichard H. J. Hannink*J. Am. Ceram. Soc., 83 [3] 461–87 (2000)


Keramiken mit ZrO2 Einlagerungen oder aus ZrO2


2A Umwandlungsverstärkung : Phasenumwandlung in ZrO2


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.


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.


Festigkeit und Zähigkeit


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.


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.


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.


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


Prozesszone bei der Umwandlungsverstärkung in ZrO2



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.


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



R-KurvenverhaltenTransformation Toughening in Zirconia-Containing CeramicsRichard H. J. Hannink*J. Am. Ceram. Soc., 83 [3] 461–87 (2000)


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.


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


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.


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.


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.


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


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!)


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.


TOUGHENING MECHANISMS FOR CERAMIC COMPOSITES


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


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


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


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


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


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


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


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.


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.


Zähigkeitssteigerung durch Faserverbundwerkstoffe


Verstärkung mit SiC Fasern


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


ACR’S RAPID PROTOTYPING PROCESS FOR CERAMICS


ACR’S RAPID PROTOTYPING PROCESS FOR CERAMICS


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.


Fabrication of a fiber reinforced ceramic blisk component

Documents

Zähe Keramik durch Gefügedesign Zähigkeit von Keramiken: wie wird die Zähigkeit erhöht durch gezieltes Design des Gefüges? Ziel: Wie wird die Zähigkeit