ZrO2/ZrO2 Layered Composites for Crack Bifurcation

Sánchez-Herencia, Antonio Javier; Pascual, C.; He, Jianlong; Lange, F. F.

doi:10.1111/j.1151-2916.1999.tb01949.x

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“…4,5,7,[21][22][23] The fracture surfaces of all specimens appear similar to that shown in Fig. 5(a), where the precrack within the central thick layer propagated across the layer and down to the neutral axis of the specimen, and was arrested by the thin compressive layers on either side.…”

Section: (2) Piezospectroscopic Measurementsmentioning

confidence: 51%

Laminar Ceramics Utilizing the Zirconia Tetragonal‐to‐Monoclinic Phase Transformation to Obtain a Threshold Strength

Pontin

Rao

Sánchez-Herencia

et al. 2002

Journal of the American Ceramic Society

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Section: (2) Piezospectroscopic Measurementsmentioning

confidence: 51%

Laminar Ceramics Utilizing the Zirconia Tetragonal‐to‐Monoclinic Phase Transformation to Obtain a Threshold Strength

Pontin

Rao

Sánchez-Herencia

et al. 2002

Journal of the American Ceramic Society

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“…Así, siguiendo el análisis realizado por Pavón y col. [43], la ley de crecimiento subcrítico de una grieta anillo teniendo en cuenta el factor intensidad de tensiones de la tensión residual (σ res ) puede ser expresado como: [7] dónde g(a/c) es función no lineal de la elipticidad [51] y c es la longitud de grieta superficial que depende del radio de contacto r 0 y del ángulo que forma con el centro de la indentación θ:…”

Section: Resultados Y Discusiónunclassified

“…Este valor de tensión umbral puede aumentarse introduciendo grietas laterales (edge crack) en la capa de compresión, lo que provoca la bifurcación de la grieta, con el consiguiente aumento de energía de fractura. [7,8,17,18,19].…”

Section: Introductionunclassified

“…Uno de los multicapas más utilizados es el de alúmina / circona, debido a las excelentes propiedades de éstos materiales y a la buena unión que forman, aunque es usual utilizar un composite alúmina-circona en una de las capas para evitar excesivas tensiones residuales que produzcan agrietamiento en el material. Adicionalmente, la utilización de circona parcialmente estabilizada permite introducir tensiones residuales por transformación de fase t-m [7,8], y no sólo por diferencia de coeficientes de expansión térmica.En estos materiales el aumento de tenacidad se consigue por dos razones principales. Primero, porque el factor de intensidad de tensiones de la grieta disminuye cuando se encuentra en la capa con tensión residual compresiva (9, 10) .…”

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Fatiga por contacto esférico en materiales multicapa de alúmina circona

Piqué¹,

Gomila²,

Chalvet³

et al. 2005

Bol. Soc. Esp. Ceram. Vidr.

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Es usual que en aplicaciones reales los materiales cerámicos sufran fatiga por contacto. Una estrategia para mejorar su resistencia a la aparición de fatiga por contacto es la utilización de materiales con tensiones residuales de compresión en la superficie. En concreto, en este trabajo se presenta el estudio de la resistencia al contacto esférico estático y cíclico de un cerámico multicapa de alúmina y alúmina / circona producido por colaje en cinta, en el que aparecen tensiones residuales debido al desajuste entre los coeficientes de expansión térmica de las capas. También se estudia una alúmina monolítica con objeto de realizar comparaciones con un material sin tensiones residuales. Se muestra que la resistencia a la aparición de grieta anillo es mayor en el caso del material multicapa que en el de la alúmina, tanto en contacto estático como cíclico. También se muestra que existe fatiga mecánica en los dos materiales bajo contacto cíclico, y no sólo corrosión bajo tensión. Finalmente se propone una relación simple entre carga aplicada y tiempo hasta aparición de daño. Hertzian fatigue in alumina/zirconia laminated compositesIn some engineering applications, ceramic materials are subjected to contact fatigue. In order to improve the resistance of ceramics to contact fatigue, it is proposed to use ceramic laminates with residual stresses at the surface. In this work, the Hertzian contact fatigue of an alumina-alumina/zirconia laminated composite produced by tape casting is studied, both under static loading and cyclic loading, together with a monolithic alumina for comparison purposes. It is shown that the laminate composite presents better resistance to the apparition of surface ring crack, due to the residual stresses of the laminate composite. It is also shown that there is a fatigue effect on both materials under cyclic loading, and not only stress corrosion cracking. A simple relationship between applied load and time to apparition of damage is finally proposed.Keywords: Laminated composites. Alumina, Zirconia, Hertzian contact, Fatigue, Stress corrosion cracking INTRODUCCIÓNEl uso de materiales cerámicos en aplicaciones reales se ve obstaculizado por su baja tenacidad y su gran dispersión en valores de resistencia mecánica, lo que compromete la integridad estructural de los componentes en servicio. Así, desde hace varias décadas se trabaja extensivamente en aumentar la tenacidad de las cerámicas, ya sea controlando la calidad de la microestructura, y por tanto, la población de defectos susceptibles de iniciar el fallo catastrófico, o haciendo que el material sea más resistente a la propagación de grietas una vez iniciadas, (mediante, por ejemplo transformaciones de fase), o fabricando composites cerámicos, ya sea con microestructuras dúplex, fibras o cerámicas multicapa. Estas cerámicas multicapa son una alternativa prometedora, ya que presentan valores altos de tenacidad y, en ciertos casos, la capacidad de frenar el crecimiento de grieta una vez iniciada ésta [1, 2, 3].La estrategia más utilizada en lo...

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“…Las condicones para la existencia de bifurcación de grieta están relacionadas con la magnitud de las tensiones residuales de compresión en dicha capa, así como con el espesor de la misma (8,6). Como consecuencia de dicho fenómeno de bifurcación se espera un aumento de la energía de fractura del material laminado.…”

Section: Tensiones Residuales En Los Laminadosunclassified

Tensiones residuales en cerámicas multicapa de Al2O3-ZrO2: naturaleza, evaluación y consecuencias sobre la integridad estructural

Bermejo¹,

Sánchez-Herencia²,

Baudı́n³

et al. 2006

Bol. Soc. Esp. Ceram. Vidr.

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El presente trabajo comprende el diseño y procesamiento por colaje de suspensiones de sistemas multicapa basados en capas gruesas de alúmina y capas finas de alúmina-circona. Durante el enfriamiento desde la temperatura de sinterización se generan tensiones residuales en las capas debido a la expansión asociada a la transformación martensítica de la circona. En esta investigación se estudian los parámetros de procesamiento para la fabricación de estos sistemas laminados y se caracterizan microestructuralmente las capas que lo componen. Como resultado se obtienen multicapas cerámicas con diferente relación de espesores entre capas adyacentes utilizando como método de control las cinéticas de colaje de los correspondientes monolíticos. Adicionalmente, se determinan analíticamente las tensiones residuales generadas en los laminados por medio de las diferencias volumétricas determinadas en ensayos dilatométricos y del módulo elástico de cada capa. Se encuentra que en las capas delgadas se desarrollan elevadas tensiones de compresión mientras que en las gruesas se inducen tensiones residuales de tracción. El efecto de estas tensiones sobre la integridad mecánica del material se discute en términos de las observaciones de fenómenos de fisuración intrínseca: tanto de grietas de borde o "edge cracks" en la superficie libre de las capas delgadas como de fisuras túnel o "tunneling cracks" en las capas gruesas. Palabras clave: alúmina, circona, multicapa, colaje en molde, tensión residual. Residual stresses in Al 2 O 3 -ZrO 2 multilayered ceramics: nature, evaluation and influence on the structural integrityThis work studies the design and processing by slip casting of multilayered systems based on thick alumina and thin aluminazirconia layers. During cooling from the sintering temperature residual stresses may arise due to expansion associated to the martensitic transformation of the zirconia. In this investigation, the processing parameters involved in the fabrication of theses layered systems are studied and the respective layers microstructurally characterized. As a result, several multilayered ceramics in terms of thickness ratio between adjacent layers are obtained by means of the casting kinetics of the corresponding monoliths. Additionally, the residual stresses generated in the laminates are analytically determined through the difference in shrinkage assessed with dilatometric tests and the elastic modulus corresponding to each layer. It is found that in the thin layers elevated residual compressive stresses are generated whilst in the thick ones tensile residual stresses are induced. The effect of these stresses on the mechanical integrity of the material is discussed in terms of the observations of intrinsic cracking phenomena: both edge cracks at the free surface of the thin layers and tunneling cracks in the thick layers.Keywords: alumina, zirconia, multilayer, slip casting, residual stress. INTRODUccIÓNLa resistencia de materiales frágiles viene condicionada por la variedad de grietas y/o defectos que puedan ...

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ZrO₂/ZrO₂ Layered Composites for Crack Bifurcation

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Laminar Ceramics Utilizing the Zirconia Tetragonal‐to‐Monoclinic Phase Transformation to Obtain a Threshold Strength

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Fatiga por contacto esférico en materiales multicapa de alúmina circona

Tensiones residuales en cerámicas multicapa de Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-ZrO<sub>2</sub>: naturaleza, evaluación y consecuencias sobre la integridad estructural

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