Zähigkeit von Keramiken: wie wird die Zähigkeit erhöht durch gezieltes Design des Gefüges?

1. 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

2. 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

3. Material-Tetraeder Processing Leistungsfähigkeit Eigenschaft: Zähigkeit Gefüge Zähe Keramik durch Gefügedesign

4. Spannungskonzentration an der Risspitze 1 Spannungskonzentration an der Risspitze(r=Radius an der Risspitze, c=Risslänge Zähe Keramik durch Gefügedesign

5. Zwei Strategien! Wünschenswert ist immer eine Verbesserung von KIC und sc! KIC: Durch Massnahmen die die Bruchenergie (Oberflächenenergie erhöhen). sc: Durch Verkleinerung der kritischen Fehlergrösse (Processing). Zähe Keramik durch Gefügedesign

6. glasartig typisch Verbund Umwandlungs- verstärkt Hartmetall Metall Spannungskonzentration an der Risspitze 2 Griffith: unter der Annahme, dass die Oberflächenenergie den einzigen Widerstand gegen den Rissfortschritt darstellt, ist dann: mit gder Oberflächenenergie (J/m2) und E dem Elastizitätsmodul (Pa) eine untere Abschätzung der Zähigkeit. Die gesamte Energie zur Erzeugung eines Risses ist : R=2 g. Zähe Keramik durch Gefügedesign

7. 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

8. Zähigkeitserhöhung bei Keramiken Zähe Keramik durch Gefügedesign

9. 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 KIcvor einem fortschreitenden Riss Zähe Keramik durch Gefügedesign

10. 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

11. 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

12. 1 Rissablenkung tilting twisting Rissablenkung an SiC Körnern in einer Al2O3 Matrix Zähe Keramik durch Gefügedesign

13. 1 Rissablenkung In 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: twisting bringt mehr für den gleichen Winkel! Zähe Keramik durch Gefügedesign

14. 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

15. 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

16. ZrO2 Modifikationen Transformation Toughening in Zirconia-Containing Ceramics Richard H. J. Hannink* J. Am. Ceram. Soc., 83 [3] 461–87 (2000) Zähe Keramik durch Gefügedesign

17. Keramiken mit ZrO2 Einlagerungen oder aus ZrO2 Zähe Keramik durch Gefügedesign

18. 2A Umwandlungsverstärkung : Phasenumwandlung in ZrO2 Zähe Keramik durch Gefügedesign

19. 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

20. 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

21. Festigkeit und Zähigkeit Zähe Keramik durch Gefügedesign

22. 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

23. 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

24. 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

25. 2A Umwandlungsverstärkung : ZTA ZTA = ZrO2 in Al2O3 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 nanometersized grains (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. Zähe Keramik durch Gefügedesign

26. Prozesszone bei der Umwandlungsverstärkung in ZrO2 Transformation Toughening in Zirconia-Containing Ceramics Richard H. J. Hannink* J. Am. Ceram. Soc., 83 [3] 461–87 (2000) Zähe Keramik durch Gefügedesign

27. 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

28. 200nm 200nm Transformation Toughening in Zirconia-Containing Ceramics Richard H. J. Hannink* J. Am. Ceram. Soc., 83 [3] 461–87 (2000) 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. Zähe Keramik durch Gefügedesign

29. Transformation Toughening in Zirconia-Containing Ceramics Richard H. J. Hannink* J. Am. Ceram. Soc., 83 [3] 461–87 (2000) R-Kurvenverhalten Zähe Keramik durch Gefügedesign

30. Was sind Verbundwerkstoffe? • Zwei unterschiedliche Werkstoffe werden kombiniert mit dem Ziel ein Eigenschaftsprofil zu erhalten das keiner der zwei Werkstoffe alleine erreichen kann. • 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 Zähe Keramik durch Gefügedesign

31. 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 Vtransetrans √h / (1-n) C is a constant (of order 1) E = modulus Vtrans = volume fraction transformed etrans= transformation strain (dilatation) h is the width of the process zone n is Poisson’s ratio Zähe Keramik durch Gefügedesign

32. 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

33. 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 DK is the increment in toughness (units of stress intensity):DK = C E etrans √h / (1-n)C is a constant (of order 1), E = modulus, ecrack= cracking strain (dilatation) h is the width of the process zone, and n is Poisson’s ratio. Zähe Keramik durch Gefügedesign

34. 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

35. 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

36. 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

37. 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

38. TOUGHENING MECHANISMS FOR CERAMIC COMPOSITES Zähe Keramik durch Gefügedesign

39. Si3N4/BN Fibre composite versus Si3N4 monolith Mechanical Properties of Si3N4/BN Fibrous Monoliths Si3N4: Av. Flex. strength = 460 ± 53 MPa Zähe Keramik durch Gefügedesign

40. Properties Comparison of Sinboron™ and Monolithic Si3N4 Zähe Keramik durch Gefügedesign

41. COST COMPARISONS Zähe Keramik durch Gefügedesign

42. 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

43. 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 Rissfront 2.)Grossen Faserdurchmesser 3.) Hochfeste, steife Faser und schwache Bindung der Faser in der Matrix erhöht die abgelöster Faser/Matrix Grenzfläche Zähe Keramik durch Gefügedesign

44. 3B Ligament bridging Zähe Keramik durch Gefügedesign

45. 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. rp=Teilchenradius P=Bruchfestigkeit der Brücke Zähe Keramik durch Gefügedesign

46. 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

47. Langfaser verstärkte Keramik • Faserfestigkeit und Modul höher als die der Matrix. • Deformation in den Fasern=Deformation in der Matrix  Matrix bricht Matrix allein  c=Spannung an deen Kompositwerkstoff angelegt Ef;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

48. Zähigkeitssteigerung durch Faserverbundwerkstoffe Zähe Keramik durch Gefügedesign

49. Verstärkung mit SiC Fasern Zähe Keramik durch Gefügedesign

50. B N Si C N Si Si Si Si Si Si N N N Si Si Si N B B n C C C C n Herstellung von SiC - Fasern Polycarbosilazanes n Monomeric Units “Single Source Precursors“ Polyborocarbosilazanes Compounds with Desired Elements • after J.Bill, F.Aldinger, Z.Metallk., 87, 1996, 827 Zähe Keramik durch Gefügedesign