Inherent reinforcement of ceramic microstructures by grain boundary engineering

Abstract

Experiments with Al 2 O 3 /TiC (ATC) and with tetragonal ZrO 2 (Y 2 O 3 )/Al 2 O 3 (TZP-A) reveal a basically different distribution of amorphous phase at the grain boundaries. However, in both types of ceramic, the grain facets are free of flaws like micropores (which are typically observed in sintered aluminas) and are, hence, characterized by a high grain boundary toughness. On the other hand, the macroscopic toughness of TZP-A is in the same range as that of transformation-free ATC ceramics, because transformation toughening, though being the one important dissipation process in TZP-A, makes rather a small contribution. Therefore the comparison of materials with different grain boundary structures and toughening mechanisms like ATC and TZP-A gives rise to the idea that their high strength is not achieved by an enhanced macroscopic toughness but by an inherent reinforcement of their microstructures, resulting in an increased grain boundary toughness which provides a similar strength-improving mechanism independent of dissipative processes: limitation of the usual subcritical growth of extrinsic flaws due to the improved perfection of grain boundary structures. Experimente mit Al 2 O 3 /TiC (ATC) und mit tetragonalem ZrO 2 (Y 2 O 3 )/Al 2 O 3 (TZP-A) zeigen eine grundlegend verschiedene Verteilung der amorphen Phase an den Korngrenzen. In beiden Keramiktypen sind die Kornfacetten frei von Fehlern wie Mikroporen (die aber typischerweise in gesintertem Aluminium-oxid beobachtet werden). Diese Werkstoffe sind daher durch eine hohe Zähigkeit der Korngrenzenbereiche gekennzeichnet. Andererseits aber liegt die makroskopische Zähigkeit von TZP-A in der gleichen Größenordnung wie die makropische Zähigkeit von unwandlungsfreien ATC-Keramiken, da die umwandlungsbedingte Zähigkeitssteigerung nur einen verhältnismäßig geringen Beitrag liefert, obgleich sie den wichtigsten Dissipations-Vorgang in TZP-A darstellt. Der Vergleich von Werkstoffen mit unterschiedlichen Korngrenzenstrukturen und zähigkeits-steigernden Mechanismen, wie der Vergleich von ATC und TZP-A, führt daher zu dem Gedanken, daß die hohe Festigkeit dieser Werkstoffe nicht aufgrund einer verbesserten makroskopischen Zähigkeit erreicht wird, sondern durch eine inhärente Verstärkung ihrer Gefüge entsteht, die zu einer gesteigerten Zähigkeit der Korngrenzenbereiche führt, die ihrerseits einen ähnlichen festigkeitssteigernden Mechanismus darstellt, der unabhängig von dissipativen Vorgängen ist: die Begrenzung des üblichen unterkritischen Wachstums von extrinsischen Fehlern infolge der erhöhten Perfektion der Korngrenzenstruktur. Des expériences menées conjointement sur Al 2 O 3 /TiC (ATC) et sur de la zircone tétragonale ZrO 2 (Y 2 O 3 )/Al 2 O 3 (TZP-A) mettent en évidence une distribution radicalement différente de la phase amorphe aux joints de grain. Cependant, dans les deux types de céramiques, les facettes de grain sont exemptes de défauts tels que des micropores (qui sont typiquement observés dans les alumines frittées) et sont, en conséquence, caractérisées par une ténacité élevée des joints de grain. Par ailleurs, la ténacité macroscopique de la céramique TZP-A est du même ordre que celle des céramiques ATC ne comportant pas de transformation, car le renforcement par transformation de phase, bien qu'étant le seul mécanisme de dissipation important dans TZP-A, représente une contribution plutôt faible. Donc, en comparant des matériaux comme ATC et TZP-A, possédant des structures de joints de grain et des mécanismes de renforcement différents, an arrive à la conclusion que leur résistance mécanique élevée n'est pas due à une ténacité macroscopique améliorée, mais à un renforcement intrinsèque de leurs microstructures, dont découle une ténacité des joints de grain améliorée qui fournit un mécanisme similaire d'augmentation de la résistance indépendent des processus dissipatifs: la limitation de la croissance subcritique habituelle des défants extrinsèques, due à l'amélioration des structures de joint de grain.