Preparation and characterization of a dispersion toughened ceramic for thermomechanical uses (ZTA). Part II: Thermomechanical characterization. Effect of microstructure and temperature on toughening mechanisms

Abstract

According to the composition and processing conditions, different microstructures of zirconia toughened alumina (ZTA) materials can be obtained (as shown in Part I of this paper). The mechanical behavior of the different ZTA materials was determined at room and high temperatures: fracture strength and toughness ( σ f , K Ic ), slow crack growth resistance ( K 1 − v ). Zirconia toughened alumina composites present improved fracture properties compared to pure alumina. Thermal fatigue resistance is also improved compared to pure Al 2 O 3 or ZrO 2 (Y-TZP) materials. The decrease of hardness by increasing addition of ZrO 2 particles is counterbalanced in part by toughening effects and the wear resistance can be improved for some compositions. Two predominant and interacting toughening mechanisms are operative at low temperature: stress-induced phase transformation toughening (TT) and microcracking toughening (MT). Both toughening mechanisms are temperature dependent, but at different rates. The toughening and strengthening effects are discussed on the basis of transformation of metastable zirconia particles depending on ZrO 2 and stabilizing agent (Y 2 O 3 ) contents, on the particle size and on the temperature. Infolge der unterschiedlichen Zusammensetzungen und Herstellungsbedingungen, konnten für ZTA-Werkstoffe unterschiedliche Mikrostrukturen realisiert werden (vgl. Teil I). Das mechanische Verhalten der verschiedenen, verstärkten ZTA-Werkstoffe wurde in Abhängigkeit von der Temperatur ermittelt: Bruchfestigkeit und Bruchzähigkeit ( σ f , K IC ) und unterkritisches Rißwachstum ( K 1 − v ). Die Verbundwerkstoffe Aluminiumoxid-Zirkonoxid zeigen deutlich verbesserte Brucheigenschaften gegenüber denen eines reinen Aluminiumoxids. Der thermische Bruchwiderstand ist gleichfalls, im Vergleich zum reinen Aluminiumoxid oder zum Zirkonoxid (Y-TZP), verbessert. Der bei steigendem Zirkonoxidanteil beobachtete Härteabfall wird zum Teil durch die Verstärkungseffekte ausgeglichen und der Verschleißwiderstand bei einigen Verbundwerkstoffen erhöht. Bei niederen Temperaturen sind zwei sich gegenseitig beeinflussende Verstärkungsmechanismen vorherrschend wirksam: Die spannungsinduzierte Phasenumwandlung und die Mikrorißverstärkung. Beide sind jedoch in unterschiedlichem Maße temperaturabhängig. Die Verstärkungseffekte werden vor dem Hintergrund der Umwandlung metastabiler ZrO 2 -Partikel in Abhängigkeit des ZrO 2 -Gehalts und den stabilisierenden Zusätzen (Y 2 O 3 ), der Partikelgröße und der Temperatur diskutiert. Selon les conditions de préparation et la composition, différentes microstructures d'alumines renforcées par des particules d'alumine (ZTA) ont été obtenues (cf. Part I). Le comportement mécanique de différentes alumines renforcées a été déterminé en fonction de la température: résistance à la rupture et ténacité ( σ f , K IC ) croissance sous critique ( K 1 − v ). Les composites alumine-zircone présentent des propriétés nettement supérieures à celles de l'alumine. La résistance à la fatigue thermique est également améliorée par rapport à l'alumine ou à la zircone (Y-TZP). La décroissance de la dureté par l'addition de particules de zircone est partiellement contre balancée par les effets de renforcement et ainsi la résistance à l'usure peut être améliorée pour certaines compositions. Deux mécanismes de renforcement prédominent à basse température: le changement de phase induit par la contrainte (TT) et le mécanisme de microfissuration (MT). Les deux mécanismes dépendent de la température mais de mainière sensiblement différente. Les effets de renforcement sont discutés sur la base de la transformation de particules de zircone métastables, cette transformation dépendant de la teneur en zircone et en stabilisant (Y 2 O 3 ), de la taille des particules et de la température.