Tensile dynamic and static fatigue relations for a HIPed silicon nitride at elevated temperatures

Abstract

Dynamic and static fatigue behavior of a hotisostatically pressed (HIPed) silicon nitride was investigated at 1150, 1260 and 1370°C. Uniaxial tensile tests were conducted over ranges of constant stresses and constant stress rates. Correlation of stress-life relations between static and dynamic fatigue results was evaluated and failure modes were determined as functions of temperature, stress and stress rate. At 1150°C the static and dynamic fatigue failures were controlled by a slow crack growth mechanism for all stresses and stress rates. Creep rupture was the dominant failure mechanism in static loading at 1260 and 1370°C. A transition in the dominant failure mechanism in dynamic fatigue at 1260 and 1370°C occurred at a stress rate of 10 −2 M Pa/s. Slow crack growth was the dominant failure mechanism with stress rates > 10 −2 M Pa/s while creep rupture was the governing mechanism for the failure at stress rates ≤10 −2 M Pa/s. Das dynamische und statische Ermüdungsverhalten heiß-isostatisch-gepreßten (HIPed) Siliziumnitrids wurde bei 1150, 1260 und 1370°C untersucht. Einachsige Zugversuche wurden für verschiedene Spannungs- und Dehnungsraten durchgeführt. Eine Korrelation der Spannungs-Lebensdauer-Beziehung zwischen den Ergebnissen aus statischen und dynamischen Ermüdungversuchen wurde bestimmt und die Versagensarten als Funktion der Temperatur, Spannung und Spannungsrate ermittelt. Das dynamische und statische Ermüdungsversagen bei 1150°C wurde für alle Spannungen und Spannungsraten durch ein langsames Rißwachstum bestimmt. Kriechbruch war der dominierende Versagensmechanismus für statische Belastung bei 1260 und 1370°C. Im dynamischen Ermüdunversuch trat bei 1260 und 1370°C ein Übergang bezüglich des dominierenden Versagensmechanismuses bei einer Spannungsrate von 10 −2 M Pa/s auf. Für Spannungsraten > 10 −2 M Pa/s war das langsame Rißwachstum der bestimmende Versagensmechanismus, während für Spannungsraten ≤10 −2 M Pa/s Kriechbruch dominierte. Le comportement à la fatigue statique et dynamique de nitrure de silicium comprimé isostatiquement à chaud (HIPpèd) a été étudié à 1150, 1260 et 1370°C. Des tests de traction uniaxiale ont été effectués dans une gamme de contraintes fixes et de vitesses de mise sous contrainte. On a évalué la corrélation des relations contrainte-durée de vie pour les résultats de fatigue statique et de fatigue dynamique et les modes de fracture ont été déterminés selon la température, la contrainte et la vitesse de mise sous contrainte. A 1150°C, la fracture en fatigue statique et dynamique est contrôlée par un mécanisme de croissance lente des fissures quelles que soient les contraintes et les vitesses de mise sous contrainte. La rupture en fluage est le mécanisme dominant d'endommagement pour une charge statique à 1260 et 1370°C. On observe une transition du mécanisme dominant d'endommagement, qui correspond à une vitesse de mise sous contrainte de 10 −2 M Pa/s, pour les essais de fatigue dynamique à 1260 et 1370°C. La croissance lente des fissures est le mécanisme prédominant aux vitesses de mise sous contrainte >10 −2 M Pa/s tandis que la rupture en fluage gouverne l'endommagement aux vitesses ≤10 −2 M Pa/s.