Сопротивление керамики разрушению: базовая диаграмма и R-линия

Abstract

Проанализированы современные методы определения трещиностойкости керамики и показано, что процесс разрушения образцов можно разделить на три этапа: формирование концентратора напряжения, зарождение и распространение трещины. Отмечено, что стандартные методы позволяют проводить определения трещиностойкости на втором и третьем этапах, а обсуждаемый метод EF - на всех трех этапах; при этом испытания можно выполнять на образцах малых размеров. Сопротивление скалыванию FR определяли с помощью индентора Роквелла на образцах оксидной и неоксидной линейно-упругой и неупругой керамики, а также керамических композитов. Установлено, что величины Fr для гомогенной линейно-упругой керамики инвариантны (не зависят от нагрузки скалывания и размеров шрама скола). Показано, что на диаграмме сопротивление скалыванию - критический коэффициент интенсивности напряжений слева от базовой линии находятся экспериментальные данные для керамики с повышенным сопротивлением повреждению по сравнению с гомогенной линейно-упругой керамикой, экспериментальные значения которой укладываются на эту линию. Справа от базовой линии находятся экспериментальные данные для керамики с повышенным сопротивлением распространению трещин. Предложены диаграммы сопротивления керамики распространению трещин (R-линии), аналогичные известным R-кривым, но определяемые при скалывании кромок керамических образцов. Для гомогенной линейно-упругой керамики эти линии - плоские, что свидетельствует об инвариантности ее поверхностной энергии.

Проаналізовано сучасні методи визначення тріщиностійкості кераміки та показано, що процес руйнування зразків можна поділити на три етапи: формування концентратора напруження, зародження і поширення тріщини. Відзначається, що стандартні методи дозволяють проводити визначення на другому і третьому етапах, а метод EF, що обговорюється, - на всіх трьох етапах; при цьому випробування можна проводити на зразках малих розмірів. Опір сколюванню FR визначався за допомогою індентора Роквелла на зразках оксидної та неоксидної лінійно-пружної і непружної кераміки, а також керамічних композитів. Установлено, що величини Fr для гомогенної лінійно-пружної кераміки інваріантні (не залежать від навантаження сколювання і розмірів шраму відколу). Показано, що на діаграмі опір сколюванню - критичний коефіцієнт інтенсивності напружень ліворуч від базової лінії знаходяться значення для кераміки з підвищеним опором пошкодженню в порівнянні з гомогенною лінійно-пружною керамікою, експериментальні значення якої лягають на цю лінію. Праворуч від базової лінії знаходяться експериментальні значення для кераміки з підвищеним опором поширенню тріщин. Пропонуються діаграми опору кераміки поширенню тріщин (R-лінії), аналогічні відомим R-кривим, але визначені шляхом сколювання кромок керамічних зразків. Для гомогенної лінійно-пружної кераміки ці лінії - плоскі, що свідчить про інваріантність її поверхневої енергії.

We analyze the state-of-the-art methods of definition of crack resistance of ceramics and demonstrate that the process of ceramic sample fracture can be subdivided into three stages: formation of a stress raiser, crack initiation, and crack propagation. We show that standard methods allow one to study crack resistance at the second and third stages, whereas the proposed EF-method covers all three stages; moreover, the latter can be applied to small-sized specimens. Edge-chipping (flaking) toughness FR is measured using the Rockwell indenter applied to specimens of oxide-coated and not oxide- coated linearly-elastic and inelastic ceramics, as well as to ceramic composites. For homogeneous linearly-elastic ceramics the above parameter values are shown to be invariant to the edge-chipping load and edge-chipping scar dimensions. We found that in diagram “edge-chipping toughness - critical stress intensity factor,” experimental data for ceramics with improved resistance to the damage initiation are shifted to the left of the base line, whereas those of homogeneous linearly-elastic ceramics coincide with the above base line. To the right of the base line are located the experimental data for ceramics with improved crack propagation resistance. We propose to use diagrams of ceramics crack propagation resistance (R-lines), similar to known R-curves, but corresponding to edge fracture of ceramic specimens. For homogeneous linearly-elastic ceramics these lines are flat, which confirms the invariance of the respective surface energy.