Badanie odporności na pękanieBadanie odporności na pękanie materiałów ceramicznychmateriałów ceramicznych

14

Badanie odporności na pękanie Badanie odporności na pękanie

materiałów ceramicznych materiałów ceramicznych

OPRACOWAŁ dr inż. Marcin Madej

14

Co to jest ceramika?

Sztuka i nauka dotycząca wytwarzania oraz używania przedmiotów stałych zbudowanych głównie z nieorganicznych i niemetalicznych materiałów.

„Introduction to Ceramics”, W. David Kingery

Grupa materiałów nieorganicznych o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach międzyatomowych wytwarzanych zwykle w procesach wysokotemperaturowych.

„Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo”, Leszek A. Dobrzański Trzy główne grupy ceramiki

• tradycyjna ceramika bazująca na glinie,

• zaawansowana ceramika bazująca na tlenkach, węglikach, azotkach,

• szkła.

KLASYFIKACJA MATERIAŁÓW CERAMICZNYCH:

Ogólną klasyfikację materiałów ceramicznych ze względu na zastosowania podano na rysunku 1:

Rys. 1. Ogólna klasyfikacja materiałów ceramicznych (opracowano według K.G. Budinskiego).

Ceramiczne produkty:

• materiały strukturalne (np. cegły);

• biała ceramika, tzn. porcelana stołowa, sanitarna i inna;

• ceramika wysokotemperaturowa;

14

• szkło;

• materiały ścierne;

• cement;

• narzędzia tnące;

• elektroceramika: ceramiczne dielektryki, magnetyki, przewodniki i nadprzewodniki, przewodniki jonów, itd. ;

• paliwa jądrowe bazujące na tlenku uranu (UO2);

• bioceramiki;

• nanoceramiki.

ZASTOSOWANIE MATERIAŁÓW CERAMICZNYCH

W tablicy 1 zestawiono główne zastosowania podstawowych grup materiałów ceramicznych. Materiały ceramiczne wykazują również własności elektryczne i magnetyczne przydatne w elektronice i elektrotechnice:

Tabela. 1: Główne typy i ogólny opis niektórych materiałów ceramicznych i węglowych.

• Surowce w ceramice tradycyjnej to kwarc i glina. Głównym składnikiem gliny jest kaolinit: (Al2Si2O5(OH)4). Również tlenek glinu (korund lub otrzymywany z boksytu).

• Ceramika tlenkowa: najważniejszą ceramiką jest Al2O3. Jest twarda, wytrzymuje wysokie temperatury i jest stosunkowo tania.

• Węgliki:

14

– SiC, WC, TiC, TaC, Cr3C2.

– Są twarde, odporne na zmęczenie, w połączeniu z metalem tworzą bardzo dobry produkt.

• Azotki.

• – Si3N4, BN i TiN – Są twarde, kruche, o wysokiej temperaturze topnienia.

CECHY CHARAKTERYSTYCZNE MATERIAŁÓW CERAMICZNYCH

 Kowalencyjny i jonowy charakter wiązań:

• twardość i odporność na ścieranie:

odkształcenie plastyczne przez ruch dyslokacji jest prawie niemożliwe, w wysokich temperaturach możliwe jest odkształcenie trwałe przez poślizg po granicach ziarn.

Między atomami w tych materiałach występują wiązania od czysto jonowych do całkowicie kowalencyjnych, a w wielu materiałach ceramicznych występuje kombinacja tych dwóch rodzajów wiązań. W tabeli przedstawiono udział wiązań jonowych dla kilku składników materiałów ceramicznych.

Tabela 2: Udział wiązań jonowych w wybranych składnikach materiałów ceramicznych.

W materiałach ceramicznych, w których przeważają wiązania jonowe, występuje równowaga między dodatnio naładowanymi elektrycznie kationami – jonami metali, oddającymi swe elektrony walencyjne a ujemnie naładowanymi anionami – jonami niemetali. W przypadku gdy aniony pozostają w kontakcie z otaczającymi kationami, materiały ceramiczne cechują się strukturą stabilną.

• kruche (jest to podstawowy problem przy projektowaniu konstrukcji ceramicznych) kruche pękanie jest spowodowane przez obciążenia mechaniczne lub naprężenia cieplne (szoki cieplne),

pęknięcie rozpoczyna się na wadach materiału (pustkach, porach, rysach, defektach sieci), których wielkość i rozmieszczenie są zmiennymi losowymi,

określenie właściwości mechanicznych jest możliwe jedynie metodami statystycznymi (wynika to z innego niż w metalach zachowania ceramiki podczas badań własności), wytrzymałość ceramiki może się zmniejszać z czasem nawet bez działania naprężeń cyklicznych (zmęczenie statyczne – zależne silnie od rodzaju środowiska)

duża wytrzymałość na ściskanie a mała na rozciąganie.

• wysoka temperatura topnienia,

14

Materiały ceramiczne są złożone z co najmniej dwóch elementów, a często i większej ich liczby, a ich struktura krystaliczna jest bardziej złożona niż metali. W tablicy 3 podano przykłady kilku składników materiałów ceramicznych.

Tabela 3: Przykłady składników materiałów ceramicznych

• mała przewodność cieplna i elektryczna (ale są wyjątki),

• dobra stabilność chemiczna i cieplna.

 w grupie materiałów ceramicznych można wyróżnić:

• ceramiki krystaliczne

strukturę taką posiadają tradycyjne krzemiany, wiele tlenków oraz związki nie zawierające tlenu (azotki, borki, węgliki),

Struktura części materiałów ceramicznych charakteryzuje się tym, że jednakowa jest liczba kationów i anionów oznaczonych odpowiednio jako A i X. Odpowiednie fazy, oznaczone jako AX, mogą charakteryzować się kilkoma typami struktur krystalograficznych.

Rys. 2. Komórka elementarna sieci NaCl.

14

W przypadku gdy ładunki elektryczne kationów i anionów nie są takie same, mogą powstawać fazy typu AmXp, gdzie m i/lub p≠1, np. AX2 typu fluorytu CaF2 lub A2X3 typu korundu Al2O3 . Możliwe jest również występowanie więcej niż jednego typu kationów.

W przypadku gdy występują dwa typy kationów oznaczone odpowiednio przez A i B tworzą się fazy typu AmBnXp, np. BaTiO3, zawierające kationy Ba2+ i Ti4+, z grupy struktur krystalicznych perowskitów.

Rys. 3. Komórka elementarna sieci CaF2.

Krzemiany są złożone głównie z krzemu i tlenu. W przypadku tych materiałów, zamiast charakteryzować struktury krystaliczne, korzystniej jest podawać wzajemne ułożenie tetraedrów SiO44–, jako powtarzalnego elementu sieci krystalograficznej.

Rys. 4. Tetraedr SiO44–.

Każdy atom krzemu jest połączony wiązaniami kowalencyjnymi z 4 atomami tlenu, ułożonymi w narożach tetraedru, w którym atom Si zajmuje pozycję centralną.

Ponieważ ładunek takiego tetraedru wynosi ^–4, każdy z czterech atomów tlenu ponadto wymaga jednego dodatkowego elektronu dla uzyskania stabilnej struktury elektronowej.

Różne struktury krzemianowe powstają przez łączenie SiO44– w jedno-, dwu- lub trójwymiarowych układach. Najprostszym z możliwych materiałów jest krzemionka SiO2. Struktura krystaliczna powstaje jako trójwymiarowa sieć, kiedy każdy narożny atom tlenu w każdym tetraedrze równocześnie uczestniczy w sąsiednim tetraedrze.

14

Rys. 5. Rozkład atomów krzemu i tlenu w sieci przestrzennej krystobalitu, odmiany polimorficznej krzemionki SiO2.

Wady budowy krystalicznej właściwe dla metali mogą występować także w materiałach ceramicznych. Ponieważ materiały ceramiczne zawierają jony dwóch typów, więc wakancje jak i jony międzywęzłowe mogą występować zarówno w postaci kationowej jak i anionowej.

Rys. 6. Schemat wakancji anionowych (1) i kationowych (2) oraz kationów międzywęzłowych (3) w kryształach jonowych.

14

model mikrostruktury ceramiki krystalicznej:

Rys. 7. Schemat mikrostruktury ceramiki krystalicznej.

Pory osłabiają materiał, ale przy zaokrąglonym kształcie koncentracja naprężeń nie jest zbyt duża, najbardziej szkodliwe są jednak mikropęknięcia występujące w większości ceramik (łatwa propagacja), powstają w wyniku procesu technologicznego, zarodkują w wyniku różnic w rozszerzalności cieplnej lub różnicy modułów sprężystości między ziarnami lub cząstkami poszczególnych faz,

• szkła:

skład szkieł zbliżony jest do ceramik krystalicznych ale bez uporządkowania dalekiego zasięgu, ze względu na to należy je traktować jako nieskrystalizowaną ceramikę, ale określenie „przechłodzona ciecz” jest nieprawidłowe,

• ceramika szklana (dewitryfikaty):

kształtowane w stanie szklistym a następnie krystalizowane w wyniku obróbki cieplnej.

 analizując strukturę materiałów ceramicznych można wyróżnić:

• ceramika jonowa i kowalencyjna w zależności od przeważającego wiązania,

• ceramika lita i porowata,

• ceramika jednofazowa i wielofazowa,

• ceramika drobnoziarnista i gruboziarnista.



w zastosowaniach inżynierskich dominuje i ma największą przyszłość:

• ceramika lita, obowiązkowo drobnoziarnista, najlepiej wielofazowa (co może zwiększyć odporność na pękanie),

• kompozyty o osnowie ceramicznej, których odporność na pękanie może dorównywać metalom.

14

MATERIAŁY CERAMICZNE TLENKOWE

Zastosowania ceramiki inżynierskiej obejmują materiały odporne na zużycie, łożyska, narzędzia skrawające, elementy samochodów, oprzyrządowanie energetyczne, endoprotezy, oraz różne elementy w przemyśle kosmicznym, lotniczym i militarnym. Materiały ceramiczne oparte na tlenku aluminium Al2O3 stosowane są w bardzo wielu przypadkach, na podłoża w elektronice, świece zapłonowe, przewodniki i izolatory ognioodporne, łożyska, zbiorniki chemiczne, zawory wodne, endoprotezy, emitery lamp próżniowych. W postaci szafiru są stosowane na odporne na zarysowanie i przezroczyste „szkiełka“ do zegarków. Materiały te są klasyfikowane w zależności od udziału czystego tlenku aluminium (od 96 do 99,9%). W najczystszej ceramice tego typu udział dodatku MgO nie przekracza 0,5%. W ceramice zawierającej 96% Al2O3 dodaje się zwykle SiO2 i tlenki metali ziem rzadkich. Ważne znaczenie oprócz udziału dodatków i zanieczyszczeń wywiera wielkość ziarna oraz udział fazy szklistej, a także możliwa do zastosowania obróbka cieplna.

Materiały ceramiczne oparte na tlenku cyrkonu ZrO2 są umocnione w wyniku przemiany martenzytycznej od sieci tetragonalnej przez trójskośną do jednoskośnej. Jeżeli tlenek cyrkonu jest stabilizowany przez Y2O3, CaO lub MgO, odmiana o sieci trójskośnej może występować w stanie metastabilnym w zależności od udziału pozostałych dodatków, obróbki cieplnej, szybkości chłodzenia i wielkości ziarna. Rysunek 8 obrazuje jak przemiana martenzytyczna odmiany tetragonalnej ZrO2 w odmianę jednoskośną wpływa na naprężenia u wierzchołka pęknięcia. Towarzyszy temu powstawanie naprężeń ścinających wokół tetragonalnych cząstek ZrO2 ulegających przemianie martenzytycznej i związaną z tym zmianą ich objętości, wywołujących bardzo drobne pęknięcia w tych strefach, co wpływa na nawet trzykrotne zwiększenie krytycznej wartości współczynnika intensywności naprężeń KIc, będącego miarą ciągliwości materiału. Ponieważ w warstwie powierzchniowej powstają wysokie naprężenia ściskające, materiały ceramiczne z tlenkiem cyrkonu mają znaczącą odporność na zużycie i ścieranie.

Rys. 8. Podwyższanie odporności na pękanie poprzez przemianę martenzytyczną cząstek ZrO2.

14

Cząsteczki tetragonalne ZrO2 mogą być dodawane do innych materiałów ceramicznych, np. złożonych z tlenków aluminium, azotków krzemu i węglików krzemu, polepszając ich odporność na pękanie. Własności wytrzymałościowe i ciągliwe tych materiałów są wykorzystywane jedynie do nieznacznie podwyższonej temperatury. Materiały te są stosowane na noże przemysłowe oraz narzędzia skrawające, a także na noże i ostrza do użytku domowego i sportowego, gdzie ich trwałość jest wielokrotnie większa niż noży wykonanych ze stopów metali. Materiały te mogą być także używane na przewodniki oraz powierzchnie w środowisku ściernym i korozyjnym, nieiskrzące młotki w środowiskach łatwopalnych, różne narzędzia i matryce, jako materiał biomedyczny, a nawet na guziki odporne na działanie agresywnych środków piorących.

MATERIAŁY CERAMICZNE NIETLENKOWE

W skład materiałów ceramicznych nietlenkowych wchodzą azotki krzemu Si3N4, węgliki krzemu SiC i azotki boru BN. Materiały te wykazują zbliżoną wytrzymałość i ciągliwość w wysokiej temperaturze powyżej 1300°C, są stabilne w środowisku chemicznym, wykazują dobrą odporność na zużycie i niski współczynnik tarcia. Si3N4 i SiC są stosowane w samolotach oraz turbinach i silnikach rakietowych, a także w przemyśle samochodowym na gniazda i główki zaworów, rotory turbosprężarek oraz komory spalania. Ze względu na niski współczynnik tarcia oraz odporność na zużycie nietlenkowe materiały ceramiczne są stosowane na łożyska pracujące w różnych środowiskach, końcówki urządzeń do cięcia strumieniem wodnym oraz na wysokowydajne narzędzia skrawające, a także na pojemniki do przechowywania materiałów aktywnych chemicznie, szczególnie w wysokiej temperaturze.

Wielkość ziarn związana z dodatkami, obecnością materiałów tlenkowych i tlenu wprowadzanego podczas procesu, silnie wpływają na własności. Ponadto część cząstek, zarówno podstawowego jak dodatkowego składnika, ma wydłużony kształt, losowo zorientowany, co nadaje tym materiałom ceramicznym własności zbliżone do materiałów kompozytowych, a zatem zapewnia wyższe własności wytrzymałościowe i ciągliwe, zwłaszcza w agresywnym środowisku i wysokiej temperaturze.

przykłady zastosowań ceramiki SiC

ze względu na mały współczynnik tarcia oraz wysoka przewodność cieplna łożyska ślizgowe oraz toczne, pierścienie ślizgowe i oporowe.

14

DIAMENT

Diament w temperaturze pokojowej i przy ciśnieniu atmosferycznym jest metastabilną odmianą alotropową węgla. W związku z tym wszystkie wiązania każdego atomu węgla z 4 innymi atomami węgla są kowalencyjnymi. Ta struktura krystaliczna nazywana jest strukturą regularną diamentu, którą charakteryzują się także inne pierwiastki grupy IV A układu okresowego (tzn. Ge, Si, i szara cyna poniżej 13^oC). Własności fizyczne diamentu decydują o jego atrakcyjności jako materiału inżynierskiego, ze względu na prawie najwyższą możliwą twardość, bardzo małą przewodność elektryczną, bardzo wysoką przewodność cieplną, przezroczystość w zakresie światła widzialnego i podczerwieni oraz wysoki współczynnik załamania światła. W okresie kilkunastu ostatnich lat rozwinięto natomiast technologię cienkich warstw diamentowych zarówno w postaci polikrystalicznej, jak również i amorficznej. Własności mechaniczne, elektryczne i optyczne warstw diamentowych lub diamentopodobnych są zbliżone do diamentu litego, co umożliwia wytwarzanie produktów o nowych pożądanych własnościach, np. narzędzi o wysokich własnościach ciernych, soczewek o wysokiej przezroczystości i odporności na zużycie, mikrometrów odpornych na ścieranie, endoprotez i implantów o dużej biokompatybilności.

Rys. 7. Diament a) struktura sieciowa, b) komórka elementarna sieci regularnej.

WŁÓKNA WĘGLOWE

Liczne zastosowania techniczne w ostatnich dziesięcioleciach zyskały włókna węglowe, odkryte jeszcze w XIX wieku. Wytwarzane są z różnych materiałów, w tym z polimerów naturalnych i sztucznych, smoły, żywic fenolowych i fenolowo – formaldehydowych. Włókna węglowe z polichlorku winylu uzyskują moduł sprężystości wzdłużnej ok. 50 GPa i wytrzymałość na rozciąganie 1800 MPa, a wytworzone z poliakrylonitrylu PAN odpowiednio nawet 700 GPa i 1800 MPa. Trwają dalsze prace nad polepszeniem własności tych materiałów, stanowiących jedną z najważniejszych grup materiałów wzmacniających w kompozytach. We włóknach węglowych atomy węgla są uporządkowane w dwuwymiarowych warstwach heksagonalnych o długości 10÷12 nm, ułożonych w stosy o grubości do 10 nm i tworzących mikrofibryle o długości większej od 20 nm, między którymi występują podłużne pęcherze powietrzne o grubości ok. 15 nm i długości większej od 30 nm.

Włókna węglowe mają kształt walca lub rury cylindrycznej. Proces wytwarzania jest

14

związany z epitaksjalnym wzrostem kryształów w ok. 1050°C w parach węglowodorów przesyconych gazowym węglem.

Rys. 8. Schemat struktury wstęgi włókien węglowych wytwarzanych z poliakrylonitrylu PAN.

14

TWARDOŚĆ VICKERSA I ODPORNOŚĆ NA PĘKANIE WYBRANYCH KOMPOZYTÓW CERAMICZNYCH

Odporność na kruche pękanie jest bardzo istotnym parametrem materiałów ceramicznych. Szczególnie ważny jest on dla tworzyw z rodziny tzw. ceramiki konstrukcyjnej. Dla tych materiałów osiągnięcie wysokiej odporności na pękanie stanowi jeden z podstawowych celów technologicznych i w efekcie jest jednym z ważniejszych kryteriów ich przydatności. Najczęściej odporność na kruche pękanie określa się poprzez podanie krytycznej wartości współczynnika koncentracji naprężeń. Jest to stała materiałowa określana jako tzw. KIc .

Wyznaczenie eksperymentalne wartości Kic według obowiązujących norm, opracowanych pierwotnie dla materiałów metalicznych i potem rozszerzanych na tworzywa ceramiczne, polega na określeniu wytrzymałości na trójpunktowe zginanie próbki z naciętym karbem o określonej geometrii:

Rys. 9. Schemat układu do pomiaru współczynnika odporności na kruche pękanie metodą zginania belki z karbem (SENB).

gdzie:

F - przyłożone obciążenie, S, a, b - jak na rysunku, c jest głębokością naciętego karbu, a Y parametrem geometrycznym określonym w zróżnicowany sposób:

Y = 1,93 − 3,07c/b + 13,66(c/b)

− 23,98(c/b)

+ 25,22(c/b)

Ponieważ metoda ta jest bardzo pracochłonna, ze względu na kłopoty z obróbką przy przygotowaniu większej ilości próbek o określonej geometrii, często określa się wartość współczynnika KIc na podstawie pomiarów parametrów odcisku Vickersa z pęknięciami wywołanymi w narożach odcisku.

14

Rys. 10. Schemat odcisku Vickersa z wywołanymi pęknięciami (a). Przekroje przedstawiają różne typy pęknięcia: b) środkowe, c) Palmqvista.

W badaniach materiałowych stosunkowo najczęściej stosowane są wzory:

Postać stosowanego wzoru jest modyfikowana w zależności od charakteru pęknięć. Procedury wyznaczania KIc z parametrów odcisku wymagają dodatkowo znajomości modułu Younga (E) badanego materiału.

Niihary

gdzie

HV jest twardością Vickersa, Φ stałą równą 3, l i a definiuje 2c. Wzór ten stosuje się, gdy stosunek l/a zawiera się w przedziale od 0,1 do 1,5.

Dla większych wartości l/a stosuje się wzór Anstisa:

Gdzie:

c = a + l, a P jest obciążeniem wywołującym pęknięcie.

Powyższa metoda postępowania dla określenia wartości KIc została opracowana w badaniach polikryształów jednofazowych.

LITERATURA:

L.A. Dobrzański: Materiały inżynierskie i projektowanie materiałowe

L.A. Dobrzański: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. Materiały inżynierskie z podstawami projektowania materiałowego