Popis lomového chování trhliny šířící se v keramickém laminátu

Fracture Mechanics Description of Crack Propagation in Ceramic Laminates

abstrakt

en

The layered ceramic composites are in the interest of the researches, because of their improved fracture toughness, strength and reliability in comparison to monolithic ceramics. Multilayered design combines layers with differentmaterial properties and especially coefficients of thermal expansion. Due to this fact, during the sintering process, the high residual stresses appear in the laminate, which subsequently significantly influence the fracture behavior. The contribution is focused on the alumina-zirconia layered system with strong compressive residual stresses serving as a barrier for the crack propagation through the laminate body. Propagating crack can stay arrested in the compressive layer or is strongly deflected from the original direction of crack propagation. It leads to the higher value of so-called apparent fracture toughness of the ceramic laminate. The assumptions of the linear elastic fracture mechanics and small scale yielding condition are considered in the contribution for the description of the crack propagation. The stress field is obtained numerically by using the finite element method.Thetheory based on strain energy density factor was used for determination of the crack behavior. The work contributes to the better understanding of failure process of ceramic laminates.

Vrstevnaté keramické kompozity se vykazují ve srovnání s monolitickou keramickou lepší lomovou houževnatostí, pevností a spolehlivostí. Vícevrstevnatá konstrukce kombinuje vrstvy s odlišnými materiálovými vlastnostmi, a to zejména s rozdílnými koeficienty teplotní roztažnosti. Díky tomu se během výrobního procesu slinování objeví v materiálu vysoká zbytková napětí, která následně významně ovlivňují lomové chování materiálu. Tento příspěvek je zaměřen na keramické lamináty na bázi kombinaci materiálů oxidu hlinitého a oxidu zinečnatého se silným rozhraním. Silná reziduální napětí slouží jako bariéra proti šíření trhliny skrz laminát. Tlaková reziduální napětí ve vrtsvě mohou šířící se trhlinu zastavit nebo výrazně odklonit od původního směru jejího šíření. Tento fakt vede ke zvýšení tzv. zdánlivé lomové houževnatosti keramického laminátu. Při popisu šíření trhliny bylo pracováno s předpokladem platnosti lineárně elastické lomové mechaniky a bylo použito kritérium založené na faktoru hustoty deformační energie. Pole napětí bylo získáno numericky za použití metody konečných prvků. Práce přispívá k lepšímu pochopení lomového chování keramických laminátů.

The layered ceramic composites are in the interest of the researches, because of their improved fracture toughness, strength and reliability in comparison to monolithic ceramics. Multilayered design combines layers with differentmaterial properties and especially coefficients of thermal expansion. Due to this fact, during the sintering process, the high residual stresses appear in the laminate, which subsequently significantly influence the fracture behavior. The contribution is focused on the alumina-zirconia layered system with strong compressive residual stresses serving as a barrier for the crack propagation through the laminate body. Propagating crack can stay arrested in the compressive layer or is strongly deflected from the original direction of crack propagation. It leads to the higher value of so-called apparent fracture toughness of the ceramic laminate. The assumptions of the linear elastic fracture mechanics and small scale yielding condition are considered in the contribution for the description of the crack propagation. The stress field is obtained numerically by using the finite element method.Thetheory based on strain energy density factor was used for determination of the crack behavior. The work contributes to the better understanding of failure process of ceramic laminates.

Ceramic laminate, residual stresses, crack propagation direction, strain energy density factor.

13.04.2015

Česká technika – Nakladatelství ČVUT

Thákurova 1, Praha 6

978-80-01-05708-7

APPLIED MECHANICS 2015 – Book of Abstracts

1

69–70

2