Effet de la microstructure sur la propagation des fissures dans l'alumine
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The crack propagation behavior of alumina was studied by means of Double Torsion and Single Edge Notched Beam methods. A high purity alumina (>99. 99 %) and an alumina with 500 ppm MgO were used as starting powders. A wide range of average grain sizes, between 4-53 μm was obtained by sintering the powder at l550-1850°C for 2-12 h. The compliance analysis leads to an overestimation of the real crack length at the beginning of the test and to under-estimation at the end. The overestimation could result from the development of several small cracks and mic. Ro-cracks in proximity of notch tip and non-plane crack profile shortly after load application while the underestimation obviously is related to elastic crack bridging ligaments and crack border interactions leading to crack closure. The grain sizes more than 35 μm result in a transition of intergranular to transgranular mode which decreases crack resistance strongly. The DT results in different environments (air, water and silicon oil). Show that slow crack growth is due to stress corrosion by water molecules at the crack tip. Region I and II of crack propagation are very sensitive to the humidity and region III is independent of the environment. The slope of V-K1 Curve depends strongly on the amount of rising crack resistance with crack extension. The increase f crack resistance with grain size I accompanied by, shift of the V-K1 law towards high K1 values. Moreover the slope of the curve is higher for higher grain sizes. By subtracting the (ΔKR) from applied stress intensity factor in different alumina ceramics, a unique V- K1tip curve was obtained. The measured crack tip stress intensity factor. K1tip• was independent of grain size. Thus the same stress corrosion rnechanism of ceramic bonds by water is responsible for crack propagation. A mean crack tip roughness of 2. 2 MPa- m1/2 was evaluated similar in value to the results obtained in the literature for alumina single crystal.
Abstract FR:
Le comportement à la fissuration de différentes alumines, présentant une large gamme de tailles de grains, est étudié à l'aide de la double torsion (DT) et d'essais de flexion sur éprouvettes entaillées (essais SENB). Une alumine de très haute pureté (> 99,99%) et une alumine présentant 500 ppm d'oxyde de magnésium ont été utilisées comme poudres de départ. Les matériaux ont été élaborés par pressage puis frittage à différentes températures, de 1550°C à 1850°C, afin d'obtenir des tailles de grains allant de 4 à 53 μm. Une transition du mode de rupture d'intergranulaire à transgranulaire apparaît au delà de 35 μm, accompagnée par une diminution importante de la résistance à propagation. Nous montrons ici que les longueurs de fissures calculées à partir de la complaisance sous-estiment de façon importante la vraie longueur de fissure, et ceci d'autant plus que la microstructure est grossière. Les ligaments non fissurés, responsables des mécanismes de pontage, et donc de l'effet de courbe R, sont en effet aussi la cause de l'erreur induite sur la complaisance. Des résultats obtenus sous différents environnements (air, eau, huile) permettent de montrer que la propagation lente des fissures dans l'alumine peut être décrite par un mécanisme de corrosion sous contrainte par les molécules d'eau. Les lois de propagation sont décrites en termes de vitesse de fissure en fonction du facteur d'intensité de contrainte. Les alumines présentant le maximum de courbe R (d=35 μm) présentent une loi V-K1 décalée vers les forts facteurs d'intensité de contraintes ; de plus, leur pente est plus importante. Grâce à la méthode de DT, il est possible de soustraire l'effet de renforcement dû à la microstructure aux courbes de propagation lente, afin de déterminer les lois de propagation intrinsèque. Toutes les alumines possèdent la même loi de propagation intrinsèque, identique à celle mesurée par ailleurs dans le saphir, avec une ténacité intrinsèque de l'ordre de 2,2 MPaѴm