W 6 - 29 III 2010

Dla dużych wartości współczynnika K przy danym poziomie naprężeń rozciągających σ w wyrobie może istnieć dłuższa szczelina a. Małe wartości K powodują, że dopuszczalne jest istnienia bardzo krótkie szczeliny.

Ceramika ma bardzo małe wartości K i proces rozwoju pęknięcia może zostać zainicjowany w szczelinach wielkości nanometrów. W przeciwieństwie do metali materiały ceramiczne są bardzo podatne na pękanie.

Stosowane są 3 różne metody pomiaru odporności na pękanie:

1. pomiar wartości K_lc w zakresie liniowo-sprężystym mechaniki pękania

2. pomiar wartości rozwarcia szczeliny δ_c

3. pomiar całki Rice'a zmiany energii odkształcenia u wierzchołka pęknięcia (J)

Ad.1. W przypadku materiałów ceramicznych, gdzie nie obserwuje się odkształceń plastycznych lub odkształcenia te są niewielkie, stosowana jest metoda pomiaru K_lc. Stosując cyklicznie zmienną siłę rozciągającą, w próbce z naciętym karbem wywołuje się pęknięcie zmęczeniowe (szczelinę). Tak zainicjowane pęknięcie stanowi podstawę do wykonania właściwego pomiaru polegającego na powolnym rozwieraniu szczeliny siłą F rosnącą w czasie. Przy pewnej krytycznej sile F_kr rozpoczyna się lawinowy przyrost długości szczeliny.

Wartość współczynnika K obliczamy ze wzoru:

, gdzie:

F_kr - krytyczna siła, pod wpływem której rozpoczyna się lawinowy wzrost szczeliny [N]

- wartość stabelaryzowana

B, W - jakieś stałe

Wartość K_lc dla ceramiki jest w przybliżeniu 50 razy mniejsza od K_lc dla metali o dobrej ciągliwości.

Ad.2. Druga metodę pomiaru rozwarcia szczeliny stosuje się do materiałów wykazujących większą plastyczność, a więc stopów metali. W materiałach, w których wierzchołek szczeliny odkształca się plastycznie, mierzy się długość szczeliny δ_x, powyżej której lawinowo rozprzestrzenia się pęknięcie. Parametr δ_c umożliwia obliczanie uniwersalnego współczynnika K_lc.

Ad.3. Pomiar całki Rice'a (J) jest stosowany w materiałach o liniowo-sprężystej mechanice pękania i w materiałach plastycznych o nieliniowej mechanice pękania, gdzie pękanie przebiega wieloetapowo z odkształceniem plastycznym wierzchołka szczeliny. W pomiarze tym szczelinę tę inicjuje się drogą obciążeń cyklicznie zmiennych. Dalej następuje zaokrąglenie wierzchołka szczeliny, stabilne rozprzestrzenianie się szczeliny i jej końcowy rozwój. Zadaniem pomiaru jest znalezienie wartości J, od której rozpoczyna się stabilny rozwój szczeliny.

Powyższe metody wyznaczania odporności na pękanie określa się mianem statycznych. Elementy maszyn są narażone jednak na działanie sił dynamicznych tzn. na uderzenia. Cechą określającą odporność na gwałtowne obciążenia jest udarność. Próba udarności polega na złamaniu jednym uderzeniem młota wahadłowego Charpy'ego próbki z naciętym karbem (w kształcie litery U lub V) podpartej swobodnie na obu końcach i na pomiarze pracy jej złamania.

Uderzenie w próbkę następuje z przeciwległej strony karbu. Jako wynik próby udarności podaje się zużytą energię K wyrażoną w J na złamanie próbki. Stosuje się również pojęcie udarności K_c [J/cm²] wyrażające się stosunkiem pracy łamania zużytej na złamanie próbki do pola powierzchni przekroju poprzecznego w miejscu złamania.

Ceramika ma udarność rzędu 0,5-5 J/cm³ a stale do 200 J/cm³.

Wytrzymałość na pełzanie ceramiki

Zjawisko pełzania czyli odkształcenia plastycznego ceramiki zachodzi w wysokich temperaturach przy bardzo małej szybkości odkształcenia. Pełzanie jest funkcją obciążenia, temperatury i czasu. Pełzanie ceramiki jest obserwowane w temperaturach wyższych od 1/3 temperatury topnienia.

Na krzywej pełzania wyróżnia się 3 etapy:

1. Pełzanie pierwotne (nieustalone) - podczas którego po przyłożeniu obciążenia szybkość odkształcenia maleje w funkcji czasu

2. Pełzanie ustalone - podczas którego szybkość pełzania (odkształcenia) ε_s jest stała i jest nazywana minimalną szybkością pełzania

3. Pełzanie przyspieszone - podczas którego szybkość odkształcenia stopniowo rośnie aż do momentu pęknięcia próbki

Tlenki metali o wysokich temperaturach topnienia na granicach międzyziarnowych znacznie hamują dyfuzyjne pełzanie metali, np. w superstopach - „oxide dispersion strenghened (ODS) super-alloys”.

Ostatnio stwierdzono, że dyspersja cząstek SiC o wymiarach nanometrycznych w matrycy tlenku glinu nanokompozytów Al₂O₃/SiC powoduje znaczną poprawę właściwości mechanicznych, a w szczególności odporności na pełzanie - podobnie jak w przypadku metali np. minimalna szybkość pełzania nanokompozytu Al.₂O₃/SiC zawierającego powyżej 17% objętościowych SiC jest ok. 3 rzędy wielkości mniejsza niż w przypadku czystego Al₂O₃. Zbadano też naprężenie pełzania nanokompozytu Al.₂O₃/SiC zawierającego 5% objętościowych cząstek SiC o wymiarach 0,15 μm przy naprężeniu ok. 100 MPa w temp. 1200-1300˚C. Szybkość pełzania Al₂O₃ była o 2-3 rzędy wielkości mniejsza, a w porównaniu do czystego Al₂O₃ wystąpił tylko 3 etap tego zjawiska. Zaproponowano mechanizmy wyjaśniające rolę SiC w takich nanokompozytach.

---