Original title:
Šíření trhlin skloněných k rozhraní keramických laminátů
Translated title:
Propagation of inclined cracks to the interface of ceramic laminates
Authors:
Novotná, Lenka ; Trunec, Martin (referee) ; Chlup, Zdeněk (advisor) Document type: Master’s theses
Year:
2010
Language:
cze Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství Abstract:
[cze][eng]
Využití výhod kompozitních materiálů majících vrstevnatou strukturu bylo a je cílem při návrhu rozličných komponent. Keramické lamináty nacházejí uplatnění tam, kde jsou požadovány speciální vlastnosti, jako je nízká hustota, teplotní a chemická odolnost. Hlavní překážkou většího rozšíření keramických materiálů je jejich inherentní křehkost. Proto je v předkládané práci řešena zejména problematika šíření trhlin v keramických laminátech. Lamináty na bázi korundu a zirkonu mající různé objemové podíly jednotlivých složek byly připraveny technikou elektroforetické depozice. Na základě důkladné literární rešerše byly navrženy postupy hodnocení šíření trhlin přes rozhraní a dále pak metody stanovení základních mechanických vlastností. Díky přítomnosti vnitřních napětí a rozdílného modulu pružnosti byl sledován odklon trhliny procházející přes rozhraní. Pro sledování tohoto fenoménu byla navržena nestandardní zkušební tělesa umožňující šíření trhliny pod zvoleným úhlem směrem k rozhraní. Na základě experimentálních prací bylo zjištěno, že míra odklonu trhliny je závislá na vstupním úhlu a dále pak na objemovém podílu jednotlivých složek vrstevnatého systému. Důležitým poznatkem je také fakt, že uvnitř materiálu docházelo k většímu odklonu než bylo pozorováno na povrchu. Studium tohoto jevu významně podpořily výsledky získané z 3D rekonstrukce lomových ploch s využitím konfokální mikroskopie. Dále byly stanoveny základní elastické a pevnostní charakteristiky laminátů, které byly srovnány s parametry stanovenými pro jednotlivé složky. Z porovnání modulu pružnosti byla ověřena platnost směšovacího pravidla. Jako nejvěrohodnější metoda stanovení modulu pružnosti laminátu se jeví dynamická rezonanční metoda, která vykazovala velmi malý rozptyl hodnot. Pevnostní charakteristiky laminátů vykazovaly tendenci blížit se hodnotě pevnosti nejméně pevné složky systému a nelze tedy využít směšovací pravidlo jak tomu bylo u modulu pružnosti. Změna objemového podílu jednotlivých složek laminátu vede pouze ke změně velikosti rozptylu ohybové pevnosti. Díky poznatkům získaným v této práci o šíření trhlin a stanovení základních mechanických charakteristik bude jednodušší navrhnout vhodný laminát dle potřeb aplikace.
Composite materials with laminated structure provide advantages which are utilised during component design. Low density, temperature and chemical stability are the profitable properties predetermining application of ceramic laminates. The main obstacle for wide spread of ceramic materials is their inherent brittleness. Therefore, in this thesis, the crack propagation in ceramics laminates has been extensively studied. Laminated structures with various volume fractions of components (alumina and zirconia) were prepared by electrophoretic deposition. Evaluation of crack propagation through the interface and determination of basic mechanical properties was conducted on the basis of extensive literature search. Crack deflection originated in both presence of internal stresses and differences in elastic modulus during the crack interface passing was monitored. A special type of specimen geometry was employed with the aim to set arbitrary angle between crack and interface. It was experimentally found that the degree of crack deflection is dependent on entering angle and volume fraction of components. Higher crack deflection was already found in the bulk of the test piece comparing to the test piece surface. The 3D fracture surface reconstruction generated using laser confocal microscopy was used in this detailed crack propagation study. Further basic elastic and strength characteristics of laminates were determined and compared to those obtained from monolithic materials. The validity of the mix rule for elastic characteristics was confirmed by comparing of elastics modulus. The most reliable method for elastic modulus determination was marked the dynamic resonance method due to low scatter and consistency in measurement. The flexural strength of all laminates tends to be close to the flexural strength of the weakest component. Therefore the mix rule is not applicable for flexural strength estimation on the contrary of elastic characteristics. The change of component volume fraction leads only to change of flexural strength scatter. Thanks to gained knowledge about crack propagation and basic characteristic determination will be possible to design ceramic laminates more efficiently for given needs of application.
Keywords:
Al2O3; crack propagation; fracture toughness; laminate; residual stresses; ZrO2; Al2O3; laminát; lomová houževnatost; vnitřní napětí; ZrO2; šíření trhliny
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/6559
guest ::
