Progress in strength, toughness and lifetime methods for ceramics

Fortschritte auf dem Gebiet der Festigkeit, Risszähigkeit und Lebensdauer von Keramik
Zur Charakterisierung des Versagensverhaltens keramischer Werkstoffe sind Festigkeits- und Risszähigkeitsmessungen erforderlich. Weist eine Keramik noch den Effekt des unterkritischen Risswachstums auf, sind auch Lebensdauermessungen unter statischer Belastung von großer Wichtigkeit. Neuere Beiträge der Autoren zur Untersuchungs-Methodik sind in diesem Bericht zusammengefasst.
Teil A befasst sich mit der Berechnung der maximalen Spannungen in runden Scheiben unter Kugelbelastung. Hierbei werden der “ball-on-ring test”, der “ball-on-3-balls test” und der kürzlich von den Verfassern entwickelte „3-balls-on-3-balls test“ betrachtet. ... mehrAls praktische Anwendung der ermittelten Spannungen im “ball-on-3-balls test” wird das bei grobkörnigem Aluminiumoxid gefundene stabile Bruchverhalten als Effekt einer stark ansteigenden Risswiderstandskurve diskutiert.
In Teil B wird auf eine von den Verfassern entwickelte Methode eingegangen, die es gestattet, sehr kurze Kerben mit extrem kleinen Kerbradien zu erzeugen. Bei einer ZrO2-Keramik konnten Kerbradien von unter 0.1 μm bei einer Kerbtiefe von nur 40μm erzeugt werden. Derartig kurze und scharfe Kerben sollten geeignet sein, das Verhalten natürlicher Risse in Keramiken anzunähern.
Schließlich wird in Teil C über eine Prozedur berichtet, die sich dafür eignet, eine vorhandene Anzahl an Lebensdauer-Versuchsproben optimal auszunutzen. Hierbei kann aus der erneuten Verwendung von auf niederem Lastniveau angefallenen „Durchläufern“ zusätzliche Information über das Risswachstumsgesetz gewonnen werden. Die Methode wird an Lebensdauermessungen von SIALON in destilliertem Wasser von 20°C demonstriert.

For the characterization of the failure of ceramic materials the strength and the fracture toughness have to be determined. In the presence of subcritical crack growth, also lifetime measurements are of importance. Latest contributions by the authors shall be addressed by this report.
Part A will deal with strength computations for circular disks under sphere loading. Strength relations will be derived for the ball-on-ring test, the ball-on-3-balls test, and the recently developed 3-balls-on-3-balls test. As an application of the ball-on-3-balls test, stable crack extension found for coarse-grained alumina shall be discussed as an effect of an increasing crack growth resistance.
... mehr
In Part B, a method will be proposed that allows for fracture toughness measurements on Vnotched bending bars with a notch root radius of less than 0.1 μm. Due to the very small notch depths of about 40μm, the artificially introduced crack-like notches are comparable with natural cracks.
Part C will focus on a procedure for lifetime evaluation that allows for a multiple use of specimens which survived a preceding lifetime test on a lower load level. The related procedure will be applied to static lifetime measurements on SIALON in distilled water of 20°C.