Fracture Resistance of Residually-Stressed Ceramic Laminated Structures

We have studied the effect of residual stresses on fracture resistance and crack arrest behavior of asymmetric ceramic laminated Si3N4 /Si3N4 -TiN structures. Using a compliance method, we assessed is the technique of R-curve construction for laminar composites. For laminar structures with layers varying by their elastic characteristics we developed an analytical method for calculation of “fracture resistance - crack length” dependence. The method applicability is verified by calculation of stress intensity factors for laminar specimens with edge crack. The calculated results are compared to the experimental data.Изучено влияние остаточных напряжений на сопротивление разрушению и остановку трещины в несимметричных слоистых структурах Si3N4 /Si3N4 -TiN. Оценена методика определения R-кривых слоистых композитов с использованием метода податливости. Разработан аналитический метод расчета зависимости сопротивления разрушению от длины трещины в слоистых структурах со слоями, имеющими различные упругие характеристики. Применимость метода проверена путем расчета коэффициентов интенсивности напряжений для слоистых образцов с краевой трещиной. Полученные результаты сопоставлялись с данными механических испытаний.Розглядається вплив залишкових напружень на опір руйнуванню і зупинку тріщини в несиметричних шаруватих структурах Si3N4 /Si3N4 -TiN. Проаналізовано методику визначення ^-кривих шаруватих композитів із використанням методу піддатливості. Розроблено аналітичний метод розрахунку залежності опору руйнуванню від довжини тріщини в шаруватих структурах, що мають шари з різними пружними характеристиками. Застосовність методу перевірено шляхом розрахунку коефіцієнтів інтенсивності напружень для шаруватих зразків із крайовою тріщиною. Отримані результати зіставляються з даними механічних випробувань

Fracture resistance of ceramics: edge fracture method

Fracture resistance o f macrohomogeneous line ar elastic yttria, scandia, alumina, zirconia, and silicon nitride ceramics was studied upon flaking of the edges of rectangular specimens with the Rockwell indenter. The correlation between the obtained estimates and fracture toughness test results gained by the single-edge V-notched beam method was demonstrated. Loads giving rise to the flaking of a part of the edge and distances from this edge to the chip scar on the specimen surface were measured. The ratio of those values was considered as a flaking toughness characteristic. The data obtained were statististically reliable (based on more than a hundred determinations). This procedure termed the edge fracture method can be used along with other known fracture toughness test methods for ceramics, its application is especially advantageous when ceramic item sizes are comparable with those of the standard specimens or when expensive materials (e.g., nanoceramics) are tested.Вивчено опір руйнуванню макрооднорідних пружно-лінійних керамічних матеріалів з оксидів ітрію, скандію й алюмінію, а також із діоксиду цирконію та нітриду кремнію при сколюванні кромок прямокутних зразків індентором Роквелла. Показано, що отримані оцінки збігаються з результатами випробувань на в’язкість руйнування, які проводяться за допомогою методу випробування зразків балочного типу з одностороннім V-подібним надрізом. При випробуваннях вимірювалося навантаження, яке призводило до відколу частини кромки, і відстань на поверхні зразка від цієї кромки до місця формування відколу. Відношення цих величин розглядалося як характеристика в’язкості відколу. Аналіз даних, що базуються більш як на 100 визначеннях, свідчить про їх статистичну достовірність. Такий метод випробувань, названий методом сколювання кромок, може використовуватися нарівні з відомими методами визначення тріщиностійкості кераміки. Його використання особливо доцільно у випадку, якщо виріб із кераміки за розмірами можна порівняти зі стандартними зразками, або при проведенні досліджень дорогих матеріалів (наприклад, нанокераміка).Изучено сопротивление разрушению макрооднородных линейно-упругих керамических материалов из оксидов иттрия, скандия и алюминия, а также из диоксида циркония и нитрида кремния при скалывании кромок прямоугольных образцов индентором Роквелла. Показано совпадение полученных оценок с результатами испытаний на вязкость разрушения, выполненных по методу испытания образцов балочного типа с односторонним V-образным надрезом. При испытаниях измерялась нагрузка, вызывавшая откол части кромки, и расстояние на поверхности образца от этой кромки до места формирования откола. Отношение этих величин рассматривалось как характеристика вязкости откола. Анализ данных, базирующийся более чем на 100 определениях, показал, что они статистически достоверны. Такой метод испытаний, называемый методом скалывания кромки, может использоваться наравне с известными методами определения трещиностойкости керамики. Его применение особенно целесообразно в случае если керамическое изделие по размеру сопоставимо со стандартными образцами или при проведении исследований дорогостоящих материалов (например, нанокерамика)