Contact Damage on Ceramic Laminates

Abstract

La difusión de los materiales cerámicos en muchos campos de la industria es amplia y está en fuerte expansión, debido a las excelentes propiedades de estos materiales, ya sean mecánicas, térmicas, tribológicas o biológicas. Sin embargo, su fragilidad intrínseca y falta de fiabilidad limitan una mayor difusión en esas aplicaciones donde se precisa alta resistencia estructural. La producción de composites multilaminares es un camino prometedor para aumentar la fiabilidad de los cerámicos. Los cerámicos multicapa permiten que las propiedades mecánicas sean mejores que las de los componentes, debido a la presencia en la superficie de tensiones residuales de compresión provocadas diferencias de expansión térmica entre las capas.<br/>Las aplicaciones óptimas de estos materiales son las que están relacionadas con las propiedades superficiales; por eso la respuesta a las cargas por contacto son especialmente importantes para caracterizar las propiedades mecánicas y para mejorar el diseño de cerámicos composites avanzados.<br/>Las técnicas de indentación Hertziana son herramientas muy útiles para estudiar este tipo de carga, que por otro lado es difícil de caracterizar por ensayos mecánico tradicionales. El daño por contacto en materiales frágiles aparece principalmente como grietas anillo en la superficie, que pueden desarrollarse como grietas cono, características de este tipo de carga. Este agrietamiento es perjudicial para la funcionalidad del material, y puede llevar al fallo de la pieza. Las cerámicas tenaces, por otro lado, pueden presentar un daño, cuasi-plástico, que se genera debajo la superficie en forma de microagrietamento, y que es causa de deformación inelástica.<br/>En esta tesis, se caracteriza la resistencia al daño por contacto materiales cerámicos en base alúmina, incluyendo todos los aspectos de ese daño, desde la aparición de fisuras superficiales, a la propagación de grietas frágiles en la primera capa y su influencia sobre la resistencia del material, hasta el fallo inducido por carga de contacto. Se comparan medidas experimentales con análisis a los Elementos Finitos de los parámetros involucrados en cada caso, lo que permite formular pautas para una correcta caracterización y diseño de cerámicas multicapas avanzados.<br/>Se vio que la presencia de tensiones residuales es efectiva en mejorar la resistencia a la formación de grieta anillo, sea generada por cargas monotónicas, cíclicas o estáticas.<br/>La alta resistencia frente a este último tipo de carga revela que existen mecanismos de puenteo intergranular que se oponen a la formación de grietas, lo que era inesperado por el tamaño de grano fino, y que se atribuye a un efecto de grieta corta, comparada con la microestructura. Ensayos cíclicos de larga duración mostraron, por otro lado, que en los materiales multicapas aparece daño superficial más severo que en los monolíticos, lo que sugiere un cambio del daño predominante hacía una degradación superficial producida por cuasi-plasticidad.<br/>Las tensiones residuales afectan tanto la longitud como el ángulo de la grieta cono. Se modeló el problema mediante Elementos Finitos y algoritmos de propagación de grieta, lo que permitió predecir el crecimiento de grieta en función tanto de las tensiones residuales, como de otros parámetros microestructurales, y determinar del ángulo de la grieta cono en materiales policristalinos.<br/>La respuesta a cargas remotas de materiales indentados, en otras palabras la degradación de la resistencia, se ve afectada por la geometría de la grieta cono, y por otros factores que son consecuencia de la estructura laminar, tales como las tensiones residuales y la redistribución de carga por el desajuste elástico entre capas. Asimismo, la resistencia por contacto, o sea la resistencia a compresión roma localizada, se ve mejorada en materiales laminares, como consecuencia de las tensiones residuales. Sin embargo, se evidenció que existe el riesgo de que se genere tensión elevada en las capas interiores bajo ambos tipos de carga, y se propusieron consideraciones generales sobre el diseño de materiales laminares.<br/>En definitiva, se consiguió una caracterización exhaustiva de las propiedades de contacto mecánico de los materiales estudiados, y se amplió y mejoró el conocimiento de la propagación de grieta en materiales frágiles policristalinos.

The use of ceramic materials in many industrial fields is spread and ever-increasing, for their excellent properties, either mechanical, thermal, tribological or biological. However, their intrinsic brittleness and lack of reliability are obstacles to further spreading these materials in applications where structural resistance is required. To build multilayered composite structures is a promising way which aims to increase the reliability of ceramics. As it is common in composite materials, layered materials allow the mechanical properties to be superior to those of the constituent materials, in the studied case due to the presence of compressive residual stress in the surface.<br/>The best applications for such materials are those related to the surface properties; for this reason the response to contact loading is especially important to characterize the mechanical properties and to assist in the design of advanced ceramic composites. Hertzian indentation techniques provide a powerful tool to study such type of loading, which is otherwise difficult to characterize with the traditional mechanical testing methodologies. <br/>Contact damage in brittle materials appears mainly as surface ring-cracks, which can develop in a characteristic cone crack. Such fissuration is detrimental to the functionality of the material, and can lead to the failure of the component. Tough ceramics often present another type of damage, the so-called quasi-plasticity, generated as subsurface microcracking and which is cause of inelastic deformation.<br/>In this thesis, alumina-based ceramic laminates were characterized in their resistance to contact damage in all its aspects, starting from the appearance of surface fissures, to the propagation of brittle cracks in the first layer and its influence on the material strength, to the contact loadinginduced failure. Experimental measurements were coupled with Finite Element analysis of the involved parameters, which assisted in formulating comprehensive guidelines for the correct characterization and the design of advanced multilayered ceramics. <br/>The presence of residual stress in ceramic laminates proved to be effective in improving the material resistance to the ring cracking, generated by monotonic, cyclic and longlasting tests.<br/>The better resistance to these latter revealed the existence of grain bridging hindering the crack formation, unexpected in fine-grained alumina and which was related to the small crack character of the ring crack. Longer lasting cyclic tests showed that more severe damage appears in the multilayered materials than in the monolithic one, suggesting a modification of the redominant damage mode to quasi-plastic-derived surface degradation.<br/>Propagation of long cone cracks is affected by residual stress in both the length and angle. An automatic Finite Element model of crack propagation allowed to predict crack growth as a function of both the extrinsic residual stresses and of microstructural parameters, which helped address the long-open question of the cone crack angle on polycrystalline materials.<br/>The response to remote loading of indented materials, in other words the strength degradation, is conditioned by the cone crack geometry, as well as by other factors deriving from the laminated structure, such as the presence of residual stress itself and the load redistribution due to the elastic mismatch between layers. Similarly, the contact strength, i.e. the resistance to local blunt compression, is improved in the composite materials as a consequence of the residual stresses. Nevertheless, the risk of high stress in the lower tensile layers was highlighted for both types of loading and general consideration on the design of laminated materials were proposed.<br/>In the overall, a comprehensive characterization of the contact properties of the studied materials was achieved, and the understanding of crack propagation on brittle polycrystalline materials was broadened and improved.