اکسید زیرکونیوم (3)

افزایش تافنس از طریق تغییرات فازی زیرکونیا
 

در ابتدای این مقاله توضیحات کاملی در مورد تغییرات فازی زیرکونیا با دما صحبت کردیم. در ادامه به بیان روش های استفاده از این مکانیزم ها در افزایش تافنس می پردازیم.
برای افزایش تافنس از طریق تغییرات فازی زیرکونیا روش هایی وجود دارد که سه روش از آنها عبارتست از
1) ایجاد ترک های مویی (Micro cracking)
2) القاء و ایجاد تنش (Stress induced)
3) تحت فشار قرار دادن لایه های سطحی (Compressive Surface Layers)

1) ایجاد ترک های مویی
 

دراین روش از ذرات زیرکونیای تثبیت نشده درفازی سرامیکی استفاده می کنیم. در واقع ذرات تثبیت نشده در زمینه ای از یک سرامیک پایدار مانند آلومینا قرار می گیرد. ذرات زیرکونیای مورد استفاده قابلیت تغییر فاز دارند. که در هنگام سرد شدن بدنه ی اصلی، تغیر فاز تتراگونال به مونو کلینیک رخ می دهد. این تغییر فاز باعث پدید آمدن انبساطی می شود که این انبساط ترک های بسیار ریزی در زمینه بوجودمی آورد. البته اندازه ی این ترک ها درحدی نیست که قطعه بشکند. عوامل مؤثر در هنگام پدیدآمدن این ترک های ریز عبارتند از :
الف) درصد زیرکونیای پودری
ب) اندازه ی ذرات زیرکونیایی
و.....
استحکام قطعه ی تولیدی به روش بالا افزایش می یابد. در واقع اگر در بدنه ی دارای ترک های مویی ایجاد ترکی بزرگ شود، با پخش شدن نیروی ترک درهنگام برخورد با ترک های مویی، استحکام بالا می رود.
برای آنکه بدنه ی تولیدی با این استحکام مناسب را داشته باشد باید توزیع ذرات نیز درست انجام شود. توزیع نامناسب باعث رسیدن میکروترک ها به همدیگر وشکسته شدن قطعه می شوند.
همچنین اندازه ی ذرات نیز باید در حدی معین باشند. اگر ذرات ما از یک حدی بزرگتر باشند. تنش های بیشتری ایجاد می شود. وترک ها دیگر ریز نخواهند بود. که این ترک ها بسیار خطرناک هستند. اگرذرات ما از یک حدی کوچکتر باشند نیروی وارده از طرف زمینه برذرات بیشتر بوده وتغییر فاز اتفاق نمی افتد.

2) القا وایجاد تنش
 

این روش نیز شباهت بسیار زیادی به روش بالا دارد. در واقع روش القا و ایجاد تنش حالتی خاص از روش ایجاد تنش های مویی است. ذرات به کار برده در روش القاوایجاد تنش از حد بحرانی کوچکترند وازاین رو درحین سردکردن قطعه نمی توانند تغییر فاز دهند. ساختار بدنه ی تولیدی به روش القا و ایجاد تنش از زمینه ای سرامیکی به همراه ذرات زیر کونیایی هستند که در فاز تتراگونال قرار دارند.علت عدم تبدیلی شدن آنها به فاز مونوکلینیک این است که این ذرات نتوانسته اند. بر نیروی وارد برآنها از طرف زمینه غلبه کرده وزمینه را ترک دهند. اما هر لحظه که نیروی وارده برآنها برداشته شود فرایند تغییر فازی اتفاق می افتد. درهنگام پدید آمدن یک ترک توسط نیروی خارجی نیز همین مسئله اتفاق می افتد وتغییر فازی اتفاق می افتد . ذره با تغییر فازی انبساط یافته ونوک ترک را می بندد ورشد ترک متوقف می شود. استحاله ی اتفاق افتاده دراین فرایند از نوع استحاله های مارتنزیتی است.

3) تحت فشار قرار دادن لایه های سطحی
 

این روش نیز شبیه به فرآیند القا وایجاد تنش است. با این تفاوت که با انجام عملیاتی تغییر فاز تتراگونال به مونوکلینک تنها در سطح قطعه اتفاق می افتد. یعنی ذرات زیرکونیا در بدنه وارد می شوند. ودرتمام بدنه توزیع می شوند. وپس از شکل دهی بدنه عملیات زینترینگ انجام می شود. وبه خاطر اینکه اندازه ی ذرات زیر کونیا ازحد بحرانی کوچکتر است. درحالت سردکردن تبدیل تتراگونال به مونوکلینیک اتفاق نمی افتد. پس از این مرحله با انجام فرآیندی مانند پولیش کردن این تغییر فاز در لایه های سطحی انجام می شود. عمق این لایه ها می تواند از 10 الی 100 میکرون باشد.دراین حالت ریز ساختار بدین صورت است . که یک زمینه ی سرامیکی پایدار داریم که توزیعی از ذرات زیرکونیای تتراگونال درعمق قرار دارند. ودرسطح نیز به خاطر پدید آمدن استحاله ی تتراگونال به مونوکلینیک ترک هایی مویی پدید آمده است. این مکانیزم ترک های بوجود آمده در سطح را کنترل کرده و از گسترش سریع ترک در ساختار جلوگیری می کنند (بیشتر ترک ها در بدنه ی سرامیکی که باعث شکستن قطعه می شود از سطح شروع می شوند.
از روش های اشاره شده در بالا ، روش ایجاد ترک های مویی روشی ساده وعملی است. در واقع دو روش بعدی روش هایی ساده نیستند ودستیابی به آنها به فاکتورهای متنوعی بستگی دارد.
منبع:ترجمه شده از تعدادي از منابع لاتين مانند : AZOM.COM