سرامیک های با تافنس بالا

تحقیقات و توسعه در زمینه ی سرامیک های زیرکونیایی، منجر به توسعه ی دو گروه متمایز از سرامیک ها شد. این دو گروه، عبارتند از: زیرکونیای کاملا پایدار شده و زیرکونیای با پایدار شوندگی جزئی می باشند. این بخش در مورد روش های مورد استفاده برای افزایش تافنس، صحبت می کند. Swain نشان داد که مواد سرامیکی که به صورت سنتی فرآوری می شوند، می توانند دوباره افزایش تافنس پیدا کنند مشابه چیزی که در موورد زیرکونیای پایدار شده به صورت جزئی، مشاهده می شود. این مسئله و کاربرد آن در بسیاری از زمینه های سرامیکی دیگر، منجر به توسعه ی گروه جدیدی از سرامیک ها، شده است. در همین زمان، تقویت زمینه ی سرامیکی با ویسکرها (تک کریستال ها) نیز توسعه یافت. ترکیب این دو مکانیزم یعنی افزایش تافنس با استحاله و استفاده از تقویت کننده های ویسکری، منجر به توسعه ی مواد سرامیکی با مقاوم بالا در برابر تخریب، شد. اساس بیشتر این مکانیزم ها، این است که یک کاهش قابل توجه در نیروی محرک در نوک بخش گسترش ترک اتفاق می افتد. گسترش ترک در یک ماده ی زمینه، به دلیل نیروی محرک ترک، ایجاد می شود. این مسئله در مورد ریزساختار، متفاوت است. نیروی محرکه ی ترک در واقع فاکتور شدت تنش است. مقاومت این نیرو ممکن است با افزایش تافنس ذاتی زمینه و یا بوسیل هی جلوگیری از گسترش ترک با تافنس غیرذاتی، افزایش یابد. از آنجایی که سرامیک ها عموماً ترد هستند، این مکانیزم افزایش تافنس غیر ذاتی است که می تواند مشارکت خوبی در بهبود تافنس زمینه ی سرامیکی، داشته باشد. این مورد در بخش بعدی توصیف می شود.

مکانیزم های افزایش تافنس

معمولاً یک ماده ی سرامیکی، به خاطر استحکام و تافنس، شاخص می باشد. سایر ویژگی ها مانند رفتار خزشی، انبساط گرمایی، رسانایی و سختی نیز پارامترهای مفیدی هستند که باید تشخیص داده شوند. سرامیک ها به خاطر بسته های ایزوله ی با استحکام بالا، شاخص می باشند. در یک سرامیک، تنش به طور قابل توجه به اندازه ی عیوب وشکل آنها، وابسته است. این رابطه می گوید:
@@@@@@@@
σ=K_1C/Y(c^(1/2) )
که در اینجا:
σ استحکام شکست
@@@@@@
K_1C تافنس شکست
C اندازه ی عیوب
Y فاکتور شکل
با کنترل اندازه ی عیوب، این ممکن است که استحکام را افزایش دهیم. به هر حال، سرامیک ها دارای تافنس شکست پایین تری هستند. این مسئله نیازمند افزودن عوامل افزایش دهنده ی تافنس می باشد. افزودن مواد خاص موجب بهبود مقاومت در برابر ترک و بدین صورت بهبود تافنس می شود. مکانیزم های مختلفی از محافظت ترک که در واقع موجب بهبود تافنس می شود، عبارتند از انحراف ترک و پیچیدن، محافظت ناحیه ای، افزایش تافنس با میکروترک ها، افزایش تافنس با استحاله های فازی و محافظت تماسی (مانند پل زنی بوسیله ی ویسکرها و تقویت با الیاف).

انحراف ترک و پیچیدن

ترک ها ممکن است از مسیر اصلی خود و بواسطه ی عبور از مرزدانه ها منحرف شوند. جهت گیری ثانویه مسیر ترک و قرارگیری در مسیر مطلوب موجب کاهش نیروی محرکه ی ترک می شود. تافنس ایجاد شده به طور قابل توجهی به طبیعت انحراف ترک و فازی وابسته می باشد که موجب این انحراف می شود. این نوع از افزایش تافنس معمولاً به دما وابسته نیست.

افزایش تافنس با میکروترک ها

تنش ایجاد شده به دلیل میکروترک ها ممکن است در سرامیک های تک فاز و چند فازی رخ دهد که حاوی بسته های تنشی منفرد هستند. این مسئله از آنیزوتروپی در انبساط گرمایی و عدم تطابق گرمایی نشئت می گیرد. در حقیقت تنش هایی ممکن است از وجود ذرات فاز ثانویه ایجاد شوند که در طی سرد شدن و وقوع استحاله، تغییر حجمی قابل توجهی رخ دهد. یک چنین ترک هایی منجر به کاهش در مدول یانگ و افزایش در تافنس می شود.

افزایش تافنس با استحاله ی فازی

انحراف ترک و القای میکروترک در زمینه، از جمله روش هایی برای افزایش تافنس، تلقی می شود. استحاله ی فازی سرامیک ها، یکی دیگر از مکانیزم های مورد استفاده در افزایش تافنس زمینه، می باشد. این مکانیزم عموماً در سیستم زیرکونیا، بوجود می آید.

سیستم های زیرکونیای افزایش تافنس یافته با استحاله

دو دهه کار بر روی زیرکونیا، منجربه توسعه ی ساختارها و کاربردهای مختلفی شده است. زیرکونیا به گروه مهمی از مواد تعلق دارد که عموماً سرامیک های ظریف، سرامیک های مهندسی و یا سرامیک های پیشرفته نامیده می شوند. استفاده از زیرکونیا به عنوان سرامیک مهندسی به دلیل وجود ویژگی های استحاله ای آلوتروپیکی خاص، سهولت تولید با استفاده از روش های متالورژی پودر و پایداری شیمیایی، گرمایی و فیزیکی خوب در طی فرآوری، می باشند. افزودن اکسید منیزیم، اکسید کلسیم، اکسید ایتریم، اکسید سریوم و سایر اکسیدهای عناصر خاکی کمیاب به زیرکونیا، منجر به توسعه ی گروهی از مواد جدید می شود که خواص مهندسی متفاوتی دارند.
زیرکونیا دارای سه پلی مورفی تعریف شده است: یعنی مونوکلینیک (m)، تتراگونال (t) و مکعبی (c). فاز دما اتاق آن مونوکلینیک است. در زمان حرارت دهی، فاز مونوکلینیک به فاز تتراگونال تبدیل می شود (در دمایی در حدود 1000 درجه ی سانتیگراد). این فاز در دمای 2370 درجه ی سانتیگراد، به فاز مکعبی تبدیل می شود. جدول 1 نشاندهنده ی برخی از داده های کریستالوگرافی مربوط به زیرکونیا می باشد. فاز مونوکلینیک که در دمای اتاق پایدار است، دارای انواع مختلفی از فواصل بین اتمی و زوایا می باشد که بوسیله ی پیوندهای کوالانسی، پیشنهاد شده است. در زمان حرارت دهی، یک استحاله ی رو به جلو از مونوکلینیک به تتراگونال با کاهش قابل توجه در طول محور C مشاهده می شود. زیرکونیای تتراگونال کمتر یونی است و دارای خاصیت کوالانسی بیشتری نسبت به فاز مکعبی است. استحاله ی مونوکلینیک به تتراگونال، استحاله ای پیچیده است. به دلیل تعییر در کوئوردیناسیون اتم های زیرکونیم و یکی از اتم های اکسیژن، سختی قابل توجهی در این استحاله، مشاهده می شود. در زمان حرارت دهی بیشتر، فاز تتراگونال به فاز مکعبی، تبدیل می شود. بنابراین، در سیستم زیرکونیا، حداقل سه تصحیح کریستالوگرافی بوجود می آید که حاوی تقارن مکعبی ، تتراگونال و مونوکلینیک است و در دماهای بالا، متوسط و پایین، پایدار است.

بیشتر بخوانید:استحاله ی فازی دما بالا در سرامیک ها (1)

شکل 1 بیان کننده ی دیاگرام فازی مربوط به سیستم زیرکونیا می باشد. این به نظر می رسد که ما مورد زیر را داریم:   در زمان سرد شدن، استحاله ی معکوس تتراگونال به مونوکلینیک اتفاق می افتد. استحاله ی تتراگونال به مونوکلینیک در واقع طبیعت مارتنزیتی دارد. این استحاله همراه با افزایش در حجم می باد. در حقیقت در این حالت آلیاژ با تافنس بالای زیرکونیا حاوی ذرات ریز فاز تتراگونال است. برای یک چنین ماده ای، دمای شروع استحاله ی مارتنزیت به زیر دمای اتاق می رسد. استحاله ی مارتنزیت می تواند بوسیله ی تنش نیز القا شود. این استحاله منبعی برای ایجاد تافنس در سیستم زیرکونیاست. معمولاً استحاله ی تتراگونال به مونوکلینیک شامل یک گروه از کرنش های استحاله ای است که موجب افزایش حجم (به میزان 4 %) و تغییر در شکل دانه ها می شود (شکل 2). دانه های ایزوله معمولاً استحاله پیدا می کنند. به هر حال، برای دانه های قرار گرفته در داخل زمینه، انرژی کرنشی معمولاً مخالف استحاله است. اگر استحاله پیشرفت کند، سپس این ضروری است که سیستم زیرکونیا را فوق تبرید کرد تا بدین شکل، یک نیروی محرکه ی کافی برای استحاله، فراهم آورد. حفظ فاز تتراگونال زیرکونیا در دمای اتاق می تواند بوسیله ی چندین ریزساختار و فاکتور شیمیایی مانند اندازه ی دانه و میزان عناصر آلیاژی، کنترل شود. برای ایجاد خواص بهینه، پایداری نسبی مربوط به ایتریا و یا سریوم اکسید- زیرکونیا باید به گونه ای باشد که استحاله ی تتراگونال به مونوکلینیک بتواند بوسیله ی اعمال تنش های خارجی، القا شود (نه بوسیله ی استحاله ی گرمایی که از سرد شدن منتج می شود). طبیعت مارتنزیتی مربوط به استحاله، بوسیله ی Hannink مورد بررسی قرار گرفته است. یک ویژگی مهم در این استحاله، وجود تطابق شبکه ای بی همتا میان پلی مورفی های تتراگونال و مونوکلینیک مربوط به زیرکونیا، می باشد. مسئله ی مهم در این استحاله ی مارتنزیتی، حفظ فاز تتراگونال است که در واقع مهم ترین استفاده از پدیده ی افزایش تافنس با استحاله، می باشد. این گزارش شده است که یک اندازه ی بحرانی فاز تتراگونال وجود دارد که در زیر آن، ذرات می توانند با اعمال تنش خارجی، تحت استحاله قرار گیرند و در بالای این اندازه ی بحرانی، استحاله رخ نخواهد داد.
مشارکت ریزساختار کل در فاکتور شدت تنش بحرانی به طور قابل توجهی به یک سری فاکتورها مانند اندازه، مورفولوژی، پراکندگی و کسر حجمی ذرات زیرکونیای استحاله یافته و همچنین دما وابسته می باشد.
برای حفظ فاز تتراگونال، مواد دوپ شونده ای مانند اکسید منیزیم، ایتریا و یا سریوم اکسید اضافه می شوند. سیستم زیرکونیای پایدار شده با ایتریا متداول ترین این سیستم ها محسوب می شود. دیاگرام فازی شکل 3 نشاندهنده ی تشکیل زیرکونیای پایدار شده به صورت جزئی، با استفاده از ایتریا (Y-PSZ) یا پلی کریستال های زیرکونیای تتراگونال پایدار شده با ایتریا (Y-TZP) می باشد. Y-TZP سیستمی است که برای افزایش تافنس با استحاله، مورد استفاده قرار می گیرد. Y-PSZ با گستره ی ترکیب 4 تا 6 % مولی کمتر به صورت تجاری مورد توجه مهندسی سرامیک قرار گرفته است. ریزساختار در این سیستم به دلیل وجود دو فاز تتراگونال (یعنی t و t^')، پیچیده است. فاز تتراگونال حلالیت پایینی دارد و ممکن است تحت تنش، به فاز مونوکلینیک تبدیل شود (البته در صورتی که ذرات آن اندازه ی مناسبی داشته باشد). فاز t^' حلالیت بالایی دارد و باید به فاز مکعبی و فاز شبه پایدار تتراگونال تبدیل شود (پیش از افزایش تافنس القا شده با استحاله). Y-TZP تجاری در گستره ی ترکیب 1.75 % مولی ایتریا، ایجاد می شود. TZP می تواند استحکام بالایی را از طریق اعمال زینترینگ مناسب و استفاده از مقادیر مناسب عوامل دوپ شونده، بدست آورد. خواص استحکامی مربوط به Y-TZP که تحت تأثیر میزان پایدار ساز است، در شکل 4 نشان داده شده است. زینترینگ تحت فشار ایزواستاتیک گرم موجب می شود تا خواص استحکامی Y-TZP بهبود یابد. به هر حال، تخریب شدید استحکام مربوط به Y-TZP می تواند در زمانی رخ دهد که این ماده با هوا و یا بخار و در یک محیط کنترل شده، برخورد کند. اخیراً استحکام و تافنس بهتر Y-TZP از طریق افزودن 5 تا 30 % وزنی آلومینا به Y-TZP حاوی 2.5 % ایتریا، بدست آمده است. سیستم زیرکونیای پایدار سازی شده با اکسید سریوم برای کاربردهایی توسعه یافته است که در آنها از پدیده ی افزایش تافنس با استحاله، استفاده شده است. پایدارسازی فاز تتراگونال در سیستم زیرکونیا- اکسید سریوم، پایداری بهتری نسبت به Y-TZP و تحت شرایط محیطی مشابه، ایجاد می کند. خواص استحکام نمونه وار Ce-TZP و تغییر آن با تغییر میزان اکسید سریوم، در شکل 5 آورده شده است. در حالی که استحکام شکست Ce-TZP بالاتر از Y-TZP نیست. تافنس می تواند بزرگتر باشد. در آخر این مقاله، به طور مفصل در مورد این مسئله صحبت خواهد شد. در سیستم آلومینای افزایش تافنس یافته با استفاده از زیرکونیا (ZTA)، حفظ ساختار تتراگونال به بزرگی انرژی کرنشی بوجود آمده از قیود الاستیکی بستگی دارد که در واقع بوسیله ی زیرکونیا، تحت احاطه قرار گرفته اند. البته یکی از فاکتورهای مؤثر دیگر، شکل و تغییر حجمی مربوط به استحاله ی تتراگونال به مونوکلینیک مربوط به Y-TZP/Ce-TZP موجود در فاز زمینه ی آلومینا، می باشد. این قید به دلیل جهت گیری کریستالوگرافی مختلف دانه های اطراف و یا زمینه ی فاز ثانویه و برای هر دو ماده (یعنی آلومینا و Y-TZP) اتفاق می افتد. انرژی کرنشی بوجود آمده از این قیود می تواند بوسیله ی ایجاد میکروترک و یا تغییر شکل پلاستیکی کاهش یابد که می تواند تا حدی تغییرات حجمی و شکلی مربوط به استحاله را جذب کند. تنش های باقیمانده ی موجود بر روی Y-TZP می تواند هم موجب افزایش و یا کاهش انرژی کرنشی شود. این مسئله به شرایط وابسته می باشد. اگر استحاله تنش های فشاری ایجاد کند و تنش های باقیمانده، حالت کششی داشته باشند، انرژی کرنشی خالص کاهش می یابد. اگر هر دوی این تنش ها، مشابه باشند، انرژی کرنشی افزایش می یابد و این مسئله، منجر به کاهش دمای استحاله می شود. این پدیده، ممکن است برای کاربردهایی مزیت داشته باشد که در آنها، بار ضربه ای در دماهای پایین تر، بر روی نمونه اعمال می شود. این مسئله باید تذکر داده شود که با افزایش دما، تافنس شکست کاهش می یابد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.

منبع مقاله :
CERAMIC CUTTING TOOLS/ Materials, Development, and Performance/ E. Dow Whitney