L Ờ IC ẢM ƠN
2.3 Cơ chế tăng bền gốm hệ Al2O3–ZrO2 (Y2O3)
2.3.3 Cơ chế tăng bền của gốm Al2O3-ZrO2
Do thành phần hoá học và cấu trúc quy định, hệ gốm khảo sát có tính chất
chung của vật liệu gốm: bền hoá học cao, bền nhiệt cao, cách nhiệt tốt... Nhưng nó
cũng có những nhược điểm: độ bền cơ học, khả năng chịu sốc cơ, sốc nhiệt kém
hơn rất nhiều so với kim loại. Muốn sử dụng vật liệu này để thay thế kim loại trong một sốlĩnh vực kĩ thuật thì phải có biện pháp cải thiện cơ tính.
Vật liệu gốm bị phá huỷ giịn do sự phát triển khơng kiểm sốt được của vết
nứt. Khi kích thước vết nứt đạt giá trị tới hạn agh, nó sẽ tự phát triển rất nhanh và
phá huỷ vât liệu. Vì vậy, cơ sở lý thuyết của phần lớn các cơ chế tăng bền cho vật
liệu gốm là giảm thiểu động lực quá trình nứt do đỉnh vết nứt gây ra[25].
Sự phát triển vết nứt có thể coi là sựđối đầu giữa một bên là động lực gây ra
nứt và bên kia là sự chống chịu của vi cấu trúc của vật liệu. Bởi vậy, đểtăng cơ tính
cho vật liệu gốm cần phải tăng được sức chống chịu của vi cấu trúc và giảm thiểu
được động lực phát triển vết nứt.
2.3.3.1 Tăng bền bằng ứng suất dư
Tăng bền bằng ứng suất dư đã được áp dụng từ vài chục năm trở lại đây. Bản
chất của phương pháp này là tạo ứng suất nén trên bề mặt chi tiết. Khi chi tiết chịu uốn, ứng suất kéo xuất hiện sẽđược bù trừ bằng ứng suất nén dư tồn tại trên bề mặt
chi tiết do đó giảm thiểu đươc động lực phát triển của vết nứt qua đó tăng bền cho
chi tiết.
Ứng suất nén dư trên bề mặt chi tiết có thể tạo ra bằng một sốphương pháp
như: ram nhiệt, oxi hóa bề mặt. Trong các hệ gốm có chứa ZrO2 thì có thểtăng bền
nhờ chuyển pha, tạo ứng suất nén dư trên bề mặt do chuyển biến mactenxit:
9,21 Cubic 0,51453 100
16,3 Cubic 0,51666 100
Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung 39
tetragonal→monoclinic (t→m) của ZrO2 khi mài bề mặt chi tiết, hoặc tác dụng
nhiệt cục bộ trên bề mặt.
Ứng suất nén dư trên bề mặt chi tiết gốm do các nhân tốlàm tăng thể tích: do
q trình oxi hố, chuyển pha mactenxit…có thểxác định theo cơng thức[25]:
𝜎𝜎𝑅𝑅 = ∆𝑉𝑉.𝑉𝑉1.𝐸𝐸
3(1− 𝜈𝜈) (2.8)
Trong đó:
ΔV: lượng thểtích tăng trên một đơn vị diện tích bề mặt V1: tỉ phần thể tích của pha chuyển hố
E: môđun đàn hồi của vật liệu, Pa ν: hệ số Poison.
Mức tăng KIC trong vật liệu [25]:
∆𝐾𝐾𝐼𝐼𝐼𝐼 =𝑌𝑌.𝜎𝜎𝑐𝑐.√𝜋𝜋.𝑎𝑎(1−2.𝜋𝜋.𝑎𝑎𝑆𝑆) (2.9)
Trong đó:
S: chiều dày lớp chuyển biến, m a: kích thước khuyết tật bề mặt, m Y: hệ số hình học.
Mức độtăng độ bền uốn của vật liệu mơ tả bằng phương trình [25]:
∆𝜎𝜎𝑢𝑢 =3(1∆𝑉𝑉.𝜈𝜈.− 𝜈𝜈) (1𝐸𝐸𝑐𝑐 −2.𝜋𝜋.𝑎𝑎𝑆𝑆) (2.10)
Trong đó:
S: chiều dày lớp chuyển biến, m a: kích thước khuyết tật bề mặt, m
ΔV: lượng thểtích tăng trên một đơn vị diện tích bề mặt, %
ν: hệ số Poison.
2.3.3.2 Tăng bền bằng vết nứt tế vi
Khi chịu tác dụng của ứng suất dư cục bộ: do tính bất đẳng hướng trong quá
Kỹ thuật Vật liệu Kim loại 2012-2014 – Vũ Thị Nhung 40
nền và pha tăng bền hoặc do chuyển pha cục bộ làm tăng thể tích của những vùng
thể tích khác nhau trong chi tiết…dẫn tới sự hình thành các vết nứt tế vi. Sự tạo
thành các vết nứt tế vi này một mặt làm giảm thiểu sự tập trung ứng suất tại đỉnh vết
nứt phá hủy, mặt khác làm tiêu tán năng lượng gây nứt. Từ đó, tăng bền cho vật
liệu.