Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio (Jun 2007)
Mechanical behaviour of structural ceramics
Abstract
The use of ceramic materials in structural applications is limited by the lack of reliability associated with brittle fracture behaviour. In order to extend the structural use of ceramics, the design of microstructures which exhibit flaw tolerance due to toughening mechanisms which produce an increase in crack growth resistance during crack propagation has been proposed. This work is a review of the mechanical behaviour of structural ceramic materials and its characterisation. Firstly, the basic brittle fracture parameters and the statistical criteria to determine the probability of exceeding the safety factors demanded for a particular application are analysed. Then, the toughening mechanisms which can be developed in the materials through microstructural design as well as the mechanical characterisation of toughened ceramics are discussed. The experimental values of linear elastic fracture toughness parameters (critical stress intensity factor, KIC, and critical energy release rate, GIC) are not intrinsic properties for toughened materials and depend on crack length and the loading system. In this work, the different mechanical parameters proposed to characterise such materials are reviewed. The following fracture parameters are analysed: work of fracture (γWOF), critical J-integral value (JIC) and R-curve. For the determination, stable fracture tests are proposed in order to ensure that the energy provided during the test is no more than the necessary one for crack propagation.<br><br>El uso de los materiales cerámicos en aplicaciones estructurales está limitado por la falta de fiabilidad asociada a su comportamiento frágil durante la fractura. Para extender su aplicación se ha propuesto el diseño de microestructuras que presenten tolerancia a los defectos debido a la actuación de mecanismos de refuerzo. Este trabajo es una puesta al día sobre el estudio del comportamiento mecánico de los materiales cerámicos estructurales y su caracterización. En primer lugar, se revisan los parámetros de fractura utilizados para caracterizar materiales frágiles y los criterios de control estadístico que permiten determinar la probabilidad de que se sobrepasen los factores de seguridad exigidos en cada aplicación. A continuación, se discuten los mecanismos de refuerzo que se pueden desarrollar en los materiales cerámicos a través del diseño microestructural. En los materiales cerámicos en los que la actuación de mecanismos de refuerzo conduce a un comportamiento significativamente distinto del puramente frágil, los parámetros derivados del tratamiento lineal elástico (factor crítico de intensidad de tensiones, KIC, y tasa crítica de liberación de energía, GIC), determinados experimentalmente, dejan de ser propiedades intrínsecas del material, independientes del tamaño de grieta y el sistema de carga. El presente trabajo revisa los parámetros mecánicos propuestos para la evaluación de la tenacidad de fractura de los materiales cerámicos reforzados y los métodos utilizados para su determinación. Se analizan los siguientes parámetros mecánicos: trabajo de fractura (γWOF), valor crítico de la integral J (JIC) y curva R. Para su determinación se proponen ensayos de fractura estable, que aseguran que la energía suministrada durante el ensayo se emplea únicamente en la propagación de la grieta.
