Fracture mechanics approach to evaluation of strength in sintered silicon nitride

Abstract

The evaluation of strength of ceramics is an important problem in their application to engineering components. Although fracture initiating from inherent flaws in ceramics is supposed to be analyzed through linear elastic fracture mechanics, the applicability of a plane-strain fracture toughness criterion is in dispute.

In this investigation, fracture tests for two grades of sintered silicon nitride were conducted under plane-bending and ring-compression. As the size of inherent flaw observed at the fracture origin was larger, the critical stress intensity factor for the flaw increased and then almost coincided with the fracture toughness. This suggests that ordinary fracture mechanics data should not always be applied directly for predicting the strength of engineering ceramic components. The flaw-size effect was discussed from the point of the applicability of fracture mechanics and the relation with material microstructure.

Résumé

L'évaluation de la résistance des céramiques est un problème important pour leur application à des composants mécaniques. Bien que l'amorçage d'une fissure dans une céramique au départ de défauts inhérents soit normalement analysable par la mécanique de rupture linéaire et élastique, on n'est pas d'accord sur la pertinence d'un critère de ténacité à la rupture en état plan de déformation.

Dans cette recherche, des essais de rupture de deux nuances de nitrure de silicium frittées ont été exécutés en flexion plane et en compression d'anneaux. On a observé que lorsque augmente la taille d'un défaut initial repérable comme origine de la rupture, le facteur critique d'intensité de contrainte pour le défaut considéré augmente et coïncide presque avec la ténacité à la rupture. Ceci suggère que les données habituelles de la mécanique de la rupture ne peuvent pas être toujours appliquées directement pour prédire la résistance de composants mécaniques en céramique.

L'effet de la taille du défaut est discuté des points de vue de l'application possible de la mécanique de rupture et de la relation avec la microstructure du matériau.