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Anais do 43º Congresso Brasileiro de Cerâmica 319012 a 5 de junho de 1999 - Florianópolis – S.C.
FLUENCIA A ALTA TEMPERATURA DE LA CIRCONIA MONOCRISTALINA CON
ALTO CONTENIDO EN Y2O3
Angela Gallardo López, Julián Martínez Fernández, Arturo Domínguez Rodríguez
Departamento de Física de la Materia Condensada, Apdo 1065, 41080 Sevilla
Universidad de Sevilla - Consejo Superior de Investigaciones Científicas
RESUMEN
Se han realizado experimentos de deformación a carga constante (fluencia) a alta
temperatura y atmósfera inerte (Ar) en muestras de circonia monocristalina, con alto
contenido en Y2O3 (32 mol%). De esta forma se han obtenido parámetros
característicos de su comportamiento mecánico a alta temperatura: velocidades de
deformación, exponentes de tensión, y energías de activación, aplicándose para ello la
ecuación pseudo-fenomenológica de la fluencia. A partir de estos datos, y con un
estudio de la microestructura de las muestras deformadas mediante microscopía
electrónica de transmisión, se han determinado los mecanismos de deformación
activados.
Palabras clave: YSZ, deformación plástica, fluencia, alta temperatura, restauración.
INTRODUCCIÓN
Desde el descubrimiento de aumento de la tenacidad por transformación martensítica
[1] en el óxido de circonio, la microestructura y propiedades mecánicas de las
cerámicas a base de circonia han sido intensamente estudiadas. El sistema ZrO2-Y2O3
es probablemente el más adecuado para aplicaciones a alta temperatura, dadas sus
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buenas cualidades estructurales, pero para ello se hace absolutamente indispensable
el estudio de sus propiedades básicas. Diversos autores han dedicado su atención a
las propiedades mecánicas y de conductividad de la circonia cúbica, observándose
cómo al incrementar el dopante, mejoran sus propiedades mecánicas, pero uno de los
problemas que quedan aún por resolver es el comportamiento mecánico a alta
temperatura (T>1400°C) de los cristales cúbicos de circonia totalmente estabilizada
(YFSZ) cuando la concentración de dopante, óxido de itrio, es alta >21 mol%.
El rango de concentraciones de Y2O3 entre 9.4 y 21 mol% ha sido investigado por
diversos autores [2-6], encontrándose un endurecimiento progresivo al aumentar la
concentración de itria. Sin embargo, para concentraciones superiores tan sólo han sido
apuntados datos aislados del límite plástico, correspondientes a experimentos de
deformación a velocidad constante, que indican un aparente ablandamiento y ciertas
anomalías en las curvas tensión-deformación (en concreto para el 32 mol%) [7] sin que
se haya llevado a cabo un estudio sistemático de la deformación plástica.
El trabajo que aquí se expone es un estudio del comportamiento de fluencia en
compresión uniaxial a alta temperatura de esta aleación de circonia-itria con
concentraciones de 32 mol%. Los resultados obtenidos se comparan con los existentes
en la literatura para el 21 mol% [6], y se da una posible interpretación de los mismos en
cuanto a mecanismos de deformación.
MATERIALES Y MÉTODOS DE ANÁLISIS
Se usaron monocristales de circonia totalmente estabilizada con 32 mol% de ytria,
suministrados por la compañía Ceres Corporation (Massachusets, E.E.U.U.), crecidos
por la técnica de skull melting, que consiste en calentar una mezcla triturada de circonia
e itria en un crucible de Cu hasta la temperatura de fusión mediante radiofrecuencias.
La mezcla funde casi en su totalidad, se homogeneiza y se enfría, cristalizando en todo
el volumen.
Los cristales fueron orientados mediante la técnica de Laue de haz retrodispersado,
utilizando un generador de RX Philips, Modelo PW 1720.
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Con el fin de preparar muestras en forma de paralelepípedos de dimensiones 2,5x2,5x5
mm, los cristales fueron cortados por abrasión con una sierra de diamante. El eje de
compresión de las muestras ( la altura del paralelepípedo) corresponde a la dirección
cristalográfica [1 2], mientras que las caras laterales son los planos ( 11) y (110). La
orientación de las muestras fue escogida de esta manera para que se active el sistema
de deslizamiento primario (001) [1 0], también llamado de "deslizamiento fácil", con
factor de Schmid=0.47 [8].
Los experimentos de compresión uniaxial se realizaron a temperaturas entre 1400°C y
1700°C, y bajo tensiones nominales entre 60 y 120 MPa. Las velocidades de
deformación medidas van desde 5·10-8 s-1 hasta 1·10-6 s-1. El equipo de deformación
utilizado fue una máquina prototipo descrita en [9]. La deformación de la muestra se
registró continuamente mediante un captador. Los experimentos se llevaron a cabo en
atmósfera inerte (Ar).
Los datos registrados durante la fluencia fueron la deformación de la muestra frente al
tiempo, a una temperatura y carga dadas. A partir de estos datos, puede representarse
la curva velocidad de deformación frente a deformación ( frente a ). La figura 1
representa una curva de fluencia típica.
Los datos , y T (velocidad de deformación, tensión y temperatura), se aplicaron a la
ecuación general constitutiva de la fluencia [10], que se indica a continuación:
donde aparte de la constante (A), el factor preexponencial relacionado con el
coeficiente de difusión (D0), el módulo cizalladura () y el vector de Burgers para la
circonia cúbica (b3.63 ), nos interesan las variables que podemos controlar, la
tensión aplicada y la temperatura T, y las que podemos calcular, n=exponente de
tensión y Q= energía de activación del proceso.
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Tanto n como Q son las magnitudes a determinar, y dependen de los mecanismos de
deformación que se activen. Manteniendo constante la temperatura y variando la
tensión, obtenemos valores del exponente de tensión n:
Si variamos la temperatura y mantenemos la misma tensión sobre la muestra,
obtenemos valores de la energía de activación, Q:
La microestructura de las muestras tanto sin deformar como deformadas ha sido
estudiada mediante Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM). Para ello ha sido
necesario preparar láminas delgadas, según varios planos cristalográficos, entre ellos,
el plano primario de deslizamiento (001). Dichas láminas se cortaron con discos de
diamante y se adelgazaron hasta alcanzar la transparencia al haz de electrones
mediante un pulido mecánico seguido de adelgazamiento iónico (bombardeo con iones
de Ar). Después hubo que evaporar carbón sobre las láminas delgadas para hacerlas
conductoras y evitar las acumulaciones de carga durante su observación. Los
microscopios utilizados fueron un Hitachi H-800 (Servicio de Microscopía Electrónica de
la Universidad de Sevilla), que opera a 200 kV y un Phillips CM-300 (Los Alamos
National Laboratory, U.S.A) que opera a 300 kV. Se realizaron estudios de extinciones (
) para determinar la dirección del vector de Burgers de las dislocaciones e
identificar los sistemas de deslizamiento.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
A partir de los datos obtenidos mediante cambios de temperatura y de tensión como se
indica en la curva representada en la figura 1, se estimaron los valores de Q y n,
observándose que estos parámetros varían ligeramente con la temperatura. Se
obtuvieron resultados de n4 y Q7.5 eV a temperaturas 1400°C y n3.7 y Q
6.5 eV para temperaturas superiores.
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Figura 1: Velocidad de deformación ( ) frente a la deformación () en una muera del 32
mol% de Y2O3-ZrO2
Para poder realizar una comparación entre los distintos rangos de tensión, temperatura
y velocidad de deformación (, T y ) empleados en los ensayos, así como para
estimar la influencia de la concentración de itria, hemos normalizado los resultados de
velocidad de deformación a una tensión de 100 MPa, tal como se muestra en la figura
2. En ella se pone de manifiesto que los valores de velocidad de deformación del 32
mol% en itria son menores que en el caso de 21 mol% para las mismas condiciones de
ensayo.
De la pendiente de las recta de mejor ajuste se obtiene el valor de Q (energía de
activación). En esta representación se observan los dos regímenes de deformación que
han sido encontrados por otros autores [3] para concentraciones menores de
estabilizante, que se transforman en uno sólo para nuestro caso (32 mol%).
Las tablas I y II recogen los valores del exponente de tensión, n, y la energía de
activación, Q a distintas temperaturas para el 21 y el 32 mol%.
0 2 4 6 8 10 12Deformación (%)
1.0E-8
1.0E-7
1.0E-6
1.0E-5Ve
loci
dad
de d
efor
mac
ión
(1/s
)32 m ol% Y2O 3-ZrO 2
1450°C1500°C
1550°C
111 M Pa
111 M Pa
111 M Pa
89 M Pa
111 M Pa
78 M PaQ1=8 eV
Q2=6 eV
n1=4 n2=4 n3=4
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Figura 2: Velocidad de deformación normalizada a 100 MPa frente al inverso de la
temperatura, para las dos concentraciones de dopante que se comparan.
Tabla I: Comparación de valores del exponente de tensión n, para dos regímenes de temperatura
Intervalo de temperaturas
21 mol% 32 mol%
n
1400-1550 5.0 0.3 4.0 0.5
1550-1700 3.2 0.4 3.7 0.5
Tabla II: Comparación de valores de la energía de activación Q, en dos intervalos de
temperatura
Intervalo de temperaturas
21 mol% 32 mol%
Q
1400-1550 8.10.5 7.50.5
1550-1700 5.70.4 6.50.5
En cuanto a la estructura de dislocaciones, se examinaron mediante TEM láminas
delgadas de las muestras ensayadas a varias temperaturas. En estudios de
concentraciones menores de itria se encontraba una gran diferencia microestructural
entre las muestras deformadas a 1400°C, en las que las dislocaciones aparecían casi
4.80 5.20 5.60 6.0010000/T
1.00E-9
1.00E-8
1.00E-7
1.00E-6
1.00E-5
1.00E-4
Velo
c. d
e de
form
ació
n (1
/s)
(par
a 10
0 M
Pa)
21-Ar32-Ar-98
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exclusivamente en los planos de deslizamiento: primario (100) y secundarios (110) y
(111) y a 1700°C en la que se observaba subida de dislocaciones. Por ello se
proponían dos mecanismos: deslizamiento por arrastre de soluto para las temperaturas
inferiores y restauración, para las más altas. La transición entre ambos regímenes se
situó en torno a 1500°C. En nuestras muestras hemos observado una cantidad notable
de dislocaciones en planos de subida para todos los rangos de temperatura, por lo que
nos inclinamos a considerar un único mecanismo controlado por difusión.
Las figuras siguientes (figs. 5a, 5b, 5c, 5d) muestran distintos planos de observación de
las muestras deformadas a distintas temperaturas. No se observa gran diferencia en
cuanto a la densidad de dislocaciones en el plano primario para temperaturas más
bajas (1400°C) y las más altas de nuestro estudio. La presencia de dislocaciones de
forma rizada o discontinua indica que no pertenecen al plano de observación.
Fig. 5a
Fig. 5b
0,4 m 1 m
B=[001] B=[001]
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Fig. 5c Fig. 5d
Figura 5: Micrografías electrónicas de transmisión del plano primario (001) de muestras
deformadas a 1700°C (5a), a 1400°(5b), y mostrando dislocaciones largas en el plano
de subida (110) en las muestras deformadas a 1400°C (5c,d).
CONCLUSIONES
Los resultados obtenidos en cuanto a velocidades de deformación en fluencia dan a
entender que el endurecimiento de las muestras se incrementa al aumentar la
concentración de ytria, incluso por encima de la concentración 21 mol.
En cuanto a los mecanismos de deformación, los valores obtenidos para exponentes
de tensión y energías de activación indican que no debe existir un cambio drástico en
los mecanismos que controlan el comportamiento mecánico para altas concentraciones
de itria. La energía de activación encontrada apunta a mecanismos de fluencia por
restauración -creación y aniquilación de dislocaciones mediante difusión-. A la misma
conclusión se llega a través del análisis microestructural de las muestras deformadas
mediante microscopía electrónica, debido a la notable densidad de dislocaciones en
planos de subida, además de las existentes en los sistemas de deslizamiento comunes,
0,4 m 1 m1 m
202B=[011] B=[011]
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principalmente en el primario. Esto concuerda con las observaciones de otros autores
para otras composiciones de YFSZ [3,6,11], en un intervalo de temperaturas dado.
AGRADECIMIENTOS
Queremos hacer constar nuestro agradecimiento a la CICYT , organismo que ha
financiado este trabajo a través del proyecto MAT97-1007-CO2-01.
REFERENCIAS
1. D. J. Green, R. H. J. Hannick and M. V. Swain, Transformation Toughening of
Ceramics. CRC Press, FL (1989)
2. A. Domínguez-Rodríguez, K. P. D. Lagerlöf and A. H. Heuer, J. Am. Ceram. Soc.
69, 281 (1986)
3. J. Martínez-Fernández, M. Jiménez-Melendo, A. Domínguez-Rodríguez and A. H.
Heuer. J. Am. Ceram. Soc. 73, [8] pp. 2452-56 (1990)
4. A. Domínguez-Rodríguez, J. Castaing and A. H. Heuer, Rad. Effects Defects in
Solids 119-121, 759 (1991)
5. K. J. McClellan, H. Sayir, A. H. Heuer, A. Sayir, J. S. Haggeerty and J. Sigalovsky,
Ceram. Engng Sci. Proc. 14, 651 (1993)
6. D. Gómez-García, J. Martínez-Fernández, A. Domínguez-Rodríguez, P. Eveno and
J. Castaing, Acta mater. Vol. 44, No. 3, pp. 991-999 (1996)
7. K. J. McClellan, Tesis Doctoral : Structure/ Property Relations in Y2O3-Stabilized
Cubic ZrO2 Single Crystals. Case Western Reserve University, Cleveland (Ohio,
U.S.) (1994)
8. A. Domínguez Rodríguez, D. S. Cheong and A. H. Heuer, Phil. Mag. A 64, 923
(1991)
Anais do 43º Congresso Brasileiro de Cerâmica 319102 a 5 de junho de 1999 - Florianópolis – S.C.
9. H. Gervais, B. Pellicier and J. Castaing, Rev,. Int. Hautes Temp. Refract. 15, 43
(1978)
10.J. P. Poirier, Creep in Crystals. Cambridge Univ. Press (1985)
11.D. S. Cheong, A. Domínguez Rodríguez and A. H. Heuer, Phil. Mag. A 60, 123
(1989)
PLASTIC DEFORMATION OF FULLY STABILIZED ZIRCONIA WITH HIGH YTTRIA
CONTENT
ABSTRACT
Zirconia is one of the most interesting advanced ceramics. One of the reasons which
make it interesting is its potential use as a structural material. We have carried out
constant load mechanical tests (creep) at high temperature in an inert (Argon)
atmosphere of fully stabilized zirconia single crystals doped with yttria (24mol%-32mol
%). From these experiments, using the phenomenological equation for creep, we have
obtained some useful parameters (strain-rates, stress exponents and activation
energies) which allow us to predict the behaviour of the material under different
conditions of applied stress and temperature. These results, combined with the
microstructural characterization of the deformed samples by means of Transmision
Electron Microscopy helped us to determine the mechanisms activated for the plastic
deformation in this material.
Key words: YSZ, high temperature, plastic deformation, recovery .