Comptes Rendus
Étude du comportement mécanique d'un matériau à structure duplex par la méthode des éléments finis
[Study of the mechanical properties of a duplex structured material using the finite element method]
Comptes Rendus. Mécanique, Volume 339 (2011) no. 1, pp. 35-41.

The microstructural design concept of bio-ceramics is based on relatively large (10–100 μm) spherical zones dispersed in a ceramic matrix. These zones contain variable fractions of ZrO2 particles. On cooling from the fabrication temperature they expand relative to the matrix either completely during cooling or at first partially and then continue by stress induction. Compressive stresses are developing within and radially around zones. Tensile hoop stresses are created tangentially around the zones.

The objective of these spherical zones is to preserve stress of rupture of the matrix at a high value and to support the deviation and the cracks bifurcation. The reinforcement in these materials is related to the interaction between the stress field in crack face and the residual stress fields around the spherical zones.

In this article, we propose a study of the stress field around spherical inclusions using the finite elements method. These results are compared with those found analytically.

Le principe d'élaboration microstructurale des céramiques à base d'alumine repose sur la dispersion des zones sphériques relativement larges (10–50 μm) dans une matrice céramique (Claussen et Petzow, 1982–1984 [1]). Lors du refroidissement, ces zones avec des quantités variables en ZrO2, se dilatent par rapport à la matrice. Cette dilatation peut être complète ou partielle et engendre dans tous les cas des contraintes. Ces dernières peuvent être :

  • • De compression en se développant à l'intérieur des zones et radialement à celle-ci.
  • • De traction circulaires et tangentiellement à ces zones.
L'objectif de ces microstructures complexes est double :
  • • Conserver la contrainte à la rupture de la matrice à une valeur élevée.
  • • Favoriser la déviation et la bifurcation des fissures.
Le but de ce travail est d'étudier le champ de contraintes autour de ces zones sphériques par la méthode des éléments finis. Ces résultats vont être comparés à ceux déterminés par la mécanique des milieux continus (MMC).

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DOI: 10.1016/j.crme.2010.11.008
Mot clés : Génie des matériaux, Alumine, Zircone, Inclusion sphérique, Champ de contrainte, Résistance à la rupture, Éléments finis
Keywords: Material engineering, Alumina, Zirconia, Spherical inclusion, Constraint field, Rupture resistance, Finite element

Said Laasri 1; M. Taha 1; E.K. Hlil 2; A. Hajjaji 3

1 Laboratoire de Thermodynamique Métallurgie et Rhéologie des Matériaux, Département de Physique, Université Ibn-Zohr, Faculté des Sciences, BP 8106, Cité Dakhla, Agadir, Maroc
2 Institut Néel, CNRS – Université Joseph Fourier, BP 166, 38042 Grenoble, France
3 Ecole Nationale des Sciences Appliquées d'El Jadida, BP 1166, EL Jadida, Maroc
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Said Laasri; M. Taha; E.K. Hlil; A. Hajjaji. Étude du comportement mécanique d'un matériau à structure duplex par la méthode des éléments finis. Comptes Rendus. Mécanique, Volume 339 (2011) no. 1, pp. 35-41. doi : 10.1016/j.crme.2010.11.008. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/mecanique/articles/10.1016/j.crme.2010.11.008/

[1] N. Claussen, G. Petzow, German Patent DE3233019, 1982; U.S. Patent 4, 506024, 1983; Japanese Patent 64567, 1984.

[2] M.P. Harmer; M.P. Chan; G.A. Miller Unique opportunities for microstructural engineering with duplex and laminar ceramic composite, J. Amer. Ceram. Soc., Volume 75 (1992) no. 7, pp. 1715-1728

[3] K. Niihira New design concept of structural ceramics–ceramics nano-composite, J. Ceram. Soc. Jpn., Volume 99 (1991) no. 10, p. 974

[4] H.E. Lutz; N. Claussen Duplex ceramics I: Stress calculation, fabrication and microstructure, J. Euro. Ceram. Soc., Volume 7 (1991), pp. 209-218

[5] H.E. Lutz; N. Claussen Duplex ceramics strength and toughness, J. Euro. Ceram. Soc., Volume 7 (1991), pp. 219-226

[6] H.E. Lutz; M.V. Swain Mechanical and thermal shock properties of duplex ceramics—A review, Mater Forum, Volume 15 (1991), pp. 307-323

[7] H.E. Lutz; N. Claussen KR-curve behavior of duplex ceramics, J. Amer. Ceram. Soc., Volume 74 (1991) no. 1, pp. 11-18

[8] H.E. Lutz; M.V. Swain Interrelation between flaw resistance R-curve behavior and thermal chock strength degradation in ceramics, J. Amer. Ceram. Soc., Volume 74 (1991) no. 11, pp. 2859-2868

[9] H.E. Lutz; M.V. Swain; N. Claussen Thermal shock behavior of duplex ceramics, J. Amer. Ceram. Soc., Volume 74 (1991) no. 1, pp. 19-24

[10] H.E. Lutz; M.V. Swain Stress-strain behavior of duplex ceramics I: Observation, J. Amer. Ceram. Soc., Volume 75 (1992) no. 7, pp. 1729-1736

Cited by Sources:

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