Quels sont les facteurs influençant la résistance à l’usure des céramiques ?
Les matériaux céramiques-résistants à l'usure sont largement utilisés dans les domaines des matériaux de meulage et de polissage, des revêtements-résistants à l'usure, des revêtements intérieurs de tuyaux ou d'équipements et des pièces de structure, etc., et leurs propriétés de résistance à l'usure-déterminent directement la durée de vie sûre des équipements et pièces mécaniques. Les matériaux céramiques courants-résistants à l'usure comprennent la zircone, l'alumine, le nitrure de bore cubique, le nitrure de silicium, le carbure de bore, le carbure de silicium, etc.
Afin d'obtenir des matériaux céramiques-résistants à l'usure avec une meilleure résistance à l'usure, de nombreux chercheurs ont étudié le mécanisme d'usure des matériaux céramiques et les facteurs influençant la résistance à l'usure des céramiques. D'une manière générale, la résistance à l'usure de la céramique est affectée par deux facteurs : l'un est la structure du matériau lui-même et l'autre des facteurs externes tels que la charge, la température et l'atmosphère.
Effets des propriétés mécaniques sur la résistance à l'usure des céramiques
Dans les premières recherches sur la propriété de résistance à l'usure des matériaux céramiques, on pensait que la dureté des matériaux céramiques était étroitement liée à la propriété à l'usure. On a découvert plus tard que la relation entre la dureté et l’usure de la céramique n’était pas si évidente. Par exemple, la dureté des céramiques d'alumine est supérieure à celle des céramiques de zircone TZP, mais la résistance à l'usure n'est pas nécessairement supérieure à celle des céramiques TZP.
Bien que la dureté puisse refléter dans une certaine mesure la force de liaison des joints de grains, l'usure se forme finalement en raison de la rupture du matériau de la surface d'usure, de sorte que la dureté du matériau céramique n'est plus utilisée comme indice prédictif pour mesurer l'usure. Certaines études montrent qu'avec l'amélioration de la ténacité et de la dureté du matériau, le taux d'usure de la céramique diminue progressivement et la résistance à l'usure est meilleure.
Effets de la microstructure sur la résistance à l'usure des céramiques
En général, la microstructure des matériaux a souvent un impact important sur les propriétés macroscopiques des matériaux. Le matériau céramique est un corps fritté composé de grains et d'inter-cristaux, et sa microstructure détermine souvent ses propriétés macroscopiques. De nombreuses études ont montré que la résistance à l'usure des matériaux céramiques est fortement liée à la taille du grain, à la composition de la phase limite des grains, à la répartition des contraintes sur les joints des grains, aux pores et à d'autres microstructures.
Taille des grains
Dans l'industrie, les matériaux métalliques peuvent améliorer leurs propriétés mécaniques en affinant les grains, ce que l'on appelle le renforcement des grains fins. Le principe principal est que plus la taille des grains est petite, plus la surface des joints de grains est grande et plus la distribution des joints de grains est en zigzag, ce qui peut effectivement augmenter le chemin de croissance des fissures et favorise la concentration des contraintes dans le matériau dispersé. On constate que le raffinement du grain a une certaine influence sur la résistance à l’usure des matériaux céramiques.
Porosité
La porosité a un effet très important sur les propriétés de la céramique. Le pore équivaut à l'existence d'un défaut, qui provoquera une concentration de contraintes, accélérera l'expansion des fissures et réduira la force de liaison entre les grains, affectant ainsi sérieusement les propriétés mécaniques de la céramique. Sous l'action du frottement, les pores peuvent se connecter les uns aux autres pour former une source de fissure, ce qui accélère l'usure du matériau.
Phase limite des grains et impureté intercristalline
Les céramiques sont composées de grains, de phases limites de grains et de pores. Lors du processus de frittage, certains additifs et impuretés ajoutés à la céramique existent principalement au niveau des joints de grains sous la forme de « seconde phase » ou de « phase vitreuse », et leur existence affectera la force de liaison entre les grains. Au cours du frottement et de l'usure de la céramique, des fissures peuvent facilement apparaître au niveau des joints de grains. La faible force de liaison des joints de grains provoquera une fracture le long du grain pendant le processus d'usure, ce qui entraînera l'arrachement du grain entier et provoquera une usure importante.
L'additif des céramiques polycristallines existe généralement au niveau des joints de grains sous forme de phase vitreuse. Lors du processus de friction, la température élevée qui en résulte réduit la viscosité du verre, entraînant une déformation plastique. Si la contrainte du joint de grain adjacent n'est pas adaptée, cela provoquera une fissure au joint de grain et provoquera une usure importante.
Si une quantité appropriée d’additifs peut former une seconde phase au niveau des joints de grains, cela est généralement bénéfique pour la résistance à l’usure du matériau. Par exemple, l'ajout de zircone à l'alumine pour fabriquer des céramiques d'alumine trempées à la zircone, également connues sous le nom de céramiques ZTA. Comme l'augmentation de la contrainte critique induite par la contrainte T-ZrO2 est propice à l'amélioration de la ténacité à la rupture et de la résistance des matériaux céramiques, la zircone et l'alumine peuvent inhiber la croissance des grains et obtenir l'effet de la micro-cristallisation en termes de microstructure, de manière à améliorer encore la résistance à l'usure.
