Determination of the intrinsic fracture toughness from the COD analysis of indentation cracks in Spark Plasma Sintered 3Y-TZP reinforced with MWCNT

Abstract

El método de la indentación para medir la tenacidad de fractura ha sido ampliamente utilizado en materiales frágiles debido a su sencillez y a que puede realizarse en volúmenes pequeños de material. Especialmente en estos casos, las tenacidades de fractura obtenidas mediante el método de indentación pueden llegar a ser muy distintas de los valores reales obtenidos mediante métodos rigurosos basados en un conocimiento preciso de todos los parámetros que intervienen en la fractura. Esto ha llevado a desarrollar métodos que relacionan el perfil de la abertura de la grieta de indentación con la tenacidad intrínseca de fractura KI0. En este trabajo se ha estudiado la cerámica 3Y-TZP y el material compuesto formado por 3Y-TZP y 2% en volumen de nanotubos de carbono con paredes multicapa (MWCNT) ambos producidos por Spark Plasma Sintering (SPS). El método de análisis del COD permitió comprobar que la adición de este contenido de MWCNT no afecta prácticamente al COD medido experimentalmente y que la tenacidad intrínseca KI0 es por tanto muy similar para ambos materiales. Estas observaciones en principio no justifican las diferencias en tenacidad de fractura determinadas por el método clásico de tenacidad de fractura por indentación en los materiales estudiados. // The indentation method has been widely used to measure the fracture toughness in fragile materials due to its simplicity and that only needs of a small sample. However, it is well known that the fracture toughness values obtained by indentation methods can be substantially different from the values obtained from more rigorous methods which are based on a precise knowledge of all parameters involved in fracture. This situation has lead to the development of new methods that investigate the crack opening displacement (COD) and relate it to the intrinsic fracture toughness KI0. In the present work, a 3Y-TZP ceramic has been studied together with a composite containing 2% vol. of multiwall carbon nanotubes (MWCNT); both of which were produced by Spark Plasma Sintering (SPS). The COD method showed that the addition of MWCNTs did not effectively affect the COD and the intrinsic fracture toughness KI0 was thus very similar in both materials. These observations in principle do not justify the differences determined by the classical indentation fracture toughness method on the present materials.