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Deformation and fracture of Nb/α-Al2O3 composites in compression and bending studied by optical methods

  • Y. Liu , C. Kohnle , D. Brunner EMAIL logo und M. Rühle
Veröffentlicht/Copyright: 16. Februar 2022
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International Journal of Materials Research
Aus der Zeitschrift International Journal of Materials Research Band 94 Heft 6

Abstract

The fracture behavior of Nb/α-Al2O3 composites was investigated both in compression tests and bending tests using an optical full-field method for the observation of strain fields on the metal surfaces. Joints of polycrystalline materials were prepared by high-vacuum diffusion bonding. The building up of the strain near the interface during the tests, finally leading to the fracture, was studied by examining the strain and displacement fields of the whole metal layer. In compression tests, two types of fracture, fracture of alumina and fracture of interfaces, were detected by cross-examination of the stress –strain curve and the strain maps. The fracture of alumina in compression tests was influenced by the Nb layer thickness and can be rationalized by an extension of Cottrell’s model. For four-point bending tests, the results of the strain maps, determined experimentally by means of the optical method, confirmed the strain maps resulting from finite element simulations.

Abstract

Das Bruchverhalten von Nb/α-Al2O3-Verbunden wurde in Druck- und Biegeexperimenten mit Hilfe eines optischen Messverfahrens zur flächenhaften Verschiebungs- und Dehnungsanalyse untersucht. Dabei erfogte die Messung an den Seitenflächen des Nb-Plättchens. Verbunde aus vielkristallinem Nb und α-Al2O3 wurden durch Diffusionsverschweissen im Hochvakuum hergestellt. Der Dehnungsaufbau nahe der Grenzfläche wurde während des Druck- und des Biegeversuches, der bei letzterem schließlich zum Bruch führt, durch Ermittlung der Dehnungs- und Verschiebungsfelder an der Metallschichtoberfläche verfolgt. Aus dem Vergleich von Spannung–Dehnungs-Kurven und den beobachteten Dehnungsfeldern auf der Oberfläche ließen sich zwei Arten von Bruch entdecken: (i) Bruch in der Keramik und (ii) Bruch in der Grenzfläche. Der Bruch in der Keramik im Druckversuch wurde durch die Metallschichtdicke beeinflusst. Er kann aber nicht durch Erweiterung des Cottrellschen Modells erklärt werden. Bei den Vier-Punkt-Biegeversuchen findet nur wenig plastische Dehnung bis zum Bruch statt, trotzdem gelang es Resultate der Finite-Elemente-Simulationen zur Berechnung von Dehnungsfeldern experimentell durch das optische Messverfahren zu bestätigen.

Keywords: Nb/α-Al2O3 composites; Metal/ceramic interfaces; Fracture; Strain mapping; Compression test; Fourpoint bending test; Finite element simulation

Dedicated to Professor Dr. Ottmar Vöhringer on the occasion of his 65th birthday

Dr. D. Brunner Max-Planck-Institut für Metallforschung Heisenbergstraße 3,D-70569 Stuttgart, GermanyTel.: +49 711 689 3615Fax: +49 711 689 3522

  1. The authors gratefully acknowledge the partial financial support by the Deutsche Forschungsgemeinschaft in the framework of the Graduiertenkolleg Nr. 285 “Interfaces in crystalline materials”.

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Received: 2003-02-27
Published Online: 2022-02-16

© 2003 Carl Hanser Verlag, München

Artikel in diesem Heft

  1. Frontmatter
  2. Articles/Aufsätze
  3. Bedeutung von Eigenspannungsabbau und mikrostrukturellen Veränderungen für die Lebensdauervorhersage schwingbeanspruchter Schweißverbindungen
  4. Factors affecting cyclic lifetime of EB-PVD thermal barrier coatings with various bond coats
  5. Depth-resolved X-ray residual stress analysis in PVD (Ti, Cr) N hard coatings
  6. Crystal orientation and residual stress in TiN film by synchrotron radiation
  7. Characterization of thermal and anodic oxide layers on β- and on near-β-titanium alloys for biomedical application
  8. Micromechanisms and modelling of crack initiation and growth in tool steels: role of primary carbides
  9. Fatigue crack nucleation at grain boundaries – experiment and simulation
  10. Fatigue and fracture-induced defect structures of metals investigated by positron microscopy
  11. Deformation and fracture of Nb/α-Al2O3 composites in compression and bending studied by optical methods
  12. Dislocation microstructures of single crystal ⟨001⟩ CMSX-4 specimens tensile tested at 700 and 1000°C
  13. Influence of mechanical surface treatments on the HCF performance of the Ni-superalloy Udimet 720 LI
  14. Precipitation of β-phase and twinning during deformation of Mg–Al alloy AZ91 at 150 °C after solution treatment
  15. Nanograin size, high-nitrogen austenitic stainless steels
  16. Der dynamische SD-Effekt und der Einfluss auf die Fließortkurve
  17. Einfluss der Umformgeschwindigkeit und -temperatur auf das Fließverhalten metallischer Werkstoffe
  18. Mean stress sensitivity of sintered iron and steel
  19. Thermozyklisches Kriechen einer kurzfaserverstärkten Aluminium-Kolbenlegierung
  20. Strength and ductility of thin Cu wires
  21. Modeling of deformation behavior of copper under equal channel angular pressing
  22. Reaktionssintern von AlMg–MgO zur Herstellung von Bauteilen auf Spinellbasis
  23. Determination of the local oxygen distribution in a commercial titanium alloy by 3-dimensional atom probe
  24. Phase diagram of the Al–Cu–Fe quasicrystal-forming alloy system
  25. Notifications/Mitteilungen
  26. Personal/Personelles
  27. Books/Bücher
  28. Conferences/Konferenzen
https://doi.org/10.1515/ijmr-2003-0120
Schlagwörter für diesen Artikel
Nb/α-Al2O3 composites; Metal/ceramic interfaces; Fracture; Strain mapping; Compression test; Fourpoint bending test; Finite element simulation

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  1. Frontmatter
  2. Articles/Aufsätze
  3. Bedeutung von Eigenspannungsabbau und mikrostrukturellen Veränderungen für die Lebensdauervorhersage schwingbeanspruchter Schweißverbindungen
  4. Factors affecting cyclic lifetime of EB-PVD thermal barrier coatings with various bond coats
  5. Depth-resolved X-ray residual stress analysis in PVD (Ti, Cr) N hard coatings
  6. Crystal orientation and residual stress in TiN film by synchrotron radiation
  7. Characterization of thermal and anodic oxide layers on β- and on near-β-titanium alloys for biomedical application
  8. Micromechanisms and modelling of crack initiation and growth in tool steels: role of primary carbides
  9. Fatigue crack nucleation at grain boundaries – experiment and simulation
  10. Fatigue and fracture-induced defect structures of metals investigated by positron microscopy
  11. Deformation and fracture of Nb/α-Al2O3 composites in compression and bending studied by optical methods
  12. Dislocation microstructures of single crystal ⟨001⟩ CMSX-4 specimens tensile tested at 700 and 1000°C
  13. Influence of mechanical surface treatments on the HCF performance of the Ni-superalloy Udimet 720 LI
  14. Precipitation of β-phase and twinning during deformation of Mg–Al alloy AZ91 at 150 °C after solution treatment
  15. Nanograin size, high-nitrogen austenitic stainless steels
  16. Der dynamische SD-Effekt und der Einfluss auf die Fließortkurve
  17. Einfluss der Umformgeschwindigkeit und -temperatur auf das Fließverhalten metallischer Werkstoffe
  18. Mean stress sensitivity of sintered iron and steel
  19. Thermozyklisches Kriechen einer kurzfaserverstärkten Aluminium-Kolbenlegierung
  20. Strength and ductility of thin Cu wires
  21. Modeling of deformation behavior of copper under equal channel angular pressing
  22. Reaktionssintern von AlMg–MgO zur Herstellung von Bauteilen auf Spinellbasis
  23. Determination of the local oxygen distribution in a commercial titanium alloy by 3-dimensional atom probe
  24. Phase diagram of the Al–Cu–Fe quasicrystal-forming alloy system
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