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 broyage et de polissage, des revêtements résistants à l'usure, des revêtements intérieurs de tuyaux ou d'équipements, 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 résistants à l'usure les plus courants sont 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 plus performants, 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 des céramiques est affectée par deux facteurs : la structure du matériau lui-même et les 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 résistance à l'usure des matériaux céramiques, on pensait que la dureté des matériaux céramiques était étroitement liée à la propriété d'usure. Il s'est avéré par la suite que la relation entre la dureté et l'usure des céramiques n'était pas aussi 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 d'adhérence du joint de grain, 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 à la rupture et de la dureté du matériau, le taux d'usure des céramiques 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'intercristaux, et sa microstructure détermine souvent ses propriétés macroscopiques. De nombreuses études ont montré que la résistance à l'usure des matériaux céramiques est étroitement liée à la taille des grains, à la composition de la phase du joint de grain, à la distribution des contraintes sur le joint de grain, 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 de base 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 augmenter efficacement la trajectoire de croissance des fissures et favorise la concentration des contraintes dans le matériau dispersé. On constate que le raffinement des grains a une certaine influence sur la résistance à l'usure des matériaux céramiques.

Porosité

La porosité a un effet très important sur les propriétés des céramiques. Le pore équivaut à l'existence d'un défaut, qui provoque une concentration de contraintes, accélère l'expansion des fissures et réduit la force de liaison entre les grains, ce qui affecte gravement les propriétés mécaniques des céramiques. Sous l'action de la friction, les pores peuvent se connecter les uns aux autres pour former une source de fissure, ce qui accélère l'usure du matériau.

Phase de jointure des grains et impureté intercristalline

Les céramiques sont composées de grains, de phases de joints de grains et de pores. Au cours du processus de frittage, certains additifs et impuretés ajoutés aux céramiques existent principalement à la limite des grains sous la forme d'une "seconde phase" ou d'une "phase vitreuse", et leur existence affecte la force de liaison entre les grains. Au cours du frottement et de l'usure de la céramique, des fissures peuvent facilement se produire à la limite des grains. La faible force d'adhérence des joints de grains entraînera une fracture le long du grain au cours du processus d'usure, ce qui provoquera l'arrachement du grain entier et une usure importante.

L'additif des céramiques polycristallines se trouve généralement sur le joint de grain sous la forme d'une phase vitreuse. Pendant le processus de friction, la température élevée qui en résulte réduit la viscosité du verre, ce qui entraîne une déformation plastique. Si la contrainte du joint de grain adjacent n'est pas appropriée, elle provoquera une fissure au niveau du joint de grain et une usure importante.

Si une quantité appropriée d'additifs peut former une seconde phase au joint de grain, la résistance à l'usure du matériau s'en trouve généralement améliorée. Par exemple, l'ajout de zircone à l'alumine permet de fabriquer des céramiques d'alumine durcies à la zircone, également connues sous le nom de céramiques ZTA. Comme l'augmentation de la contrainte critique induite par le T-ZrO2 est propice à l'amélioration de la résistance 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 microcristallisation en termes de microstructure, de manière à améliorer encore la résistance à l'usure.