MICROSTRUCTURE ET PROPRIETES MECANIQUES DE MATERIAUX CERAMIQUES, DE TYPE BxC/SiC, FRITTES SANS CHARGE

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Submitted on 1 Jan 1986

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MICROSTRUCTURE ET PROPRIETES

MECANIQUES DE MATERIAUX CERAMIQUES, DE TYPE BxC/SiC, FRITTES SANS CHARGE

Jessica Dubois, Gilbert Fantozzi, M. Bougoin, F. Thevenot

To cite this version:

Jessica Dubois, Gilbert Fantozzi, M. Bougoin, F. Thevenot. MICROSTRUCTURE ET PROPRIETES MECANIQUES DE MATERIAUX CERAMIQUES, DE TYPE BxC/SiC, FRITTES SANS CHARGE. Journal de Physique Colloques, 1986, 47 (C1), pp.C1-751-C1-755.

�10.1051/jphyscol:19861114�. �jpa-00225510�

JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque Cl, supplement au n02, Tome 47, fevrier 1986 page cl-751

MICROSTRUCTURE ET PROPRIETES MECANIQUES DE MATERIAUX CERAMIQUES, DE

TYPE B,C/SiC, FRITTES SANS CHARGE

J. DUBOIS, G. FANTOZZI, M. BOUGOIN* et F. THEVENOT*

Groupes dlEtudes de M6tallurgie Physique et de Physique des Materiaux,(C.R.R.A.C.S.) UA 341. INSA de Lyon,

F-69621 Villeurbanne Cedex, France

* ~ q u i ~ e Ceramiques Speciales, Ecole Nationale Superieure des Mines de Saint-Etieme,(C.R.R.A.C.S.) F-42023 Saint-Etieme

Cedex, France

Resume

-

Les echantillons de 8,C et de BxC/SiC ont et6 pr6par6s avec des poudres d'origine diffgrente. Ces produits sont fritt6s sans pression avec ajout de carbone obtenu par pyrolyse in-situ d'une resine phenolique de type novol aque. Les propr iet6s mecaniques obtenues aussi bien

a

temperature ambiante qu'B chaud, sont analysees et compar6es B celles d'un carbure de bore d'origine comnerciale obtenu par compression chaud.

Abstract

-

Samples of BxC and BxC/SiC have been prepared with different powders. After cold isostatic pressing the products are pressureless sintered with a sintering additive, a phenolic resin. The mechanical properties have been investigated at R.T. and up to 1200°C and are compared with those of an hot pressed boron carbide.

INTRODUCTION

Le carbure de bore est connu pour sa grande r6fractairitk mais i l est sensible Zi

l'oxydation B haute temp6rature. I1 dtait donc interessant de l'associer au carbure de silicium qui, cBt6 de bonnes proprietds dcaniques

a

froid et B chaud, se distingue du BxC par une meilleure resistance B l'oxydation, au choc thermique ainsi qu 'une mei l leure t6nacit6.

Dans cet Btat d'esprit nous avons entrepris d'evaluer le comportement thermokcanique di6chanti l lons de BxC, fritt6s sans pression (repere A.P. ) et sous charge (repere C.C. ; origine industrielle : Quartz et Silice), et de composites BxC/SiC frittes sans charge.

PROCEDURE EXPERIMENTALE

La m6thode d861aboration a Btt5 detaillee par Bougoin /l/ ; rappelons brievement l'origine des poudres :

carbure de bore (BxC), synthetise par magdsiothermie (Quartz et Silice

-

France) puis purifi6 par traitement thermique sous vide 1600°C :

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19861114

TABLEAU

-

PropriStes du carbure de bore et des composites "BxC/SiC" frittSs sans charge Properties of pressurelesssintered boron carbide and "BxC/SiC1'

r Comyosi tion en msse (U ou 5) Sic OSC Temperature de frittage (OC) Densi tC des fri ttes (g/cm3) Densite relative des frittes (X) Porosi te ouverte % Oiametre des grains (vm) Microduret6 Knoop : HKzOog (GPa) Modirle d1Young d 20°C : E (GPa) methode dynami que f?&sistance 1 la rupture S 20°C : 'fypts (MPs) Resistance a la rupture a 1200°C : 'f' Opts (MPa) TBnacite Indentation A 20°C : KIC (tI~a.rn3) Endomagemen t ar chocs thermlquos eau a 2000 AT,(OC),

0 : 100 CC

>

2,47

>

98 0,o 5 0 29,0+1,5 3793 380538 342244 3,25+0,25 260

(a)10:90 2110 2,40 93,2 1 SO 6 25.5i2.8 360 +- 17 310 t 31 310 t 31 2,91+ OS25

---

(8)60: 40 2110 2.77 95.8 0.0 25,4i1,0 361 t 17 330 i 33

---

2.57'0.25 280

(,y,)30:70 2130 2.61 97,2 0,o < 5 26.4tlsO 414 i 20 330 i 33

---

2,93+0,25

---

0 : 100 A P 221 0 2,36 94 0,O 10,5

---

36456 160216

---

2,91+--0,15

(a)70*: 36 2125 2,89 97,6 0~0 C 3 25.7t0.9 398 i 19 290 i 29 250 +- 25 2,63f 0.25

-,.-

-

(,y,)90: 10 2105 3.09 98.8 0 SO I < 5 - 25.3i1.1 404 t 19 250 i 25

---

2,65t 0,25

---

(8)4: 96 2165 2.40 94.6 < 0~1 % 5-80 26,8+1,9 359 i 17 170 i 17 -a-

---

(8)8: 92 2150 2 $39 93.2 1 ,O < l0 25.0i2.0 350 i 17 300 t 30

--- ---

250

(Btotal at. %/Ctotal at. % = 4,021

carbure de silicium (Sic), type o((A10, hexagonal) et ~ ( 6 1 0 , cubique) (poudres d'origine Starck R.F.A.).

Les caracteristiques generales des materiaux obtenus sont regroupees dans le tableau general des propriet6s.

RESULTATS ET DISCUSSION

Les resultats des diffdrents essais (g6neralement 3 par nuance) effectuds sur les composites BxC/SiC sont regroupes sur le tableau et sont compares B ceux obtenus sur des carbures de bore de references CC et AP.

L'Qvolution de la densite relative des materiaux montre une meilleure aptitude au frittage des composites riches en Sic. L'btude de la microstructure, au MEB, r6v2le une taille de grains qui s'affine pour des teneurs croissantes en Sic et se stabilise aux environs de 5 p m au-delh d e 1 0 % en Sic. Cependant c'est dans le domaine des compositions intermediaires : (8/92 ( SiC/BxC 4 70/30) que la microstructure est la plus homoggne. Pour les compositions extrsmes, des ddfauts de structure importants ont it6 observes, cavites pour les mat6riaux riches en bore et grosses inclusions de BxC pour ceux riches en SIC.

L'het6rogBnbi t6 de microstructure plus importante des bchant i l lons de composition extrsme se traduit par une resistance B la rupture en flexion h temperature ambiante plus faible que celle des Cchantillons de composition interddiaire dont les valeurs depassent 300 MPa. Ces resultats restent cependant inferieurs i ceux de Schwetz et a1 /2/ qui annoncent des valeurs de plus de 400 MPa pour des matCriaux similaires. Cette diffCrence peut etre expliquge par une taille moyenne de grains plus faible, d e l'ordre de 2 p m , ainsi qu'une meilleure repartition de la porositt? pour les materiaux testes par Schwetz. Des essais de f lexion a 1200°C sur deux nuances de composites, n'ont pas montre de f lechissement sensible de la resistance i la rupture (voir Tableau). Ce comportement

a

chaud avait et6 dgalement observe sur des echantillons de carbure de bore de type CC jusqu'i 1400°C. Ces derniers resultats sont en desaccord avec ceux de Schwetz et a1 121 et en accord avec ceux de De With /3/ et Beauvy /4/. Ce dernier souligne la grande dispersion des rdsultats, dont I1origine est l'hdtGrog6n6it6 de la structure, qui l'emporte sur l'effet de temperature. Cela est d'ailleurs confirm6 par De With /3/

par des mesures de module de Weibull, voisin de 5 pour un BxC press6 chaud. Quant au facies de rupture i l est essentiellement transgranulaire aussi bien B froid qu'8 chaud.

Le module d8Young ne peut Etre influence par la composition puisque les deux carbures ont sensiblement la &me valeur de module blastique. Cependant i l est sensible i la porositd : on observe des valeurs de module proches de 400 GPa pour 1 i 3 % de porosite et de 360 GPa pour 4 i 7 % de porosite. Par contre la microduretd est pratiquement constante traduisant le fait que l' information est d'ordre microscopique plut6t que macroscopique.

La mesure de tenacit6 est un parameh a important pour la connaissance du materiau et i l est nCcessaire d'effectuer ces mesures aussi bien B froid qu'h chaud.

C'est pourquoi nous nous s o m e s interessds aux techniques d'indentation qui avaient et6 utilisees avec succks par Moussa et a1 /5/ sur un matgriau trbs proche de ceux qui font l'objet de cette etude : Sic. Pour tester ces differentes d t h o d e s et comparer i des essais de type SENB nous avons u t i l i d des echantillons de BxC rep6rds CC avec des ktats de surface differents : brut de rectification, rectif i6 puis p01 i au diamant l pm, rectif ic? puis attaque anodiquement.

La d t h o d e de mesure directe a 6tb test6e sur des Bchantillons dont une face etait soigneusement polie sur laquelle Btait effectue un essai d'indentation. La charge (P = 78.48 N) 6tait choisie de manibre

a

respecter la condition c 3 2a, avec

JOURNAL DE PHYSIQUE

2c longueur de la fissure m6diane-radiale et 2a diagonale de l'empreinte. Ces dimensions Btaient mesur6es en microscopie optique C.I. puis KC Btait calcul4 partir des relations propos6es par plusieurs auteurs :

KC= (0,15k/1#1) (c/a)-312 H, a112 = 3,00 ~ ~ a . m l / ~ avec

Q)

~3 k = 3,2 /6/

KC = ~ O Y H a112 (E/H,)~<~ = 5,06 MPa m112 avec Y =

-

^1,59

-

⁰ 34 (log c/a)-2,02(log c/a)2 + 11,23 (log c/a)

-

24,97 (log c/a14 + 16,32 (log c/alS /7/

KC = 0,016 ( E / H ) ~ / ~ (P/c)~/~ = 3,64 MPa m112 avec H = p/2a2 /a/

La m6thode du d6faut de surface control6 n6cessite d'effectuer successivement une indentation Vickers sous charge de 78,48 N puis de rompre I16prouvette en flexion pour dgterminer la resistance

B

la rupture initi6e par un d6faut semi-circulaire dont on peut 6valuer les dimensions 2c pour la largeur et a pour la profondeur, dlapr&s le facies de rupture observ6 au M.E.B.

KIC = (6R~fi)/$,orf(a/c) et M facteur correctif (dlapr&s /9/ M = 1,06.) 6chantillon 6tat poli : KIC = 2,38 ~pa.ml/~

Cchantillon Ctat attaquC anodique : KIC = 2,18 PIpa.m1/*.

La me'thode I.S.B. (Indentation/Strength in Bending) a 6t6 d6velopp6e par Chantikul et a1 /10/. Pour llessentiel elle consiste h effectuer un essai d'indentation avec une charge P = 78,48 N puis a rompre l'echantillon en flexion 4 points sous atmosphSre neutre. La vitesse de dkplacement de la traverse est de 1 n min-l pour minimiser les risques de croissance lente. La t6nacit6 est alors d6termin6e par la relation :

Bchantillons 6tat "poli' : KIC = 3,57 MPa m1l2 et 3,13 MPa m1j2

6chantillons Btat 'attaqu6 anodique" : KIC = 3, 9 MPa m1l2 et 3 17 MPa m1l2

P

6chantillons Ctat "brut" : KIC = 3,30 MPa m i2, 3 14 MPa m2I2, 3,54 MPa m1/2, 3,04 MPa m1/2, soit une valeur moyenne de 3,25 MPa m1I2.

Ces r6sultats sont en bon accord avec ceux de Chantikul et a1 /10/ qui montraient le peu d'influence des contraintes r6siduelles dues

B

1'6tat perturbe de la surface tout au moins

B

ce niveau d'endommagement. Ce travail montre, c o m e celui de Moussa et a1 /5/ sur Sic, une grande dispersion des r6sultats due non seulement la me'thode mais aussi au mat6riau. I1 ne faut pas perdre de vue que la valeur de la t6nacit6 augmente avec la propagation de la fissure et cela d'autant plus que le grain est plus gros, Mussler /11/ (effet dit de courbe R).

I\lous avons opt6 pour la me'thode I.S.B. qui a l'avantage de la simplicit6 de mise en oeuvre. Les valeurs obtenues sont assez proches de celles mesurees anterieurement avec d'autres dthodes sur des mat6riaux equivalents, citons Schwetz et a1 /2/ et De With /3/. Par cette m6thode ont Ct6 mesur6es les valeurs de t6nacit6 des composites BxC/SiC qui sont port6es sur le tableau rbcapitulatif. Pour comparaison sont 6galeiiient port6es les valeurs obtenues sur un BxC, obtenu dans les d m e s conditions que les composites, reper6 AP ainsi qu'un autre rep&r6 CC mais obtenu par compression

B

chaud. La figure 1 pr6sente nos r6sultats ; nous n'observons pas de variation sensible du KIC avec la composition c o n e ceux de Schwetz et a1 /2/ dont la croissance monotone avec la teneur en Sic atteint la valeur du KIC de Sic. Ce comportement est coh6rent avec les autres rCsultats de propri6t6s mecaniques, faisant ressortir l'influence notable de la microstructure.

CONCLUSION

Les r6sultats des essais mecaniques obtenus sur des composites BxC/SiC fritt6s sans charge sont encourageants si on les compare

B

ceux obtenus d'une part

sur un BxC obtenu dans les m&mes conditions et un carbure de bore d'origine industrielle comprim6

a

chaud. Les rdsultats sont assez proches du carbure comprimd

a

chaud, en particulier le comportement au choc thermique, its sont uniquement limit& par une certaine inhomogcSnCit6 de la structure.

Tenacitt!, KIC (MPa.nz) I

SCHWETZ et a l . ; aSiC/B=c [:3 3 (3.5 ^C libre < 5.5 2)

REFERENCES

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/10/ Chantikul, P., Anstis, G.R., Lawn, B.R., Marshall, D.B., J. Amer. Ceram. Soc.

64 (1981) 539-543

/ U / Mussler, B., Swain, M.V., Claussen, N., J. Amer. Ceram. Soc. 65 (1982) 566-572

,-

l

-

L A P

-

^{0 B,C/oSiC}

C libre c 1.5 % BzCISSiC

I I I I I I I

0 10 30 60 70 W 100 s i c

100 90 70 40 30 l0 0 B,C

Figure 1

Tenacite 5 20°C du carbure de bore et composites BxC/SiC frittgs sans charge Room temperature fracture toughness of pressureless sintered of BxC and BxC/SiC