Hertzian indentation of a ZrB2–30% SiC ultra-high-temperature ceramic up to 800°C in air

Abstract

The contact mechanical properties of the ZrB2–30% SiC ultra-high-temperature ceramic (UHTC) were studied from room temperature up to 800°C in air, by combining Hertzian indentation tests with finite element modeling. It was found that the elastic modulus and yield stress decrease with increasing temperature, especially above 600°C. It was also found that the ZrB2–30% SiC UHTC is “ductile” in the sense that its first damage mode is quasiplasticity, followed by cone cracking, and eventually by radial cracking. However, its contact-damage resistance degrades as the temperature increases, again especially above 600°C. Nevertheless, it is highly damage tolerant because the critical loads for radial cracking are one order of magnitude greater than these for quasiplasticity. This is the first report on the temperature dependence of the Hertzian indentation of UHTCs, whose study is necessary if they are to be used in aerospace applications.

Se estudiaron las propiedades mecánicas de contacto de la cerámica de ultra alta temperatura (UHTC) ZrB2-30% SiC desde temperatura ambiente hasta 800°C en aire, combinando ensayos de indentación hertzianos con modelización por elementos finitos. Se observó que el módulo elástico y el límite elástico disminuyen con el aumento de la temperatura, especialmente por encima de 600ºC. También se descubrió que el UHTC de ZrB2-30% SiC es "dúctil" en el sentido de que su primer modo de daño es la cuasiplasticidad, seguida de la fisuración cónica y, finalmente, de la fisuración radial. Sin embargo, su resistencia al daño por contacto se degrada a medida que aumenta la temperatura, de nuevo especialmente por encima de 600°C. No obstante, es muy tolerante a los daños porque las cargas críticas para la fisuración radial son un orden de magnitud superiores a las de la cuasiplasticidad. Este es el primer informe sobre la dependencia de la temperatura de la indentación hertziana de los UHTC, cuyo estudio es necesario si se van a utilizar en aplicaciones aeroespaciales.